一種高精度數(shù)字可調(diào)片上振蕩器設(shè)計

摘要：在傳統(tǒng)的電路基礎(chǔ)上對電流、電壓基準(zhǔn)電路進(jìn)行補償，設(shè)計一種高精度數(shù)字可調(diào)CMOS片上振蕩器電路。利用電阻和PNP管相反的溫度系數(shù)產(chǎn)生的自偏置基準(zhǔn)電流電路PTAT，NTAT兩路電流，疊加得到一路與溫度無關(guān)的基準(zhǔn)電流上，實現(xiàn)了溫度補償；利用電阻網(wǎng)絡(luò)補償工藝產(chǎn)生高 PSRR帶隙基準(zhǔn)電路電壓的頻率誤差；數(shù)字修調(diào)寄存器粗調(diào)電流用以選擇頻率，微調(diào)電阻用以調(diào)節(jié)精度。經(jīng)流片測試表明，該振蕩器頻率2 MHz，4 MHz可選，2 MHz可調(diào)精度達(dá)±O．1％；4 MHz可調(diào)精度達(dá)±O．125％。
關(guān)鍵詞：溫度補償；工藝補償；高精度；數(shù)字可調(diào)；振蕩器

0 引 言
    在DC／DC轉(zhuǎn)換器等開關(guān)電源芯片的設(shè)計中，振蕩器作為控制電路的核心功能模塊，決定整個系統(tǒng)的工作頻率，對DC／DC轉(zhuǎn)換器的頻率響應(yīng)、紋波大小、效率等諸多性能有重要的影響。其受工作電壓、溫度變化、系統(tǒng)噪聲和工藝容差的影響較大，要得到精準(zhǔn)的頻率，有必要對其進(jìn)行補償。在分析常見電流型RC振蕩器的基礎(chǔ)上，針對影響振蕩器頻率的各個因素進(jìn)行補償，設(shè)計了一種頻率2 MHz，4 MHz可選片上振蕩器電路，具有對頻率進(jìn)行數(shù)字修調(diào)機(jī)制及溫度和工藝補償設(shè)計，并能有效地消除比較器延遲帶來的誤差，從而提供穩(wěn)定可調(diào)的時鐘信號。

1 振蕩器原理分析
    振蕩器的工作原理是通過恒定電流源對電容充電，MOS管對電容快速放電，以產(chǎn)生鋸齒波，再經(jīng)鎖存器產(chǎn)生周期脈沖信號，其結(jié)構(gòu)如圖1所示?；鶞?zhǔn)電流電路產(chǎn)生兩路電流，Ich1,Ich2在鎖存器的控制下給電容C1，C2充電，帶隙基準(zhǔn)電路為比較器提供基準(zhǔn)電壓Vbg，經(jīng)比較器與電容C1，C2的上極板電壓VC1，VC2比較，從而控制SR鎖存器狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。

    具體轉(zhuǎn)換過程如下
式中：Ich為充電電流；Vbg為基準(zhǔn)電壓；C為充電電容。由式(1)知，振蕩器的頻率主要由Ich，Vbg，C決定。若Ich，Vbg對溫度和電源電壓的影響減小，則振蕩器的頻率只受工藝偏差對容差的影響，通過trim微調(diào)可以減小容值偏差。采用雙比較器結(jié)構(gòu)可以消除比較器對頻率穩(wěn)定性的影響。

2 振蕩器電路設(shè)計
2．1 與溫度無關(guān)的基準(zhǔn)電流電路
    圖2為基準(zhǔn)電流電路。利用電阻和PNP相反的溫度系數(shù)產(chǎn)生兩路電流，一路與溫度成正比的PTAT電流，另一路與溫度成反比的NTAT電流，兩路電流疊加得到與絕對溫度無關(guān)的基準(zhǔn)電流。

