一種基于恒壓源充放電的高精度張弛振蕩器的設(shè)計(jì)

電子科技大學(xué)電子薄膜與集成器件國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 余清華 宋 健 代 杰

1.引言

振蕩器是許多電子系統(tǒng)的重要組成部分。從微處理器的時(shí)鐘產(chǎn)生到蜂窩電話中的載波合成，振蕩器無(wú)處不在。而且在不同的應(yīng)用中，其要求的結(jié)構(gòu)和性能參數(shù)差別很大。振蕩器一般分為RC振蕩器（也稱張弛振蕩器）、LC振蕩器、石英晶體振蕩器等[1]。RC振蕩器是應(yīng)用最為普遍的一種振蕩器電路，它的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本較低、功耗也較小。但是它受工作電壓和溫度變化的影響較大，工藝相關(guān)性較差，精度也較差，一般認(rèn)為其誤差在1%～10%之間。RC振蕩器的低功耗、低成本和易于集成等優(yōu)點(diǎn)使其廣泛應(yīng)用中集成電路中，而提高其精度成為一個(gè)研究方向[2]。

本文在介紹傳統(tǒng)基于恒流源充放電張弛振蕩器的原理及產(chǎn)生輸出頻率誤差的原因的同時(shí)，認(rèn)識(shí)到基于恒壓源充放電的張弛振蕩器能更好地減小由于電路延時(shí)引入的誤差。為了最大程度削弱比較器等電路延時(shí)對(duì)輸出頻率帶來(lái)的影響，在振蕩的低閾值點(diǎn)處引入鉗位電路，克服了基于恒壓源充放電的張弛振蕩器的不足。另外，本設(shè)計(jì)中的比較器等電路也有較高的響應(yīng)速度，因此也減小了由于電路延時(shí)引入的誤差，提高了輸出頻率的精度。

2.傳統(tǒng)張弛振蕩器的工作原理

傳統(tǒng)張弛振蕩器的一般結(jié)構(gòu)如圖1所示，電路主要由恒流源I1和I2、可控開(kāi)關(guān)switch1和switch2、高位比較器和低位比較器以及邏輯控制部分等電路組成。其工作原理為：剛上電時(shí)，電容電壓VC為低電平，該電平輸入到兩個(gè)比較器產(chǎn)生一個(gè)邏輯，進(jìn)而控制開(kāi)關(guān)1導(dǎo)通，開(kāi)關(guān)2關(guān)斷，即電流源I1對(duì)電容C進(jìn)行充電，這時(shí)電容上的電壓會(huì)不斷上升，直至上升到高位比較器所設(shè)定的高閾值點(diǎn)VH；這時(shí)輸出邏輯發(fā)生跳變，進(jìn)而關(guān)斷開(kāi)關(guān)1，導(dǎo)通開(kāi)關(guān)2，即電流源I2對(duì)電容C進(jìn)行放電，這時(shí)電容電壓會(huì)不斷降低，直至降低到低位比較器所設(shè)定的低閾值點(diǎn)VL，使得輸出邏輯再次跳變，此時(shí)又進(jìn)入充電狀態(tài)，這樣不斷反復(fù)就可以在電容器上輸出連續(xù)不斷的振蕩波形。設(shè)充電時(shí)間為t，且I1=I2=IC，則有：

由（5）式可知，在電容C和充放電電流IC不變情況下，該振蕩器的輸出頻率由高低閾值點(diǎn)的差值（VH-VL）唯一確定，所以可通過(guò)調(diào)節(jié)高低閾值點(diǎn)的差值，從而方便地調(diào)節(jié)振蕩器輸出頻率。但以上分析是在各個(gè)電路無(wú)延時(shí)且充放電電流恒定的條件下獲得的。

3.輸出頻率產(chǎn)生誤差的原因

3.1 電路延時(shí)對(duì)輸出頻率的影響

由于實(shí)際電路必定存在延時(shí)，張弛振蕩器產(chǎn)生電路也不例外。雖然可以采用各種手段來(lái)提高電路的響應(yīng)速度，但延時(shí)始終無(wú)法消除。因此，當(dāng)電容上的電壓上升或下降到所設(shè)置的閾值點(diǎn)時(shí)，由于比較器和控制部分的延時(shí)，使得開(kāi)關(guān)要延時(shí)一段時(shí)間才開(kāi)始動(dòng)作，而在這段時(shí)間內(nèi)，電流源仍在對(duì)電容進(jìn)行充放電，從而產(chǎn)生了超過(guò)原本開(kāi)關(guān)動(dòng)作所需電壓的過(guò)充電壓[3]。根據(jù)（3）式可知，該過(guò)充電壓與電路延時(shí)時(shí)間成正比，所以要減小電路延時(shí)對(duì)輸出頻率的影響，可以提高電路響應(yīng)速度，從而減小由于電路延時(shí)引起的在比較器上下閾值點(diǎn)處的過(guò)充電壓，進(jìn)而提高輸出頻率的精度。

