一种低电压低功耗多谐振荡器

应　　韬，陈迪平，李经珊

（湖南大学物理与微电子科学学院，长沙410082）

一种低电压低功耗多谐振荡器

应韬，陈迪平，李经珊

（湖南大学物理与微电子科学学院，长沙410082）

提出了一种应用于太阳能电池供电系统的多谐振荡器，设计采用新型迟滞比较器结构，实现了低压低功耗，且在宽电源电压范围内，仍能保持较高的频率稳定度。基于华润上华0.5 μm的CMOS工艺对电路进行仿真，根据本次设计的参数，电源电压在1.5～5 V的范围内变化时，振荡频率变化约为3%/V，功耗可低至6.646 7 μW，能保证在低光照强度下系统仍能正常工作。仿真结果表明所设计的振荡器满足低电压和低功耗的要求。

多谐振荡器；迟滞比较器；低电压；低功耗

1　　引言

光照强度影响着太阳能电池对光能的转换，导致电池供电电压的变化。对于一些由太阳能电池供电的便携式电子设备，由于太阳能电池能量非常有限，供电电流较小，且提供的电压极不稳定。当光照强度减小50%时，保持工作电流不变则可提供的电压将减小约27%［1］。因此，为了保证这类电子设备在低光照强度下仍能正常工作，系统要能在低电压下低功耗工作。

在各种电子系统中，振荡器具有进行载波合成、产生时钟信号、驱动系统同步运行等功能［2］。常用的振荡器一般有RC振荡器、LC振荡器、石英晶体振荡器等［3］。其中，RC振荡器具有结构简单、易集成、成本低、功耗小、频率易调节以及适用于CMOS工艺等优点。本文在传统迟滞比较器的电路结构基础上，设计了一种应用于多谐振荡器的新型结构迟滞比较器。比较器电路中去除了尾电流，降低了功耗且减小了压降，通过对电路原理的分析与仿真，结果证明此新型结构的多谐振荡器电路具有极低的功耗，可在低电压下工作且具有较高的频率稳定度，起振时间短。

2　　传统RC多谐振荡器原理及不足

传统RC多谐振荡器的基本电路结构如图1所示，基于迟滞比较器，通过控制开关S1、S2的闭合与打开，对电容C1进行充放电，得到不断变化的电压Vo1。当Vo1达到迟滞比较器的上阈值电压时，输出Vo2为高电平，S1打开S2闭合，对电容放电，Vo1开始下降；当Vo1达到迟滞比较器的下阈值电压时，输出Vo2为低电平，S1闭合S2打开，对电容充电，Vo1开始上升。重复循环，从而产生振荡信号。其中，比较器输出信号Vo2控制开关S1和S2的闭合与打开。

影响这种结构振荡器振荡频率的因素主要是时间常数的大小和阈值电压的门限宽度。而且为了保证比较器中的MOS管工作在线性区，电源电压的降低会受到限制。

图1　传统RC多谐振荡器的基本电路结构

基于本次设计的要求，为了使振荡器工作在宽电源电压范围，需要稳压电路。传统稳压电路多采用LDO结构，稳压性能好，带负载能力大，但是其电路结构较为复杂，成本高且电源电压难以进入低压范围。因此，采用简单的二极管串联结构稳压即可使振荡器的供电电压保持在正常工作范围，虽然该结构稳压电路带负载能力小，但足以满足后级低功耗电路的负载要求。传统比较器输入级具有尾电流源，会产生较大的功耗。因此可以在传统结构比较器输入级的基础上去除尾电流，消除直流通路从而降低功耗。若迟滞比较器内部迟滞效果不够，则振荡器输出的振荡波形将不是很理想，会有一些毛刺［4］。因此，可在比较器外部控制高低阈值电压的转换以增强迟滞效果，去除毛刺。

3　　多谐振荡器电路的设计和分析

3.1低电压低功耗迟滞比较器的设计

传统两级开环结构比较器的输入级中，于两个输入管的共源极处存在尾电流源，为其提供偏置电流，同时会产生一个电压降。而且由于直流通路的存在，也会产生较大的功耗。作为比较器时输入管可工作在非线性区，所以可去除尾电流来减小工作电压，大大降低功耗。阈值电压的门限宽度影响振荡频率的大小，其与供电电压v成正比，即（V－高-V－低）∝v。如图2所示为迟滞比较器电路。MOS管NM1、NM2、PM1、PM2、PM3和PM4构成迟滞比较器的差分输入级。MOS管NM3、NM4、PM5和PM6构成迟滞比较器的推挽输出级，提供了合适的输出电压摆幅和输出电阻，同时完成了输出单端化的转换。

