光隔离放大器集成电路中时钟信号发生器的设计

北方工业大学信息学院 祁宣霖 刘丙旭 韩 庆 张晓波

光隔离放大器集成电路，采用Σ-Δ调制技术进行信号传输，其时钟信号特性对系统整体性能影响较大，本文设计完成了一种新型的时钟信号发生器电路。并对该电路进行了设计和仿真验证，结果表明该电路具有较小的温度系数，电源电压抑制能力较好，且结构简单，占用面积小。

在电机驱动、光伏逆变器和不间断电源等工业系统中需要坚固、可靠的电隔离，通过隔离放大器将高电压上测量的反馈信号与低压控制器进行电隔离。

光隔离放大器集成电路中将输入的模拟信号经过Σ-Δ调制器转换为数字脉冲信号，再经过编码，驱动LED发光，接收端的光电检测器将接收的光脉冲信号经过放大解码和滤波，还原出模拟信号。

其中核心的Σ-Δ调制器是利用过采样技术来提高信噪比，其所需时钟信号频率是所采集信号带宽的几十倍，本设计中采用64倍的过采样，信号带宽100kHz，则时钟信号频率12.8MHz。

1 电路基本结构原理

集成电路中的时钟信号发生器最常采用的是环形振荡器和张弛式振荡器。环形振荡器利用电路的延迟特性工作，对温度和工艺敏感，精度不高，若要提高精度必须加很多的补偿和校正电路。张弛式振荡器利用电容充放电原理，输出频率与电容大小、充放电电流、充放电阈值电压有关。

图1所示为本文所采用的时钟信号发生器电路结构图。

由M1、M4、R1与M9-M12组成电流源电路，无需运算放大器和带隙基准电压。其电流大小i约为Vth1/R1，Vth1为M1的阈值电压。合理的选择MOS管宽长比和R1的类型，可以得到温度系数很小的电流源。M13、M15与M9组成的镜向电流源给C1和C2充电，M2和M3为放电开关，M5和M6与M17-M20组成比较器电路，控制充放电阈值，由X1与X2组成的RS触发器控制充放电时序。

M9-M20组成的电流镜结构电流源采用共源共栅结构，提高电源电压抑制能力。PIB1外接偏置电流源为共源共栅结构提供偏置电路。

工作过程如下：假设初始状态时，M5关断，M6导通，经过RS触发器，M2关断，M3导通，C1充电，C2放电。C1电压逐渐升高到M5的阈值电压Vth5时，M5开通，此时C2放电已经到地，经过RS触发器使M2导通，M3关断，从而C1放电，C2充电。电容C2电压逐渐升高到Vth6时，M6开通，此时C1放电已经到地，经过RS触发器控制M2关断，M3导通。这样C1和C2交替充放电，形成输出方波信号。

电容C1、C2的充电电流由M13于M9的宽长比（假设为n）决定。

M1、M5、M6的尺寸相同，因此Vth1=Vth5=Vth6，电容C1=C2=C。电容上的充电阈值电压U=n*i*t/C=n*(Vth/R1)*t/C=Vth，由此可得t=R1C/n，输出信号频率f=1/2t=n/ 2R1C。所以理论上输出信号频率只与R1和C有关，可以将R1电阻做成可修调模式，在中间测试时精确修调，进一步提高输出频率精度。

图1 时钟信号发生器电路结构图

图2 时钟信号发生器温度特性仿真结果

图3 时钟信号发生器电源电压特性仿真结果

2 电路仿真结果

仿真结果见图2和图3所示。温度在-40℃～125℃区间输出频率最大偏差138.8kHz，约为要求的时钟信号频率的138.8k/12800k≈1%。电源电压VDD从3.3V到5V，输出信号频率最大变化296.1k/12800k≈2.3%左右。

结论：本文设计完成了一种光电隔离放大器集成电路中的时钟发生器电路，电路内建稳定的电流源电路，简化的比较器结构，差分的充放电模式。相对于传统电路，其结构简单，温度系数小，电源电压抑制比高。