一种可外同步应用的CMOS弛张振荡器

一种可外同步应用的CMOS弛张振荡器 一种可外同步应用的CMOS弛张振荡器 第37卷第1期 2007年2月 微电子学 Microelectronics Vo1.37,?1 Feb.2007 一 种可外同步应用的CMOS弛张振荡器 王松林,郑重,来新泉,谢飞 (西安电子科技大学电路CAD研究所,陕西西安71OO71) 摘要:了一种输出频率稳定,调频范围宽,且可外同步应用的弛张振荡器电路.针对传统 弛张振荡器线性控制能力和频率抖动间的矛盾,对二者合理折中,通过对幅值控制电路电平检测速 度的调整,在实现较高控制线性度的同时,抑制了频率失真.给出了整体设计电路和外同步原理. HSPICE仿真结果显示,振荡器输出频率稳定,且有较宽的外同步频率范围. 关键词:弛张振荡器;外同步;频率线性控制;抖动 中图分类号:TN432文献标识码:A文章编号:1004—3365(2007)01—0136—03 AnExternallySynchronizableCMOSRelaxationOscillator WANGSong-lin,ZHENGZhong,LAIXin-quan,XIEFei (InstituteofElectronicCAD,XidianUniversity,Xi'an,Shaanxi710071,P.R.China) Abstract:Anexternallysynchronizablerelaxationoscillatorispresented.Reasonabletrade- offsaremadeforcon— flictbetweancontrollinearityandtimingjitteroftheconventionalrelaxationoscillator.Byadj ustingtheleveldetec— tionspeedofamplitudecontrolcircuits.excellentcontrollinearityandrestrainedfrequencyd istortionarerealized. Thecompletedesignedcircuitandtheprincipleofexternalsynchronizationaregiven.HSPIC Esimulationresults showthattheoscillatorhasstableoutputfrequencyandwiderangeofexternalsynchronizatio rL Keywords:Relaxationoscillator)Extemalsynchronization)Frequencycontrollinearity;Jit ter EEA0C:2570D 引言 作为振荡器中重要的一种,弛张振荡器(Relax- ationOscillator)常用于电容传感器和单片功率集 成电路.对比LC振荡器,弛张振荡器仅需一个储 能元件,其优点在于将宽的频率调整范围和高度线 性控制相结合[6].设计良好的弛张振荡器应具有稳 定性好,可调频率范围宽,控制线性度高等特点.然 而,传统弛张振荡器获得高度线性控制的同时,不可 避免地产生频率抖动,破坏了频率稳定性[4].本文 提出一种在线性控制和频率抖动之间合理折中的方 法,同时,为了使包含振荡器的整个系统在统一时钟 下同步工作,设计的振荡器还具有外同步功能. 2传统弛张振荡器] 达到或时,RS触发器被置位或清零,从而改 变流经电容的电流方向,实现电容充放电;同时,在 RS触发器的输出Q端产生一定频率的时钟信号. 电平检测电路引入了时间延迟t(如图1波形所 示),由于时间段所贡献的周期部分不与控制电 图1所示为传统弛张振荡器电路,当电容电压Fig? 收稿日期:2006-07—04;定稿日期:2006-09—07 基金项目:西安应用材料创新基金资助项目(XA-AM-200504) 图1传统弛张振荡器电路及其波形 Conventionalrelaxationoscillatoranditswaveforrn 第1期王松林等:一种可外同步应用的CMOS弛张振荡器137 流(觚)成反比,故t是引起该振荡器控制非线 性的主要因素.通常,通过快速电平检测来减小t 在整个周期Tosc中的比重,从而增强频率的线性控 制能力;但快速的电平检测势必会增大振荡器的频 率抖动(详见第2.2节)[.因此,弛张振荡器电路 设计需要在控制线性度和频率抖动之间进行折中. 2.1频率线性控制 理想情况下,弛张振荡器的频率线性控制特性 取决于其控制电流.然而,实际应用中,电平检测电 路由于其有限带宽,总会存在延迟t,因此可得: 一一亟_(1) 式中,Tcsc,td和td,,x均在图1定义. 控制的非线性会导致频率调制应用中的频率失 真,这里给出二阶失真: HDz一(2) 式中,?,为频率变化量.由(2)式可见,为了使 失真HDz最小,延迟t应尽可能小. 2.2频率抖动 如图1所示,幅值控制电路中的阈值噪声是 造成抖动的原因,设是白噪声,则其方差可表示 为: 一S?B(3) 式中,Sw为白噪声功率谱密度,B为其带宽, 且B一?. 故可得抖动对阈值噪声的表达式: — . (az~Tesc.? (4) '』0BcyH——yL, 可见,传统弛张振荡器中,频率抖动的均方根值 反比于,((4)式),而失真又正比于td.