摘要：在传统的电路基础上对电流、电压基准电路进行补偿，规划一种高精度数字可调CMOS片上振荡器电路。运用电阻和PNP管相反的温度系数发生的自偏置基准电流电路PTAT，NTAT两路电流，叠加得到一路与温度无关的基准电流上，完成了温度补偿；运用电阻网络补偿工艺发生高 PSRR带隙基准电路电压的频率差错；数字修调寄存器粗调电流用以挑选频率，微调电阻用以调理精度。经流片测验标明，该振荡器频率2 MHz，4 MHz可选，2 MHz可调精度达±O．1％；4 MHz可调精度达±O．125％。
关键词：温度补偿；工艺补偿；高精度；数字可调；振荡器
0 引 言
在DC／DC转化器等开关电源芯片的规划中，振荡器作为操控电路的中心功能模块，决议整个体系的作业频率，对DC／DC转化器的频率响应、纹波巨细、功率等许多功能有重要的影响。其受作业电压、温度改变、体系噪声和工艺容差的影响较大，要得到精准的频率，有必要对其进行补偿。在剖析常见电流型RC振荡器的基础上，针对影响振荡器频率的各个要素进行补偿，规划了一种频率2 MHz，4 MHz可选片上振荡器电路，具有对频率进行数字修调机制及温度和工艺补偿规划，并能有用地消除比较器推迟带来的差错，然后供给安稳可调的时钟信号。
1 振荡器原理剖析
振荡器的作业原理是经过恒定电流源对电容充电，MOS管对电容快速放电，以发生锯齿波，再经锁存器发生周期脉冲信号，其结构如图1所示。基准电流电路发生两路电流，Ich1,Ich2在锁存器的操控下给电容C1，C2充电，带隙基准电路为比较器供给基准电压Vbg，经比较器与电容C1，C2的上极板电压VC1，VC2比较，然后操控SR锁存器状况的转化。
详细转化进程如下
式中：Ich为充电电流；Vbg为基准电压；C为充电电容。由式(1)知，振荡器的频率主要由Ich，Vbg，C决议。若Ich，Vbg对温度和电源电压的影响减小，则振荡器的频率只受工艺差错对容差的影响，经过trim微调能够减小容值差错。选用双比较器结构能够消除比较器对频率安稳性的影响。
2 振荡器电路规划
2．1 与温度无关的基准电流电路
图2为基准电流电路。运用电阻和PNP相反的温度系数发生两路电流，一路与温度成正比的PTAT电流，另一路与温度成反比的NTAT电流，两路电流叠加得到与绝对温度无关的基准电流。
如图2所示，发动电路由M2～M6组成，在电路上电瞬间，M3关断，M4，M5导通且作业于线性区，PMOS管M6的栅极被拉低至地电位，使得M6导通，整个电路敞开。电路安稳作业后，因为M4，M5具有较大的导通电阻，M4，M5的导通使得M6的栅极电压逐步举高，终究M6封闭，发动电路脱离主电路，整个电路坚持在正常的作业点。
M7～M10经过共源共栅衔接，使得流过Q1，Q2的电流IQ1，IQ2持平。在此电路结构中，Q1发射极基极电压VQ1应等于Q2发射极基极电压VQ2与电阻两头的电压之和，即：
假定m／n为Q2与Q1发射极面积之比，则可得电阻R与支路电流IPTAT联系如下：
式中：VT为热电压VTkT／q；R为多晶电阻。VT的正温度系数与R的负温度系数使得IPTAT正比于绝对温度。Q3支路在供给一个负温度系数pcas 电压的一起，将M19的栅极电压箝制在固定电位，使得R1两头的电压VR1=VQ1=Veb1，则R1支路电流INTAT可标明为：
设：(ω／l)17／(ω／l)18=k，则：
调理R，R1，k，使得эI／эt=0，能够得到一路与温度无关的电流I。电流I1为另一路镜像。这种以热电压为基准的自偏置电路对振荡器的频率进行了很好的温度补偿。共源共栅电流镜具有较大电源按捺比，使得电流受电源电压影响小。此电路既用作基准电流电路，也是芯片内部其他电路的偏置电路。
2．2 与温度无关的基准电压
基准电压电路如图3所示。运放由自偏置基准电流电路供给偏置电流，将A，B两点箝制在持平电位上，假定A，B两点电压分别为VA，VB，有：
输出电压Vbg可标明为：
假定m1／n1为Q5与Q4发射极面积比，运用式(7)、式(8)消去电流可得：
将式(9)对温度求偏导数有：
