一种温度不敏感占空比可调的振荡器

顾 祥，顾 吉，许天辉，吴建伟

（中国电子科技集团公司第58研究所，江苏 无锡 214035）

1 引言

随着模拟集成电路的迅速发展，锯齿波振荡器在很多领域，诸如测量电路、自动控制系统、信号处理电路和电源管理电路等，有着非常广泛的应用。许多锯齿波电路虽然比较稳定、精度高，但是其频率受环境温度等影响较大；良好的锯齿波振荡器应该具有稳定性好、精度高、可调范围广、波形好的特点。本文基于以上特点，设计了一种以单比较器作为核心的锯齿波振荡器，该电路通过对外接的RT/CT进行充放电，其频率除了稳定性好、精度高、可调范围广之外，还具有对温度不敏感的特性。此外，振荡波的占空比可以通过对放电支路的Trimming修调进行调节。

2 电路设计

2.1 电路框图和原理

本文设计的锯齿波发生电路原理框图如图1所示，利用带隙基准电压源对RT/CT进行充电，比较器正输入端电压增加，当电压增加到比较器负输入端电压时，比较器输出CLK信号由低电平转变为高电平，CLK信号驱动放电电路开启，比较器输入端通过放电支路进行放电，同时比较器负输入端电压变为低电位；当比较器正输入电压放电至负输入端电压时，CLK信号由高电平变为低电平，比较器负输入端电压变为高电位，关闭放电电路，基准电压源对比较器正输入端重新充电，电路就这样重复对电容充放电，实现相应的锯齿波及CLK信号，通过调节RT、CT的值可以改变输出波的频率。

图1 振荡器电路框图

2.2 实际电路设计和仿真

2.2.1 偏置电流源的设计

该电流源主要是为比较器提供合适的偏置，通过设置合理的电流源镜像比例，可以达到稳定频率温度特性的效果，具体电路如图2所示。

图2 电流源偏置电路

由于三极管基极的电流很小，流过电阻RLD13上的电流主要通过NPN晶体管NC10流到地，这条支路的电流大小为，VBIAS=0.7 V。

I=VREF-2VBE/RLD13

通过各镜像管的发射极面积比，可以确定电流沉和电流源的大小之比。

2.2.2 OSC主体电路设计

该电路的主要功能是产生CLK方波和锯齿波，具体电路如图3所示，当RT/CT电压很低时，电流主要从NC6管流过，NC4提供的尾电流基本流过NC6，CLK电压为低，NC6此时的基极电压为VB1=VREFI0RLD8-Vbe-I1RLD4（锯齿波上限）。当RT/CT电压达到VB1后，NC4提供的尾电流基本流过NC5，A点电压降低，ND14关断，NC6的基极电位基本为0，规定了三角波的下限VB2也接近于0。所以想要调整频率，可以通过改变三角波上限VB1来实现。

该电路充电时，VREF通过RT将CT从VB2充至VB1，RT、CT充电方程可以根据三点法求得：

V=[V(0)-V(∞)]e-t/toV(∞)

V(0)=VB2，V(∞)=VREF，to=RT×CT

由此可以求得充电时间为：

VB2=0，VB1=VREF-I0RLD8-Vbe-I1RLD4

可以看出，只要减小I1RLD4即可减小充电时间而提高频率。

该电路放电时，放电电流大小由ND21中的电流决定，而ND21中电流又由电阻Trimming决定，放电时通过ND21中的恒定电流将电容充VB1放电至VB2。

由于放电时间非常短，波形的频率主要由充电时间决定，因此，锯齿波及CLK信号的频率为1/t。

再来分析频率的温度稳定性，此时频率主要由VB1决定，而VB1中，I0RLD8趋向于0，忽略不计，VREF为带隙基准源提供的电压，温度稳定性很好，也可以忽略，唯一随温度变化的参数项仅为-Vbe-I1RLD4，设该项为：

S=-Vbe-I1RLD4=-Vbe-K×（VREF-2Vbe）/RLD13×RLD4

同时，设RLD13/RLD4=m;

S=(2K/m-1)Vbe-K/m×VREF;

由上式可知，VREF项可以忽略，只需考虑（2K/m-1）Vbe项，令（2K/m-1）=0，则可以约去该项，理想条件下，几乎可以实现零温漂。

图3 OSC震荡电路

2.2.3 电路的仿真

在UNIX系统下，基于1 μm bipolar工艺SPICE模型，利用HSPICE软件对电路进行了仿真，仿真的结 果如图4所示。

图4 振荡器输入输出关系图

同时，我们分别在25 ℃和125 ℃条件下，对电路进行频率仿真，在RT=10 kΩ、CT=10 nF条件下，两种温度的频率均为56.7 kHz，可见频率的温漂系数几乎为0。

3 电路流片验证

该电路采用1.0 μm bipolar工艺在中国电科第58所制造部进行流片，出片后经测试确认，振荡器功能完全正常，性能良好，在RT=10 kΩ、CT=10 nF条件下，100 ℃温度变化引起的频率漂移在5%以内，详见表1。电源电压在12～25 V范围内变化，频率漂移在1%以内，如图5、图6所示；通过反熔丝的Trimming，可将震荡波形的最大占空比从87%提高到96%，如图7、图8所示。

表1 不同温度下的振荡器频率

图5 电源电压12 V时的输出方波

4 结论

本文给出了一种在纯双极工艺下的锯齿波振荡器电路，产生的锯齿波频率稳定性很高，对环境温度和电源的变化不敏感，同时可以通过反熔丝的Trimming实现波形最大占空比的调节，文章对电路进行了理论推导， 同时用HSPICE工具进行了仿真验证，仿真结果数据与理论计算值吻合，最后进行了流片，流片结果基本达到设计的要求，该单元电路实际应用于某高性能PWM控制芯片设计中并已投片。希望本文对其他设计人员提供一定的帮助。

图6 电源电压25 V下的输出方波

图7 Trimming前输出方波

图8 Trimming后输出方波

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