一種高精度數字可調片上振蕩器設計

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

0 引 言
在DC／DC轉換器等開(kāi)關(guān)電源芯片的設計中，振蕩器作為控制電路的核心功能模塊，決定整個(gè)系統的工作頻率，對DC／DC轉換器的頻率響應、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、系統噪聲和工藝容差的影響較大，要得到精準的頻率，有必要對其進(jìn)行補償。在分析常見(jiàn)電流型RC振蕩器的基礎上，針對影響振蕩器頻率的各個(gè)因素進(jìn)行補償，設計了一種頻率2 MHz，4 MHz可選片上振蕩器電路，具有對頻率進(jìn)行數字修調機制及溫度和工藝補償設計，并能有效地消除比較器延遲帶來(lái)的誤差，從而提供穩定可調的時(shí)鐘信號。

1 振蕩器原理分析
振蕩器的工作原理是通過(guò)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，其結構如圖1所示?；鶞孰娏麟娐樊a(chǎn)生兩路電流，Ich1,Ich2在鎖存器的控制下給電容C1，C2充電，帶隙基準電路為比較器提供基準電壓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)的轉換。

具體轉換過(guò)程如下
式中：Ich為充電電流；Vbg為基準電壓；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(guò)trim微調可以減小容值偏差。采用雙比較器結構可以消除比較器對頻率穩定性的影響。

2 振蕩器電路設計
2．1 與溫度無(wú)關(guān)的基準電流電路
圖2為基準電流電路。利用電阻和PNP相反的溫度系數產(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(wú)關(guān)的基準電流。

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導通且工作于線(xiàn)性區，PMOS管M6的柵極被拉低至地電位，使得M6導通，整個(gè)電路開(kāi)啟。電路穩定工作后，由于M4，M5具有較大的導通電阻，M4，M5的導通使得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(guò)共源共柵連接，使得流過(guò)Q1，Q2的電流IQ1，IQ2相等。在此電路結構中，Q1發(fā)射極基極電壓VQ1應等于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的正溫度系數與R的負溫度系數使得IPTAT正比于絕對溫度。Q3支路在提供一個(gè)負溫度系數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：(ω／l)17／(ω／l)18=k，則：

調節R，R1，k，使得эI／эt=0，可以得到一路與溫度無(wú)關(guān)的電流I。電流I1為另一路鏡像。這種以熱電壓為基準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。此電路既用作基準電流電路，也是芯片內部其他電路的偏置電路。
2．2 與溫度無(wú)關(guān)的基準電壓
基準電壓電路如圖3所示。運放由自偏置基準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A，B兩點(diǎn)電壓分別為VA，VB，有：

輸出電壓Vbg可表示為：

假設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)對溫度求偏導數有：

調節Rtrim，R5，R6使得эVbg／эt=0，可以得到零溫度系數的基準電壓Vbg，達到溫度補償的目的。

2．3 比較器RS鎖存器設計
如果考慮比較器、鎖存器和開(kāi)關(guān)管S1，S2的傳輸延時(shí)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(guò)減小傳輸延時(shí)td來(lái)減低傳輸延時(shí)對振蕩器頻率的影響。比較器采用全差分結構，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(kāi)關(guān)的傳輸延遲，另外比較器遲滯效應也會(huì )給振蕩器頻率帶來(lái)一定誤差。假設由于比較器遲滯帶來(lái)上升延遲t1、下降延遲t2，則周期誤差為：

采用兩個(gè)比較器的對稱(chēng)結構，保持Ich1=Ich2，Cl=C2，使得基準電流對電容充放電的時(shí)間相同，有t1=t2。因此雙比較器對稱(chēng)結構設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(gè)NOR組成。
2．4 數字修調設計
在振蕩器設計中，由于工藝偏差等原因會(huì )產(chǎn)生頻率偏差。為保證頻率精度，有必要采用數字修調控制可配置寄存器對振蕩器頻率進(jìn)行矯正，以得到精準的目標頻率。
2．4．1 電流粗調頻率可選
由圖2電路可見(jiàn)，開(kāi)關(guān)管EN1閉合，EN2斷開(kāi)時(shí)，Ich=I，選擇4 MHz頻率輸出；開(kāi)關(guān)管EN1關(guān)閉，EN2斷開(kāi)時(shí)，Ich=I1，選擇2 MHz頻率輸出。
2．4．2 電阻微調頻率
帶隙基準電路的電阻微調網(wǎng)絡(luò )如圖4所示。R按照RN=2n-1RLSB取值，所有開(kāi)關(guān)由片上可配置寄存器控制，通過(guò)控制Tr1～Tr8，可使電阻在256階精度變化，使得基準電壓Vbg的變化梯度為256階，從而實(shí)現頻率256階精度微調。

十六進(jìn)制寄存器為FFH狀態(tài)時(shí)，Tr1～Tr8全為1，開(kāi)關(guān)管均閉合，Rtrim最小，基準電壓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(shí)，Tr1～Tr8全為O，開(kāi)關(guān)管均斷開(kāi)，Rtrim最大，基準電壓Vbg輸出最大，振蕩器輸出最小頻率fmin。設置寄存器為80H狀態(tài)則對應頻率振蕩器的中心頻率fOSC，該頻率可通過(guò)電阻網(wǎng)絡(luò )在fmin～fmax之間調節，可調精度為：

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

3 測試結果及分析
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。

在室溫下對流片電路進(jìn)行了頻率和數字修調測試，測試時(shí)EN1選通，可配置數字寄存器從00H變化到FFH狀態(tài)，頻率可調范圍為3．828～4．162 MHz，振蕩器輸出頻率fOSC=4．001 MHz，最大可微調步長(cháng)為O．005 MHz／LSB，調節精度為O．125％；EN2選通，寄存器00H～FFH的可調范圍為1．942～2．054 MHz，振蕩器的輸出頻率fOSC=2．000 2 MHz，微調步長(cháng)為O．002 MHz／LSB，調節精度為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，FFH狀態(tài)下隨溫度的變化特性曲線(xiàn)如圖6所示。

當VDD=5 V，溫度范圍為-40～+125℃，頻率為4 MHz時(shí)，振蕩器的頻率變化為138 ppm／℃；頻率為2 MHz時(shí)，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，FFH狀態(tài)下振蕩器頻率與電源電壓關(guān)系圖。當t=25℃，電源電壓為3～6 V，頻率為4 MHz時(shí)，振蕩器的頻率變化為2．3％；當頻率為2 MHz時(shí)，振蕩器的頻率變化僅為0．56％。表1總結了室溫下測得的振蕩器特性參數。

4 結 語(yǔ)
基于0．5μm CMOS工藝設計一種頻率為2 MHz，4 MHz數字可調高精度振蕩器。經(jīng)流片測試表明，該振蕩器在3～5 V工作電壓下，-40～+125℃溫度范圍內都具有較穩定的工作頻率，4 MHz數字修調精度可達±0．125％；2 MHz數字修調精度可達±O．1％，該電路可嵌入到數字系統鐘作為片內時(shí)鐘，亦可單獨作為時(shí)鐘芯片。所設計的振蕩器已應用于LED驅動(dòng)芯片中，并且具有極其廣泛的應用前景。