一种具有高阶温度补偿的高精度RC振荡器设计_王风波.pdf
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1、 2023.7电子产品世界设计应用模拟应用Design&Application一种具有高阶温度补偿的高精度RC振荡器设计Design of a high precision RC oscillator with high order temperature compensation王风波,苟 博,王华杰,辛晓强,聂 海(成都信息工程大学通信工程学院,成都610225)摘 要:基于当前一些高集成度高精度应用领域时钟信号大量需求的目的,介绍了一种具有高阶温度补偿的高精度RC振荡器。文中所设计的电流源电路采用了3阶温度补偿的方法,可以有效降低电路对温度变化的敏感性,利用具有超低温度系数的电流对电容进
2、行充放电,实现在较宽的温度范围内振荡器频率的高稳定性。仿真结果表明:在电源电压范围为2.5 V5.5 V,温度范围为-40 125,及不同的工艺角下,输出频率精度保持在0.25%以内。该RC振荡器具有高精度的输出频率,能够作为一些数模混合电路的时钟信号。关键词:高精度;3阶温度补偿;RC振荡器;温度敏感性基金项目:四川省科技计划项目重点研发项目,项目编号2022YFG0030 引言振荡器作为一种时钟信号电路,是许多电子系统重要组成部分。随着集成电路的快速发展,振荡器会在数字及数模混合集成电路中扮演极其重要的角色。因此,需要一种高稳定高精度的可集成的振荡器。振荡器是在不外加输入信号的条件下,可仅
3、仅依靠电路自激振荡而产生具有周期性的信号。一般地,晶体振荡器的频率比较稳定,但不能集成到芯片内部,而且精度只与所选择的晶体器件的固有频率有关1。RC 振荡器结构简单、成本低廉,因而受到非常广泛的应用,但其振荡频率易受电压和温度变化的影响,其次也与电阻和电容与工艺有关系2,3。文章介绍的高精度 RC 振荡器电路,其电路的内部电流源电路采用高阶温度补偿的设计方案,得到在较宽的温度范围内具有与温度无关的电流源电路。此外,针对工艺会带来的偏差,采用电流数字修调电路来提高振荡器频率的稳定性。1 RC振荡器的结构与设计重点1.1 RC振荡器的结构RC 振荡器的原理图,如图 1 所示。RC 振荡器的工作原理
4、:假设初始状态的 RS 锁存器的输出端 Q0=,整型反向器的输出端 CLK0=、CLKN1=。此时,开关管 M1导通,M2关断,充电电流 Ic对电容 C1进行充电,电容两端电压不断上升,与此同时,开关管 M3关断,M4导通,电容 C2同过开关QQSETCLRSRCLKN CLK CLK CLKN Vref C2 C1 M4 M3 M1 M2 VDD GND Ic 图1 RC振荡器72ELECTRONIC ENGINEERING&PRODUCT WORLD 2023.7$模拟应用电子产品世界Design设计应用&Application管 M4 对地进行放电直到 0 V。当电容C1两端电压上升至
5、Vref时,比较器 Comp2 的输出跳变为 1,此时 RS 锁存器的输出为 Q1=,整型反向器的输出端 CLK1=、CLKN0=,开关管 M3导通,M4关断,充电电流 Ic对电容 C2进行充电,此时电容 C1两端的电压对地进行放电直至到 0 V。当电容 C2两端电压等于 Vref时,比较器 Comp1 输出发生改变,变为 1,而此时 RS 锁存器的输出变为 Q0=,整型反向器的输出端 CLK0=、CLKN1=,电路回到了初始状态,电容完成一个充放电周期,电路形成一个振荡周期,如此往复循环,使RC 振荡器以一定的频率不断进行。根据前面的分析以及电容的充放电特性可知,电容完成充电时间t1和放电时
6、间t2为:t1=CUIc(1)t2=CUIc(2)其中,C 为电容的容值;U 为电容两端的电压差值。当充放电电流Ic为固定值,一个完整的电容充放电的周期Ttt=+12。因此,可以得到 RC 振荡器的输出频率计算公式为:f=22CUC VIIccref(3)式 3 中,Ic是电流源电流,即也是充电电流,Vref为带隙基准电压值,C 为电容值。当电容 C1和 C2两端电压与 Vref相等时,充电电流Ic停止对电容充电,随之电容开始对地放电直至电容两端电压为 0,随后充电电流为另一电容充电,两个电容的充放电时间为一个振荡周期。1.2 RC振荡器的设计重点在一些高精度的应用领域,时钟信号在抗工艺漂移(
7、P)、电源电压(V)、温度(T)变化时要满足高精度的要求,因此这也是 RC 振荡器的设计难点和重点。使用 CMOS工艺可有效提高系统集成度和降低成本,但是,实现高精度振荡器面临的以上的问题,因此,现阶段也是主要从工艺漂移(P)、电源电压(V)、温度(T)这 3 个方面解决输出频率的稳定性 4-9。为使RC振荡器的工作电压受电源电压的影响较小,采用 LDO 电路的输出电压作为振荡器的电源电压;同时设计具有 3 阶温度补偿的电流源电路使得输出频率也与温度变化不相关;为避免数字电路对模拟电路性能的影响,设计低通滤波器将模拟电路与数字电路隔离起来;最后,设计电流数字修调电路使得振荡器电路得到精度较高的
8、输出频率。1N:Vref1 Vref R1 R2 R3 R4 R5 R6 Q1 Q2 M1 M2 M3 图2 电压基准电路R7 R8 Vref Vref1 I1 I2 I3 M3 M1 M2 M4 M5 M6 M7 M8 M9 Vb1 图3 电流源电路 2023.7电子产品世界设计应用模拟应用Design&Application2 电路结构设计2.1 电压和电流基准源电压基准电路为电流型低压带隙基准,根据其原理为,可以得到具有零温度系数的电流ID2。如图 2 所示。Vref和 Vref1均是 1 阶温度系数为零的基准电压,它们被用作电流源电路的采样电压,对应的电路如图 3所示。在电流源电路中,
9、可以将两个运算放大器的正负输出端看作近似相等,可得:I1=VRref7(4)I2=VRref18(5)在现有的文献中,一些具有相反温度特性的器件被组合起来以获得良好的温度特性8-9。而R7,R8分别为两个相反温度特性的电阻叠加而成,这里做了简化处理。此时,得到的电流I1和I2均为2阶温度系数为零的电流,但其值不同。为得到具有 3 阶温度系数的电流I3,可以通过I1减去适当比例的I2即可得到。III312=(6)2.2 LDO稳压器LDO 稳压器即低压差线性稳压器。它以结构简单、低压差、输出电压受电源电压的变化影响较小而得到广泛运用。如图 4 所示,它主要由误差放大器、功率管、反馈电阻等组成。由
10、于误差放大器、功率管 Mp、电阻R1和 R2组成了负反馈结构,利用负反馈机制可以得到输出稳定且的电压10。因此,LDO 的输出电压可以作为振荡器的电源电压。通过分析可以得到输出电压表达式为:VVOUTref=+|1RR12(7)由上述分析可知,当 LDO 输出电压 VOUT变大时,经过反馈电阻分压,误差运放的负输入端也会变大,此时误差运放输出变大,使功率管 VGS变小,流过功率管的电流减小,进而减小输出电压VOUT的值,反之亦然。因此,LDO 电路可以得到稳定的输出电压,受电源电压和温度的影响几乎不变的电压值,并将这个电压值作为 RC 振荡器的核心模块的电源电压。VOUT Mp R1 R2 V
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