一種高精度可調頻張弛振蕩器的設計

穆新華,李琴琴,唐 威,馬姍姍,王江濤

(西安郵電大學 電子工程學院,陜西 西安 710121)

目前,DC/DC變換器芯片已被廣泛應用于通信電子產品的電源供電系統中[1]。振蕩器作為芯片的核心部分,決定著變換器的開關頻率,其頻率穩定性會影響整個系統環路[2],因此電源系統對內部振蕩器提出了越來越高的設計要求。

張弛振蕩器因其結構簡單、便于集成,在DC/DC變換器中得到了廣泛的應用。但是,目前大部分振蕩器都存在控制模式較為單一、輸出頻率固定且調頻范圍較窄的問題[3],使用范圍受限,已不能適應各類電子產品高頻化、日趨復雜化的發展趨勢。針對這些需求,文獻[4]通過設計使能控制電路實現了外同步功能,盡管解決了控制模式單一問題,但是其工作溫度范圍較窄且內同步頻率固定;文獻[5]中設計了電流調節電路實現了調頻功能,但振蕩器僅支持一種模式工作且調頻范圍較窄。鑒于此,本文提出了一種采用一個比較器的簡單張弛振蕩結構,結合電荷泵鎖相環技術,通過增加電流調節與選通電路,實現振蕩器頻率較寬范圍調節,同時還支持兩種工作模式。變換器中擬設計的振蕩器可輸出中心頻率為581 k Hz的標準方波信號,用于變換器的開關控制及頻移電路。

1 電路基本原理

本文所設計的張弛振蕩器結構如圖1所示,電路由模式選擇、電阻電流轉換電路(R-I)、鑒頻鑒相器(Phase and Frequency Detector,PFD)、電 荷 泵(Charge Pump,CP)、低通濾波電路(Low Pass Filter,LPF)、選通電路、電流調節電路以及主振蕩電路組成。

圖1 振蕩器電路框圖Fig.1 Diagram of the oscillator circuit

模式選擇電路由一些邏輯單元構成,可檢測輸入信號類型。輸入為方波信號時,EN控制信號為低電平,鎖相環環路開始工作,CP電路開啟。片外時鐘與振蕩器產生時鐘輸入到PFD后,輸出頻率和相位差UP/DN信號輸入到CP中,CP電路將輸出壓控信號,經濾波和選通電路后控制電流調節電路。外接電阻時,EN信號翻轉為高,鎖相環環路停止工作,電流調節電路通過片外電阻將其轉換為電流信號對電容進行充電。主振蕩電路結合電流調節電路,一方面通過調節RT阻值大小產生不同頻率時鐘信號(RT模式);另一方面作為鎖相環環路中的壓控振蕩器,實現頻率捕捉功能(CLK模式)。

2 電路設計

本設計中PFD電路采用文獻[6]的結構,可消除頻率鎖定后產生的死區效應。CP電路是在文獻[7]基礎上,在其上下電流源處添加使能控制端,外接電阻時控制CP電路停止工作,降低電路功耗,采用運放結構,可消除CP電路中的電荷分享。下面將重點介紹電流調節與選通電路、主振蕩電路以及模式選擇具體電路設計。

2.1 電流調節與選通電路

電流調節與選通電路如圖2所示,其中VDD為內部電源電壓,V0p5信號是來自帶隙基準源的0.5 V參考電壓,Vb為基準模塊產生的偏置,Ibias為電流調節電路的輸出信號。

圖2 電流調節與選通電路Fig.2 Current regulation and selection circuit

電路中RT/CLK為信號輸入端,可接電阻或時鐘信號。M1與M5為共源共柵結構,為由M6～M10構成的兩級運放提供穩定的尾電流,M4與M11開關器件組成運放的負反饋網絡,其中,M11寬長比較大,導通電阻相對較小。在RT模式時,模式選擇電路輸出信號RT_H為高電平、RT_L為低電平,M11導通并且漏源電壓近似相等。因此,V0p5信號作為運放的正向端,可將RT/CLK端口處電壓鉗位在0.5 V。M20、M3、M10和M11構成通路,通過調節阻值大小可調節通路電流。此處假設外接電阻阻值為RT,則流過通路的電流表達式為:

