孫麗晶， 楊 博， 劉慶飛

（1.長春工業(yè)大學 基礎科學學院，吉林 長春 130012；2.上海四通儀表股份有限公司，江蘇 蘇州 215163；3.中國兵器工業(yè)第214研究所 蘇州研發(fā)中心，江蘇 蘇州 215163）

0 引 言

振蕩器常常用于產生時鐘信號，控制開關動作［1］。RC振蕩器由于具有結構簡單、成本較低、功耗較小、頻率可調等優(yōu)點得到廣泛應用［2］。文中設計的RC振蕩器采用電阻串分壓提供參考電壓的方式，并且設計了復位功能，在外接RC的模式下，振蕩器頻率可在1kHz～1MHz范圍內變化。

1 電路結構與原理分析

1.1 振蕩器結構與分析

振蕩器結構如圖1所示。

圖1 振蕩器結構圖

圖中C0是時鐘電容，Vth＋，Vth－是比較器COMP1，COMP2的參考電壓，I1，I2分別為C0的充電和放電電流源，振蕩器通過將電容C0上的電壓與比較器的兩個參考電壓Vth＋，Vth－進行比較，產生控制信號Q，QB，從而控制電流源I1，I2為C0充放電，形成振蕩輸出，振蕩器工作波形如圖2所示［3－4］。

圖2 振蕩器工作波形圖

復位電路的設計思想如下:

當電源上電過程中，在電源電壓還沒有達到工作電壓時，通過復位單元產生復位電平，使振蕩器進入復位狀態(tài)，然后隨電源電壓的繼續(xù)上升，復位過程結束，電路進入正常工作模式，實現上電復位［5］。外部復位模式是在振蕩器復位端加外部復位信號實現振蕩器外復位［6］。

復位電路工作原理波形如圖3所示。

圖3 復位電路工作原理波形圖

此時電路工作電壓為5V、工作溫度為25℃。

根據圖3可以看出，當電源電壓為3.14V時，輸出復位信號R為低電平，電路處于復位狀態(tài)，當電源電壓超過3.14V時，復位信號跳變成高電平，電路結束，復位進入工作模式。

1.2 振蕩器設計

文中設計的RC振蕩器電路如圖4所示。

圖4 CMOS振蕩器電路圖

其中比較器COMP1，COMP2結構相似，為了圖示簡潔，COMP1用示意圖代替電路圖，4個與非門I4，I5，I6，I7和 4個反相器I8，I9，I10，I11組成RS觸發(fā)器結構。

比較器COMP2由3個開關SW0，SW1，SW2，2個反相器I0，I1，1個緩沖器I2，1個與非門I3和采樣保持電容C1組成，其中反相器I0的閾值約為電源電壓的一半，反相器I1和緩沖器I2的閾值是Vth－。當Pulse為高電平時，比較器COMP2開始工作，時鐘電容C0開始通過M2放電，當A點電平降低到Vth－時，反相器I1輸出一個高電平導致節(jié)點C2跳變到低電平，則反相器I5輸出高電平強制反相器I4輸出低電平，使Pulse變成低電平，時鐘電容進入下一個充電周期。

反相器I1是有開關功能的反相器，在反相器中加入開關管，可以在不影響反相器邏輯功能的情況下，減少電路工作電流，進而降低功耗。假設Vth－＝1V；PMOS管跨導參數Kp＝9E－6A／V2；PMOS管閾值電壓Vthp＝1.121 8V；PMOS管溝道長度調制系數λp＝0.4；NMOS管跨導參數Kn＝82E－6A／V2；NMOS 管 閾值電 壓 Vthn＝0.875 7V；NMOS 管溝 道 長 度 調 制 系 數λn＝0.238 6；反相器I1的開關管采用PMOS寬長比是1，并且開關管柵極接地，為了MOS管尺寸匹配，則反相器的PMOS也選取寬長比為1。并且為了簡化計算假定當反相器I1的輸入與輸出相等時，輸入值為1V，反相器的MOS管工作在飽和區(qū)，反相器的開關管工作在線性區(qū)。工作電壓5V，根據MOSFET的Spice一級靜態(tài)模型，通過求解 MOSI～V方程（1）和方程（2）［7］:

則有

實際設計中選取1∶18.5可以滿足的反相器閾值1V的設計要求。通過類似的方法確定比較器COMP1，COMP2內部晶體管的尺寸。Reset電路如圖5所示。

圖5 Reset模塊電路圖

復位信號提供給振蕩器使用。電路中，電阻R0，二極管 D0，D1，D2，反相器I0和開關SW0組成上電復位電路，利用正反饋作用使節(jié)點I電壓迅速下降，復位信號上升沿更陡峭。電容C0是延時電容，與非門I1為外部同步復位信號提供接口。

1.3 電路的可靠性設計

一般情況下，振蕩器工作很穩(wěn)定，但是在極端的電磁環(huán)境條件下，振蕩器有可能出現停振的情況［8］。為了預防類似的情況，在振蕩器內部采用了施密特結構，當干擾在振蕩器內引起擾動時，施密特結構可以產生強制信號，使振蕩器恢復振蕩輸出。

2 仿真結果

振蕩器復位模式下的工作波形如圖6所示。

圖6 振蕩器雙重復位模式工作波形

條件是工作電壓5V，時鐘電容90pF，外接200kΩ電阻。從圖6可以分析出，當無外部復位信號時，Reset模塊完成上電復位。當Reset模塊的輸入端ResetIn接入外部復位信號時，Reset模塊產生的內部Reset信號跟隨ResetIn，從而實現了外同步復位功能，復位信號結束，振蕩器開始在20kHz頻率下正常工作。通過對該電路的流片、封裝、測試及驗證，測試結果與仿真一致，達到設計要求。

3 結 語

設計了一種具有復位功能的RC振蕩器，該設計可以實現在沒有外部信號的情況下，上電復位也可以進行外同步復位。

［1］ 畢查得·拉扎維.模擬CMOS集成電路設計［M］.西安:西安交通大學出版社，2003.

［2］ Johs D，Martin K.Analog integrated circuit design［M］.［S.l］:John Wiley ＆Sons，Inc，1997.

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［6］ 周智勇.從嵌入CMOS MEMS振蕩器展望IC設計的潛在變革［J］.電子產品世界，2007（1）:34-38.

［7］ 張孝飛，趙孔新，張賽男.基于FPGA的脈沖發(fā)生器波形模塊設計［J］.長春工業(yè)大學學報:自然科學版，2011，32（3）:258-262.

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