一種高精度可調(diào)頻張弛振蕩器的設(shè)計(jì)

穆新華,李琴琴,唐 威,馬姍姍,王江濤

(西安郵電大學(xué) 電子工程學(xué)院,陜西 西安 710121)

目前,DC/DC變換器芯片已被廣泛應(yīng)用于通信電子產(chǎn)品的電源供電系統(tǒng)中[1]。振蕩器作為芯片的核心部分,決定著變換器的開關(guān)頻率,其頻率穩(wěn)定性會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)環(huán)路[2],因此電源系統(tǒng)對(duì)內(nèi)部振蕩器提出了越來越高的設(shè)計(jì)要求。

張弛振蕩器因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、便于集成,在DC/DC變換器中得到了廣泛的應(yīng)用。但是,目前大部分振蕩器都存在控制模式較為單一、輸出頻率固定且調(diào)頻范圍較窄的問題[3],使用范圍受限,已不能適應(yīng)各類電子產(chǎn)品高頻化、日趨復(fù)雜化的發(fā)展趨勢(shì)。針對(duì)這些需求,文獻(xiàn)[4]通過設(shè)計(jì)使能控制電路實(shí)現(xiàn)了外同步功能,盡管解決了控制模式單一問題,但是其工作溫度范圍較窄且內(nèi)同步頻率固定;文獻(xiàn)[5]中設(shè)計(jì)了電流調(diào)節(jié)電路實(shí)現(xiàn)了調(diào)頻功能,但振蕩器僅支持一種模式工作且調(diào)頻范圍較窄。鑒于此,本文提出了一種采用一個(gè)比較器的簡(jiǎn)單張弛振蕩結(jié)構(gòu),結(jié)合電荷泵鎖相環(huán)技術(shù),通過增加電流調(diào)節(jié)與選通電路,實(shí)現(xiàn)振蕩器頻率較寬范圍調(diào)節(jié),同時(shí)還支持兩種工作模式。變換器中擬設(shè)計(jì)的振蕩器可輸出中心頻率為581 k Hz的標(biāo)準(zhǔn)方波信號(hào),用于變換器的開關(guān)控制及頻移電路。

1 電路基本原理

本文所設(shè)計(jì)的張弛振蕩器結(jié)構(gòu)如圖1所示,電路由模式選擇、電阻電流轉(zhuǎn)換電路(R-I)、鑒頻鑒相器(Phase and Frequency Detector,PFD)、電 荷 泵(Charge Pump,CP)、低通濾波電路(Low Pass Filter,LPF)、選通電路、電流調(diào)節(jié)電路以及主振蕩電路組成。

圖1 振蕩器電路框圖Fig.1 Diagram of the oscillator circuit

模式選擇電路由一些邏輯單元構(gòu)成,可檢測(cè)輸入信號(hào)類型。輸入為方波信號(hào)時(shí),EN控制信號(hào)為低電平,鎖相環(huán)環(huán)路開始工作,CP電路開啟。片外時(shí)鐘與振蕩器產(chǎn)生時(shí)鐘輸入到PFD后,輸出頻率和相位差UP/DN信號(hào)輸入到CP中,CP電路將輸出壓控信號(hào),經(jīng)濾波和選通電路后控制電流調(diào)節(jié)電路。外接電阻時(shí),EN信號(hào)翻轉(zhuǎn)為高,鎖相環(huán)環(huán)路停止工作,電流調(diào)節(jié)電路通過片外電阻將其轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)對(duì)電容進(jìn)行充電。主振蕩電路結(jié)合電流調(diào)節(jié)電路,一方面通過調(diào)節(jié)RT阻值大小產(chǎn)生不同頻率時(shí)鐘信號(hào)(RT模式);另一方面作為鎖相環(huán)環(huán)路中的壓控振蕩器,實(shí)現(xiàn)頻率捕捉功能(CLK模式)。

