基于CMOS的高稳定性锯齿波振荡电路的设计

朱远超，刘敏宇，何继雄，熊诵梁，章帅兵

（江西理工大学，江西 赣州 341000）

1 锯齿波振荡电路的研究现状及发展趋势

近年来，随着电子产品的性能日益增强，体积越来越小，对其电源系统的性能要求越来越高。在DC/DC开关电源的PWM控制电路中，锯齿波振荡电路起着关键性的作用。一般情况下，要求锯齿波振荡电路在不同的电源电压和温度下尽可能产生高稳定性、波形规则的输出信号，同时为了提升PWM的调制脉宽，也要求锯齿波具有较大的信号幅值[1]。

研究锯齿波振荡电路的工作原理，设计一个高稳定性高精度的锯齿波振荡电路非常重要。锯齿波振荡电路对 DC/DC 电源的开关控制起重要作用。锯齿波振荡电路的设计流程如图1所示。

图1 锯齿波振荡电路的设计流程图

2 低电源抑制比的带隙基准电压源的简介

如图2所示为低电源抑制比的带隙基准电压源，M7工作在饱和区，当其漏极电流I7不变时，可以知道栅极电压UG7也不变，因为M6、M7构成电流镜，所以I6、I7都不变[5]；同时，M4、M5又和M0、M2构成电流镜电路。M0、M1、M2、M3互相组成电流镜装置，以此确保I2和I3恒定，多个电流镜可以提高工作电流的稳定性，使得M6和M7在相同的源漏极电压差下正常工作，以减少I6和I7的差值，此时即使因为外界因素的干扰使得电压源输出电流发生改变，但由于电压源自身存在负反馈，因此可以进行内部的自我调节，从而达到恒流的效果[4]。

图2 基准源电路

3 电压比较器的简介

以往在研究比较器电路时会存在单级放大增益较低，需用牺牲其输出电压范围来提高增益的效果，因此无法达到较大的幅度输出，导致电路工作能力较差。基于此，本文设计了一个电压比较器电路，采用三级放大的原理，避免上述所提到的问题，电路原理如图3所示[2]。

图3 电压比较器电路

首先可以看到第一级是一个双端输入单端输出的差分电路，由M11、M12、M15、M16组成，其中M11、M12作为差分输入管，M15、M16作为电流源负载，凭借着差分电路的特性可以抑制共模信号的干扰，从而提高共模抑制比CMRR，同时也可以降低电路工作中对于信号的噪声干扰；第二级是一个CMOS共源放大电路，由M13和M17组成，这一级为了提高电压放大倍数而设计；第三级设计了一个推挽反相器，由M14和M18组成，这一级的设计可以提高该比较器电路的放大增益，同时在不影响性能的前提下尽量达到满摆幅输出的效果。

4 恒流源充放电电路的简介

恒流源充放电的电路如图4所示，由MOS管M117和M118组成电流源装置，M119、M120、M121、M122组成恒流源反相器装置，同时M120、M121与M119、M122组成电流镜，通过偏置电压和比较器时钟信号的电压来控制反相器输入电平的高低，从而来控制其输出电平的高低，再根据输出电压对电容C进行充放电，从而达到将电压比较器产生的矩形波信号转化为锯齿波信号。通过控制充放电电流的大小以及电容C的大小来控制充放电的斜率，从而产生锯齿波的信号。

图4 恒流源充放电电路图

5 锯齿波振荡电路的设计

5.1 锯齿波振荡电路的工作原理

通过上述的3个单元电路合成一个锯齿波振荡电路，如图5所示[3]。其振荡器的工作过程如下：假设一开始比较器的输出电平为低电平，此时M31导通，M28截止，充电电流I充通过M30、M31对电容C开始充电，由于是恒流源对电容进行充放电，电流基本上保持不变，所以电容两端的电压UC斜率固定，同时由于比较器的输出端是低电平，使得M32截止，比较器的反相输入端电压由电阻分配关系可知为正向阈值电压UOH，其中：

图5 基于CMOS工艺的锯齿波振荡电路

当电容C上的电压大于正向阈值电压时，比较器的输出状态将翻转为高电平，这时M31截止，M28导通，恒流源开始对电容C放电，同样电容C上的电压开始线性减少；又由于比较器输出电平为高电平的缘故，此时M32将导通，比较器的反相输入端电压近似为接地即为负向阈值电压UOL，其中：

这里不考虑晶体管M32饱和导通时的电压降。当电容C的电压低于负向阈值电压时，比较器的输出状态翻转变为低电平，恒流源装置又开始对电容C进行充电，如此循环工作，在OSC端生成锯齿波信号，同时考虑到比较器的输出端将会产生一个高低电平周期性转换的时钟脉冲信号[6]。

图6、图7将锯齿波振荡电路的工作原理和Cadence仿真结果进行对比，说明了本文所设计电路的可行性。

图6 锯齿波振荡电路工作原理

图7 Cadence仿真结果

5.2 振荡频率在不同电源电压和温度下的变化情况

振荡频率在不同电源电压和温度下的变化情况如表1所示。

表1 振荡器在不同温度和不同电源电压下的频率仿真结果

从表中的结果可知振荡器频率的最小值是23.78 kHz，最大值是28.10 kHz。频偏范围为-7%～+10%。本文所设计的锯齿波振荡电路在一定电源电压和温度范围内的振荡器频率变化小，稳定性高，并且该振荡器的频率精度高，符合设计要求[7]。

6 结 论

本文介绍了一种由基准电压源、电压比较器和恒流源充放电电路构成的锯齿波振荡电路及其工作原理，运用Cadence进行仿真验证，仿真结果与其工作原理图形近似一样，说明该电路的可行性，并且计算了其在不同电源电压和温度下的频率变化情况，相当稳定，运用范围广，具有很好的现实意义和推广价值，为今后解决此类问题提供了一个可靠的方向和借鉴。