3.2 溫度對(duì)輸出頻率的影響

圖1 傳統(tǒng)張弛振蕩器的基本結(jié)構(gòu)

圖2 基于恒壓源充放電的張弛振蕩器

顯然，實(shí)際元器件都有一定的溫度特性，所以在不同溫度下，表現(xiàn)出來(lái)的電學(xué)特性也就不同。一方面，高低閾值點(diǎn)及充放電電流分別由電壓基準(zhǔn)源和電流基準(zhǔn)源提供，由于電壓基準(zhǔn)源和電流基準(zhǔn)源均有一定的溫度特性，從而使（5）式表現(xiàn)出較大的溫度特性。另一方面，溫度會(huì)對(duì)比較器和邏輯控制等電路的延時(shí)產(chǎn)生影響，從而使得不同溫度所對(duì)應(yīng)的延時(shí)不同，也就無(wú)法通過(guò)對(duì)高低閾值點(diǎn)進(jìn)行微調(diào)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)過(guò)充電壓的補(bǔ)償，進(jìn)而消除電路延時(shí)對(duì)輸出頻率帶來(lái)的影響。

綜上所述，傳統(tǒng)張弛振蕩器輸出頻率產(chǎn)生誤差的原因，一方面是由于比較器和邏輯控制部分等電路存在延時(shí)，使得充放電控制開(kāi)關(guān)并未在電容電壓上升或下降到所對(duì)應(yīng)的閾值點(diǎn)時(shí)就立刻導(dǎo)通或關(guān)斷，從而產(chǎn)生了過(guò)充電壓，進(jìn)而引入了誤差；另一方面，元器件本身的溫度特性，使得上下閾值點(diǎn)及充放電電流顯現(xiàn)出溫度特性，加上電路延時(shí)時(shí)間也與溫度有關(guān)，進(jìn)而引入了溫度特性誤差。

3.3 減小輸出頻率誤差的方法

根據(jù)以上分析，我們了解了張弛振蕩器輸出頻率產(chǎn)生誤差的原因。現(xiàn)在，我們從引起輸出頻率產(chǎn)生誤差的因素入手，討論減小輸出頻率誤差的方法。

對(duì)于元器件的溫度特性引入的誤差，可通過(guò)不同器件的溫度特性來(lái)加以補(bǔ)償，使整體電路有更好的溫度特性。對(duì)于張弛振蕩器而言，溫度引入最主要的誤差為充放電閾值點(diǎn)及充放電電流隨溫度的漂移。對(duì)此，我們可通過(guò)設(shè)計(jì)良好溫度特性的電壓基準(zhǔn)源和電流基準(zhǔn)源。電壓基準(zhǔn)源可采用帶隙基準(zhǔn)結(jié)構(gòu)電路，并在此基礎(chǔ)上引入溫度高階補(bǔ)償，使電壓基準(zhǔn)在整個(gè)工作溫度范圍內(nèi)達(dá)到或接近零溫系數(shù)，具體可參考文獻(xiàn)[4～6]。對(duì)于電流基準(zhǔn)源，具體可參考[2]中的電流基準(zhǔn)產(chǎn)生電路。

對(duì)于比較器等電路延時(shí)引入的誤差，顯然，可通過(guò)設(shè)計(jì)響應(yīng)速度高的比較器和邏輯控制模塊等電路，以減小電路延時(shí)。但不管怎樣，電路延時(shí)始終無(wú)法消除，所以僅靠減小電路延時(shí)來(lái)提高輸出頻率的精度就顯得非常有限。所以，要得到更高精度的輸出頻率，必然要對(duì)電容充放電機(jī)制進(jìn)行改進(jìn)。其思路為：由（3）式可知，在相同的電路延時(shí)情況下，較小的充放電電流引入的過(guò)充電壓就較小，電路延時(shí)對(duì)輸出頻率的影響也就較小，但由于輸出頻率與充放電電流正相關(guān)，因此，一定的輸出頻率所對(duì)應(yīng)的充放電電流也就確定，所以不能在整個(gè)充放電過(guò)程減小充放電電流，只能在高低閾值點(diǎn)附近減小充放電電流，以減小由于電路延時(shí)引入的誤差。同時(shí)，由于電路延時(shí)僅僅在高低閾值點(diǎn)附近才會(huì)引入誤差，所以通過(guò)在閾值點(diǎn)附近減小充放電電流來(lái)減小電路延時(shí)影響的方法可行。

