电子科技大学电子薄膜与集成器件国家重点实验室 余清华 宋 健 代 杰

1.引言

振荡器是许多电子系统的重要组成部分。从微处理器的时钟产生到蜂窝电话中的载波合成，振荡器无处不在。而且在不同的应用中，其要求的结构和性能参数差别很大。振荡器一般分为RC振荡器（也称张弛振荡器）、LC振荡器、石英晶体振荡器等[1]。RC振荡器是应用最为普遍的一种振荡器电路，它的结构简单、成本较低、功耗也较小。但是它受工作电压和温度变化的影响较大，工艺相关性较差，精度也较差，一般认为其误差在1%～10%之间。RC振荡器的低功耗、低成本和易于集成等优点使其广泛应用中集成电路中，而提高其精度成为一个研究方向[2]。

本文在介绍传统基于恒流源充放电张弛振荡器的原理及产生输出频率误差的原因的同时，认识到基于恒压源充放电的张弛振荡器能更好地减小由于电路延时引入的误差。为了最大程度削弱比较器等电路延时对输出频率带来的影响，在振荡的低阈值点处引入钳位电路，克服了基于恒压源充放电的张弛振荡器的不足。另外，本设计中的比较器等电路也有较高的响应速度，因此也减小了由于电路延时引入的误差，提高了输出频率的精度。

2.传统张弛振荡器的工作原理

传统张弛振荡器的一般结构如图1所示，电路主要由恒流源I1和I2、可控开关switch1和switch2、高位比较器和低位比较器以及逻辑控制部分等电路组成。其工作原理为：刚上电时，电容电压VC为低电平，该电平输入到两个比较器产生一个逻辑，进而控制开关1导通，开关2关断，即电流源I1对电容C进行充电，这时电容上的电压会不断上升，直至上升到高位比较器所设定的高阈值点VH；这时输出逻辑发生跳变，进而关断开关1，导通开关2，即电流源I2对电容C进行放电，这时电容电压会不断降低，直至降低到低位比较器所设定的低阈值点VL，使得输出逻辑再次跳变，此时又进入充电状态，这样不断反复就可以在电容器上输出连续不断的振荡波形。设充电时间为t，且I1=I2=IC，则有：

由（5）式可知，在电容C和充放电电流IC不变情况下，该振荡器的输出频率由高低阈值点的差值（VH-VL）唯一确定，所以可通过调节高低阈值点的差值，从而方便地调节振荡器输出频率。但以上分析是在各个电路无延时且充放电电流恒定的条件下获得的。

3.输出频率产生误差的原因

3.1 电路延时对输出频率的影响

由于实际电路必定存在延时，张弛振荡器产生电路也不例外。虽然可以采用各种手段来提高电路的响应速度，但延时始终无法消除。因此，当电容上的电压上升或下降到所设置的阈值点时，由于比较器和控制部分的延时，使得开关要延时一段时间才开始动作，而在这段时间内，电流源仍在对电容进行充放电，从而产生了超过原本开关动作所需电压的过充电压[3]。根据（3）式可知，该过充电压与电路延时时间成正比，所以要减小电路延时对输出频率的影响，可以提高电路响应速度，从而减小由于电路延时引起的在比较器上下阈值点处的过充电压，进而提高输出频率的精度。

3.2 温度对输出频率的影响

图1 传统张弛振荡器的基本结构

图2 基于恒压源充放电的张弛振荡器

显然，实际元器件都有一定的温度特性，所以在不同温度下，表现出来的电学特性也就不同。一方面，高低阈值点及充放电电流分别由电压基准源和电流基准源提供，由于电压基准源和电流基准源均有一定的温度特性，从而使（5）式表现出较大的温度特性。另一方面，温度会对比较器和逻辑控制等电路的延时产生影响，从而使得不同温度所对应的延时不同，也就无法通过对高低阈值点进行微调，从而实现对过充电压的补偿，进而消除电路延时对输出频率带来的影响。

综上所述，传统张弛振荡器输出频率产生误差的原因，一方面是由于比较器和逻辑控制部分等电路存在延时，使得充放电控制开关并未在电容电压上升或下降到所对应的阈值点时就立刻导通或关断，从而产生了过充电压，进而引入了误差；另一方面，元器件本身的温度特性，使得上下阈值点及充放电电流显现出温度特性，加上电路延时时间也与温度有关，进而引入了温度特性误差。

3.3 减小输出频率误差的方法

根据以上分析，我们了解了张弛振荡器输出频率产生误差的原因。现在，我们从引起输出频率产生误差的因素入手，讨论减小输出频率误差的方法。

对于元器件的温度特性引入的误差，可通过不同器件的温度特性来加以补偿，使整体电路有更好的温度特性。对于张弛振荡器而言，温度引入最主要的误差为充放电阈值点及充放电电流随温度的漂移。对此，我们可通过设计良好温度特性的电压基准源和电流基准源。电压基准源可采用带隙基准结构电路，并在此基础上引入温度高阶补偿，使电压基准在整个工作温度范围内达到或接近零温系数，具体可参考文献[4～6]。对于电流基准源，具体可参考[2]中的电流基准产生电路。

