付 鑫，冯全源



一种频率可调低温漂振荡器的设计

付 鑫，冯全源

（西南交通大学 微电子研究所，四川 成都 611756）

设计了一种频率可调，低温漂、结构简单的张弛振荡器。该振荡器利用基准电压和负反馈的钳位作用，通过改变外部电阻的阻值来线性改变振荡周期。利用电容两端电压不能突变的原理，使得每次充放电电容电压跳变后都远离反相器的阈值，这样便忽略阈值对振荡器的影响，并且省去了常规结构中的迟滞比较器，简化了电路结构，减小了振荡器的复位延时。基于0.18 μm BCD(Bipolar-CMOS-DMOS)工艺模型，采用Cadence和Hspice进行仿真。在典型应用下，振荡器的频率范围为500 kHz~2 MHz，温度在–20~+120℃变化时，振荡器的频率随温度变化的偏移量在±2.76%以内。

张弛振荡器；频率可调；低温漂；负反馈；充放电电容；反相器阈值

随着模拟集成电路的发展与进步，片上集成的振荡器被广泛应用于各种电子设备中，例如开关电源、医疗设备、微控制器和无线传感网络等[1]。在电源管理芯片中，虽然许多振荡器电路的输出波形稳定，但是输出波形的周期要么不能调节要么就是调节范围较窄且线性度不高，使用起来很受限制[2]，不利于电源管理芯片向高频率、小型化、低功耗的方向发展[3]。并且性能优良的芯片要求在温度变化的情况下振荡器的输出频率漂移尽量的少并且能够输出稳定规则的周期性信号。

因此针对上述要求，本文在传统结构上进行改进，优化设计了一款可以应用于开关电源管理芯片，并且频率调节范围较广、温漂较低、结构简洁的张弛振荡器。

1 电路结构与原理分析

1.1 传统结构的分析

传统的张弛振荡器的结构如图1所示[4]，它是利用两个迟滞比较器来控制恒流源对电容进行充电和放电，从而控制振荡器的频率大小。振荡器的频率很大程度上都会受比较器的阈值的影响。并且比较器的阈值和传输延时受温度变化影响严重[5]。传统结构的张弛振荡器输出频率是固定的，对于现今各种复杂应用灵活性不够高。

图1 振荡器传统架构

针对以上问题，本文设计了一种频率可调、温度特性较好、频率不受比较器阈值影响、结构简单、操作性强的张弛振荡器。

1.2 整体电路框架及原理

本文所设计的振荡器等效结构如图2所示。振荡器共分为两部分。第一部分为方波产生电路，第二部分为电流调节部分。

图2 本文提出的振荡器结构框图

第一部分的工作原理为：振荡器的输出信号为CLK，它控制着两个开关SW1和SW2。当CLK=1时，SW2闭合，SW1断开；CLK=0时，SW2断开，SW1闭合。假设CLK=1，电流源1、电容C、MOS管M2和开关SW2构成一条闭合回路。电流源1对电容进行充电，根据电容公式可知A点的电压线性增加，直到到达反相器的阈值时CLK=0。因为CLK=0，所以M1、SW1、C和2构成一条回路。SW1闭合时电容B端的电位将被提升1，因为电容两端的电压不能够突变，所以A点电位也会同样地被提高1，使得A点的电位远离反相器的阈值。此时电源电压对电容进行恒流充电，大小为2，B点电位将线性增加，直到和电源电压相等。虽然B点电位不能进一步增加，但是电源电压依旧对电容进行充电，为了保证电容两端的压差是在线性增加，此后A点的电位将线性降低直到低到反相器的阈值，CLK=1。根据前面的介绍可知CLK=1时，B点电位将被拉低2，同样根据电容两端的电压不能够突变的原理，A点的电位也会跟着降低2。根据此时的通电回路可知，B点的电位将线性降低为零，然后A点的电位会线性增加直到到达反相器阈值，如此便产生振荡信号。

电路的第二部分是用于调节振荡器的频率大小，其工作原理是利用运放的反馈钳位原理将电阻R3的压降固定为基准电压，从而便可以通过调整外接电阻大小来改变电容充放电电流的大小。

