單片弛張振蕩器的溫度補(bǔ)償方法
[導(dǎo)讀]本文提出一種適用于這種結(jié)構(gòu)振蕩器的片內(nèi)溫度補(bǔ)償方案，可以簡單方便地獲得更好的溫度性能。
1 引言
弛張充放電振蕩器在PWM電源和電容傳感器中都得到了廣泛的應(yīng)用，也常常作為時(shí)鐘產(chǎn)生電路用在單片功率集成電路中。但是，由于這種振蕩器結(jié)構(gòu)的特殊性，一般的弛張振蕩器輸出頻率受環(huán)境溫度的變化影響較大，溫度性能較差。為了獲得較好的溫度性能，一般都要采用恒溫槽等措施，但增大了體積和成本。為此，本文提出一種適用于這種結(jié)構(gòu)振蕩器的片內(nèi)溫度補(bǔ)償方案，可以簡單方便地獲得更好的溫度性能。
2 弛張振蕩器的工作原理
弛張振蕩器的一般結(jié)構(gòu)如圖1所示。弛張振蕩器的工作過程如下：先用一個(gè)電流源I1向電容器C充電，這時(shí)電容器上的電壓會(huì)不斷上升，將電容器上的電壓通過比較器與設(shè)定的閾值電壓相比較。當(dāng)電容器上的電壓高于電位比較器的閾值電壓V2時(shí)，控制部分將會(huì)控制開關(guān)動(dòng)作，使I1斷開，I2導(dǎo)通，電容器開始通過I2放電，電容器的電壓開始下降，設(shè)此時(shí)的時(shí)刻為t2。當(dāng)電容器的電壓下降到低于低位比較器的閾值電壓V1時(shí)，控制部分再次使開關(guān)動(dòng)作，使I1導(dǎo)通，I2斷開，I1又重新對電容器充電，設(shè)此時(shí)的時(shí)刻為t1。這樣不停反復(fù)就可以在電容器上輸出連續(xù)不斷的振蕩波形。
如果保持IC、C不變，則由（4）式看出電容器的充放電時(shí)間是由電容器電壓的幅度唯一決定的?？赏ㄟ^調(diào)節(jié)2個(gè)比較器的閾值電壓來調(diào)節(jié)電容器的電壓幅度，從而可方便地調(diào)節(jié)振蕩器的輸出頻率。以上分析在各個(gè)電路無時(shí)延的條件下獲得的。
3 溫度對輸出電壓頻率的影響
3.1 產(chǎn)生頻率誤差的原因
任何電路結(jié)構(gòu)都存在不同程度的延時(shí)。在這種結(jié)構(gòu)的振蕩器中，比較器和控制部分也存在一定的延時(shí)，雖然可以采用高速比較器和盡可能簡單的控制結(jié)構(gòu)來減少延時(shí)，但是始終無法消除延時(shí)帶來的影響。因此，當(dāng)電容器上的電壓已經(jīng)上升或下降到需要開關(guān)動(dòng)作時(shí)，由于比較器和控制部分的延時(shí)Δτ使得開關(guān)往往要經(jīng)過一段時(shí)間后才會(huì)動(dòng)作，而在這段時(shí)間內(nèi)，I1（I2）還在繼續(xù)對電容器充電（放電）,因此輸出電壓與Uc相比會(huì)產(chǎn)生誤差（ICΔτ）/C，此時(shí)，
可以看出輸出電壓頻率與設(shè)計(jì)值產(chǎn)生了偏差。
3.2 溫度對輸出頻率的影響
顯然，在不同溫度條件下比較器和控制部分的延時(shí)是不一樣的。由于主要考察延時(shí)對輸出頻率的影響，因此設(shè)在不同溫度條件下IC和C保持不變，在溫度T1時(shí)，比較器和控制部分產(chǎn)生的延時(shí)為Δτ1，在溫度T2時(shí)產(chǎn)生的延時(shí)為Δτ2。則（5）式和（7）式可寫為
從（8）式可以看出，在不同的溫度條件下電容器的充放電時(shí)間發(fā)生了的變化Δt，從而導(dǎo)致輸出電壓的頻率隨溫度而變化。
