顧 祥，顧 吉，許天輝，吳建偉

（中國電子科技集團公司第58研究所，江蘇 無錫 214035）

1 引言

隨著模擬集成電路的迅速發(fā)展，鋸齒波振蕩器在很多領域，諸如測量電路、自動控制系統、信號處理電路和電源管理電路等，有著非常廣泛的應用。許多鋸齒波電路雖然比較穩(wěn)定、精度高，但是其頻率受環(huán)境溫度等影響較大；良好的鋸齒波振蕩器應該具有穩(wěn)定性好、精度高、可調范圍廣、波形好的特點。本文基于以上特點，設計了一種以單比較器作為核心的鋸齒波振蕩器，該電路通過對外接的RT/CT進行充放電，其頻率除了穩(wěn)定性好、精度高、可調范圍廣之外，還具有對溫度不敏感的特性。此外，振蕩波的占空比可以通過對放電支路的Trimming修調進行調節(jié)。

2 電路設計

2.1 電路框圖和原理

本文設計的鋸齒波發(fā)生電路原理框圖如圖1所示，利用帶隙基準電壓源對RT/CT進行充電，比較器正輸入端電壓增加，當電壓增加到比較器負輸入端電壓時，比較器輸出CLK信號由低電平轉變?yōu)楦唠娖?，CLK信號驅動放電電路開啟，比較器輸入端通過放電支路進行放電，同時比較器負輸入端電壓變?yōu)榈碗娢唬划敱容^器正輸入電壓放電至負輸入端電壓時，CLK信號由高電平變?yōu)榈碗娖剑容^器負輸入端電壓變?yōu)楦唠娢?，關閉放電電路，基準電壓源對比較器正輸入端重新充電，電路就這樣重復對電容充放電，實現相應的鋸齒波及CLK信號，通過調節(jié)RT、CT的值可以改變輸出波的頻率。

圖1 振蕩器電路框圖

2.2 實際電路設計和仿真

2.2.1 偏置電流源的設計

該電流源主要是為比較器提供合適的偏置，通過設置合理的電流源鏡像比例，可以達到穩(wěn)定頻率溫度特性的效果，具體電路如圖2所示。

圖2 電流源偏置電路

由于三極管基極的電流很小，流過電阻RLD13上的電流主要通過NPN晶體管NC10流到地，這條支路的電流大小為，VBIAS=0.7 V。

I=VREF-2VBE/RLD13

通過各鏡像管的發(fā)射極面積比，可以確定電流沉和電流源的大小之比。

2.2.2 OSC主體電路設計

該電路的主要功能是產生CLK方波和鋸齒波，具體電路如圖3所示，當RT/CT電壓很低時，電流主要從NC6管流過，NC4提供的尾電流基本流過NC6，CLK電壓為低，NC6此時的基極電壓為VB1=VREFI0RLD8-Vbe-I1RLD4（鋸齒波上限）。當RT/CT電壓達到VB1后，NC4提供的尾電流基本流過NC5，A點電壓降低，ND14關斷，NC6的基極電位基本為0，規(guī)定了三角波的下限VB2也接近于0。所以想要調整頻率，可以通過改變三角波上限VB1來實現。

該電路充電時，VREF通過RT將CT從VB2充至VB1，RT、CT充電方程可以根據三點法求得：

V=[V(0)-V(∞)]e-t/toV(∞)

V(0)=VB2，V(∞)=VREF，to=RT×CT

由此可以求得充電時間為：

VB2=0，VB1=VREF-I0RLD8-Vbe-I1RLD4

可以看出，只要減小I1RLD4即可減小充電時間而提高頻率。

該電路放電時，放電電流大小由ND21中的電流決定，而ND21中電流又由電阻Trimming決定，放電時通過ND21中的恒定電流將電容充VB1放電至VB2。

由于放電時間非常短，波形的頻率主要由充電時間決定，因此，鋸齒波及CLK信號的頻率為1/t。

再來分析頻率的溫度穩(wěn)定性，此時頻率主要由VB1決定，而VB1中，I0RLD8趨向于0，忽略不計，VREF為帶隙基準源提供的電壓，溫度穩(wěn)定性很好，也可以忽略，唯一隨溫度變化的參數項僅為-Vbe-I1RLD4，設該項為：

S=-Vbe-I1RLD4=-Vbe-K×（VREF-2Vbe）/RLD13×RLD4

同時，設RLD13/RLD4=m;

S=(2K/m-1)Vbe-K/m×VREF;

由上式可知，VREF項可以忽略，只需考慮（2K/m-1）Vbe項，令（2K/m-1）=0，則可以約去該項，理想條件下，幾乎可以實現零溫漂。

圖3 OSC震蕩電路

2.2.3 電路的仿真

在UNIX系統下，基于1 μm bipolar工藝SPICE模型，利用HSPICE軟件對電路進行了仿真，仿真的結 果如圖4所示。

圖4 振蕩器輸入輸出關系圖

同時，我們分別在25 ℃和125 ℃條件下，對電路進行頻率仿真，在RT=10 kΩ、CT=10 nF條件下，兩種溫度的頻率均為56.7 kHz，可見頻率的溫漂系數幾乎為0。

3 電路流片驗證

該電路采用1.0 μm bipolar工藝在中國電科第58所制造部進行流片，出片后經測試確認，振蕩器功能完全正常，性能良好，在RT=10 kΩ、CT=10 nF條件下，100 ℃溫度變化引起的頻率漂移在5%以內，詳見表1。電源電壓在12～25 V范圍內變化，頻率漂移在1%以內，如圖5、圖6所示；通過反熔絲的Trimming，可將震蕩波形的最大占空比從87%提高到96%，如圖7、圖8所示。

表1 不同溫度下的振蕩器頻率

圖5 電源電壓12 V時的輸出方波

4 結論

本文給出了一種在純雙極工藝下的鋸齒波振蕩器電路，產生的鋸齒波頻率穩(wěn)定性很高，對環(huán)境溫度和電源的變化不敏感，同時可以通過反熔絲的Trimming實現波形最大占空比的調節(jié)，文章對電路進行了理論推導， 同時用HSPICE工具進行了仿真驗證，仿真結果數據與理論計算值吻合，最后進行了流片，流片結果基本達到設計的要求，該單元電路實際應用于某高性能PWM控制芯片設計中并已投片。希望本文對其他設計人員提供一定的幫助。

圖6 電源電壓25 V下的輸出方波

圖7 Trimming前輸出方波

圖8 Trimming后輸出方波

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