CLK模式時,RT_H、RT_L信號翻轉,CP電路開始工作。此時,M20、M3、M10和M11構成的通路斷開,M20、M12以及傳輸門形成新通路,CP電路輸出信號經過濾波電路后產生Vcp_ctrl信號控制M12管的柵極,調節M12電流,進而起到調節主振蕩電路中電容充電電流大小的作用。

2.2 主振蕩電路

主振蕩電路是在文獻[8]所述傳統張弛振蕩結構基礎上,將其兩個比較器采用一個三輸入比較器實現,簡化了電路結構。同時將電容充電電流調整為可變電流,由電流調節電路產生。具體電路如圖3所示,主要由鏡像電流器件M1、三輸入比較器以及邏輯控制電路組成。其中,M9和M15為充電開關、M10和M16為放電開關、C1和C2為充放電電容。

圖3 主振蕩電路Fig.3 Main oscillator circuit

圖3中Vref用來設置主振蕩電路比較器翻轉閾值,Ibias1為基準電路產生的無溫度系數的電流,M17和M18電流鏡結構給比較器提供尾電流。M1與M5構成共源共柵結構為電容充電提供穩定電流源,因此通過M1與電流調節電路中M20的鏡像關系可知,給電容C1、C2充電表達式為:

式中:V為RT/CLK處的電壓,值為0.5 V;K為電流鏡鏡像因子,在該設計中,K=1/2。典型情況下,外接RT電阻阻值為200 kΩ,由此可計算出Icharge理論值為1.25μA。

M7、M8作為三端口比較器差分對管的反向端,M11、M12和M13、M14作為正向端。開始工作時,CLK2為低電平,CLK1為高電平,M15導通,電容C2開始充電,設開始充電時間為t0。以電流Icharge對電容充電到Vref電壓的時間記為t1。假設電容容值為C,則根據電容元件伏安關系可知:

將式(2)帶入式(3)可得,電容C1、C2充電電壓達到Vref所需時間表達式為:

當電容C2電壓高于Vref電壓時,M4柵極電壓瞬間被拉低,比較器輸出變高。比較器輸出信號A經數字電路整形后輸出方波信號B,方波信號作為D觸發器的時鐘信號,時鐘高電平到來時,D觸發器輸出信號Q翻轉為低電平,RS觸發器將CLK1信號置為低,CLK2置為高后,實現下半個周期的振蕩。通過不斷地對電容進行充電、放電,電容上的電壓會形成鋸齒波信號,而輸出點CLK1、CLK2處為方波信號,即為振蕩器的輸出信號[9]。

因此由T=2Δt可計算出該振蕩器在RT模式工作時,其頻率表達式為:

在該設計中,Vref電壓值為1.85 V,電容C1、C2容值為546 fF,由式(5)可計算出典型應用情況下頻率理論值為618 k Hz,并且頻率隨電阻阻值的增加而減小。

2.3 模式選擇

模式選擇電路如圖4所示,圖中Vb為偏置信號,Vcp_ctrl為CP電路輸出。RT_H、RT_L、CLK_H和CLK_L為模式選擇電路輸出端,控制選通電路與電荷泵電路。

圖4 模式選擇電路Fig.4 Mode selection circuit

由前述分析可知,RT/CLK處接電阻時為低電平。電路開始工作時,RS觸發器R端控制電路關斷,即S=0,R=1,因此在RT模式下,RT_H控制信號輸出為高。RT/CLK處輸入時鐘信號時,第一個時鐘高電平到來會將RS觸發器S端置為1,CLK_H輸出高電平控制傳輸門導通,此時,Vcp_ctrl壓控信號為高電平,R端被置為0,RT_H輸出翻轉為低。