    如圖2所示，啟動電路由M2～M6組成，在電路上電瞬間，M3關(guān)斷，M4，M5導(dǎo)通且工作于線性區(qū)，PMOS管M6的柵極被拉低至地電位，使得M6導(dǎo)通，整個電路開啟。電路穩(wěn)定工作后，由于M4，M5具有較大的導(dǎo)通電阻，M4，M5的導(dǎo)通使得M6的柵極電壓逐漸抬高，最終M6關(guān)閉，啟動電路脫離主電路，整個電路保持在正常的工作點。[!--empirenews.page--]
    M7～M10通過共源共柵連接，使得流過Q1，Q2的電流IQ1，IQ2相等。在此電路結(jié)構(gòu)中，Q1發(fā)射極基極電壓VQ1應(yīng)等于Q2發(fā)射極基極電壓VQ2與電阻兩端的電壓之和，即：

   
    假設(shè)m／n為Q2與Q1發(fā)射極面積之比，則可得電阻R與支路電流IPTAT關(guān)系如下：

  
式中：VT為熱電壓VTkT／q；R為多晶電阻。VT的正溫度系數(shù)與R的負(fù)溫度系數(shù)使得IPTAT正比于絕對溫度。Q3支路在提供一個負(fù)溫度系數(shù)pcas 電壓的同時，將M19的柵極電壓箝制在固定電位，使得R1兩端的電壓VR1=VQ1=Veb1，則R1支路電流INTAT可表示為：

  
    設(shè)：(ω／l)17／(ω／l)18=k，則：

  
    調(diào)節(jié)R，R1，k，使得эI／эt=0，可以得到一路與溫度無關(guān)的電流I。電流I1為另一路鏡像。這種以熱電壓為基準(zhǔn)的自偏置電路對振蕩器的頻率進(jìn)行了很好的溫度補償。共源共柵電流鏡具有較大電源抑制比，使得電流受電源電壓影響小。此電路既用作基準(zhǔn)電流電路，也是芯片內(nèi)部其他電路的偏置電路。
2．2 與溫度無關(guān)的基準(zhǔn)電壓
    基準(zhǔn)電壓電路如圖3所示。運放由自偏置基準(zhǔn)電流電路提供偏置電流，將A，B兩點箝制在相等電位上，假設(shè)A，B兩點電壓分別為VA，VB，有：

  
    輸出電壓Vbg可表示為：

   
    假設(shè)m1／n1為Q5與Q4發(fā)射極面積比，利用式(7)、式(8)消去電流可得：

  
    將式(9)對溫度求偏導(dǎo)數(shù)有：

  
    調(diào)節(jié)Rtrim，R5，R6使得эVbg／эt=0，可以得到零溫度系數(shù)的基準(zhǔn)電壓Vbg，達(dá)到溫度補償?shù)哪康摹?/p>

2．3 比較器RS鎖存器設(shè)計
    如果考慮比較器、鎖存器和開關(guān)管S1，S2的傳輸延時td，則振蕩器的頻率可以表示為：

   
    由上式可知，經(jīng)精確補償電流和電壓后，只有通過減小傳輸延時td來減低傳輸延時對振蕩器頻率的影響。比較器采用全差分結(jié)構(gòu)，以獲得較高的速率和高電源電壓抑制比。使用小尺寸器件可減小開關(guān)的傳輸延遲，另外比較器遲滯效應(yīng)也會給振蕩器頻率帶來一定誤差。假設(shè)由于比較器遲滯帶來上升延遲t1、下降延遲t2，則周期誤差為：

  
    采用兩個比較器的對稱結(jié)構(gòu)，保持Ich1=Ich2，Cl=C2，使得基準(zhǔn)電流對電容充放電的時間相同，有t1=t2。因此雙比較器對稱結(jié)構(gòu)設(shè)計可有效消除傳輸延遲的頻率偏差，提高振蕩器的精度。RS鎖存器由兩個NOR組成。
2．4 數(shù)字修調(diào)設(shè)計
    在振蕩器設(shè)計中，由于工藝偏差等原因會產(chǎn)生頻率偏差。為保證頻率精度，有必要采用數(shù)字修調(diào)控制可配置寄存器對振蕩器頻率進(jìn)行矯正，以得到精準(zhǔn)的目標(biāo)頻率。
2．4．1 電流粗調(diào)頻率可選
    由圖2電路可見，開關(guān)管EN1閉合，EN2斷開時，Ich=I，選擇4 MHz頻率輸出；開關(guān)管EN1關(guān)閉，EN2斷開時，Ich=I1，選擇2 MHz頻率輸出。
2．4．2 電阻微調(diào)頻率
    帶隙基準(zhǔn)電路的電阻微調(diào)網(wǎng)絡(luò)如圖4所示。R按照RN=2n-1RLSB取值，所有開關(guān)由片上可配置寄存器控制，通過控制Tr1～Tr8，可使電阻在256階精度變化，使得基準(zhǔn)電壓Vbg的變化梯度為256階，從而實現(xiàn)頻率256階精度微調(diào)。