圖2給出在沒有溫度補(bǔ)償?shù)那闆r下，采用CSMC 0.6μm雙層金屬、雙層多晶硅工藝下和使用Hspice仿真出來的振蕩器輸出波形。其中，取IC為250μA，C為5pE，比較器采用的是參考文獻(xiàn)[2]中介紹的高速比較器方案，低位比較器的閾值電壓為2.4V，高位比較器的閾值電壓為2.5V。圖中T1、T2、T3分別為－40℃、27℃、85℃時(shí)的輸出波形。把振蕩器27℃時(shí)的輸出頻率設(shè)計(jì)為20MHz，測出此時(shí)振蕩器的溫度系數(shù)約為1685ppm/℃。圖3中的曲線1給出近似的輸出電壓幅度與溫度的關(guān)系，正如上面所推導(dǎo)的一樣，在不同的溫度條件下輸出的電壓幅度并不相等。
4 溫度補(bǔ)償?shù)膶?shí)現(xiàn)
為了消除溫度對輸出頻率的影響，從（12）式可以看出還必須使Δt＝0。為了實(shí)現(xiàn)上述要求，令T1時(shí)的V2＝V’2；T2時(shí)的V2＝V”2，V1保持不變，則（9）、（11）式改寫為（13）式或（17）式：
從（17）式可以看出，為了消除溫度對輸出頻率的影響，可以使電容電壓在不同溫度條件下取不同的電容值來實(shí)現(xiàn)。只要它們能滿足（17）式的條件，就可以得到零溫度系數(shù)的輸出頻率。在振蕩器中，電容器電壓是由比較器的閾值電壓控制的，可以通過調(diào)節(jié)比較器的閾值電壓來滿足要求。在芯片設(shè)計(jì)中，比較器的閾值電壓一般由基準(zhǔn)源提供?；鶞?zhǔn)源往往根據(jù)帶隙原理來調(diào)整它的溫度系數(shù)。一般會(huì)盡量調(diào)節(jié)使其具有零溫度系數(shù)。但從需要出發(fā)，也可以把它調(diào)試成所需的非零溫度系數(shù)。因此，可使令低位比較器的閾值電壓不變，只調(diào)節(jié)高位比較器的閾值電壓使其具有負(fù)溫度的系數(shù)，這樣，隨著溫度的增大UC不斷降低，輸出的頻率較為恒定。在圖3中，為了研究的方便，使輸出電壓與溫度的關(guān)系近似為直線1。根據(jù)上述推導(dǎo)，以振蕩器輸出電壓的中間值為軸，曲線1水平翻轉(zhuǎn)，得到的曲線3為基準(zhǔn)源的輸出幅度曲線，從而可獲得整個(gè)溫度范圍內(nèi)的最好溫度補(bǔ)償效果。此時(shí)需要把基準(zhǔn)源的溫度系數(shù)調(diào)節(jié)到大約1 319ppm/℃。
圖4示出按上述方法進(jìn)行溫度補(bǔ)償?shù)恼袷幤鞯妮敵霾ㄐ巍Ｓ捎谑馆敵鲭妷悍扰c溫度的關(guān)系近似線性化，因此與實(shí)際輸出曲線存在一定的誤差，仍舊無法得到零溫度系數(shù)的輸出波形。為了仿真的方便，把比較器的閾值電壓外接，人為地按照上述要求調(diào)節(jié)高位比較器的閾值電壓。圖4中，T1、T2、T3分別為－40℃、27℃、85℃時(shí)的輸出波形?？梢钥闯鲚敵鲭妷旱姆入S著溫度的變化而大大減小，此時(shí)仍把27℃時(shí)的輸出頻率設(shè)計(jì)為20MHz，測出此時(shí)振蕩器的溫度系數(shù)為115ppm/℃。比起沒有溫度補(bǔ)償?shù)臏囟认禂?shù)有了很大的提高。
5 結(jié)束語
針對一般弛張振蕩器溫度系數(shù)較差的缺點(diǎn)，提出了一種新的片內(nèi)溫度補(bǔ)償方案。只要在設(shè)計(jì)基準(zhǔn)源的時(shí)候結(jié)合振蕩器的要求來確定它的溫度系數(shù)，就可以方便地使振蕩器獲得較好的溫度性能，同時(shí)并不增加它的面積和成本，具有較大的實(shí)用性。
