1 電路結構
    圖1給出刷新時鐘電路示意圖。電路左邊是一條反相器反饋鏈，反相器鏈輸出和使能信號EN共同控制一個兩輸入端的與非門，與非門的輸出連接上拉管MP1的柵極，下拉管MN1柵極和刷新電路的時鐘輸出；反相器鏈輸入端連接的是電容C1，而且反相器鏈的輸入端的第一個反相器是施密特反相器。電路的右邊是時鐘調整單元。時鐘調整單元主要由一條充放電的通路構成，通路由3個基本的MOS管組成，其中上拉管MP1受與非門輸出控制，用于對電容C1進行充電；下拉管MN0也受與非門輸出控制，其狀態(tài)正好與MP1管相反，用于開啟放電通路，對電容C1進行放電；放電管MP0主要用于對電容C1放電，以Diodes方式連接。

2 電路工作原理
    電路上電后，EN信號使能，電容C1沒有儲存電荷，Vcap點電壓為低電壓“0”，通過反相器鏈的反饋作用，N0點電壓是低電壓“0”，上拉管MP1開啟，下拉管MN1關閉，電源對電容C1充電，MP1的尺寸比較大，所以充電速度比較快，電容C1迅速被充到高電平。當電容C1電壓超過了施密特反相器的上翻轉點(假設為VM+，VM+>Vdd／2)，反相器鏈開始轉變狀態(tài)，通過反相器鏈的傳播，在N0點處，電壓變?yōu)楦唠娖健?”，迫使上拉管MP1關閉，下拉管MN1開啟，電容C1停止充電，開始通過放電通路泄放電荷，電容電壓Vcap開始下降。當電容電壓低于施密特反相器的下翻轉點(假設為VM-，VM-<Vdd／2)，反相器狀態(tài)改變，經(jīng)過反相器鏈，N0點電壓處重新變?yōu)榈碗娖健?”，上拉管MP1開啟，下拉管MN1關閉，電容又重新開始充電過程。在反復的充放電過程中，電路在OUT點產生了振蕩時鐘。

    對于MOS電容C1，可以近似認為是平板電容：
    C*U=Q
式中：C為電容大小，U為電容電壓(即Vcap點電壓)。隨著放電通路開啟，電容C1中的電荷Q逐漸漏失，電容的大小C不變，電容電壓U開始下降。同時，對于放電通路，MP0管以DIODES方式連接，MP0一直處于飽和狀態(tài)，對于飽和電流公式：

   
式中：Vth是閾值電壓，Vgs是柵源電壓。Ugs對應于電路上就是MP0管兩端電壓，又由于MN1是下拉管，尺寸大，所以放電通路開啟后，MP1管的柵端和漏端電壓基本等于地電壓，而且MP1管的源端又連接在電容上，所以，可以認為Vgs就是電容電壓。因為電容電壓隨著漏電下降，即Vgs隨漏電下降。所以根據(jù)飽和電流公式，電流Ids呈平方關系減小。隨著Ids減小，電容電荷漏失的速度變慢，電容電壓下降的速度也隨之變慢。
    圖2說明的是以Diodes方式連接的晶體管，不同溫度下的電流和柵源電壓之間的關系。當柵源電壓比較高的時候，高溫時的飽和漏電流比低溫時的電流要低；相反地，當柵源電壓下降到閾值電壓附近，高溫時的飽和漏電流就比低溫時的電流要高。利用低柵源電壓的電流的溫度特性，高溫時，飽和漏電流Ids比低溫時大，電容C1的電壓下降得快，更快到達施密特反相器翻轉點VM-，電路振蕩時鐘周期就會比較短，相應地，其頻率就更快，就能夠體現(xiàn)出時鐘溫度的特性。

3 仿真結果分析
    圖3(a)是電容C1的電壓U在不同溫度下隨時間的變化曲線。電路開始工作后，在每個周期開始的階段，電容電壓C1處于高電平狀態(tài)，此時，通過MP0管的飽和電流Ids比較大，電容電壓下降得很快，在較短的時間內就下降到了接近開啟電壓附近，即MP0管進入低柵源電壓狀態(tài)，這個變化過程對應于圖上的曲線較陡的部分。當MP0進入低柵源電壓狀態(tài)，飽和電流，Ids值開始下降，電壓下降逐漸呈現(xiàn)越來越緩慢的趨勢，此時的變化過程對應于圖上曲線較平緩的部分。根據(jù)圖2的分析，以Diodes方式連接MOS管的電流大小的溫度特性在高低柵源電壓區(qū)正好相反，但是，從圖3電容C1的電壓變化曲線顯然得出：時鐘的周期取決于平緩的曲線部分。高柵源電壓部分時間太短，即使這個階段高溫時的電流比低溫時的電流小，也可以忽略這部分時間的作用。所以低柵源電壓的部分溫度特性才最終決定了電路的溫度特性。

    對比分析不同溫度下電容C1充放電的電壓變化曲線：溫度越高，充放電頻率越快。圖3(b)是電路時鐘輸出點的電壓的變化，對應于圖3(a)的曲線，輸出時鐘受MP0管的溫度特性影響，高溫時的時鐘頻率比低溫時要快，而且輸出的時鐘是一個占空比很小的脈沖，脈沖的寬度取決于反相器鏈的反饋時間。
    新時鐘電路消耗的功耗非常低，圖4(a)是刷新電路自身消耗的功耗，整個電路的平均工作電流都維持在10μA以下，比起傳統(tǒng)的刷新電路自身消耗的功耗相差無幾，甚至更低。圖4(b)是電路的刷新頻率隨溫度變化的趨勢，室溫(25℃)時的頻率比起高溫(125℃)時降低將近50％。所以，在存儲器的其他外圍電路的功耗相等的情況下，存儲器陣列室溫時用于刷新的功耗，與高溫相比，就相應地減少了50％，尤其是在存儲器長時間處于standby狀態(tài)(不進行讀寫，保持存儲器原有的數(shù)據(jù))時，將節(jié)省一半的功耗。

4 結 語
    經(jīng)過仿真測試表明，新的刷新時鐘電路的輸出頻率具有優(yōu)越的溫度特性，而且新電路的設計只采用了MOS晶體管器件，沒有用到電阻和雙極晶體管等大面積器件，因此整個電路的面積小。此外，電路自身消耗的功耗非常小。所以，與傳統(tǒng)的頻率不變的刷新電路相比較，新電路具有性能好、功耗低、成本低的優(yōu)勢。