2 電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中PFD電路采用文獻(xiàn)[6]的結(jié)構(gòu),可消除頻率鎖定后產(chǎn)生的死區(qū)效應(yīng)。CP電路是在文獻(xiàn)[7]基礎(chǔ)上,在其上下電流源處添加使能控制端,外接電阻時(shí)控制CP電路停止工作,降低電路功耗,采用運(yùn)放結(jié)構(gòu),可消除CP電路中的電荷分享。下面將重點(diǎn)介紹電流調(diào)節(jié)與選通電路、主振蕩電路以及模式選擇具體電路設(shè)計(jì)。

2.1 電流調(diào)節(jié)與選通電路

電流調(diào)節(jié)與選通電路如圖2所示,其中VDD為內(nèi)部電源電壓,V0p5信號(hào)是來自帶隙基準(zhǔn)源的0.5 V參考電壓,Vb為基準(zhǔn)模塊產(chǎn)生的偏置,Ibias為電流調(diào)節(jié)電路的輸出信號(hào)。

圖2 電流調(diào)節(jié)與選通電路Fig.2 Current regulation and selection circuit

電路中RT/CLK為信號(hào)輸入端,可接電阻或時(shí)鐘信號(hào)。M1與M5為共源共柵結(jié)構(gòu),為由M6～M10構(gòu)成的兩級(jí)運(yùn)放提供穩(wěn)定的尾電流,M4與M11開關(guān)器件組成運(yùn)放的負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò),其中,M11寬長(zhǎng)比較大,導(dǎo)通電阻相對(duì)較小。在RT模式時(shí),模式選擇電路輸出信號(hào)RT_H為高電平、RT_L為低電平,M11導(dǎo)通并且漏源電壓近似相等。因此,V0p5信號(hào)作為運(yùn)放的正向端,可將RT/CLK端口處電壓鉗位在0.5 V。M20、M3、M10和M11構(gòu)成通路,通過調(diào)節(jié)阻值大小可調(diào)節(jié)通路電流。此處假設(shè)外接電阻阻值為RT,則流過通路的電流表達(dá)式為:

CLK模式時(shí),RT_H、RT_L信號(hào)翻轉(zhuǎn),CP電路開始工作。此時(shí),M20、M3、M10和M11構(gòu)成的通路斷開,M20、M12以及傳輸門形成新通路,CP電路輸出信號(hào)經(jīng)過濾波電路后產(chǎn)生Vcp_ctrl信號(hào)控制M12管的柵極,調(diào)節(jié)M12電流,進(jìn)而起到調(diào)節(jié)主振蕩電路中電容充電電流大小的作用。

2.2 主振蕩電路

主振蕩電路是在文獻(xiàn)[8]所述傳統(tǒng)張弛振蕩結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上,將其兩個(gè)比較器采用一個(gè)三輸入比較器實(shí)現(xiàn),簡(jiǎn)化了電路結(jié)構(gòu)。同時(shí)將電容充電電流調(diào)整為可變電流,由電流調(diào)節(jié)電路產(chǎn)生。具體電路如圖3所示,主要由鏡像電流器件M1、三輸入比較器以及邏輯控制電路組成。其中,M9和M15為充電開關(guān)、M10和M16為放電開關(guān)、C1和C2為充放電電容。

圖3 主振蕩電路Fig.3 Main oscillator circuit

圖3中Vref用來設(shè)置主振蕩電路比較器翻轉(zhuǎn)閾值,Ibias1為基準(zhǔn)電路產(chǎn)生的無溫度系數(shù)的電流,M17和M18電流鏡結(jié)構(gòu)給比較器提供尾電流。M1與M5構(gòu)成共源共柵結(jié)構(gòu)為電容充電提供穩(wěn)定電流源,因此通過M1與電流調(diào)節(jié)電路中M20的鏡像關(guān)系可知,給電容C1、C2充電表達(dá)式為:

