一種溫度不敏感占空比可調(diào)的振蕩器

顧 祥，顧 吉，許天輝，吳建偉

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第58研究所，江蘇 無錫 214035）

1 引言

隨著模擬集成電路的迅速發(fā)展，鋸齒波振蕩器在很多領(lǐng)域，諸如測(cè)量電路、自動(dòng)控制系統(tǒng)、信號(hào)處理電路和電源管理電路等，有著非常廣泛的應(yīng)用。許多鋸齒波電路雖然比較穩(wěn)定、精度高，但是其頻率受環(huán)境溫度等影響較大；良好的鋸齒波振蕩器應(yīng)該具有穩(wěn)定性好、精度高、可調(diào)范圍廣、波形好的特點(diǎn)。本文基于以上特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種以單比較器作為核心的鋸齒波振蕩器，該電路通過對(duì)外接的RT/CT進(jìn)行充放電，其頻率除了穩(wěn)定性好、精度高、可調(diào)范圍廣之外，還具有對(duì)溫度不敏感的特性。此外，振蕩波的占空比可以通過對(duì)放電支路的Trimming修調(diào)進(jìn)行調(diào)節(jié)。

2 電路設(shè)計(jì)

2.1 電路框圖和原理

本文設(shè)計(jì)的鋸齒波發(fā)生電路原理框圖如圖1所示，利用帶隙基準(zhǔn)電壓源對(duì)RT/CT進(jìn)行充電，比較器正輸入端電壓增加，當(dāng)電壓增加到比較器負(fù)輸入端電壓時(shí)，比較器輸出CLK信號(hào)由低電平轉(zhuǎn)變?yōu)楦唠娖剑珻LK信號(hào)驅(qū)動(dòng)放電電路開啟，比較器輸入端通過放電支路進(jìn)行放電，同時(shí)比較器負(fù)輸入端電壓變?yōu)榈碗娢?；?dāng)比較器正輸入電壓放電至負(fù)輸入端電壓時(shí)，CLK信號(hào)由高電平變?yōu)榈碗娖剑容^器負(fù)輸入端電壓變?yōu)楦唠娢?，關(guān)閉放電電路，基準(zhǔn)電壓源對(duì)比較器正輸入端重新充電，電路就這樣重復(fù)對(duì)電容充放電，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的鋸齒波及CLK信號(hào)，通過調(diào)節(jié)RT、CT的值可以改變輸出波的頻率。

圖1 振蕩器電路框圖

2.2 實(shí)際電路設(shè)計(jì)和仿真

2.2.1 偏置電流源的設(shè)計(jì)

該電流源主要是為比較器提供合適的偏置，通過設(shè)置合理的電流源鏡像比例，可以達(dá)到穩(wěn)定頻率溫度特性的效果，具體電路如圖2所示。

圖2 電流源偏置電路

由于三極管基極的電流很小，流過電阻RLD13上的電流主要通過NPN晶體管NC10流到地，這條支路的電流大小為，VBIAS=0.7 V。

I=VREF-2VBE/RLD13

通過各鏡像管的發(fā)射極面積比，可以確定電流沉和電流源的大小之比。

2.2.2 OSC主體電路設(shè)計(jì)

該電路的主要功能是產(chǎn)生CLK方波和鋸齒波，具體電路如圖3所示，當(dāng)RT/CT電壓很低時(shí)，電流主要從NC6管流過，NC4提供的尾電流基本流過NC6，CLK電壓為低，NC6此時(shí)的基極電壓為VB1=VREFI0RLD8-Vbe-I1RLD4（鋸齒波上限）。當(dāng)RT/CT電壓達(dá)到VB1后，NC4提供的尾電流基本流過NC5，A點(diǎn)電壓降低，ND14關(guān)斷，NC6的基極電位基本為0，規(guī)定了三角波的下限VB2也接近于0。所以想要調(diào)整頻率，可以通過改變?nèi)遣ㄉ舷轛B1來實(shí)現(xiàn)。

該電路充電時(shí)，VREF通過RT將CT從VB2充至VB1，RT、CT充電方程可以根據(jù)三點(diǎn)法求得：

V=[V(0)-V(∞)]e-t/toV(∞)