调理Rtrim，R5，R6使得эVbg／эt=0，能够得到零温度系数的基准电压Vbg，到达温度补偿的意图。
2．3 比较器RS锁存器规划
假如考虑比较器、锁存器和开关管S1，S2的传输延时td，则振荡器的频率能够标明为：
由上式可知，经准确补偿电流和电压后，只要经过减小传输延时td来减低传输延时对振荡器频率的影响。比较器选用全差分结构，以取得较高的速率和高电源电压按捺比。运用小尺度器材可减小开关的传输推迟，别的比较器迟滞效应也会给振荡器频率带来必定差错。假定因为比较器迟滞带来上升推迟t1、下降推迟t2，则周期差错为：
选用两个比较器的对称结构，坚持Ich1=Ich2，Cl=C2，使得基准电流对电容充放电的时刻相同，有t1=t2。因而双比较器对称结构规划可有用消除传输推迟的频率差错，进步振荡器的精度。RS锁存器由两个NOR组成。
2．4 数字修调规划
在振荡器规划中，因为工艺差错等原因会发生频率差错。为确保频率精度，有必要选用数字修调操控可装备寄存器对振荡器频率进行纠正，以得到精准的方针频率。
2．4．1 电流粗调频率可选
由图2电路可见，开关管EN1闭合，EN2断开时，Ich=I，挑选4 MHz频率输出；开关管EN1封闭，EN2断开时，Ich=I1，挑选2 MHz频率输出。
2．4．2 电阻微调频率
带隙基准电路的电阻微调网络如图4所示。R依照RN=2n-1RLSB取值，一切开关由片上可装备寄存器操控，经过操控Tr1～Tr8，可使电阻在256阶精度改变，使得基准电压Vbg的改变梯度为256阶，然后完成频率256阶精度微调。
十六进制寄存器为FFH状况时，Tr1～Tr8全为1，开关管均闭合，Rtrim最小，基准电压Vbg输出最小，振荡器输出最大频率fmax；十六进制寄存器为00H状况时，Tr1～Tr8全为O，开关管均断开，Rtrim最大，基准电压Vbg输出最大，振荡器输出最小频率fmin。设置寄存器为80H状况则对应频率振荡器的中心频率fOSC，该频率可经过电阻网络在fmin～fmax之间调理，可调精度为：
在微调电阻阵列的规划中，要充分考虑晶体管的工艺差错和开关的传输推迟，减小开关晶体管的导通电阻对trim电阻的影响。
3 测验成果及剖析
根据CSMC O．5 μm CMOS工艺对所提电路进行流片，其电路的显微照片如图5所示。
在室温下对流片电路进行了频率和数字修调测验，测验时EN1选通，可装备数字寄存器从00H改变到FFH状况，频率可调规模为3．828～4．162 MHz，振荡器输出频率fOSC=4．001 MHz，最大可微调步长为O．005 MHz／LSB，调理精度为O．125％；EN2选通，寄存器00H～FFH的可调规模为1．942～2．054 MHz，振荡器的输出频率fOSC=2．000 2 MHz，微调步长为O．002 MHz／LSB，调理精度为O．1％。对流片电路进行了温度和电压特性测验。
3．1 振荡器的温度特性
振荡器在00H，80H，FFH状况下随温度的改变特性曲线如图6所示。
当VDD=5 V，温度规模为-40～+125℃，频率为4 MHz时，振荡器的频率改变为138 ppm／℃；频率为2 MHz时，振荡器的频率改变为94 ppm／℃。
3．2 振荡器的电源电压改变特性
图7是2 MHz，4 MHz在00H，80H，FFH状况下振荡器频率与电源电压联系图。当t=25℃，电源电压为3～6 V，频率为4 MHz时，振荡器的频率改变为2．3％；当频率为2 MHz时，振荡器的频率改变仅为0．56％。表1总结了室温下测得的振荡器特性参数。
4 结 语
根据0．5μm CMOS工艺规划一种频率为2 MHz，4 MHz数字可调高精度振荡器。经流片测验标明，该振荡器在3～5 V作业电压下，-40～+125℃温度规模内都具有较安稳的作业频率，4 MHz数字修调精度可达±0．125％；2 MHz数字修调精度可达±O．1％，该电路可嵌入到数字体系钟作为片内时钟，亦可独自作为时钟芯片。所规划的振荡器已使用于LED驱动芯片中，而且具有极端广泛的使用远景。
