一種高精度數字可調片上振蕩器設計

摘要：在傳統的電路基礎上對電流、電壓基準電路進行補償，設計一種高精度數字可調CMOS片上振蕩器電路。利用電阻和PNP管相反的溫度系數產生的自偏置基準電流電路PTAT，NTAT兩路電流，疊加得到一路與溫度無關的基準電流上，實現了溫度補償；利用電阻網絡補償工藝產生高 PSRR帶隙基準電路電壓的頻率誤差；數字修調寄存器粗調電流用以選擇頻率，微調電阻用以調節精度。經流片測試表明，該振蕩器頻率2 MHz，4 MHz可選，2 MHz可調精度達±O．1％；4 MHz可調精度達±O．125％。
關鍵詞：溫度補償；工藝補償；高精度；數字可調；振蕩器

0 引 言
在DC／DC轉換器等開關電源芯片的設計中，振蕩器作為控制電路的核心功能模塊，決定整個系統的工作頻率，對DC／DC轉換器的頻率響應、紋波大小、效率等諸多性能有重要的影響。其受工作電壓、溫度變化、系統噪聲和工藝容差的影響較大，要得到精準的頻率，有必要對其進行補償。在分析常見電流型RC振蕩器的基礎上，針對影響振蕩器頻率的各個因素進行補償，設計了一種頻率2 MHz，4 MHz可選片上振蕩器電路，具有對頻率進行數字修調機制及溫度和工藝補償設計，并能有效地消除比較器延遲帶來的誤差，從而提供穩定可調的時鐘信號。

1 振蕩器原理分析
振蕩器的工作原理是通過恒定電流源對電容充電，MOS管對電容快速放電，以產生鋸齒波，再經鎖存器產生周期脈沖信號，其結構如圖1所示。基準電流電路產生兩路電流，Ich1,Ich2在鎖存器的控制下給電容C1，C2充電，帶隙基準電路為比較器提供基準電壓Vbg，經比較器與電容C1，C2的上極板電壓VC1，VC2比較，從而控制SR鎖存器狀態的轉換。

具體轉換過程如下
式中：Ich為充電電流；Vbg為基準電壓；C為充電電容。由式(1)知，振蕩器的頻率主要由Ich，Vbg，C決定。若Ich，Vbg對溫度和電源電壓的影響減小，則振蕩器的頻率只受工藝偏差對容差的影響，通過trim微調可以減小容值偏差。采用雙比較器結構可以消除比較器對頻率穩定性的影響。

2 振蕩器電路設計
2．1 與溫度無關的基準電流電路
圖2為基準電流電路。利用電阻和PNP相反的溫度系數產生兩路電流，一路與溫度成正比的PTAT電流，另一路與溫度成反比的NTAT電流，兩路電流疊加得到與絕對溫度無關的基準電流。

如圖2所示，啟動電路由M2～M6組成，在電路上電瞬間，M3關斷，M4，M5導通且工作于線性區，PMOS管M6的柵極被拉低至地電位，使得M6導通，整個電路開啟。電路穩定工作后，由于M4，M5具有較大的導通電阻，M4，M5的導通使得M6的柵極電壓逐漸抬高，最終M6關閉，啟動電路脫離主電路，整個電路保持在正常的工作點。