光隔離放大器集成電路中時鐘信號發生器的設計

北方工業大學信息學院 祁宣霖 劉丙旭 韓 慶 張曉波

光隔離放大器集成電路，采用Σ-Δ調制技術進行信號傳輸，其時鐘信號特性對系統整體性能影響較大，本文設計完成了一種新型的時鐘信號發生器電路。并對該電路進行了設計和仿真驗證，結果表明該電路具有較小的溫度系數，電源電壓抑制能力較好，且結構簡單，占用面積小。

在電機驅動、光伏逆變器和不間斷電源等工業系統中需要堅固、可靠的電隔離，通過隔離放大器將高電壓上測量的反饋信號與低壓控制器進行電隔離。

光隔離放大器集成電路中將輸入的模擬信號經過Σ-Δ調制器轉換為數字脈沖信號，再經過編碼，驅動LED發光，接收端的光電檢測器將接收的光脈沖信號經過放大解碼和濾波，還原出模擬信號。

其中核心的Σ-Δ調制器是利用過采樣技術來提高信噪比，其所需時鐘信號頻率是所采集信號帶寬的幾十倍，本設計中采用64倍的過采樣，信號帶寬100kHz，則時鐘信號頻率12.8MHz。

1 電路基本結構原理

集成電路中的時鐘信號發生器最常采用的是環形振蕩器和張弛式振蕩器。環形振蕩器利用電路的延遲特性工作，對溫度和工藝敏感，精度不高，若要提高精度必須加很多的補償和校正電路。張弛式振蕩器利用電容充放電原理，輸出頻率與電容大小、充放電電流、充放電閾值電壓有關。

圖1所示為本文所采用的時鐘信號發生器電路結構圖。

由M1、M4、R1與M9-M12組成電流源電路，無需運算放大器和帶隙基準電壓。其電流大小i約為Vth1/R1，Vth1為M1的閾值電壓。合理的選擇MOS管寬長比和R1的類型，可以得到溫度系數很小的電流源。M13、M15與M9組成的鏡向電流源給C1和C2充電，M2和M3為放電開關，M5和M6與M17-M20組成比較器電路，控制充放電閾值，由X1與X2組成的RS觸發器控制充放電時序。

M9-M20組成的電流鏡結構電流源采用共源共柵結構，提高電源電壓抑制能力。PIB1外接偏置電流源為共源共柵結構提供偏置電路。

工作過程如下：假設初始狀態時，M5關斷，M6導通，經過RS觸發器，M2關斷，M3導通，C1充電，C2放電。C1電壓逐漸升高到M5的閾值電壓Vth5時，M5開通，此時C2放電已經到地，經過RS觸發器使M2導通，M3關斷，從而C1放電，C2充電。電容C2電壓逐漸升高到Vth6時，M6開通，此時C1放電已經到地，經過RS觸發器控制M2關斷，M3導通。這樣C1和C2交替充放電，形成輸出方波信號。

電容C1、C2的充電電流由M13于M9的寬長比（假設為n）決定。

M1、M5、M6的尺寸相同，因此Vth1=Vth5=Vth6，電容C1=C2=C。電容上的充電閾值電壓U=n*i*t/C=n*(Vth/R1)*t/C=Vth，由此可得t=R1C/n，輸出信號頻率f=1/2t=n/ 2R1C。所以理論上輸出信號頻率只與R1和C有關，可以將R1電阻做成可修調模式，在中間測試時精確修調，進一步提高輸出頻率精度。

圖1 時鐘信號發生器電路結構圖

圖2 時鐘信號發生器溫度特性仿真結果

圖3 時鐘信號發生器電源電壓特性仿真結果

2 電路仿真結果

仿真結果見圖2和圖3所示。溫度在-40℃～125℃區間輸出頻率最大偏差138.8kHz，約為要求的時鐘信號頻率的138.8k/12800k≈1%。電源電壓VDD從3.3V到5V，輸出信號頻率最大變化296.1k/12800k≈2.3%左右。

結論：本文設計完成了一種光電隔離放大器集成電路中的時鐘發生器電路，電路內建穩定的電流源電路，簡化的比較器結構，差分的充放電模式。相對于傳統電路，其結構簡單，溫度系數小，電源電壓抑制比高。