一种结构简单的低功耗振荡器电路设计

摘要：给出了一种结构简单的低功耗振荡器电路的设计方法，该电路由RC充放电回路、偏置电路组成。与传统振荡器电路相比，该电路具有精度高、电路结构简单以及输出占空比可调等优点。采用0．35 μm BCD工艺并利用Cadence Spectre仿真工具对电路进行仿真，结果表明，在5 V工作电压下，电路起振速度快，输出波形稳定，平均功耗仅0．29 mW。
关键词：振荡器电路；低功耗；RC振荡器；CMOS

0 引言
振荡器是许多电子系统中时钟产生电路的重要组成部分。常用的振荡器结构有RC振荡器、环形振荡器和晶体振荡器三种。RC振荡器结构简单，成本低，且电路功耗也较低，因而成为应用最普遍的一种振荡器电路；但它有振荡频率稳定性差，产生的频率受电源电压、环境温度以及组成振荡器的各种元器件的电学特性影响较大等缺点。
本文基于对传统RC振荡电路的分析，提出了一种新型的RC振荡电路。该电路结构简单，能够在不增加功耗的同时提高RC振荡器的精度，且温度系数小。此外，与传统RC振荡器相比，由于该电路包含两个充电支路，因此，电路输出波形的占空比可随意调节。

1 传统RC振荡器
图1所示为传统的RC振荡器电路，电路由保护电阻Rp、反馈电阻Rf两个反向器U1和U2，以及一个耦合电容C组成。当节点电压Vi有极微小的正跳变发生时，U1的输出迅速跳变为低电平，同时U2的输出迅速跳变为高电平，电路进入第一个暂稳态，此时电容C开始通过电阻Rf放电。随着电容C的放电电压Vi逐渐下降，当Vi下降到MOS管的阈值电压VTH时，U1反向器的输出迅速变为高电平，而U2反向器的输出迅速跳变为低电平，电路进入第二个暂稳态，电容C通过电阻Rf开始充电。随着电容C的充电，Vi不断升高，当Vi升至VTH时，电路又重新转换为第一个暂稳态。

假设保护电阻Rp足够大，且Rf远大于反向器的导通电阻RON，则电路的振荡周期为：
T=2.2RfC (1)
图1中，RC振荡器的频率主要受电阻Rf、电容C以及反相器U1、U2的翻转电平影响。U1、U2的翻转电平受反相器内部器件的特性和电源电压的影响较大，并且该振荡器的频率精度不高，波形占空比不易调节。

2 新型振荡器设计及分析
本设计的新型振荡器电路结构如图2所示。图2中左边的电路上下对称，MOS管T5、T6以及反相器、与非门构成振荡器的主体部分，其余的器件为偏置部分。电容C1、C2的充放电时间决定着振荡频率，因此，通过改变C1、C2的电容值可以改变振荡器的输出频率。