文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.2016.09.011
中文引用格式： 王慧麗，馮全源. 帶工藝修調(diào)的低溫漂片內(nèi)振蕩器設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2016，42(9)：44-46，50.
英文引用格式： Wang Huili，F(xiàn)eng Quanyuan. Design of low temperature drift oscillator with process trimming[J].Application of Electronic Technique，2016，42(9)：44-46，50.
0 引言
近年來(lái)，隨著消費(fèi)電子的迅猛發(fā)展，對(duì)高效、穩(wěn)定、低成本開(kāi)關(guān)電源的需求也越來(lái)越大。作為開(kāi)關(guān)電源的頻率源，振蕩器不僅影響著芯片的控制時(shí)序，同時(shí)也對(duì)系統(tǒng)的頻率響應(yīng)、轉(zhuǎn)換效率等性能產(chǎn)生重要影響。因此，高精度、低成本、高穩(wěn)定性成為片內(nèi)振蕩器的基本設(shè)計(jì)要求。RC振蕩器由于成本低廉、便于集成等諸多優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于DC-DC電源管理芯片中。然而，RC振蕩器輸出頻率受工藝、溫度、電源電壓等因素影響較大[1]，因此，如何保證時(shí)鐘頻率的穩(wěn)定性，成為片內(nèi)振蕩器面臨的主要挑戰(zhàn)。
針對(duì)RC振蕩器頻率漂移大的問(wèn)題，本文提出了針對(duì)溫度和工藝的補(bǔ)償方案，設(shè)計(jì)了一款帶溫度補(bǔ)償和電容修調(diào)的張弛振蕩器。振蕩器內(nèi)部集成帶隙基準(zhǔn)結(jié)構(gòu)，為振蕩器提供零溫度系數(shù)的基準(zhǔn)電壓，利用基準(zhǔn)電壓在正溫度系數(shù)電阻上產(chǎn)生負(fù)溫度系數(shù)的電流，與熱電流(Proportional To Absolute Temperature，PTAT)相互疊加，實(shí)現(xiàn)對(duì)充放電電流的溫度補(bǔ)償。考慮到工藝偏差對(duì)中心頻率的影響，本設(shè)計(jì)特別加入了電容修調(diào)網(wǎng)絡(luò)，從而保證當(dāng)工藝角變化時(shí)振蕩器中心頻率保持穩(wěn)定。
1 張弛振蕩器結(jié)構(gòu)及工作原理
張弛振蕩器是利用MOS管、比較器或觸發(fā)器等開(kāi)關(guān)器件來(lái)控制充放電支路的導(dǎo)通或斷開(kāi)，從而來(lái)控制電容的充放電。電容上電壓的變化又會(huì)改變后續(xù)控制反饋電路的狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)周期性振蕩[2]。本文采用的張弛振蕩器結(jié)構(gòu)如圖1所示，其工作原理如下：假設(shè)初始時(shí)刻CLK=0，S1=1，S2=0，開(kāi)關(guān)1導(dǎo)通，開(kāi)關(guān)2斷開(kāi)，電流I2對(duì)電容C2進(jìn)行充電，當(dāng)電容C2上電壓等于門(mén)限電壓Vr時(shí)，比較器2輸出翻轉(zhuǎn)為1，SR鎖存器復(fù)位，S1=0，CLK=1；此時(shí)，開(kāi)關(guān)2導(dǎo)通，開(kāi)關(guān)1斷開(kāi)，電流I1對(duì)電容C1進(jìn)行充電，當(dāng)電容C1上電壓等于門(mén)限電壓Vr時(shí)，比較器1輸出翻轉(zhuǎn)為1，SR鎖存器置數(shù)，S1=1，CLK=0。這樣往復(fù)循環(huán)，CLK端輸出周期性方波信號(hào)。
CLK由1翻轉(zhuǎn)為0時(shí)，電容上存儲(chǔ)的電荷量為：
其中I1、C1均為恒量，對(duì)上式進(jìn)行積分運(yùn)算可得：
