可靈活復(fù)位RC振蕩器

孫麗晶， 楊 博， 劉慶飛

（1.長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué) 基礎(chǔ)科學(xué)學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130012；2.上海四通儀表股份有限公司，江蘇 蘇州 215163；3.中國(guó)兵器工業(yè)第214研究所 蘇州研發(fā)中心，江蘇 蘇州 215163）

0 引 言

振蕩器常常用于產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)，控制開關(guān)動(dòng)作［1］。RC振蕩器由于具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本較低、功耗較小、頻率可調(diào)等優(yōu)點(diǎn)得到廣泛應(yīng)用［2］。文中設(shè)計(jì)的RC振蕩器采用電阻串分壓提供參考電壓的方式，并且設(shè)計(jì)了復(fù)位功能，在外接RC的模式下，振蕩器頻率可在1kHz～1MHz范圍內(nèi)變化。

1 電路結(jié)構(gòu)與原理分析

1.1 振蕩器結(jié)構(gòu)與分析

振蕩器結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 振蕩器結(jié)構(gòu)圖

圖中C0是時(shí)鐘電容，Vth＋，Vth－是比較器COMP1，COMP2的參考電壓，I1，I2分別為C0的充電和放電電流源，振蕩器通過將電容C0上的電壓與比較器的兩個(gè)參考電壓Vth＋，Vth－進(jìn)行比較，產(chǎn)生控制信號(hào)Q，QB，從而控制電流源I1，I2為C0充放電，形成振蕩輸出，振蕩器工作波形如圖2所示［3－4］。

圖2 振蕩器工作波形圖

復(fù)位電路的設(shè)計(jì)思想如下:

當(dāng)電源上電過程中，在電源電壓還沒有達(dá)到工作電壓時(shí)，通過復(fù)位單元產(chǎn)生復(fù)位電平，使振蕩器進(jìn)入復(fù)位狀態(tài)，然后隨電源電壓的繼續(xù)上升，復(fù)位過程結(jié)束，電路進(jìn)入正常工作模式，實(shí)現(xiàn)上電復(fù)位［5］。外部復(fù)位模式是在振蕩器復(fù)位端加外部復(fù)位信號(hào)實(shí)現(xiàn)振蕩器外復(fù)位［6］。

復(fù)位電路工作原理波形如圖3所示。

圖3 復(fù)位電路工作原理波形圖

此時(shí)電路工作電壓為5V、工作溫度為25℃。

根據(jù)圖3可以看出，當(dāng)電源電壓為3.14V時(shí)，輸出復(fù)位信號(hào)R為低電平，電路處于復(fù)位狀態(tài)，當(dāng)電源電壓超過3.14V時(shí)，復(fù)位信號(hào)跳變成高電平，電路結(jié)束，復(fù)位進(jìn)入工作模式。

1.2 振蕩器設(shè)計(jì)

文中設(shè)計(jì)的RC振蕩器電路如圖4所示。

圖4 CMOS振蕩器電路圖

其中比較器COMP1，COMP2結(jié)構(gòu)相似，為了圖示簡(jiǎn)潔，COMP1用示意圖代替電路圖，4個(gè)與非門I4，I5，I6，I7和 4個(gè)反相器I8，I9，I10，I11組成RS觸發(fā)器結(jié)構(gòu)。

比較器COMP2由3個(gè)開關(guān)SW0，SW1，SW2，2個(gè)反相器I0，I1，1個(gè)緩沖器I2，1個(gè)與非門I3和采樣保持電容C1組成，其中反相器I0的閾值約為電源電壓的一半，反相器I1和緩沖器I2的閾值是Vth－。當(dāng)Pulse為高電平時(shí)，比較器COMP2開始工作，時(shí)鐘電容C0開始通過M2放電，當(dāng)A點(diǎn)電平降低到Vth－時(shí)，反相器I1輸出一個(gè)高電平導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)C2跳變到低電平，則反相器I5輸出高電平強(qiáng)制反相器I4輸出低電平，使Pulse變成低電平，時(shí)鐘電容進(jìn)入下一個(gè)充電周期。

