一種高穩(wěn)定性的振蕩電路

郭 暉，黃 堅(jiān)，趙玲娜

（中國電子科技集團(tuán)公司第58研究所，江蘇 無錫 214035）

1 引言

近年來，為減少生產(chǎn)成本，遙控器電路逐漸由使用外置的陶瓷諧振器演變?yōu)槭褂闷瑑?nèi)集成振蕩電路。遙控器在使用時(shí)通常采用兩節(jié)1.5V的干電池供電，隨著使用時(shí)間的增長，電池電壓會緩慢下降。此外遙控器的使用地域范圍很廣，環(huán)境溫度也會有較大的變化。因此為了保證遙控器發(fā)送的信號能在接收端被正確地解碼輸出，通常要求振蕩電路在-20℃～70℃、1.8V～3.8V工作范圍內(nèi)的振蕩頻率能夠保持穩(wěn)定。原先的陶瓷諧振器的振蕩精度在±1%左右，實(shí)際工程應(yīng)用中要求內(nèi)置振蕩器的振蕩精度在±2%左右。

2 電路原理與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

振蕩電路的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1和圖2所示，主要包括帶隙基準(zhǔn)、電壓比較和充放電電路幾部分，圖1給出了基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生部分的結(jié)構(gòu)示意圖，圖2給出了電壓比較和充放電電路部分的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1 基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生部分的結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 電壓比較與充放電電路結(jié)構(gòu)示意圖

基準(zhǔn)電壓Vref由典型的帶隙電壓基準(zhǔn)源電路產(chǎn)生，Vref=Vbe+NVT。在室溫下Vbe具有負(fù)的溫度系數(shù)-2.2mV/℃，熱電壓VT具有正的溫度系數(shù)0.085mV/℃，將這兩個(gè)具有相反溫度系數(shù)的量以一定比例相加即可得到零溫度系數(shù)的參考電壓[1]。同時(shí)，Vbe幾乎不受電源電壓變化的影響，因而帶隙基準(zhǔn)電壓源的輸出電壓也幾乎不受電源的影響。在產(chǎn)生Vref的同時(shí)生成以其為基準(zhǔn)的1/2分壓Vref_2和1/4分壓Vref_4。AVDD由Vref通過運(yùn)放跟隨的方式產(chǎn)生，電壓1.8V，作為圖2中電路的電源電壓。由于Vref隨電壓、溫度變化很小，因此Vref_2、Vref_4和AVDD的電壓也會很穩(wěn)定，從而減小電壓對振蕩電路的振蕩頻率帶來的影響。

Vref_2用于產(chǎn)生電流鏡的參考電流Ibias。Vref_2與運(yùn)放的柵輸入端相接，可認(rèn)為接入一個(gè)阻抗無窮大的負(fù)載，帶隙基準(zhǔn)部分沒有電流流出，保證了帶隙基準(zhǔn)電壓源的正常工作。運(yùn)放和電阻R1以及Q27構(gòu)成電流負(fù)反饋，使用反饋放大器可以保證加在電阻R1上的電壓保持穩(wěn)定，與輸出電壓的大小無關(guān)，從而產(chǎn)生穩(wěn)定參考電流[2]。參考電流Ibias可由公式（1）計(jì)算得出：

基準(zhǔn)電流通過電流鏡產(chǎn)生用于電容充電的充電電流IC，IC可由公式（2）計(jì)算得出：

通過比較器電路，將電容上的充電電壓與參考電壓Vref_4進(jìn)行比較，從而產(chǎn)生最終的振蕩信號。根據(jù)電容充放電公式，振蕩信號的振蕩周期可以由公式（3）計(jì)算得出：

將公式（1）和公式（2）帶入公式（3）得：

由公式（4）可知，最后的振蕩頻率只與充放電回路中的電容和電阻R1相關(guān)，因而振蕩頻率的穩(wěn)定性也只與電容和電阻的穩(wěn)定性相關(guān)。

為了保證電容在不同溫度、電壓情況下的穩(wěn)定性，設(shè)計(jì)中采用雙多晶電容作為充放電電容，減小電容值在不同條件下的變化量。電阻須選擇加工工藝中精度高且溫度系數(shù)小的電阻類型。同時(shí)，該結(jié)構(gòu)振蕩電路可通過數(shù)字校正的方式對公式（4）中m的數(shù)值進(jìn)行調(diào)整，從而修正電容、電阻偏差對振蕩中心頻率的影響。

3 仿真驗(yàn)證

采用SMIC 0.18μm工藝模型對該振蕩電路進(jìn)行仿真驗(yàn)證。SMIC 0.18μm仿真模型中多晶2電阻的溫度系數(shù)為-1.63×10-4，因此以常溫25℃為基準(zhǔn)時(shí)，在-25℃～75℃溫度范圍內(nèi)振蕩頻率的理論偏差約為0.8%，所以R1選用多晶2電阻類型。

電路仿真波形如圖3所示。

圖3 充放電波形和最終振蕩輸出波形圖

對不同溫度和電壓條件下振蕩周期的仿真結(jié)果（100個(gè)周期取平均值）進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示。

表1 不同條件下振蕩周期仿真結(jié)果

表格1對應(yīng)的百分比統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2所示。

表2 不同條件下振蕩周期偏差百分比

4 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)的振蕩電路隨電壓、溫度波動都很小，振蕩的精度只與電阻相關(guān)。因此在選擇設(shè)計(jì)工藝時(shí)，只要滿足電阻精度高且溫度系數(shù)小的條件即可產(chǎn)生高穩(wěn)定性的振蕩波形。經(jīng)仿真驗(yàn)證，該結(jié)構(gòu)在-20℃～70℃、1.8V～3.8V工作范圍內(nèi)振蕩頻率能夠達(dá)到1%的精度。

[1]Allen P E , Holberg D R. CMOS 模擬集成電路設(shè)計(jì)（第2版）[M]. 北京：電子工業(yè)出版社，2005.125.

[2]畢查德．拉扎維. 模擬CMOS集成電路設(shè)計(jì)[M].2002.