可灵活复位RC振荡器

孙丽晶， 杨 博， 刘庆飞

（1.长春工业大学 基础科学学院，吉林 长春 130012；2.上海四通仪表股份有限公司，江苏 苏州 215163；3.中国兵器工业第214研究所 苏州研发中心，江苏 苏州 215163）

0 引 言

振荡器常常用于产生时钟信号，控制开关动作［1］。RC振荡器由于具有结构简单、成本较低、功耗较小、频率可调等优点得到广泛应用［2］。文中设计的RC振荡器采用电阻串分压提供参考电压的方式，并且设计了复位功能，在外接RC的模式下，振荡器频率可在1kHz～1MHz范围内变化。

1 电路结构与原理分析

1.1 振荡器结构与分析

振荡器结构如图1所示。

图1 振荡器结构图

图中C0是时钟电容，Vth＋，Vth－是比较器COMP1，COMP2的参考电压，I1，I2分别为C0的充电和放电电流源，振荡器通过将电容C0上的电压与比较器的两个参考电压Vth＋，Vth－进行比较，产生控制信号Q，QB，从而控制电流源I1，I2为C0充放电，形成振荡输出，振荡器工作波形如图2所示［3－4］。

图2 振荡器工作波形图

复位电路的设计思想如下:

当电源上电过程中，在电源电压还没有达到工作电压时，通过复位单元产生复位电平，使振荡器进入复位状态，然后随电源电压的继续上升，复位过程结束，电路进入正常工作模式，实现上电复位［5］。外部复位模式是在振荡器复位端加外部复位信号实现振荡器外复位［6］。

复位电路工作原理波形如图3所示。

图3 复位电路工作原理波形图

此时电路工作电压为5V、工作温度为25℃。

根据图3可以看出，当电源电压为3.14V时，输出复位信号R为低电平，电路处于复位状态，当电源电压超过3.14V时，复位信号跳变成高电平，电路结束，复位进入工作模式。

1.2 振荡器设计

文中设计的RC振荡器电路如图4所示。

图4 CMOS振荡器电路图

其中比较器COMP1，COMP2结构相似，为了图示简洁，COMP1用示意图代替电路图，4个与非门I4，I5，I6，I7和 4个反相器I8，I9，I10，I11组成RS触发器结构。

比较器COMP2由3个开关SW0，SW1，SW2，2个反相器I0，I1，1个缓冲器I2，1个与非门I3和采样保持电容C1组成，其中反相器I0的阈值约为电源电压的一半，反相器I1和缓冲器I2的阈值是Vth－。当Pulse为高电平时，比较器COMP2开始工作，时钟电容C0开始通过M2放电，当A点电平降低到Vth－时，反相器I1输出一个高电平导致节点C2跳变到低电平，则反相器I5输出高电平强制反相器I4输出低电平，使Pulse变成低电平，时钟电容进入下一个充电周期。

反相器I1是有开关功能的反相器，在反相器中加入开关管，可以在不影响反相器逻辑功能的情况下，减少电路工作电流，进而降低功耗。假设Vth－＝1V；PMOS管跨导参数Kp＝9E－6A／V2；PMOS管阈值电压Vthp＝1.121 8V；PMOS管沟道长度调制系数λp＝0.4；NMOS管跨导参数Kn＝82E－6A／V2；NMOS 管 阈值电 压 Vthn＝0.875 7V；NMOS 管沟 道 长 度 调 制 系 数λn＝0.238 6；反相器I1的开关管采用PMOS宽长比是1，并且开关管栅极接地，为了MOS管尺寸匹配，则反相器的PMOS也选取宽长比为1。并且为了简化计算假定当反相器I1的输入与输出相等时，输入值为1V，反相器的MOS管工作在饱和区，反相器的开关管工作在线性区。工作电压5V，根据MOSFET的Spice一级静态模型，通过求解 MOSI～V方程（1）和方程（2）［7］:

则有

实际设计中选取1∶18.5可以满足的反相器阈值1V的设计要求。通过类似的方法确定比较器COMP1，COMP2内部晶体管的尺寸。Reset电路如图5所示。

图5 Reset模块电路图

复位信号提供给振荡器使用。电路中，电阻R0，二极管 D0，D1，D2，反相器I0和开关SW0组成上电复位电路，利用正反馈作用使节点I电压迅速下降，复位信号上升沿更陡峭。电容C0是延时电容，与非门I1为外部同步复位信号提供接口。

1.3 电路的可靠性设计

一般情况下，振荡器工作很稳定，但是在极端的电磁环境条件下，振荡器有可能出现停振的情况［8］。为了预防类似的情况，在振荡器内部采用了施密特结构，当干扰在振荡器内引起扰动时，施密特结构可以产生强制信号，使振荡器恢复振荡输出。

2 仿真结果

振荡器复位模式下的工作波形如图6所示。

图6 振荡器双重复位模式工作波形

条件是工作电压5V，时钟电容90pF，外接200kΩ电阻。从图6可以分析出，当无外部复位信号时，Reset模块完成上电复位。当Reset模块的输入端ResetIn接入外部复位信号时，Reset模块产生的内部Reset信号跟随ResetIn，从而实现了外同步复位功能，复位信号结束，振荡器开始在20kHz频率下正常工作。通过对该电路的流片、封装、测试及验证，测试结果与仿真一致，达到设计要求。

3 结 语

设计了一种具有复位功能的RC振荡器，该设计可以实现在没有外部信号的情况下，上电复位也可以进行外同步复位。

［1］ 毕查得·拉扎维.模拟CMOS集成电路设计［M］.西安:西安交通大学出版社，2003.

［2］ Johs D，Martin K.Analog integrated circuit design［M］.［S.l］:John Wiley ＆Sons，Inc，1997.

［3］ 洪志良.模拟集成电路分析与设计［M］.北京:科学出版社，2005.

［4］ 王海永，林敏，李永明.一种运用于2.4Hz ISM 射频波的全集成CMOS压控振荡器［J］.半导体学报，2003（3）:24-27.

［5］ 赵胜华，陈建安.CMOS集成电路中振荡器的设计及性能分析［J］.电子与封装，2004（6）:128-134.

［6］ 周智勇.从嵌入CMOS MEMS振荡器展望IC设计的潜在变革［J］.电子产品世界，2007（1）:34-38.

［7］ 张孝飞，赵孔新，张赛男.基于FPGA的脉冲发生器波形模块设计［J］.长春工业大学学报:自然科学版，2011，32（3）:258-262.

［8］ 王倩，吴丽丽.基于GPIB的可程控系统设计［J］.长春工业大学学报:自然科学版，2010，31（6）:674-678.