反相器I1是有開關(guān)功能的反相器，在反相器中加入開關(guān)管，可以在不影響反相器邏輯功能的情況下，減少電路工作電流，進(jìn)而降低功耗。假設(shè)Vth－＝1V；PMOS管跨導(dǎo)參數(shù)Kp＝9E－6A／V2；PMOS管閾值電壓Vthp＝1.121 8V；PMOS管溝道長(zhǎng)度調(diào)制系數(shù)λp＝0.4；NMOS管跨導(dǎo)參數(shù)Kn＝82E－6A／V2；NMOS 管 閾值電 壓 Vthn＝0.875 7V；NMOS 管溝 道 長(zhǎng) 度 調(diào) 制 系 數(shù)λn＝0.238 6；反相器I1的開關(guān)管采用PMOS寬長(zhǎng)比是1，并且開關(guān)管柵極接地，為了MOS管尺寸匹配，則反相器的PMOS也選取寬長(zhǎng)比為1。并且為了簡(jiǎn)化計(jì)算假定當(dāng)反相器I1的輸入與輸出相等時(shí)，輸入值為1V，反相器的MOS管工作在飽和區(qū)，反相器的開關(guān)管工作在線性區(qū)。工作電壓5V，根據(jù)MOSFET的Spice一級(jí)靜態(tài)模型，通過求解 MOSI～V方程（1）和方程（2）［7］:

則有

實(shí)際設(shè)計(jì)中選取1∶18.5可以滿足的反相器閾值1V的設(shè)計(jì)要求。通過類似的方法確定比較器COMP1，COMP2內(nèi)部晶體管的尺寸。Reset電路如圖5所示。

圖5 Reset模塊電路圖

復(fù)位信號(hào)提供給振蕩器使用。電路中，電阻R0，二極管 D0，D1，D2，反相器I0和開關(guān)SW0組成上電復(fù)位電路，利用正反饋?zhàn)饔檬构?jié)點(diǎn)I電壓迅速下降，復(fù)位信號(hào)上升沿更陡峭。電容C0是延時(shí)電容，與非門I1為外部同步復(fù)位信號(hào)提供接口。

1.3 電路的可靠性設(shè)計(jì)

一般情況下，振蕩器工作很穩(wěn)定，但是在極端的電磁環(huán)境條件下，振蕩器有可能出現(xiàn)停振的情況［8］。為了預(yù)防類似的情況，在振蕩器內(nèi)部采用了施密特結(jié)構(gòu)，當(dāng)干擾在振蕩器內(nèi)引起擾動(dòng)時(shí)，施密特結(jié)構(gòu)可以產(chǎn)生強(qiáng)制信號(hào)，使振蕩器恢復(fù)振蕩輸出。

2 仿真結(jié)果

振蕩器復(fù)位模式下的工作波形如圖6所示。

圖6 振蕩器雙重復(fù)位模式工作波形

條件是工作電壓5V，時(shí)鐘電容90pF，外接200kΩ電阻。從圖6可以分析出，當(dāng)無外部復(fù)位信號(hào)時(shí)，Reset模塊完成上電復(fù)位。當(dāng)Reset模塊的輸入端ResetIn接入外部復(fù)位信號(hào)時(shí)，Reset模塊產(chǎn)生的內(nèi)部Reset信號(hào)跟隨ResetIn，從而實(shí)現(xiàn)了外同步復(fù)位功能，復(fù)位信號(hào)結(jié)束，振蕩器開始在20kHz頻率下正常工作。通過對(duì)該電路的流片、封裝、測(cè)試及驗(yàn)證，測(cè)試結(jié)果與仿真一致，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

3 結(jié) 語

設(shè)計(jì)了一種具有復(fù)位功能的RC振蕩器，該設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)在沒有外部信號(hào)的情況下，上電復(fù)位也可以進(jìn)行外同步復(fù)位。

［1］ 畢查得·拉扎維.模擬CMOS集成電路設(shè)計(jì)［M］.西安:西安交通大學(xué)出版社，2003.

［2］ Johs D，Martin K.Analog integrated circuit design［M］.［S.l］:John Wiley ＆Sons，Inc，1997.

［3］ 洪志良.模擬集成電路分析與設(shè)計(jì)［M］.北京:科學(xué)出版社，2005.

［4］ 王海永，林敏，李永明.一種運(yùn)用于2.4Hz ISM 射頻波的全集成CMOS壓控振蕩器［J］.半導(dǎo)體學(xué)報(bào)，2003（3）:24-27.

［5］ 趙勝華，陳建安.CMOS集成電路中振蕩器的設(shè)計(jì)及性能分析［J］.電子與封裝，2004（6）:128-134.

［6］ 周智勇.從嵌入CMOS MEMS振蕩器展望IC設(shè)計(jì)的潛在變革［J］.電子產(chǎn)品世界，2007（1）:34-38.

［7］ 張孝飛，趙孔新，張賽男.基于FPGA的脈沖發(fā)生器波形模塊設(shè)計(jì)［J］.長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2011，32（3）:258-262.

［8］ 王倩，吳麗麗.基于GPIB的可程控系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2010，31（6）:674-678.