    十六進(jìn)制寄存器為FFH狀態(tài)時，Tr1～Tr8全為1，開關(guān)管均閉合，Rtrim最小，基準(zhǔn)電壓Vbg輸出最小，振蕩器輸出最大頻率fmax；十六進(jìn)制寄存器為00H狀態(tài)時，Tr1～Tr8全為O，開關(guān)管均斷開，Rtrim最大，基準(zhǔn)電壓Vbg輸出最大，振蕩器輸出最小頻率fmin。設(shè)置寄存器為80H狀態(tài)則對應(yīng)頻率振蕩器的中心頻率fOSC，該頻率可通過電阻網(wǎng)絡(luò)在fmin～fmax之間調(diào)節(jié)，可調(diào)精度為：

  
    在微調(diào)電阻陣列的設(shè)計中，要充分考慮晶體管的工藝偏差和開關(guān)的傳輸延遲，減小開關(guān)晶體管的導(dǎo)通電阻對trim電阻的影響。

3 測試結(jié)果及分析
    基于CSMC O．5 μm CMOS工藝對所提電路進(jìn)行流片，其電路的顯微照片如圖5所示。

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    在室溫下對流片電路進(jìn)行了頻率和數(shù)字修調(diào)測試，測試時EN1選通，可配置數(shù)字寄存器從00H變化到FFH狀態(tài)，頻率可調(diào)范圍為3．828～4．162 MHz，振蕩器輸出頻率fOSC=4．001 MHz，最大可微調(diào)步長為O．005 MHz／LSB，調(diào)節(jié)精度為O．125％；EN2選通，寄存器00H～FFH的可調(diào)范圍為1．942～2．054 MHz，振蕩器的輸出頻率fOSC=2．000 2 MHz，微調(diào)步長為O．002 MHz／LSB，調(diào)節(jié)精度為O．1％。對流片電路進(jìn)行了溫度和電壓特性測試。
3．1 振蕩器的溫度特性
    振蕩器在00H，80H，F(xiàn)FH狀態(tài)下隨溫度的變化特性曲線如圖6所示。

    當(dāng)VDD=5 V，溫度范圍為-40～+125℃，頻率為4 MHz時，振蕩器的頻率變化為138 ppm／℃；頻率為2 MHz時，振蕩器的頻率變化為94 ppm／℃。
3．2 振蕩器的電源電壓變化特性
    圖7是2 MHz，4 MHz在00H，80H，F(xiàn)FH狀態(tài)下振蕩器頻率與電源電壓關(guān)系圖。當(dāng)t=25℃，電源電壓為3～6 V，頻率為4 MHz時，振蕩器的頻率變化為2．3％；當(dāng)頻率為2 MHz時，振蕩器的頻率變化僅為0．56％。表1總結(jié)了室溫下測得的振蕩器特性參數(shù)。

4 結(jié) 語
    基于0．5μm CMOS工藝設(shè)計一種頻率為2 MHz，4 MHz數(shù)字可調(diào)高精度振蕩器。經(jīng)流片測試表明，該振蕩器在3～5 V工作電壓下，-40～+125℃溫度范圍內(nèi)都具有較穩(wěn)定的工作頻率，4 MHz數(shù)字修調(diào)精度可達(dá)±0．125％；2 MHz數(shù)字修調(diào)精度可達(dá)±O．1％，該電路可嵌入到數(shù)字系統(tǒng)鐘作為片內(nèi)時鐘，亦可單獨作為時鐘芯片。所設(shè)計的振蕩器已應(yīng)用于LED驅(qū)動芯片中，并且具有極其廣泛的應(yīng)用前景。