一种高精度可调频张弛振荡器的设计

穆新华,李琴琴,唐 威,马姗姗,王江涛

(西安邮电大学 电子工程学院,陕西 西安 710121)

目前,DC/DC变换器芯片已被广泛应用于通信电子产品的电源供电系统中[1]。振荡器作为芯片的核心部分,决定着变换器的开关频率,其频率稳定性会影响整个系统环路[2],因此电源系统对内部振荡器提出了越来越高的设计要求。

张弛振荡器因其结构简单、便于集成,在DC/DC变换器中得到了广泛的应用。但是,目前大部分振荡器都存在控制模式较为单一、输出频率固定且调频范围较窄的问题[3],使用范围受限,已不能适应各类电子产品高频化、日趋复杂化的发展趋势。针对这些需求,文献[4]通过设计使能控制电路实现了外同步功能,尽管解决了控制模式单一问题,但是其工作温度范围较窄且内同步频率固定;文献[5]中设计了电流调节电路实现了调频功能,但振荡器仅支持一种模式工作且调频范围较窄。鉴于此,本文提出了一种采用一个比较器的简单张弛振荡结构,结合电荷泵锁相环技术,通过增加电流调节与选通电路,实现振荡器频率较宽范围调节,同时还支持两种工作模式。变换器中拟设计的振荡器可输出中心频率为581 k Hz的标准方波信号,用于变换器的开关控制及频移电路。

1 电路基本原理

本文所设计的张弛振荡器结构如图1所示,电路由模式选择、电阻电流转换电路(R-I)、鉴频鉴相器(Phase and Frequency Detector,PFD)、电 荷 泵(Charge Pump,CP)、低通滤波电路(Low Pass Filter,LPF)、选通电路、电流调节电路以及主振荡电路组成。

图1 振荡器电路框图Fig.1 Diagram of the oscillator circuit

模式选择电路由一些逻辑单元构成,可检测输入信号类型。输入为方波信号时,EN控制信号为低电平,锁相环环路开始工作,CP电路开启。片外时钟与振荡器产生时钟输入到PFD后,输出频率和相位差UP/DN信号输入到CP中,CP电路将输出压控信号,经滤波和选通电路后控制电流调节电路。外接电阻时,EN信号翻转为高,锁相环环路停止工作,电流调节电路通过片外电阻将其转换为电流信号对电容进行充电。主振荡电路结合电流调节电路,一方面通过调节RT阻值大小产生不同频率时钟信号(RT模式);另一方面作为锁相环环路中的压控振荡器,实现频率捕捉功能(CLK模式)。

2 电路设计

本设计中PFD电路采用文献[6]的结构,可消除频率锁定后产生的死区效应。CP电路是在文献[7]基础上,在其上下电流源处添加使能控制端,外接电阻时控制CP电路停止工作,降低电路功耗,采用运放结构,可消除CP电路中的电荷分享。下面将重点介绍电流调节与选通电路、主振荡电路以及模式选择具体电路设计。

2.1 电流调节与选通电路

电流调节与选通电路如图2所示,其中VDD为内部电源电压,V0p5信号是来自带隙基准源的0.5 V参考电压,Vb为基准模块产生的偏置,Ibias为电流调节电路的输出信号。

图2 电流调节与选通电路Fig.2 Current regulation and selection circuit

电路中RT/CLK为信号输入端,可接电阻或时钟信号。M1与M5为共源共栅结构,为由M6～M10构成的两级运放提供稳定的尾电流,M4与M11开关器件组成运放的负反馈网络,其中,M11宽长比较大,导通电阻相对较小。在RT模式时,模式选择电路输出信号RT_H为高电平、RT_L为低电平,M11导通并且漏源电压近似相等。因此,V0p5信号作为运放的正向端,可将RT/CLK端口处电压钳位在0.5 V。M20、M3、M10和M11构成通路,通过调节阻值大小可调节通路电流。此处假设外接电阻阻值为RT,则流过通路的电流表达式为:

CLK模式时,RT_H、RT_L信号翻转,CP电路开始工作。此时,M20、M3、M10和M11构成的通路断开,M20、M12以及传输门形成新通路,CP电路输出信号经过滤波电路后产生Vcp_ctrl信号控制M12管的栅极,调节M12电流,进而起到调节主振荡电路中电容充电电流大小的作用。

2.2 主振荡电路

主振荡电路是在文献[8]所述传统张弛振荡结构基础上,将其两个比较器采用一个三输入比较器实现,简化了电路结构。同时将电容充电电流调整为可变电流,由电流调节电路产生。具体电路如图3所示,主要由镜像电流器件M1、三输入比较器以及逻辑控制电路组成。其中,M9和M15为充电开关、M10和M16为放电开关、C1和C2为充放电电容。

图3 主振荡电路Fig.3 Main oscillator circuit

图3中Vref用来设置主振荡电路比较器翻转阈值,Ibias1为基准电路产生的无温度系数的电流,M17和M18电流镜结构给比较器提供尾电流。M1与M5构成共源共栅结构为电容充电提供稳定电流源,因此通过M1与电流调节电路中M20的镜像关系可知,给电容C1、C2充电表达式为:

式中:V为RT/CLK处的电压,值为0.5 V;K为电流镜镜像因子,在该设计中,K=1/2。典型情况下,外接RT电阻阻值为200 kΩ,由此可计算出Icharge理论值为1.25μA。