1.3 振荡器具体实现电路

图3是具体的实现电路，其中M12到M20和R1组成图2中的右边部分。基准电压REF2的值为电阻R1上的恒定压降，通过调节外接电阻R1便可以改变C1的充放电电流的大小。

图3 振荡器的具体实现电路

图2中的第一部分由图3中M1到M11、C1和X1组成。设CLK_b为最终的时钟输出信号并且CLK_a和CLK_b是两个相反的信号，它们两者共同决定是电流源M8有效还是电流沉M10有效。当M8有效时，M8、C1、M3和M4构成一条通电回路；当M10有效时，M1、M2、C1和M10构成另一条通电回路并且与之前图2的分析对应。图3中的X1为施密特触发器，用来让输出波形边沿更加陡峭。

图4给出了振荡器工作时电容两端信号的时序波形图。其中，C_a和C_b为电容两端的信号，TH为反相器的阈值电压，CC为供电电压。

图4 振荡器的时序图

1.4 输出频率的计算和温度系数的分析

振荡器的输出频率可以通过对两条通电回路的具体情况分析确定。

当图3中CLK_b为低时电流源M8有效，通电回路由M8、C1、M3和M4构成。电容两端的信号变化由图4可知。M4导通，会将C_b的信号拉低2，2的值由M3管的栅极电位C_a决定，（如果C_a太低，流过M3管的电流将不等于电流源M8）。此时M3管工作于饱和区，在T1的时间内C_b信号线性降低到3大小，M3工作于深三极管区域，3接近于零。可得到式（1）、（2）

当C_b不能再增加，电流源M8继续对电容进行充电，C_a将在2时间内线性增加到反相器阈值。由此可得到式（3）

当C_a超过阈值以后CLK_a信号变低，通电回路由M1、M2、C1和M10构成。同理M1导通将会把C_b的信号拉高1。3时间端内C_b的电位将线性增加到4。（M1也将工作于深三极管区域），4接近于电源电压。由此可得到式（4）、（5）

当C_b不能再增加以后，由于电流沉M10继续对电容进行放电，所以C_a将在4时间内线性降低到反相器阈值。由此可得到式（6）

由于电流源和电流沉大小相等，根据图3分析可得其值为式（7）所示

最终振荡器的周期为式（8），它的周期为这四段时间之和，其频率为周期的倒数，见式（8）。

由式（9）得出振荡器的频率不受此结构中反相器的阈值的影响，并且与传统的结构相比也不需要增加两个迟滞比较器来增加电路的传输延时，这样提高了电路的温度特性和实用性。

根据式（7）、（8），振荡器的周期受温度影响的大小由R1、C1、CC和REF2决定。其中CC由预稳压处理后输出，可以达到很小的温度系数[6]，REF2的温度系数很低[7]，R1为外接低温度系数的电阻。在标准的CMOS（互补金属氧化物半导体）工艺中金属氧化物电容的温度系数相对较小[1]。因此振荡器具有很好的温度特性。

2 仿真结果与分析

基于0.18 μm BCD工艺模型，采用Cadence和Hspice进行仿真验证。

图5所示为典型条件下，电源电压为3 V时，电容两端的波形和电容上的压降的仿真结果。从仿真结果可得电容两端的波形和电容上的压降与图2给出的分析是一致的，这说明之前的分析是合理和正确的。

图6是在不同的电阻下输出频率随温度的变化情况。由图6的仿真结果得出以下两个结论：

图5 电容两端波形的仿真结果

图6 各电阻值下振荡频率随温度变化

1) 在不同的电阻下，振荡器的周期是随电阻线性变化的；

2) 固定电阻条件下振荡器频率随温度变化很小。

表1列出了CC=3 V，1=420 kΩ时，振荡器频率随温度变化的仿真结果。由表1可得振荡器的周期为982 μs，振荡器输出频率为1.018 MHz，温度在–20~+120℃变化时，振荡器的周期的变化范围为956~988 μs，偏移在±2.34%以内。

