一種結構簡單的低功耗振蕩器電路設計

摘要：給出了一種結構簡單的低功耗振蕩器電路的設計方法，該電路由RC充放電回路、偏置電路組成。與傳統振蕩器電路相比，該電路具有精度高、電路結構簡單以及輸出占空比可調等優點。采用0．35 μm BCD工藝并利用Cadence Spectre仿真工具對電路進行仿真，結果表明，在5 V工作電壓下，電路起振速度快，輸出波形穩定，平均功耗僅0．29 mW。
關鍵詞：振蕩器電路；低功耗；RC振蕩器；CMOS

0 引言
振蕩器是許多電子系統中時鐘產生電路的重要組成部分。常用的振蕩器結構有RC振蕩器、環形振蕩器和晶體振蕩器三種。RC振蕩器結構簡單，成本低，且電路功耗也較低，因而成為應用最普遍的一種振蕩器電路；但它有振蕩頻率穩定性差，產生的頻率受電源電壓、環境溫度以及組成振蕩器的各種元器件的電學特性影響較大等缺點。
本文基于對傳統RC振蕩電路的分析，提出了一種新型的RC振蕩電路。該電路結構簡單，能夠在不增加功耗的同時提高RC振蕩器的精度，且溫度系數小。此外，與傳統RC振蕩器相比，由于該電路包含兩個充電支路，因此，電路輸出波形的占空比可隨意調節。

1 傳統RC振蕩器
圖1所示為傳統的RC振蕩器電路，電路由保護電阻Rp、反饋電阻Rf兩個反向器U1和U2，以及一個耦合電容C組成。當節點電壓Vi有極微小的正跳變發生時，U1的輸出迅速跳變為低電平，同時U2的輸出迅速跳變為高電平，電路進入第一個暫穩態，此時電容C開始通過電阻Rf放電。隨著電容C的放電電壓Vi逐漸下降，當Vi下降到MOS管的閾值電壓VTH時，U1反向器的輸出迅速變為高電平，而U2反向器的輸出迅速跳變為低電平，電路進入第二個暫穩態，電容C通過電阻Rf開始充電。隨著電容C的充電，Vi不斷升高，當Vi升至VTH時，電路又重新轉換為第一個暫穩態。

假設保護電阻Rp足夠大，且Rf遠大于反向器的導通電阻RON，則電路的振蕩周期為：
T=2.2RfC (1)
圖1中，RC振蕩器的頻率主要受電阻Rf、電容C以及反相器U1、U2的翻轉電平影響。U1、U2的翻轉電平受反相器內部器件的特性和電源電壓的影響較大，并且該振蕩器的頻率精度不高，波形占空比不易調節。

2 新型振蕩器設計及分析
本設計的新型振蕩器電路結構如圖2所示。圖2中左邊的電路上下對稱，MOS管T5、T6以及反相器、與非門構成振蕩器的主體部分，其余的器件為偏置部分。電容C1、C2的充放電時間決定著振蕩頻率，因此，通過改變C1、C2的電容值可以改變振蕩器的輸出頻率。