一種高穩定性的振蕩電路

郭 暉，黃 堅，趙玲娜

（中國電子科技集團公司第58研究所，江蘇 無錫 214035）

1 引言

近年來，為減少生產成本，遙控器電路逐漸由使用外置的陶瓷諧振器演變為使用片內集成振蕩電路。遙控器在使用時通常采用兩節1.5V的干電池供電，隨著使用時間的增長，電池電壓會緩慢下降。此外遙控器的使用地域范圍很廣，環境溫度也會有較大的變化。因此為了保證遙控器發送的信號能在接收端被正確地解碼輸出，通常要求振蕩電路在-20℃～70℃、1.8V～3.8V工作范圍內的振蕩頻率能夠保持穩定。原先的陶瓷諧振器的振蕩精度在±1%左右，實際工程應用中要求內置振蕩器的振蕩精度在±2%左右。

2 電路原理與結構設計

振蕩電路的結構示意圖如圖1和圖2所示，主要包括帶隙基準、電壓比較和充放電電路幾部分，圖1給出了基準電壓產生部分的結構示意圖，圖2給出了電壓比較和充放電電路部分的結構示意圖。

圖1 基準電壓產生部分的結構示意圖

圖2 電壓比較與充放電電路結構示意圖

基準電壓Vref由典型的帶隙電壓基準源電路產生，Vref=Vbe+NVT。在室溫下Vbe具有負的溫度系數-2.2mV/℃，熱電壓VT具有正的溫度系數0.085mV/℃，將這兩個具有相反溫度系數的量以一定比例相加即可得到零溫度系數的參考電壓[1]。同時，Vbe幾乎不受電源電壓變化的影響，因而帶隙基準電壓源的輸出電壓也幾乎不受電源的影響。在產生Vref的同時生成以其為基準的1/2分壓Vref_2和1/4分壓Vref_4。AVDD由Vref通過運放跟隨的方式產生，電壓1.8V，作為圖2中電路的電源電壓。由于Vref隨電壓、溫度變化很小，因此Vref_2、Vref_4和AVDD的電壓也會很穩定，從而減小電壓對振蕩電路的振蕩頻率帶來的影響。

Vref_2用于產生電流鏡的參考電流Ibias。Vref_2與運放的柵輸入端相接，可認為接入一個阻抗無窮大的負載，帶隙基準部分沒有電流流出，保證了帶隙基準電壓源的正常工作。運放和電阻R1以及Q27構成電流負反饋，使用反饋放大器可以保證加在電阻R1上的電壓保持穩定，與輸出電壓的大小無關，從而產生穩定參考電流[2]。參考電流Ibias可由公式（1）計算得出：

基準電流通過電流鏡產生用于電容充電的充電電流IC，IC可由公式（2）計算得出：

通過比較器電路，將電容上的充電電壓與參考電壓Vref_4進行比較，從而產生最終的振蕩信號。根據電容充放電公式，振蕩信號的振蕩周期可以由公式（3）計算得出：

將公式（1）和公式（2）帶入公式（3）得：

由公式（4）可知，最后的振蕩頻率只與充放電回路中的電容和電阻R1相關，因而振蕩頻率的穩定性也只與電容和電阻的穩定性相關。

為了保證電容在不同溫度、電壓情況下的穩定性，設計中采用雙多晶電容作為充放電電容，減小電容值在不同條件下的變化量。電阻須選擇加工工藝中精度高且溫度系數小的電阻類型。同時，該結構振蕩電路可通過數字校正的方式對公式（4）中m的數值進行調整，從而修正電容、電阻偏差對振蕩中心頻率的影響。

3 仿真驗證

采用SMIC 0.18μm工藝模型對該振蕩電路進行仿真驗證。SMIC 0.18μm仿真模型中多晶2電阻的溫度系數為-1.63×10-4，因此以常溫25℃為基準時，在-25℃～75℃溫度范圍內振蕩頻率的理論偏差約為0.8%，所以R1選用多晶2電阻類型。

電路仿真波形如圖3所示。

圖3 充放電波形和最終振蕩輸出波形圖

對不同溫度和電壓條件下振蕩周期的仿真結果（100個周期取平均值）進行統計，統計結果如表1所示。

表1 不同條件下振蕩周期仿真結果

表格1對應的百分比統計結果如表2所示。

表2 不同條件下振蕩周期偏差百分比

4 結束語

本文設計的振蕩電路隨電壓、溫度波動都很小，振蕩的精度只與電阻相關。因此在選擇設計工藝時，只要滿足電阻精度高且溫度系數小的條件即可產生高穩定性的振蕩波形。經仿真驗證，該結構在-20℃～70℃、1.8V～3.8V工作范圍內振蕩頻率能夠達到1%的精度。

[1]Allen P E , Holberg D R. CMOS 模擬集成電路設計（第2版）[M]. 北京：電子工業出版社，2005.125.

[2]畢查德．拉扎維. 模擬CMOS集成電路設計[M].2002.