在比较器电路中，因为PM3和PM4栅漏极交叉耦合的并联电压反馈为正反馈［5］，而PM1和PM2是二极管连接为负反馈路径，且（W/L）PM1=（W/L）PM2=2＜（W/L）PM3=（W/L）PM4=3，所以整个迟滞比较器电路内部表现为正反馈，具有迟滞特性。由于内部迟滞效果不够，本设计通过NM6控制迟滞比较器负输入端高低阈值电压的转换来增强迟滞效果。

图2　迟滞比较器电路

3.2多谐振荡器电路的设计

本次设计的多谐振荡器整体电路图如图3所示，电路主要分为3个部分：

①提供工作电压v的稳压电路；

②电容充放电电路及比较器阈值控制电路；

③迟滞比较器电路。

MOS管PM8、PM9、电阻R1和三极管Q1、Q2组成稳压电路。其中PM8、PM9和R1组成电流镜，通过Q1和Q2的钳位，为主电路提供工作电压v。因此，当光照强度较大时，太阳能电池提供的电压较高，稳压电路使②、③部分电路的工作电压v保持在较为稳定的低电压，可保证比较器部分处于正常工作电压范围内；当光照强度较小时，太阳能电池提供的电压较低，则整个振荡器电路可处于低电压低功耗的工作状态。电阻R4、R5、R6通过分压给迟滞比较器V－端提供阈值电压。PM7管、电阻R2和电容C1组成充电回路，NM5、电阻R3和电容C1组成放电回路。

图3　多谐振荡器电路图

3.3振荡频率稳定性分析

V－端的高低阈值电压的计算公式为：

式（1）中，Ron1表示当Vo为高电平时NM6的导通电阻。式（2）中Ron2表示Vo为低电平时NM6的导通电阻。由于Ron1阻值较小，而Ron2阻值较大，进行振荡频率的估算时可近似为：

同样，忽略NM5和PM7导通电阻的影响，充电时间常数近似为τ1=R2×C1，放电时间常数近似为τ2=R3× C1。由一阶电路的全响应可知［6］，对电容C1充电时：

则振荡周期为：

其中v=2VBE。将式（3）和（4）代入（7）中，可以得到：

振荡频率f=1/T。输出振荡信号的占空比由t1和t2决定。由此可见，理论上振荡频率与电源电压Vdc无关，而只与电阻、电容的参数有关。但是实际上NM5、NM6和PM7的导通电阻会受到电压v的影响，随着v的降低，NM5、NM6和PM7的导通电阻会增加，会改变充放电的时间常数以及比较器的高低阈值电压，从而影响振荡频率的稳定性。

3.4电路工作过程分析

电路刚上电工作时，信号输出端电压Vo为低电平，NM6截止，通过电阻分压，V－电压为高阈值电压V－高。V+端加入一个激励信号后立即变为高电平，尽管V－端为高阈值电压V－高，但V+端电压仍然高于V－端电压，所以迟滞比较器输出Vo为高电平，NM5导通，PM7截止，NM6导通，V－电压变为低阈值电压V－低。电容C1通过电阻R3进行放电，V+电压逐渐下降，且在对电容C1放电的过程中，放电电流逐渐减小。

这种状态一直持续到当V+电压下降至低于V－端的低阈值电压V－低时，迟滞比较器输出Vo为低电平，NM5截止，PM7导通，NM6截止，此时V－电压又变为高阈值电压V－高。电容C1通过电阻R2充电，V+电压逐渐上升，且在对电容C1充电的过程中，充电电流逐渐减小。然后一直重复上述变化过程，产生振荡信号。

实际中，由于迟滞比较器增益有限，输出电压Vo需要达到转折电平的时候才会开始翻转，存在传输时延。而且比较器的传输时延随输入幅度的变化而变化，较大的输入会使时延较短［7］。因此，当V+＞V－高时，输出电压Vo不会立即翻转为高电平，需要电平翻转时间。当输出电压Vo翻转为高电平时，V+已经上升至V+，max，然后电容C1开始放电，V+开始下降；同样，当V+＜V－低时，输出电压Vo不会立即翻转为低电平，也需要电平翻转时间。当输出电压Vo翻转为低电平时，V+已经下降至V+，min，然后电容C1开始充电，V+开始上升。因此，V+，max＞V－高，V+，min＜V－低。