式中:V為RT/CLK處的電壓,值為0.5 V;K為電流鏡鏡像因子,在該設(shè)計(jì)中,K=1/2。典型情況下,外接RT電阻阻值為200 kΩ,由此可計(jì)算出Icharge理論值為1.25μA。

M7、M8作為三端口比較器差分對(duì)管的反向端,M11、M12和M13、M14作為正向端。開始工作時(shí),CLK2為低電平,CLK1為高電平,M15導(dǎo)通,電容C2開始充電,設(shè)開始充電時(shí)間為t0。以電流Icharge對(duì)電容充電到Vref電壓的時(shí)間記為t1。假設(shè)電容容值為C,則根據(jù)電容元件伏安關(guān)系可知:

將式(2)帶入式(3)可得,電容C1、C2充電電壓達(dá)到Vref所需時(shí)間表達(dá)式為:

當(dāng)電容C2電壓高于Vref電壓時(shí),M4柵極電壓瞬間被拉低,比較器輸出變高。比較器輸出信號(hào)A經(jīng)數(shù)字電路整形后輸出方波信號(hào)B,方波信號(hào)作為D觸發(fā)器的時(shí)鐘信號(hào),時(shí)鐘高電平到來時(shí),D觸發(fā)器輸出信號(hào)Q翻轉(zhuǎn)為低電平,RS觸發(fā)器將CLK1信號(hào)置為低,CLK2置為高后,實(shí)現(xiàn)下半個(gè)周期的振蕩。通過不斷地對(duì)電容進(jìn)行充電、放電,電容上的電壓會(huì)形成鋸齒波信號(hào),而輸出點(diǎn)CLK1、CLK2處為方波信號(hào),即為振蕩器的輸出信號(hào)[9]。

因此由T=2Δt可計(jì)算出該振蕩器在RT模式工作時(shí),其頻率表達(dá)式為:

在該設(shè)計(jì)中,Vref電壓值為1.85 V,電容C1、C2容值為546 fF,由式(5)可計(jì)算出典型應(yīng)用情況下頻率理論值為618 k Hz,并且頻率隨電阻阻值的增加而減小。

2.3 模式選擇

模式選擇電路如圖4所示,圖中Vb為偏置信號(hào),Vcp_ctrl為CP電路輸出。RT_H、RT_L、CLK_H和CLK_L為模式選擇電路輸出端,控制選通電路與電荷泵電路。

圖4 模式選擇電路Fig.4 Mode selection circuit

由前述分析可知,RT/CLK處接電阻時(shí)為低電平。電路開始工作時(shí),RS觸發(fā)器R端控制電路關(guān)斷,即S=0,R=1,因此在RT模式下,RT_H控制信號(hào)輸出為高。RT/CLK處輸入時(shí)鐘信號(hào)時(shí),第一個(gè)時(shí)鐘高電平到來會(huì)將RS觸發(fā)器S端置為1,CLK_H輸出高電平控制傳輸門導(dǎo)通,此時(shí),Vcp_ctrl壓控信號(hào)為高電平,R端被置為0,RT_H輸出翻轉(zhuǎn)為低。

3 電路仿真

基于0.25μm 60 V BCD工藝,利用Cadence Virtuoso進(jìn)行仿真。經(jīng)驗(yàn)證,振蕩器在外接200 kΩ電阻時(shí),仿真波形如圖5所示。由圖5可看出,電容充電電流Icharge為1.24μA,電容充電電壓VC1、VC2以及比較器輸出信號(hào)A與實(shí)際理論分析相一致,方波周期T=1.717μs,即中心工作頻率約為582 k Hz,與實(shí)際理論值稍有偏差。經(jīng)分析,導(dǎo)致頻率偏小的主要原因有:比較器的非理想因素會(huì)產(chǎn)生傳播延遲;反相器、觸發(fā)器等工作會(huì)產(chǎn)生延遲[10]。圖5仿真驗(yàn)證結(jié)果表明,該設(shè)計(jì)可滿足實(shí)際設(shè)計(jì)指標(biāo)需求。

