王風(fēng)波 茍博 王華杰等

摘 要：基于當(dāng)前一些高集成度高精度應(yīng)用領(lǐng)域時(shí)鐘信號(hào)大量需求的目的，介紹了一種具有高階溫度補(bǔ)償?shù)母呔萊C振蕩器。文中所設(shè)計(jì)的電流源電路采用了3階溫度補(bǔ)償?shù)姆椒?，可以有效降低電路?duì)溫度變化的敏感性，利用具有超低溫度系數(shù)的電流對(duì)電容進(jìn)行充放電，實(shí)現(xiàn)在較寬的溫度范圍內(nèi)振蕩器頻率的高穩(wěn)定性。仿真結(jié)果表明：在電源電壓范圍為2.5 V～5.5 V，溫度范圍為-40 ℃～125 ℃，及不同的工藝角下，輸出頻率精度保持在±0.25%以內(nèi)。該RC振蕩器具有高精度的輸出頻率，能夠作為一些數(shù)?；旌想娐返臅r(shí)鐘信號(hào)。

關(guān)鍵詞：高精度；3階溫度補(bǔ)償；RC振蕩器；溫度敏感性基金項(xiàng)目：四川省科技計(jì)劃項(xiàng)目重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目，項(xiàng)目編號(hào)2022YFG003

0 引言

振蕩器作為一種時(shí)鐘信號(hào)電路，是許多電子系統(tǒng)重要組成部分。隨著集成電路的快速發(fā)展，振蕩器會(huì)在數(shù)字及數(shù)?；旌霞呻娐分邪缪輼O其重要的角色。因此，需要一種高穩(wěn)定高精度的可集成的振蕩器。

振蕩器是在不外加輸入信號(hào)的條件下，可僅僅依靠電路自激振蕩而產(chǎn)生具有周期性的信號(hào)。一般地，晶體振蕩器的頻率比較穩(wěn)定，但不能集成到芯片內(nèi)部，而且精度只與所選擇的晶體器件的固有頻率有關(guān)[1]。RC 振蕩器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉，因而受到非常廣泛的應(yīng)用，但其振蕩頻率易受電壓和溫度變化的影響，其次也與電阻和電容與工藝有關(guān)系[2，3]。

文章介紹的高精度RC 振蕩器電路，其電路的內(nèi)部電流源電路采用高階溫度補(bǔ)償?shù)脑O(shè)計(jì)方案，得到在較寬的溫度范圍內(nèi)具有與溫度無(wú)關(guān)的電流源電路。此外，針對(duì)工藝會(huì)帶來(lái)的偏差，采用電流數(shù)字修調(diào)電路來(lái)提高振蕩器頻率的穩(wěn)定性。

1 RC振蕩器的結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)重點(diǎn)

1.1 RC振蕩器的結(jié)構(gòu)

RC 振蕩器的原理圖，如圖1 所示。

RC 振蕩器的工作原理：假設(shè)初始狀態(tài)的RS 鎖存器的輸出端 Q = 0，整型反向器的輸出端 CLK = 0、CLKN =1。此時(shí)，開(kāi)關(guān)管M1 導(dǎo)通， M2 關(guān)斷，充電電流Ic 對(duì)電容C1 進(jìn)行充電，電容兩端電壓不斷上升，與此同時(shí)，開(kāi)關(guān)管M3 關(guān)斷， M4 導(dǎo)通，電容C2 同過(guò)開(kāi)關(guān)管M4 對(duì)地進(jìn)行放電直到0 V。當(dāng)電容C1 兩端電壓上升至Vref 時(shí)，比較器Comp2 的輸出跳變?yōu)?，此時(shí)RS 鎖存器的輸出為Q =1，整型反向器的輸出端CLK =1、CLKN = 0，開(kāi)關(guān)管 M3 導(dǎo)通， M4 關(guān)斷，充電電流Ic對(duì)電容C2 進(jìn)行充電，此時(shí)電容C1 兩端的電壓對(duì)地進(jìn)行放電直至到0 V。當(dāng)電容C2 兩端電壓等于Vref 時(shí)，比較器Comp1 輸出發(fā)生改變，變?yōu)?，而此時(shí)RS 鎖存器的輸出變?yōu)镼 = 0，整型反向器的輸出端CLK = 0、CLKN =1，電路回到了初始狀態(tài)，電容完成一個(gè)充放電周期，電路形成一個(gè)振蕩周期，如此往復(fù)循環(huán)，使RC 振蕩器以一定的頻率不斷進(jìn)行。

根據(jù)前面的分析以及電容的充放電特性可知，電容完成充電時(shí)間t1 和放電時(shí)間t2 為：

4 結(jié)束語(yǔ)

文中采用CSMC 0.18 μm CMOS 工藝，采用高階溫度補(bǔ)償電流源以及電流數(shù)字修調(diào)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了一種具有高階溫度補(bǔ)償高精度的RC 振蕩器。仿真結(jié)果表明：在電源電壓為2.5 V～5.5 V，溫度為-40℃～125℃ 條件下，振蕩器輸出中心頻率保持在±0.25% 以內(nèi)。該電路可集成應(yīng)用到一些較為復(fù)雜的系統(tǒng)中，如可作為數(shù)模轉(zhuǎn)換器（ADC）的內(nèi)部時(shí)鐘，也可集成單獨(dú)的時(shí)鐘芯片。