一種具有高階溫度補償的高精度RC振蕩器設計

王風波 茍博 王華杰等

摘 要：基于當前一些高集成度高精度應用領域時鐘信號大量需求的目的，介紹了一種具有高階溫度補償的高精度RC振蕩器。文中所設計的電流源電路采用了3階溫度補償的方法，可以有效降低電路對溫度變化的敏感性，利用具有超低溫度系數的電流對電容進行充放電，實現在較寬的溫度范圍內振蕩器頻率的高穩定性。仿真結果表明：在電源電壓范圍為2.5 V～5.5 V，溫度范圍為-40 ℃～125 ℃，及不同的工藝角下，輸出頻率精度保持在±0.25%以內。該RC振蕩器具有高精度的輸出頻率，能夠作為一些數模混合電路的時鐘信號。

關鍵詞：高精度；3階溫度補償；RC振蕩器；溫度敏感性基金項目：四川省科技計劃項目重點研發項目，項目編號2022YFG003

0 引言

振蕩器作為一種時鐘信號電路，是許多電子系統重要組成部分。隨著集成電路的快速發展，振蕩器會在數字及數模混合集成電路中扮演極其重要的角色。因此，需要一種高穩定高精度的可集成的振蕩器。

振蕩器是在不外加輸入信號的條件下，可僅僅依靠電路自激振蕩而產生具有周期性的信號。一般地，晶體振蕩器的頻率比較穩定，但不能集成到芯片內部，而且精度只與所選擇的晶體器件的固有頻率有關[1]。RC 振蕩器結構簡單、成本低廉，因而受到非常廣泛的應用，但其振蕩頻率易受電壓和溫度變化的影響，其次也與電阻和電容與工藝有關系[2，3]。

文章介紹的高精度RC 振蕩器電路，其電路的內部電流源電路采用高階溫度補償的設計方案，得到在較寬的溫度范圍內具有與溫度無關的電流源電路。此外，針對工藝會帶來的偏差，采用電流數字修調電路來提高振蕩器頻率的穩定性。

1 RC振蕩器的結構與設計重點

1.1 RC振蕩器的結構

RC 振蕩器的原理圖，如圖1 所示。

RC 振蕩器的工作原理：假設初始狀態的RS 鎖存器的輸出端 Q = 0，整型反向器的輸出端 CLK = 0、CLKN =1。此時，開關管M1 導通， M2 關斷，充電電流Ic 對電容C1 進行充電，電容兩端電壓不斷上升，與此同時，開關管M3 關斷， M4 導通，電容C2 同過開關管M4 對地進行放電直到0 V。當電容C1 兩端電壓上升至Vref 時，比較器Comp2 的輸出跳變為1，此時RS 鎖存器的輸出為Q =1，整型反向器的輸出端CLK =1、CLKN = 0，開關管 M3 導通， M4 關斷，充電電流Ic對電容C2 進行充電，此時電容C1 兩端的電壓對地進行放電直至到0 V。當電容C2 兩端電壓等于Vref 時，比較器Comp1 輸出發生改變，變為1，而此時RS 鎖存器的輸出變為Q = 0，整型反向器的輸出端CLK = 0、CLKN =1，電路回到了初始狀態，電容完成一個充放電周期，電路形成一個振蕩周期，如此往復循環，使RC 振蕩器以一定的頻率不斷進行。

根據前面的分析以及電容的充放電特性可知，電容完成充電時間t1 和放電時間t2 為：

4 結束語

文中采用CSMC 0.18 μm CMOS 工藝，采用高階溫度補償電流源以及電流數字修調技術，實現了一種具有高階溫度補償高精度的RC 振蕩器。仿真結果表明：在電源電壓為2.5 V～5.5 V，溫度為-40℃～125℃ 條件下，振蕩器輸出中心頻率保持在±0.25% 以內。該電路可集成應用到一些較為復雜的系統中，如可作為數模轉換器（ADC）的內部時鐘，也可集成單獨的時鐘芯片。