V(0)=VB2，V(∞)=VREF，to=RT×CT

由此可以求得充電時(shí)間為：

VB2=0，VB1=VREF-I0RLD8-Vbe-I1RLD4

可以看出，只要減小I1RLD4即可減小充電時(shí)間而提高頻率。

該電路放電時(shí)，放電電流大小由ND21中的電流決定，而ND21中電流又由電阻Trimming決定，放電時(shí)通過ND21中的恒定電流將電容充VB1放電至VB2。

由于放電時(shí)間非常短，波形的頻率主要由充電時(shí)間決定，因此，鋸齒波及CLK信號(hào)的頻率為1/t。

再來分析頻率的溫度穩(wěn)定性，此時(shí)頻率主要由VB1決定，而VB1中，I0RLD8趨向于0，忽略不計(jì)，VREF為帶隙基準(zhǔn)源提供的電壓，溫度穩(wěn)定性很好，也可以忽略，唯一隨溫度變化的參數(shù)項(xiàng)僅為-Vbe-I1RLD4，設(shè)該項(xiàng)為：

S=-Vbe-I1RLD4=-Vbe-K×（VREF-2Vbe）/RLD13×RLD4

同時(shí)，設(shè)RLD13/RLD4=m;

S=(2K/m-1)Vbe-K/m×VREF;

由上式可知，VREF項(xiàng)可以忽略，只需考慮（2K/m-1）Vbe項(xiàng)，令（2K/m-1）=0，則可以約去該項(xiàng)，理想條件下，幾乎可以實(shí)現(xiàn)零溫漂。

圖3 OSC震蕩電路

2.2.3 電路的仿真

在UNIX系統(tǒng)下，基于1 μm bipolar工藝SPICE模型，利用HSPICE軟件對(duì)電路進(jìn)行了仿真，仿真的結(jié) 果如圖4所示。

圖4 振蕩器輸入輸出關(guān)系圖

同時(shí)，我們分別在25 ℃和125 ℃條件下，對(duì)電路進(jìn)行頻率仿真，在RT=10 kΩ、CT=10 nF條件下，兩種溫度的頻率均為56.7 kHz，可見頻率的溫漂系數(shù)幾乎為0。

3 電路流片驗(yàn)證

該電路采用1.0 μm bipolar工藝在中國(guó)電科第58所制造部進(jìn)行流片，出片后經(jīng)測(cè)試確認(rèn)，振蕩器功能完全正常，性能良好，在RT=10 kΩ、CT=10 nF條件下，100 ℃溫度變化引起的頻率漂移在5%以內(nèi)，詳見表1。電源電壓在12～25 V范圍內(nèi)變化，頻率漂移在1%以內(nèi)，如圖5、圖6所示；通過反熔絲的Trimming，可將震蕩波形的最大占空比從87%提高到96%，如圖7、圖8所示。

表1 不同溫度下的振蕩器頻率

圖5 電源電壓12 V時(shí)的輸出方波

4 結(jié)論

本文給出了一種在純雙極工藝下的鋸齒波振蕩器電路，產(chǎn)生的鋸齒波頻率穩(wěn)定性很高，對(duì)環(huán)境溫度和電源的變化不敏感，同時(shí)可以通過反熔絲的Trimming實(shí)現(xiàn)波形最大占空比的調(diào)節(jié)，文章對(duì)電路進(jìn)行了理論推導(dǎo)， 同時(shí)用HSPICE工具進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，仿真結(jié)果數(shù)據(jù)與理論計(jì)算值吻合，最后進(jìn)行了流片，流片結(jié)果基本達(dá)到設(shè)計(jì)的要求，該單元電路實(shí)際應(yīng)用于某高性能PWM控制芯片設(shè)計(jì)中并已投片。希望本文對(duì)其他設(shè)計(jì)人員提供一定的幫助。

圖6 電源電壓25 V下的輸出方波

圖7 Trimming前輸出方波

圖8 Trimming后輸出方波

[1] ALANBGREBENE. Bipolar and MOS Analog Integrated Circuit Design [M]. New York: A Wiley-Inter science Publi cation,1984.556-571.

[2] Paul R Gray. Analysis and Design of Analog Integrated Circuits, Forth Edition [M]. Beijing: Higher Education Press, 2003.10.

[3] Philip E Allen. CMOS Analog Circuit Design, Second Edition [M]. Beijing: Publishing House of Electronics Industry, 2002. 6.

[4] 畢查德.拉扎維. 模擬CMOS集成電路設(shè)計(jì)[M]. 西安：西安交通大學(xué)出版社，2003.