圖3 比較器與控制部分實(shí)現(xiàn)電路

圖4 電路仿真波形圖

4.改進(jìn)的張弛振蕩器

由于RC電路的零狀態(tài)可表示為（6）式，由（6）式可知，對(duì)于零狀態(tài)響應(yīng)的電容，其充電電流隨時(shí)間t指數(shù)衰減，所以可以很好地滿足在閾值點(diǎn)附近其充放電電流最小，也就能很好地減小由于電路延時(shí)引入的誤差。據(jù)此，我們可得到圖3所示的張弛振蕩器。

電路中，R1>>R2，所以放電時(shí)間相對(duì)于充電時(shí)間非常短，因此時(shí)鐘周期可近似為充電時(shí)間。下面計(jì)算時(shí)鐘電路充電時(shí)間。由RC電路的零狀態(tài)響應(yīng)可得：

表1典型溫度下振蕩頻率值

由（7）、（8）兩式，可得：

由（9）式可知，基于恒壓源充放電的張弛振蕩器，其輸出頻率由高低閾值點(diǎn)和充電電壓決定。所以，可通過(guò)設(shè)定高低閾值點(diǎn)和充電電壓來(lái)得到所需要的頻率。由于其充電電流呈指數(shù)衰減，所以在高閾值點(diǎn)附近其電流值較小，因此電路延時(shí)引入的誤差也就較小。但在低閾值點(diǎn)附近，由于R2電阻較小，所以放電電流仍然較大，則在低閾值點(diǎn)附近由于電路延時(shí)引入的誤差仍然較大。為了減小低閾值點(diǎn)附近由于電路延時(shí)引入的誤差，可在低閾值點(diǎn)處引入以鉗位電路，使電容電壓被鉗位在低閾值點(diǎn)附近，如圖2所示的鉗位電路。另外，我們可通過(guò)設(shè)計(jì)具有良好溫度特性的電壓基準(zhǔn)源，來(lái)提高整個(gè)振蕩系統(tǒng)的溫度特性。比較器與邏輯控制部分電路如圖3所示。

5.電路驗(yàn)證仿真

設(shè)定電路中的電容為1nF，充電電阻R1為5.88K，放電電阻為346歐姆，充電電壓VREF為7.5V，高閾值點(diǎn)為3.75V，低閾值點(diǎn)為1.25V，使用CSMC 0.5um BCD工藝庫(kù)，用cadence spectre仿真，仿真結(jié)果如圖4所示。由圖4可知，實(shí)際高閾值點(diǎn)為3.738V，低閾值點(diǎn)為1.262V。振蕩波形波峰值為3.751V，波谷值為1.248V，從而得到高閾值點(diǎn)過(guò)充電壓為13mv，低閾值點(diǎn)過(guò)充電壓為14mv，但實(shí)際過(guò)充電壓應(yīng)減去比較器電平翻轉(zhuǎn)所需要的差值。因此，可推出由電路延時(shí)引起的過(guò)充電壓幾乎為零，而且在低閾值點(diǎn)處，鉗位電路效果很好，電路延時(shí)僅多引入1mv的誤差。但如此好的效果還得益于比較器電路的高響應(yīng)速度，否則由電路延時(shí)引入的誤差還會(huì)增大，但不管怎樣，由電路延時(shí)引入的誤差都能被極大地削弱，這正是基于恒壓源充放電張弛振蕩器的優(yōu)勢(shì)所在。

為確保該振蕩器有良好的溫度特性，在此，對(duì)電路在不同溫度下進(jìn)行仿真。表1是本文設(shè)計(jì)的電路在-50℃，25℃，100℃，150℃下的仿真結(jié)果。從表1可知，在室溫下，振蕩頻率為274K，且在-50～150℃的溫度范圍內(nèi)，溫度系數(shù)為346.7ppm/℃.驗(yàn)證了該振蕩器有較好的溫度特性。

6.結(jié)論

本文在介紹傳統(tǒng)張弛振蕩器原理的同時(shí)，分析了張弛振蕩器輸出頻率產(chǎn)生誤差的原因，從而得出基于恒壓源充放電的張弛振蕩器能更好地減小由于電路延時(shí)引入的誤差，同時(shí)也認(rèn)識(shí)到基于恒壓源充放電的張弛振蕩器在低閾值點(diǎn)處，由于放電電流仍然較大，所以由于電路延時(shí)引入的誤差也較大的缺點(diǎn)，因此通過(guò)在低閾值點(diǎn)處引入鉗位電路對(duì)電路進(jìn)行改進(jìn)。仿真結(jié)果表明，振蕩波形在高低閾值點(diǎn)處產(chǎn)生的過(guò)充電壓很小，且低閾值點(diǎn)處的過(guò)充電壓僅比高閾值點(diǎn)處的高1mv，也就驗(yàn)證了鉗位電路取得了較好的效果。另一方面，在-50～150℃的溫度范圍內(nèi)，輸出頻率的溫度系數(shù)為346.7ppm/℃.驗(yàn)證了該振蕩器具有良好的溫度特性。

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