一種基于真隨機數發(fā)生器的擴展頻譜CMOS振蕩器的設計

在現代開(kāi)關(guān)電源的控制電路中，振蕩器" target="_blank">振蕩器對模擬電路和信號處理起著(zhù)很重要的作用。在多數情況下，其工作頻率被設計為某一固定頻率或是基于一定負載的恒定值，在該工作頻率下存在大量的噪聲信號。如果振蕩器的頻率在某一頻率范圍內隨機變化，噪聲信號就會(huì )分散在一定的頻率范圍，從而可以減小由諧振引起的噪聲，并有利于在頻譜范圍內，最大限度地減小開(kāi)關(guān)電源的輸出信號噪聲峰值。本文提出了一種新型真隨機數發(fā)生器的結構，利用真隨機數發(fā)生器產(chǎn)生的隨機序列控制振蕩器中恒流源的充電電流的大小，設計了一種擴展頻譜CMOS振蕩器，可以用于改善DC／DC轉換器的噪聲性能。

1 擴展頻譜振蕩器的結構

整個(gè)電路的基本結構如圖1所示，它由隨機序列發(fā)生器、振蕩器電路、整形電路及二分頻電路四部分組成。在外部使能信號和反饋時(shí)鐘的控制下，隨機序列發(fā)生器產(chǎn)生隨機信號，與整形電路的反饋信號一起控制振蕩器工作，這樣振蕩器中對電容充電電流的大小在一定范圍內是隨機跳變的，因此振蕩器產(chǎn)生了隨機振蕩信號。在振蕩器中，通過(guò)改變電容的充電電流的大小，從而調節隨機振蕩器的振蕩信號的周期。振蕩器產(chǎn)生的振蕩信號經(jīng)過(guò)二分頻電路整形后產(chǎn)生的時(shí)鐘頻率在某一頻率范圍內隨機變化。

2 真隨機數發(fā)生器電路

2.1 設計思路

在以往的文獻]中，真隨機數發(fā)生器的許多設計方法已經(jīng)產(chǎn)生。本電路設計的思路是利用D觸發(fā)器“振蕩采樣法”，核心部分是一個(gè)下降沿觸發(fā)的D觸發(fā)器，用于對兩個(gè)相對獨立的方波進(jìn)行數字混合，即將一個(gè)高頻方波送觸發(fā)器時(shí)鐘端，另一個(gè)低頻方波送入數據輸入端。但文獻提出了一種振蕩采樣法的結構需要兩個(gè)振蕩器，電路復雜，不能滿(mǎn)足擴展頻譜振蕩器的需要。

2.2 電路設計

通過(guò)對文獻振蕩采樣法的結構進(jìn)行改進(jìn)，本文設計了一種僅需要一個(gè)振蕩器的隨機序列發(fā)生器。

當使能信號EN為高電平時(shí)，整體電路如圖2所示。在此電路中共有17級D觸發(fā)器，第一個(gè)D觸發(fā)器實(shí)現對兩個(gè)獨立的方波進(jìn)行數字混合，后面16個(gè)D觸發(fā)器構成一個(gè)16位的移位寄存器。為了補償輸出分布的不均勻，在采樣時(shí)鐘的節拍下，每次將第一個(gè)D觸發(fā)器采樣得到的單個(gè)隨機位逐次移位，然后將移位寄存器的第二個(gè)D觸發(fā)器的輸出與最后的D觸發(fā)器的輸出異或，此信號b12又被送入到第一個(gè)D觸發(fā)器的數據輸人端。電路的輸出信號為移位寄存器的后四位，即為：c5，c6，c7，a10。

在電路設計中，利用了異或電路把相隔14個(gè)時(shí)鐘的輸出值b7和a10相異或，這樣得到b12的預知輸出值的概率很小。其原理是根據高斯分布的特征之一，隨機變量(周期)的變化會(huì )引起標準變差的相同變化。如果我們考慮相隔14個(gè)周期的采樣值，而不是連續采樣值，這樣第14個(gè)時(shí)鐘邊緣相對于第一個(gè)時(shí)鐘邊緣的標準是原來(lái)的14倍。于是相隔多個(gè)周期的采樣值就會(huì )具有較小的相關(guān)性，預知輸出值的概率就很小。這樣，b7和a10相異或得到的b12信號是一預知概率很小的隨機信號，所以送入到第一個(gè)D觸發(fā)器的數據輸入端的信號為隨機信號。