表1 外接电阻1=420 kΩ时的仿真结果

Tab.1 The simulating result of R1=420 kHz

表2给出了输出频率随温度变化同其他文献的对比情况。可知本文的温漂都优于文献[4]和[9]。

表2 输出频率随温度变化对比

Tab.2 The comparison of output frequency varies with temperature

3 结论

基于0.18 μm BCD工艺模型，设计了一款频率可调、温漂较低、结构简单的CMOS张弛振荡器。可以通过调节外接电阻，线性改变振荡器的周期，使之在0.5~2 μs变化。在允许的可调频率范围内，温度在–20~+120℃变化时振荡器的偏移量在±2.76%以内，因此温漂较低。本设计的振荡器原理清晰、结构简洁明了，在工程上有很强的实用性。

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[2] 朱章华, 来新泉, 张艳维. 一种宽调节范围高线性度压控振荡器的设计[J]. 电子器件, 2007, 30(6): 2073-2076.

[3] 范建功, 冯全源. 一种适用于BUCK型DC-DC芯片振荡器电路设计[J]. 电子元件与材料, 2015, 34(11): 81-84.

[4] 苟静, 冯全源. 高精度振荡器及峰值固定斜坡补偿电路设计[J]. 微电子学, 2014, 44(1): 69-73.

[5] 柯志强, 张涛. 一种高精度张弛振荡器的设计[J]. 电子器件, 2014(3): 412-415.

[6] 潘芦苇, 周莉, 孙涛, 等. 一种用于LED驱动控制SOC的线性稳压源[J]. 电子器件, 2014(3): 416-421.

[7] 唐宇, 冯全源. 一种低温漂低功耗带隙基准的设计[J]. 电子元件与材料, 2014, 33(2): 35-38.

[8] ISLAM T, KHAN S A, FIROZ A K M, et al. A relaxation oscillator-based transformer ratio arm bridge circuit for capacitive humidity sensor [J]. IEEE Trans Instrum Meas, 2015, 64(12): 3414-3422.

[9] 夏海生, 黄世震, 林伟. 一种适用于DC/DC开关电源芯片的锯齿波振荡器设计[J]. 电子器件, 2009(6): 1052-1054.

（编辑：陈渝生）

Design of oscillator with adjustable frequency and low temperature drift

FU Xin, FENG Quanyuan

(Institute of Microelectronics, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China)

An output frequency adjustable, temperature drift low，structure simple relaxation oscillator was designed. Using clamp effect of the reference voltage and negative feedback, the period of oscillation of the oscillator was linearly changed by altering the resistance value of the external resistor. Based on the principle that the voltage on both ends of the capacitor can not mutate, the hopping capacitor voltage after each charge and discharge were far away from the threshold point of the inverter and eliminated the hysteresis comparator in conventional structure which could simplify the circuit structure and reduce the oscillator reset delay. Based on 0.18 μm BCD process mode, in typical applications, simulation by Cadence and Hspice shows that the range of oscillation output frequency is 500 kHz－2 MHz, and the offset of oscillator frequency with temperature variation is within ±2.76% when the temperature ranges in –20－+120 ℃.

relaxation oscillator; frequencyadjustable; low temperature drift; negative feedback; capacitance of charge and discharge; threshold point of inverter

10.14106/j.cnki.1001-2028.2016.07.016

TN432

A

1001-2028（2016）07-0068-04

2016-05-12

冯全源

国家自然科学基金重点项目资助（No. 61531016）；国家自然科学基金面上项目资助（No. 61271090)；四川省科技支撑计划项目资助（No. 2015GZ0103；No. 2016GZ0059)

冯全源（1963－），男，江西景德镇人，博士，研究方向为集成电路设计，E-mail: fengquanyuan@163.com；

付鑫（1990－），男，四川成都人，研究生，研究方向为模拟集成电路设计，E-mail: 741804475@qq.com。

2016-07-01 10:50:47

http://www.cnki.net/kcms/detail/51.1241.TN.20160701.1050.015.html