M7、M8作为三端口比较器差分对管的反向端,M11、M12和M13、M14作为正向端。开始工作时,CLK2为低电平,CLK1为高电平,M15导通,电容C2开始充电,设开始充电时间为t0。以电流Icharge对电容充电到Vref电压的时间记为t1。假设电容容值为C,则根据电容元件伏安关系可知:

将式(2)带入式(3)可得,电容C1、C2充电电压达到Vref所需时间表达式为:

当电容C2电压高于Vref电压时,M4栅极电压瞬间被拉低,比较器输出变高。比较器输出信号A经数字电路整形后输出方波信号B,方波信号作为D触发器的时钟信号,时钟高电平到来时,D触发器输出信号Q翻转为低电平,RS触发器将CLK1信号置为低,CLK2置为高后,实现下半个周期的振荡。通过不断地对电容进行充电、放电,电容上的电压会形成锯齿波信号,而输出点CLK1、CLK2处为方波信号,即为振荡器的输出信号[9]。

因此由T=2Δt可计算出该振荡器在RT模式工作时,其频率表达式为:

在该设计中,Vref电压值为1.85 V,电容C1、C2容值为546 fF,由式(5)可计算出典型应用情况下频率理论值为618 k Hz,并且频率随电阻阻值的增加而减小。

2.3 模式选择

模式选择电路如图4所示,图中Vb为偏置信号,Vcp_ctrl为CP电路输出。RT_H、RT_L、CLK_H和CLK_L为模式选择电路输出端,控制选通电路与电荷泵电路。

图4 模式选择电路Fig.4 Mode selection circuit

由前述分析可知,RT/CLK处接电阻时为低电平。电路开始工作时,RS触发器R端控制电路关断,即S=0,R=1,因此在RT模式下,RT_H控制信号输出为高。RT/CLK处输入时钟信号时,第一个时钟高电平到来会将RS触发器S端置为1,CLK_H输出高电平控制传输门导通,此时,Vcp_ctrl压控信号为高电平,R端被置为0,RT_H输出翻转为低。

3 电路仿真

基于0.25μm 60 V BCD工艺,利用Cadence Virtuoso进行仿真。经验证,振荡器在外接200 kΩ电阻时,仿真波形如图5所示。由图5可看出,电容充电电流Icharge为1.24μA,电容充电电压VC1、VC2以及比较器输出信号A与实际理论分析相一致,方波周期T=1.717μs,即中心工作频率约为582 k Hz,与实际理论值稍有偏差。经分析,导致频率偏小的主要原因有:比较器的非理想因素会产生传播延迟;反相器、触发器等工作会产生延迟[10]。图5仿真验证结果表明,该设计可满足实际设计指标需求。

图5 振荡器电路仿真波形图Fig.5 The simulating waveform of oscillator circuit

振荡器频率随电源电压变化曲线图如图6所示,可看出其频率变化最大为593 k Hz,最小为578 k Hz,频率偏移率约为1.9%。

图6 输出频率随电源电压变化曲线Fig.6 Output frequency varies with the supply voltage

图7所示为温度在-55～125℃范围内频率变化曲线,由图可看出频率随温度变化最小值和最大值分别为579,590 k Hz,偏移率约为1.4%。验证结果表明振荡器输出频率随温度以及电源电压变化范围较小,符合设计要求。

图7 输出频率随温度变化曲线Fig.7 Output frequency varies with temperature

通过调节RT阻值,可实现振荡器在100 k Hz～2.5 MHz宽频率范围调节,通过图8所示曲线可以确定给定开关频率的定时电阻。

图8 输出频率随R T阻值变化曲线Fig.8 Output frequency varies with R T resistance

由图8可看出,外接1.2 MΩ电阻时,振荡器达到最小工作频率100 k Hz。外接42 kΩ电阻时,达到最大工作频率2.5 MHz。并对振荡器在全频率范围内进行了工艺角验证,均可满足设计要求。

RT/CLK处接同步时钟信号时,张弛振荡器被用作锁相环环路中的压控振荡器。经验证,该振荡器在全工艺角以及-55～125℃温度范围可捕获300 k Hz～2.2 MHz范围内的方波信号。

本文与其他文献中的振荡器相比较,其参数列表如表1所示。可以看出,本文所设计的张弛振荡器工作温度和同步频率范围相对较宽。并且其中心频率随温度变化偏移率相对较小,精度较高,可满足实际应用需求。

4 版图设计

本文所设计振荡器版图采用0.25μm 60 V BCD工艺完成,电路版图如图9所示,尺寸约为200μm×567μm。版图设计中,将三输入比较器差分对管反向输入端器件放置在两正向输入端器件中间,可适当减小工艺所带来的偏差。此外,为了消除边缘管和中间管之间的不匹配,在主振荡电路中的M2与M3器件两侧分别放置了Dummy器件。

表1 与其他文献的振荡参数对比Tab.1 Comparison with other oscillator parameters

图9 振荡器电路版图Fig.9 Oscillator circuit layout

5 结论

传统的张弛振荡器采用恒流源对电容充电,只能产生固定频率,且工作模式单一。本文提出的振荡器可根据需求调整外接电阻阻值,产生不同电流对电容充放电,实现了振荡器在100 k Hz～2.5 MHz较宽频范围工作。同时,结合锁相环技术使之可捕获300 k Hz～2.2 MHz的外时钟信号。经验证,振荡器输出频率受电源电压和温度变化影响较小,精度较高,各项性能均可满足DC/DC实际应用需求。