对于比较器等电路延时引入的误差，显然，可通过设计响应速度高的比较器和逻辑控制模块等电路，以减小电路延时。但不管怎样，电路延时始终无法消除，所以仅靠减小电路延时来提高输出频率的精度就显得非常有限。所以，要得到更高精度的输出频率，必然要对电容充放电机制进行改进。其思路为：由（3）式可知，在相同的电路延时情况下，较小的充放电电流引入的过充电压就较小，电路延时对输出频率的影响也就较小，但由于输出频率与充放电电流正相关，因此，一定的输出频率所对应的充放电电流也就确定，所以不能在整个充放电过程减小充放电电流，只能在高低阈值点附近减小充放电电流，以减小由于电路延时引入的误差。同时，由于电路延时仅仅在高低阈值点附近才会引入误差，所以通过在阈值点附近减小充放电电流来减小电路延时影响的方法可行。

图3 比较器与控制部分实现电路

图4 电路仿真波形图

4.改进的张弛振荡器

由于RC电路的零状态可表示为（6）式，由（6）式可知，对于零状态响应的电容，其充电电流随时间t指数衰减，所以可以很好地满足在阈值点附近其充放电电流最小，也就能很好地减小由于电路延时引入的误差。据此，我们可得到图3所示的张弛振荡器。

电路中，R1>>R2，所以放电时间相对于充电时间非常短，因此时钟周期可近似为充电时间。下面计算时钟电路充电时间。由RC电路的零状态响应可得：

表1典型温度下振荡频率值

由（7）、（8）两式，可得：

由（9）式可知，基于恒压源充放电的张弛振荡器，其输出频率由高低阈值点和充电电压决定。所以，可通过设定高低阈值点和充电电压来得到所需要的频率。由于其充电电流呈指数衰减，所以在高阈值点附近其电流值较小，因此电路延时引入的误差也就较小。但在低阈值点附近，由于R2电阻较小，所以放电电流仍然较大，则在低阈值点附近由于电路延时引入的误差仍然较大。为了减小低阈值点附近由于电路延时引入的误差，可在低阈值点处引入以钳位电路，使电容电压被钳位在低阈值点附近，如图2所示的钳位电路。另外，我们可通过设计具有良好温度特性的电压基准源，来提高整个振荡系统的温度特性。比较器与逻辑控制部分电路如图3所示。

5.电路验证仿真

设定电路中的电容为1nF，充电电阻R1为5.88K，放电电阻为346欧姆，充电电压VREF为7.5V，高阈值点为3.75V，低阈值点为1.25V，使用CSMC 0.5um BCD工艺库，用cadence spectre仿真，仿真结果如图4所示。由图4可知，实际高阈值点为3.738V，低阈值点为1.262V。振荡波形波峰值为3.751V，波谷值为1.248V，从而得到高阈值点过充电压为13mv，低阈值点过充电压为14mv，但实际过充电压应减去比较器电平翻转所需要的差值。因此，可推出由电路延时引起的过充电压几乎为零，而且在低阈值点处，钳位电路效果很好，电路延时仅多引入1mv的误差。但如此好的效果还得益于比较器电路的高响应速度，否则由电路延时引入的误差还会增大，但不管怎样，由电路延时引入的误差都能被极大地削弱，这正是基于恒压源充放电张弛振荡器的优势所在。

为确保该振荡器有良好的温度特性，在此，对电路在不同温度下进行仿真。表1是本文设计的电路在-50℃，25℃，100℃，150℃下的仿真结果。从表1可知，在室温下，振荡频率为274K，且在-50～150℃的温度范围内，温度系数为346.7ppm/℃.验证了该振荡器有较好的温度特性。

6.结论

本文在介绍传统张弛振荡器原理的同时，分析了张弛振荡器输出频率产生误差的原因，从而得出基于恒压源充放电的张弛振荡器能更好地减小由于电路延时引入的误差，同时也认识到基于恒压源充放电的张弛振荡器在低阈值点处，由于放电电流仍然较大，所以由于电路延时引入的误差也较大的缺点，因此通过在低阈值点处引入钳位电路对电路进行改进。仿真结果表明，振荡波形在高低阈值点处产生的过充电压很小，且低阈值点处的过充电压仅比高阈值点处的高1mv，也就验证了钳位电路取得了较好的效果。另一方面，在-50～150℃的温度范围内，输出频率的温度系数为346.7ppm/℃.验证了该振荡器具有良好的温度特性。

[1]李展,冯炳军.一种基于内部迟滞比较器的新型RC振荡器设计[J].电子器件,2009,32(1):41-48.

[2]周小军,李平,杜涛.一种高精度数字可调RC振荡器设计[J].电子科技,2007,216(9):13-16.

[3]黄海,唐广.单片张弛振荡器的温度补偿方法[J].国外电子元器件,2006,1(21):32-34.

[4]毛伟,张波.一种新型的指数曲率补偿带隙基准源[J].微电子学,2006,36(4):495-497.

[5]徐伟,冯全源.一种带曲率补偿的基准及过温保护电路[J].电源技术与应用,2008,8:69-74.

[6]杨鹏,吴志明,吕坚,蒋亚东.一种二阶补偿的低压CMOS带隙基准电压源[J].微电子学,2007,37(6):891-898.