一種高精度數(shù)字可調(diào)片上振蕩器設(shè)計(jì)

一種高精度數(shù)字可調(diào)片上振蕩器設(shè)計(jì)

摘要：在傳統(tǒng)的電路基礎(chǔ)上對(duì)電流、電壓基準(zhǔn)電路進(jìn)行補(bǔ)償，設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)了溫度補(bǔ)償；利用電阻網(wǎng)絡(luò)補(bǔ)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(cè)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(bǔ)償；工藝補(bǔ)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(jì)中，振蕩器作為控制電路的核心功能模塊，決定整個(gè)系統(tǒng)的工作頻率，對(duì)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(duì)其進(jìn)行補(bǔ)償。在分析常見電流型RC振蕩器的基礎(chǔ)上，針對(duì)影響振蕩器頻率的各個(gè)因素進(jìn)行補(bǔ)償，設(shè)計(jì)了一種頻率2 MHz，4 MHz可選片上振蕩器電路，具有對(duì)頻率進(jìn)行數(shù)字修調(diào)機(jī)制及溫度和工藝補(bǔ)償設(shè)計(jì)，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(shí)鐘信號(hào)。

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(duì)電容充電，MOS管對(duì)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(hào)，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。基準(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(duì)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(duì)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(duì)頻率穩(wěn)定性的影響。

2 振蕩器電路設(shè)計(jì)
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(duì)溫度無關(guān)的基準(zhǔn)電流。

??? 如圖2所示，啟動(dòng)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(gè)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(dòng)電路脫離主電路，整個(gè)電路保持在正常的工作點(diǎn)。

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(duì)溫度。Q3支路在提供一個(gè)負(fù)溫度系數(shù)pcas 電壓的同時(shí)，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(duì)振蕩器的頻率進(jìn)行了很好的溫度補(bǔ)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(yùn)放由自偏置基準(zhǔn)電流電路提供偏置電流，將A，B兩點(diǎn)箝制在相等電位上，假設(shè)A，B兩點(diǎn)電壓分別為VA，VB，有：