同法可得，時(shí)鐘低電平持續(xù)時(shí)間為：
時(shí)鐘周期為：
本設(shè)計(jì)取I1=I2=I，C1=C2=C，因此時(shí)鐘占空比為50%，時(shí)鐘頻率為：
式(5)中的3個(gè)變量I、C、Vr共同影響著振蕩器的輸出頻率。為了減小振蕩器的溫度漂移，門(mén)限電壓Vr由帶隙基準(zhǔn)產(chǎn)生，通過(guò)溫度補(bǔ)償將充電電流I設(shè)計(jì)成與溫度無(wú)關(guān)。由于只利用了電容的充電時(shí)間，比較器延時(shí)產(chǎn)生的影響被極大削弱。此外，電容C的正溫度特性以及邏輯控制電路的傳輸延時(shí)對(duì)振蕩器頻率也會(huì)產(chǎn)生影響，但相比之下影響較弱，因此不做特別考慮。
2 電路的具體實(shí)現(xiàn)
圖2所示是振蕩器的具體實(shí)現(xiàn)電路圖，由基準(zhǔn)電壓源電路、基準(zhǔn)電流源電路、張弛振蕩電路以及對(duì)電容的數(shù)字修調(diào)網(wǎng)絡(luò)4個(gè)部分組成。
2.1 電壓和電流基準(zhǔn)源電路
基于帶隙基準(zhǔn)的電壓和電流基準(zhǔn)電路如圖3所示。系統(tǒng)上電階段，P7管、R0支路首先導(dǎo)通，產(chǎn)生的自偏置電流鏡像到P6管支路，從而為三極管Q2提供啟動(dòng)電流，使帶隙基準(zhǔn)電路擺脫簡(jiǎn)并態(tài)，開(kāi)始工作。帶隙基準(zhǔn)電路正常工作后，P8管導(dǎo)通，P7管柵極被拉高，啟動(dòng)電路關(guān)閉。
三極管Q1、Q2的發(fā)射結(jié)面積之比為8：1，則三極管集電極電流公式如下[3]：
P1、P2管組成的電流鏡使得IC1=IC2=IC，電阻R1上的電壓為：
式（6）、式（7）、式（8）聯(lián)立，可解得：
三極管Q1、Q2的基極電壓為：
由于三極管的基極—發(fā)射極電壓VBE具有典型的負(fù)溫度系數(shù)，VT溫度系數(shù)為正，將R1、R2設(shè)置成合適的比例，即可得到零溫度系數(shù)的電壓作為振蕩器的基準(zhǔn)電壓源。其中，N2管作為簡(jiǎn)單的負(fù)反饋結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步穩(wěn)定基準(zhǔn)電壓。
對(duì)電流進(jìn)行溫度補(bǔ)償?shù)幕舅枷胧牵簩陕窚囟认禂?shù)相反的電流疊加，通過(guò)調(diào)整兩路電流的比例，得到零溫度系數(shù)的基準(zhǔn)電流[4]。方便起見(jiàn)，正溫度系數(shù)電流直接利用帶隙基準(zhǔn)結(jié)構(gòu)中的PTAT電流，即IC，具體如式(9)所示。負(fù)溫度系數(shù)的電流由圖3中的高增益運(yùn)放、N1管以及電阻R5產(chǎn)生。帶隙結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的基準(zhǔn)電壓Vr2，通過(guò)AMP和N1管的反饋?zhàn)饔?，在正溫度系?shù)的電阻R5上產(chǎn)生一路電流，該電流表現(xiàn)出典型的負(fù)溫度特性，可用于對(duì)電流進(jìn)行溫度補(bǔ)償，具體公式如下：
將這兩路相反溫度系數(shù)的電流進(jìn)行疊加，可得到溫度補(bǔ)償后的充放電電流為：
熱電壓溫度系數(shù)
電阻R5的溫度系數(shù)為2.477×10-3，由式（12）可知，通過(guò)調(diào)整正負(fù)兩路電流的系數(shù)，可以得到零溫度系數(shù)的充放電電流。
2.2 電容修調(diào)網(wǎng)絡(luò)