((2) ,需要在控制线性度和抖动之间折中 式).因此 考虑. 3本文设计的弛张振荡器 3.1电路设计 基于对控制线性度和频率抖动的合理折中,本 文设计了一种新颖的弛张振荡器电路.整体电路如 图2所示,通过设置电流镜像,使电容C的放电电 流(I一It)远大于充电电流(It),电容上电压为 一 路频率稳定的锯齿波,输出OSC为时钟信号. 图2本文设计的弛张振荡器电路 Fig.2Designedrelaxationoscillatorcircuit 幅值控制电路的高电平(VH)检测由比较器A 实现,低电平()通过一个射极输入的PMoS放大 器(M7)检测,引.生成波形如图3所示. tdl 图3锯齿波和时钟信号的生成 Fig.3Sawtoothwaveandgenerationofclocksigr~ 由于电平检测电路的响应速度不同,使得引起 的延迟不同,分别为t和.A检测速度较快,而 M7检测相对较慢,故td2>,d.对于放电电流远大 于充电电流的情况,放电时间占整个周期比重很小, 即产生的时钟(oSC)占空比很小.两个延迟中,纫 对频率的扰动作用远大于,而A的快速翻转保 证了振荡器的高度线性控制,M7的慢速检测又使 振荡器抖动显着降低.因此,tm和t的合理折中, 保证了弛张振荡器线性控制和频率抖动间的合理折 中.仿真结果表明,二阶失真可达约一65dB,同时 具有较好的线性控制能力. 3.2外同步应用 为了使包括振荡器在内的整个系统在统一时钟 下同步工作,本文设计的弛张振荡器电路具有外同 步功能,外同步原理框图见图4.外部时钟(exter— nalclk)通过整形电路,产生同步控制信号sync和 同步时钟syneelk,调整弛张振荡器工作于与外部 时钟相同的频率. 由于外部引入的时钟通常为一个占空比约为 509/6的方波,这种波形不利于边沿触发的RS触发 器快速翻转,易引起时钟错位,故设计如图5所示的 整形电路,将外部时钟的占空比调整到小于100A; 138王松林等:一种可外同步应用的CMOS弛张振荡器2007年 同时,接收来自A的输出信号comp—out,产生信号 sync,用于导通图2中的Ms,分去1/3的电流, 大幅降低电容充放电电流,使得整个充放电周期中, 始终低于H,A不能翻转,compout保持高电 平.这样,同步时钟(sync—clk)即可通过一个逻辑 门引入,则振荡器以外部时钟的频率振荡,控制电容 充放电.外部时钟整形电路及其调制波形如图5所 示. 图4外同步应用框图 Fig.4Blockdiagramofexternalsynchronization 图5外部时钟整形电路及其调制波形 Fig.5Externalclockshapingcircuitanditsmodulated 3.3振荡频率计算 忽略电平检测电路的延迟时间,粗略计算振荡 器的振荡频率[引; ,一一一 T+ 1 C?(一).C?(H一) I,~rgelrge 了?'.--一I4 可见,振荡频率对温度和电源电压的变化均不 敏感.通过改变电容容值C,充放电电流以及振荡 幅值,可以实现频率的精确调节,且具有较宽的调节 范围. 3.4仿真结果 本文设计的弛张振荡器电路特性列于表1. 在1.5MHz典型条件下,锯齿波和时钟输出的 HSPICE仿真结果如图6所示.仿真条件为:c一2 pF,一o.9V,L一号?一3A,9—24?一43 A,仿真基于Hynix0.5mCMOS工艺,仿真频 率与1.5MHz理论计算值相符. 表1电路特性 Table1Characteristicsofthecircuit 参数数值 电源电压 j电流 中心频率.厂 可调频率范围 外同步范围 二阶失真HD2 3.6V 1.8uA 1.5MHz 600kHz,3MHz 800kHz,2.2MHz —— 65dB OSC: 强辩一-}j"一量i一溶f/龃 图6V&OSC仿真结果 Fig.6SimulationresultsofDandOSC 表2给出振荡器随温度和电源电压变化的仿真 结果.从表中可见,振荡频率的温度偏移很小,对电 源电压变化亦有较强的抑制作用. 表2振荡频率随温度和电源电压变化情况 Table2FrequencyvstemperatureandV 1ftc{/MHz匝}{/MHz 51.4942.51.449 151.49831.484 251.5003.51.500 351.50241.512 451.5014.51.531 551.49951.542 4结论 设计了一种频率线性控制能力和抖动合理折 中,并可外同步应用的CMOS弛张振荡器电路.基 于Hynix0.5mCMOS工艺的HSPICE仿真表 明,该电路振荡频率稳定,精度高,并可同步较宽频 (下转第143页) 一,,,,一擗竖 第1期付生猛等:基于频率综合器应用的隐式双路径滤波器设计143 (上接第138页) 率范围的外部时钟.该电路已经应用于一款电流模[4] 式DC-DC芯片的设计.希望本文介绍的电路对其 他设计人员有所帮助和启发. 参考文献: E13PaulGR,PaulHJ. tegratedcircuits[M]. 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