弛張充放電振蕩器在PWM電源和電容傳感器中都得到了廣泛的應(yīng)用，也常常作為時(shí)鐘產(chǎn)生電路用在單片功率集成電路中。但是，由于這種振蕩器結(jié)構(gòu)的特殊性，一般的弛張振蕩器輸出頻率受環(huán)境溫度的變化影響較大，溫度性能較差。為了獲得較好的溫度性能，一般都要采用恒溫槽等措施，但增大了體積和成本。為此，本文提出一種適用于這種結(jié)構(gòu)振蕩器的片內(nèi)溫度補(bǔ)償方案，可以簡單方便地獲得更好的溫度性能。
2 弛張振蕩器的工作原理
弛張振蕩器的一般結(jié)構(gòu)如圖1所示。弛張振蕩器的工作過程如下：先用一個(gè)電流源I1向電容器C充電，這時(shí)電容器上的電壓會(huì)不斷上升，將電容器上的電壓通過比較器與設(shè)定的閾值電壓相比較。當(dāng)電容器上的電壓高于電位比較器的閾值電壓V2時(shí)，控制部分將會(huì)控制開關(guān)動(dòng)作，使I1斷開，I2導(dǎo)通，電容器開始通過I2放電，電容器的電壓開始下降，設(shè)此時(shí)的時(shí)刻為t2。當(dāng)電容器的電壓下降到低于低位比較器的閾值電壓V1時(shí)，控制部分再次使開關(guān)動(dòng)作，使I1導(dǎo)通，I2斷開，I1又重新對電容器充電，設(shè)此時(shí)的時(shí)刻為t1。這樣不停反復(fù)就可以在電容器上輸出連續(xù)不斷的振蕩波形。
如果保持IC、C不變，則由（4）式看出電容器的充放電時(shí)間是由電容器電壓的幅度唯一決定的?？赏ㄟ^調(diào)節(jié)2個(gè)比較器的閾值電壓來調(diào)節(jié)電容器的電壓幅度，從而可方便地調(diào)節(jié)振蕩器的輸出頻率。以上分析在各個(gè)電路無時(shí)延的條件下獲得的。
3 溫度對輸出電壓頻率的影響
3.1 產(chǎn)生頻率誤差的原因
任何電路結(jié)構(gòu)都存在不同程度的延時(shí)。在這種結(jié)構(gòu)的振蕩器中，比較器和控制部分也存在一定的延時(shí)，雖然可以采用高速比較器和盡可能簡單的控制結(jié)構(gòu)來減少延時(shí)，但是始終無法消除延時(shí)帶來的影響。因此，當(dāng)電容器上的電壓已經(jīng)上升或下降到需要開關(guān)動(dòng)作時(shí)，由于比較器和控制部分的延時(shí)Δτ使得開關(guān)往往要經(jīng)過一段時(shí)間后才會(huì)動(dòng)作，而在這段時(shí)間內(nèi)，I1（I2）還在繼續(xù)對電容器充電（放電）,因此輸出電壓與Uc相比會(huì)產(chǎn)生誤差（ICΔτ）/C，此時(shí)，
可以看出輸出電壓頻率與設(shè)計(jì)值產(chǎn)生了偏差。
3.2 溫度對輸出頻率的影響
顯然，在不同溫度條件下比較器和控制部分的延時(shí)是不一樣的。由于主要考察延時(shí)對輸出頻率的影響，因此設(shè)在不同溫度條件下IC和C保持不變，在溫度T1時(shí)，比較器和控制部分產(chǎn)生的延時(shí)為Δτ1，在溫度T2時(shí)產(chǎn)生的延時(shí)為Δτ2。則（5）式和（7）式可寫為
從（8）式可以看出，在不同的溫度條件下電容器的充放電時(shí)間發(fā)生了的變化Δt，從而導(dǎo)致輸出電壓的頻率隨溫度而變化。