綜上所述，在某范圍內隨機采樣時(shí)鐘的節拍下，第一個(gè)D觸發(fā)器對輸入隨機數據b12進(jìn)行采樣得到隨機信號。為了得到分布均勻的輸出信號，將采樣所得到的隨機信號利用移位寄存器逐次移位，從而得到了分布均勻的四路隨機輸出信號c5，c6，c7，a10。

3 振蕩器電路設計

CMOS隨機振蕩器電路的工作原理圖如圖3所示。M1～M5，M7，M8，R1構成了單位增益緩沖器，使，決定了振蕩器的充電電流基I1(I1=Vo／R1)，在設計時(shí)可以調節R1的大小實(shí)現對充電電流基I1的調整。M10～M18構成了電壓比較器，利用M18，M19電流鏡產(chǎn)生單端輸出Vout。由M25產(chǎn)生鏡像電流I2，對時(shí)間常數電容C充電。隨機電流充電電路由隨機控制信號(V1～V4)隨機打開(kāi)M27～M30管，由于鏡像的作用，電容C充電電流變大，加快電容C充電速度，即改變了振蕩器的頻率。在電路中M21～M24各管的寬長(cháng)比比值設計為8：4：2：1，使振蕩器的振蕩頻率可以完全覆蓋某一頻率范圍，從而保證該振蕩器在某一頻率范圍內連續隨機變化。

二分頻電路，將振蕩器輸出信號整形，實(shí)現方波輸出。

由于t放約占(t放+t充)的1％，因此計算時(shí)可以忽略t放，在仿真時(shí)改變R1的大小，就可以達到預期的目標。

整個(gè)電路輸出時(shí)鐘為：

4 擴展頻譜振蕩器整體電路的仿真結果

4.1 真隨機數發(fā)生器電路的仿真

真隨機數發(fā)生器電路的仿真如圖4所示。c5，c6，c7，a10為串聯(lián)的D觸發(fā)器中最后四位的輸出信號，從仿真結果中可見(jiàn)，在開(kāi)始幾個(gè)微秒內，這四位隨機信號沒(méi)有變化，則輸出的時(shí)鐘信號的周期保持不變；在幾個(gè)微秒之后，這四位隨機信號隨機變化，則輸出時(shí)鐘的頻率以基頻為最小值隨機變化。此后，輸出時(shí)鐘信號的周期將隨著(zhù)這四位隨機信號的改變而變化。

4.2 振蕩器整體電路的仿真

通過(guò)Cadence spectre仿真工具對電路進(jìn)行仿真驗證，當隨機開(kāi)關(guān)都關(guān)閉時(shí)振蕩器的振蕩頻率為1 MHz；而當隨機開(kāi)關(guān)管都打開(kāi)時(shí)振蕩器的振蕩頻率為1.6 MHz。振蕩器的輸出為隨機信號如圖5所示。a2是對應于Vout的輸出時(shí)鐘信號。從仿真波形可見(jiàn)，輸出時(shí)鐘信號a2的周期隨機變化，驗證了所設計的電路的正確性。

5 試驗情況

將上述電路應用于DC／DC轉換器電路，在輸出電流為500 mA，輸出電容為10 μF的條件下進(jìn)行整體測試。同時(shí)將DC／DC轉換器的頻率固定，即將振蕩器的隨機控制信號置為低電平，在輸出電流為500 mA，輸出電容為22μF的條件進(jìn)行整體測試。測試結果表明，使用擴展頻譜振蕩器電路的轉換器的輸出電容值僅為固定頻率轉換器的一半，但是峰值大于20 dBm的輸出噪聲很明顯地減少了。由此可見(jiàn)，采用擴展頻譜振蕩器的轉換器抑制噪聲的能力比工作頻率固定的轉換器強。

6 結語(yǔ)

本文利用真隨機數發(fā)生器產(chǎn)生隨機信號控制充電恒流源電流大小，完成了一種擴展頻譜振蕩器電路的設計。仿真結果表明，在5 V電源電壓下，利用隨機數發(fā)生器產(chǎn)生的控制信號實(shí)現了擴展頻譜振蕩器在1～1.6 MHz的范圍頻譜內隨機變化，隨機振蕩信號性能良好，能滿(mǎn)足實(shí)際電路需要。