3 電路仿真

基于0.25μm 60 V BCD工藝,利用Cadence Virtuoso進行仿真。經驗證,振蕩器在外接200 kΩ電阻時,仿真波形如圖5所示。由圖5可看出,電容充電電流Icharge為1.24μA,電容充電電壓VC1、VC2以及比較器輸出信號A與實際理論分析相一致,方波周期T=1.717μs,即中心工作頻率約為582 k Hz,與實際理論值稍有偏差。經分析,導致頻率偏小的主要原因有:比較器的非理想因素會產生傳播延遲;反相器、觸發器等工作會產生延遲[10]。圖5仿真驗證結果表明,該設計可滿足實際設計指標需求。

圖5 振蕩器電路仿真波形圖Fig.5 The simulating waveform of oscillator circuit

振蕩器頻率隨電源電壓變化曲線圖如圖6所示,可看出其頻率變化最大為593 k Hz,最小為578 k Hz,頻率偏移率約為1.9%。

圖6 輸出頻率隨電源電壓變化曲線Fig.6 Output frequency varies with the supply voltage

圖7所示為溫度在-55～125℃范圍內頻率變化曲線,由圖可看出頻率隨溫度變化最小值和最大值分別為579,590 k Hz,偏移率約為1.4%。驗證結果表明振蕩器輸出頻率隨溫度以及電源電壓變化范圍較小,符合設計要求。

圖7 輸出頻率隨溫度變化曲線Fig.7 Output frequency varies with temperature

通過調節RT阻值,可實現振蕩器在100 k Hz～2.5 MHz寬頻率范圍調節,通過圖8所示曲線可以確定給定開關頻率的定時電阻。

圖8 輸出頻率隨R T阻值變化曲線Fig.8 Output frequency varies with R T resistance

由圖8可看出,外接1.2 MΩ電阻時,振蕩器達到最小工作頻率100 k Hz。外接42 kΩ電阻時,達到最大工作頻率2.5 MHz。并對振蕩器在全頻率范圍內進行了工藝角驗證,均可滿足設計要求。

RT/CLK處接同步時鐘信號時,張弛振蕩器被用作鎖相環環路中的壓控振蕩器。經驗證,該振蕩器在全工藝角以及-55～125℃溫度范圍可捕獲300 k Hz～2.2 MHz范圍內的方波信號。

本文與其他文獻中的振蕩器相比較,其參數列表如表1所示。可以看出,本文所設計的張弛振蕩器工作溫度和同步頻率范圍相對較寬。并且其中心頻率隨溫度變化偏移率相對較小,精度較高,可滿足實際應用需求。

4 版圖設計

本文所設計振蕩器版圖采用0.25μm 60 V BCD工藝完成,電路版圖如圖9所示,尺寸約為200μm×567μm。版圖設計中,將三輸入比較器差分對管反向輸入端器件放置在兩正向輸入端器件中間,可適當減小工藝所帶來的偏差。此外,為了消除邊緣管和中間管之間的不匹配,在主振蕩電路中的M2與M3器件兩側分別放置了Dummy器件。

表1 與其他文獻的振蕩參數對比Tab.1 Comparison with other oscillator parameters

圖9 振蕩器電路版圖Fig.9 Oscillator circuit layout

5 結論

傳統的張弛振蕩器采用恒流源對電容充電,只能產生固定頻率,且工作模式單一。本文提出的振蕩器可根據需求調整外接電阻阻值,產生不同電流對電容充放電,實現了振蕩器在100 k Hz～2.5 MHz較寬頻范圍工作。同時,結合鎖相環技術使之可捕獲300 k Hz～2.2 MHz的外時鐘信號。經驗證,振蕩器輸出頻率受電源電壓和溫度變化影響較小,精度較高,各項性能均可滿足DC/DC實際應用需求。