圖2給出在沒有溫度補(bǔ)償?shù)那闆r下，采用CSMC 0.6μm雙層金屬、雙層多晶硅工藝下和使用Hspice仿真出來的振蕩器輸出波形。其中，取IC為250μA，C為5pE，比較器采用的是參考文獻(xiàn)[2]中介紹的高速比較器方案，低位比較器的閾值電壓為2.4V，高位比較器的閾值電壓為2.5V。圖中T1、T2、T3分別為－40℃、27℃、85℃時(shí)的輸出波形。把振蕩器27℃時(shí)的輸出頻率設(shè)計(jì)為20MHz，測出此時(shí)振蕩器的溫度系數(shù)約為1685ppm/℃。圖3中的曲線1給出近似的輸出電壓幅度與溫度的關(guān)系，正如上面所推導(dǎo)的一樣，在不同的溫度條件下輸出的電壓幅度并不相等。
4 溫度補(bǔ)償?shù)膶?shí)現(xiàn)
為了消除溫度對輸出頻率的影響，從（12）式可以看出還必須使Δt＝0。為了實(shí)現(xiàn)上述要求，令T1時(shí)的V2＝V’2；T2時(shí)的V2＝V”2，V1保持不變，則（9）、（11）式改寫為（13）式或（17）式：
從（17）式可以看出，為了消除溫度對輸出頻率的影響，可以使電容電壓在不同溫度條件下取不同的電容值來實(shí)現(xiàn)。只要它們能滿足（17）式的條件，就可以得到零溫度系數(shù)的輸出頻率。在振蕩器中，電容器電壓是由比較器的閾值電壓控制的，可以通過調(diào)節(jié)比較器的閾值電壓來滿足要求。在芯片設(shè)計(jì)中，比較器的閾值電壓一般由基準(zhǔn)源提供?；鶞?zhǔn)源往往根據(jù)帶隙原理來調(diào)整它的溫度系數(shù)。一般會(huì)盡量調(diào)節(jié)使其具有零溫度系數(shù)。但從需要出發(fā)，也可以把它調(diào)試成所需的非零溫度系數(shù)。因此，可使令低位比較器的閾值電壓不變，只調(diào)節(jié)高位比較器的閾值電壓使其具有負(fù)溫度的系數(shù)，這樣，隨著溫度的增大UC不斷降低，輸出的頻率較為恒定。在圖3中，為了研究的方便，使輸出電壓與溫度的關(guān)系近似為直線1。根據(jù)上述推導(dǎo)，以振蕩器輸出電壓的中間值為軸，曲線1水平翻轉(zhuǎn)，得到的曲線3為基準(zhǔn)源的輸出幅度曲線，從而可獲得整個(gè)溫度范圍內(nèi)的最好溫度補(bǔ)償效果。此時(shí)需要把基準(zhǔn)源的溫度系數(shù)調(diào)節(jié)到大約1 319ppm/℃。
圖4示出按上述方法進(jìn)行溫度補(bǔ)償?shù)恼袷幤鞯妮敵霾ㄐ巍Ｓ捎谑馆敵鲭妷悍扰c溫度的關(guān)系近似線性化，因此與實(shí)際輸出曲線存在一定的誤差，仍舊無法得到零溫度系數(shù)的輸出波形。為了仿真的方便，把比較器的閾值電壓外接，人為地按照上述要求調(diào)節(jié)高位比較器的閾值電壓。圖4中，T1、T2、T3分別為－40℃、27℃、85℃時(shí)的輸出波形?？梢钥闯鲚敵鲭妷旱姆入S著溫度的變化而大大減小，此時(shí)仍把27℃時(shí)的輸出頻率設(shè)計(jì)為20MHz，測出此時(shí)振蕩器的溫度系數(shù)為115ppm/℃。比起沒有溫度補(bǔ)償?shù)臏囟认禂?shù)有了很大的提高。
5 結(jié)束語
針對一般弛張振蕩器溫度系數(shù)較差的缺點(diǎn)，提出了一種新的片內(nèi)溫度補(bǔ)償方案。只要在設(shè)計(jì)基準(zhǔn)源的時(shí)候結(jié)合振蕩器的要求來確定它的溫度系數(shù)，就可以方便地使振蕩器獲得較好的溫度性能，同時(shí)并不增加它的面積和成本，具有較大的實(shí)用性。
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