圖5 振蕩器電路仿真波形圖Fig.5 The simulating waveform of oscillator circuit

振蕩器頻率隨電源電壓變化曲線圖如圖6所示,可看出其頻率變化最大為593 k Hz,最小為578 k Hz,頻率偏移率約為1.9%。

圖6 輸出頻率隨電源電壓變化曲線Fig.6 Output frequency varies with the supply voltage

圖7所示為溫度在-55～125℃范圍內(nèi)頻率變化曲線,由圖可看出頻率隨溫度變化最小值和最大值分別為579,590 k Hz,偏移率約為1.4%。驗(yàn)證結(jié)果表明振蕩器輸出頻率隨溫度以及電源電壓變化范圍較小,符合設(shè)計(jì)要求。

圖7 輸出頻率隨溫度變化曲線Fig.7 Output frequency varies with temperature

通過調(diào)節(jié)RT阻值,可實(shí)現(xiàn)振蕩器在100 k Hz～2.5 MHz寬頻率范圍調(diào)節(jié),通過圖8所示曲線可以確定給定開關(guān)頻率的定時(shí)電阻。

圖8 輸出頻率隨R T阻值變化曲線Fig.8 Output frequency varies with R T resistance

由圖8可看出,外接1.2 MΩ電阻時(shí),振蕩器達(dá)到最小工作頻率100 k Hz。外接42 kΩ電阻時(shí),達(dá)到最大工作頻率2.5 MHz。并對(duì)振蕩器在全頻率范圍內(nèi)進(jìn)行了工藝角驗(yàn)證,均可滿足設(shè)計(jì)要求。

RT/CLK處接同步時(shí)鐘信號(hào)時(shí),張弛振蕩器被用作鎖相環(huán)環(huán)路中的壓控振蕩器。經(jīng)驗(yàn)證,該振蕩器在全工藝角以及-55～125℃溫度范圍可捕獲300 k Hz～2.2 MHz范圍內(nèi)的方波信號(hào)。

本文與其他文獻(xiàn)中的振蕩器相比較,其參數(shù)列表如表1所示?？梢钥闯?本文所設(shè)計(jì)的張弛振蕩器工作溫度和同步頻率范圍相對(duì)較寬。并且其中心頻率隨溫度變化偏移率相對(duì)較小,精度較高,可滿足實(shí)際應(yīng)用需求。

4 版圖設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)振蕩器版圖采用0.25μm 60 V BCD工藝完成,電路版圖如圖9所示,尺寸約為200μm×567μm。版圖設(shè)計(jì)中,將三輸入比較器差分對(duì)管反向輸入端器件放置在兩正向輸入端器件中間,可適當(dāng)減小工藝所帶來的偏差。此外,為了消除邊緣管和中間管之間的不匹配,在主振蕩電路中的M2與M3器件兩側(cè)分別放置了Dummy器件。

表1 與其他文獻(xiàn)的振蕩參數(shù)對(duì)比Tab.1 Comparison with other oscillator parameters

圖9 振蕩器電路版圖Fig.9 Oscillator circuit layout

5 結(jié)論

傳統(tǒng)的張弛振蕩器采用恒流源對(duì)電容充電,只能產(chǎn)生固定頻率,且工作模式單一。本文提出的振蕩器可根據(jù)需求調(diào)整外接電阻阻值,產(chǎn)生不同電流對(duì)電容充放電,實(shí)現(xiàn)了振蕩器在100 k Hz～2.5 MHz較寬頻范圍工作。同時(shí),結(jié)合鎖相環(huán)技術(shù)使之可捕獲300 k Hz～2.2 MHz的外時(shí)鐘信號(hào)。經(jīng)驗(yàn)證,振蕩器輸出頻率受電源電壓和溫度變化影響較小,精度較高,各項(xiàng)性能均可滿足DC/DC實(shí)際應(yīng)用需求。