4　　电路仿真结果分析及版图

本次设计的多谐振荡器采用无锡华润上华公司CSMC的0.5 μm CMOS数模混合工艺。使用Cadence软件完成电路和版图的设计，使用Spectre、Virtuoso等工具对其进行后仿真并分析。仿真时相关电路参数的选取如表1所示。

表1　仿真时电路参数的选取

根据所选取的电路参数，可对产生的振荡频率进行理论计算。充电时间常数τ1=R2×C1=3 MΩ×10 pF= 30 μs，放电时间常数τ2=R3×C1=4 MΩ×10 pF=40 μs。当电源电压Vdc=1.5V时，取VBE=0.6V，则v=2VBE=1.2V，t1=7.890 μs，t2=5.735 μs。t1+t2=13.625 μs，即振荡频率= 73.39 kHz。

当设置仿真条件为电源电压Vdc=1.5 V、T=27℃时，对电路进行DC仿真和瞬态仿真。瞬态仿真中输出的振荡信号波形如图4所示。

图4　振荡器仿真输出波形

通过对后仿真输出波形的观察可以得到，迟滞比较器输出的振荡信号fout，高电平约为1.22 V，低电平约为0 V。振荡频率≈68.1 kHz，即振荡周期约为14.685 μs。实际振荡频率与理论估算的结果存在一定的误差，此误差主要来源于NM5、NM6和PM7的开关电阻的影响，以及迟滞比较器有限增益导致的内部延迟时间。通过对R、C和VBE等有关参数进行微调，然后仿真验证即可得到所预期的振荡频率。由仿真结果可知整个电路直流总功耗仅有6.6467 μW，且电路的起振时间很短（约为230 ns），减少了设备的开机时间。

表2　不同电源电压工作时的振荡频率和功耗

设置仿真温度T=27℃，对工作电压进行扫描，得到正常工作时最低电源电压约为1.5 V。当电源电压在5 V至1.5 V范围内变化时，振荡频率处于较为稳定的范围。频率变化程度约为2.1 kHz/V，随电压的变化系数约为3%/V，其中当电源电压较高时振荡频率变化较小，功耗较大；而当电源电压较低时振荡频率变化较大，功耗较小。整个电路的功耗均处于μW数量级的低功耗水平。

本次设计的多谐振荡器电路版图如图5所示。

图5　多谐振荡器版图

将本文设计的振荡器与文献 ［9］、［10］、［11］、［12］、［13］、［14］中提出的振荡器进行比较，如表3所示。可以看出，相比其他振荡器，本文所设计的振荡器在较宽电源电压范围（1.5～5 V）内产生较低的振荡频率，且有着较高的频率稳定度和较低的功耗。

表3　室温下与文献中振荡器比较

5　　结论

本文提出的新型结构迟滞比较器应用于多谐振荡器中，振荡器电路结构简单，电源电压范围宽，可在低电压下工作，功耗低，起振时间短。仿真结果表明，本次设计的振荡器电路基本符合设计指标，满足低电压和低功耗的要求。可根据具体需求通过对电路参数的调节，得到所要求的振荡频率，适用于由太阳能电池供电的便携式电子设备中。

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A Design of Low-Voltage and Low-Power Consumption Multivibrator

YING Tao，CHEN Diping，LI Jingshan

（College of Physics and Microelectronics Science，Hunan University，Changsha 410082，China）

A new type of multivibrator for solar cell power system is presented in the paper.The design adopts a novel structure of hysteresis comparator，which maintains a higher degree of frequency stability in a wide voltage range while realizing low voltage and low power consumption.The simulation of the circuit based on the 0.5 μm CMOS process is performed.According to the parameters of this design，when the supply voltage varies in the range of 1.5 V to 5 V，the oscillation frequency varies in the range of 3%/V and power consumption can be as low as 6.646 7 μW.The system works normally under low illumination.The result of the simulation shows that the multivibrator meets the requirements.

multivibrator；hysteresis comparator；low voltage；low power consumption

TN752

A

1681-1070（2016）10-0027-05

2016-5-27

应韬（1993—），男，江苏南京人，湖南大学物理与微电子科学学院电子科学与技术专业硕士在读，研究方向为模拟集成电路设计的相关工作。