由于存在工藝偏差，不同工藝角條件下得到的振蕩器頻率與目標(biāo)頻率必然存在一定的偏差，例如，本設(shè)計(jì)在FF工藝角下頻率漂移為+42.8%，在SS工藝角下頻率漂移為-25.8%，如此大的工藝偏差顯然無(wú)法滿足系統(tǒng)對(duì)時(shí)鐘穩(wěn)定性的要求，因此需要增加數(shù)字修調(diào)網(wǎng)絡(luò)對(duì)工藝漂移進(jìn)行補(bǔ)償。由式（5）可得，要想調(diào)整振蕩器頻率，可以對(duì)電容C、電流I以及比較器門(mén)限電壓Vr 3個(gè)變量進(jìn)行調(diào)節(jié)。比較器門(mén)限電壓Vr由帶隙基準(zhǔn)產(chǎn)生，無(wú)法修調(diào)，因此數(shù)字修調(diào)網(wǎng)絡(luò)一般對(duì)充放電電流I和電容C進(jìn)行修調(diào)，從而達(dá)到頻率修調(diào)的作用。對(duì)充放電電流進(jìn)行修調(diào)的話會(huì)增大振蕩器功耗[5]，因此本文選擇對(duì)電容進(jìn)行數(shù)字修調(diào)。本設(shè)計(jì)時(shí)鐘頻率較高(1 MHz)，充放電電容相對(duì)較小，因此電容修調(diào)網(wǎng)絡(luò)所占用芯片面積并不是很大，工程應(yīng)用中這種修調(diào)方法可以被接受。
圖4所示是對(duì)電容進(jìn)行數(shù)字修調(diào)的電路實(shí)現(xiàn)。數(shù)字修調(diào)信號(hào)一共有6位，每一位控制一個(gè)開(kāi)關(guān)，修調(diào)開(kāi)關(guān)全部采用NMOS管，為“1”時(shí)導(dǎo)通，“0”時(shí)關(guān)斷。初始修調(diào)數(shù)據(jù)為100 000，當(dāng)閉合更多的開(kāi)關(guān)時(shí)，電容增大，時(shí)鐘頻率減小，反之時(shí)鐘頻率增大。
3 仿真結(jié)果與分析
采用0.18 ?滋m BCD（Bipolar-CMOS-DMOS）工藝的器件模型參數(shù)，用Hspice軟件對(duì)所設(shè)計(jì)的電路進(jìn)行仿真。在TT工藝角下，Vcc=5 V時(shí)，基準(zhǔn)電壓和基準(zhǔn)電流的溫度特性仿真結(jié)果如圖5所示。結(jié)果表明，溫度由-40 ℃～125 ℃變化時(shí)，基準(zhǔn)電壓變化僅為1.81 mV，溫度系數(shù)為8.7×10-6/℃；基準(zhǔn)電流變化為41.8 nA，溫度漂移僅為1.22%；振蕩器輸出頻率的溫度漂移在0.8%以內(nèi)，溫度補(bǔ)償效果顯著。
表1列出了25 ℃、Vcc=5 V時(shí)，3個(gè)工藝角下對(duì)電容進(jìn)行修調(diào)前后的輸出頻率對(duì)比。其中，初始修調(diào)數(shù)據(jù)為100 000，未對(duì)電容進(jìn)行修調(diào)時(shí)，F(xiàn)F和SS工藝角輸出頻率相對(duì)目標(biāo)頻率偏差高達(dá)42.37%。對(duì)各工藝角進(jìn)行修調(diào)后，輸出中心頻率均能達(dá)到1 MHz，最大偏差降低至1.23%以內(nèi)，振蕩器頻率隨工藝的漂移被顯著降低。
4 結(jié)束語(yǔ)
針對(duì)片內(nèi)CMOS振蕩器頻率容易受溫度、工藝偏差影響的問(wèn)題，提出了一種對(duì)溫度和工藝的補(bǔ)償方案?；鶞?zhǔn)電壓在正溫度電阻上產(chǎn)生一路負(fù)溫度系數(shù)的電流，將其與帶隙基準(zhǔn)產(chǎn)生的PTAT電流進(jìn)行疊加實(shí)現(xiàn)對(duì)電流的溫度補(bǔ)償；采用數(shù)字修調(diào)網(wǎng)絡(luò)對(duì)電容進(jìn)行修調(diào)，從而降低振蕩器頻率的工藝漂移。仿真結(jié)果表明：典型工作條件下，振蕩器中心頻率為1 MHz，占空比為50%；當(dāng)溫度在-40 ℃～125 ℃范圍內(nèi)變化時(shí)，振蕩器輸出頻率漂移僅為0.8%；對(duì)電容進(jìn)行數(shù)字修調(diào)后，在3種不同的工藝角下，輸出頻率漂移在1.23%以內(nèi)。該振蕩器對(duì)溫度和工藝偏差不敏感，穩(wěn)定性良好，已成功應(yīng)用于一款DC/DC電源管理芯片。
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