一种高精度数字可调片上振荡器设计

摘要：在传统的电路基础上对电流、电压基准电路进行补偿，设计一种高精度数字可调CMOS片上振荡器电路。利用电阻和PNP管相反的温度系数产生的自偏置基准电流电路PTAT，NTAT两路电流，叠加得到一路与温度无关的基准电流上，实现了温度补偿；利用电阻网络补偿工艺产生高 PSRR带隙基准电路电压的频率误差；数字修调寄存器粗调电流用以选择频率，微调电阻用以调节精度。经流片测试表明，该振荡器频率2 MHz，4 MHz可选，2 MHz可调精度达±O．1％；4 MHz可调精度达±O．125％。
关键词：温度补偿；工艺补偿；高精度；数字可调；振荡器

0 引 言
在DC／DC转换器等开关电源芯片的设计中，振荡器作为控制电路的核心功能模块，决定整个系统的工作频率，对DC／DC转换器的频率响应、纹波大小、效率等诸多性能有重要的影响。其受工作电压、温度变化、系统噪声和工艺容差的影响较大，要得到精准的频率，有必要对其进行补偿。在分析常见电流型RC振荡器的基础上，针对影响振荡器频率的各个因素进行补偿，设计了一种频率2 MHz，4 MHz可选片上振荡器电路，具有对频率进行数字修调机制及温度和工艺补偿设计，并能有效地消除比较器延迟带来的误差，从而提供稳定可调的时钟信号。

1 振荡器原理分析
振荡器的工作原理是通过恒定电流源对电容充电，MOS管对电容快速放电，以产生锯齿波，再经锁存器产生周期脉冲信号，其结构如图1所示。基准电流电路产生两路电流，Ich1,Ich2在锁存器的控制下给电容C1，C2充电，带隙基准电路为比较器提供基准电压Vbg，经比较器与电容C1，C2的上极板电压VC1，VC2比较，从而控制SR锁存器状态的转换。

具体转换过程如下
式中：Ich为充电电流；Vbg为基准电压；C为充电电容。由式(1)知，振荡器的频率主要由Ich，Vbg，C决定。若Ich，Vbg对温度和电源电压的影响减小，则振荡器的频率只受工艺偏差对容差的影响，通过trim微调可以减小容值偏差。采用双比较器结构可以消除比较器对频率稳定性的影响。

2 振荡器电路设计
2．1 与温度无关的基准电流电路
图2为基准电流电路。利用电阻和PNP相反的温度系数产生两路电流，一路与温度成正比的PTAT电流，另一路与温度成反比的NTAT电流，两路电流叠加得到与绝对温度无关的基准电流。

如图2所示，启动电路由M2～M6组成，在电路上电瞬间，M3关断，M4，M5导通且工作于线性区，PMOS管M6的栅极被拉低至地电位，使得M6导通，整个电路开启。电路稳定工作后，由于M4，M5具有较大的导通电阻，M4，M5的导通使得M6的栅极电压逐渐抬高，最终M6关闭，启动电路脱离主电路，整个电路保持在正常的工作点。