（微电子学与固体电子学专业论文）一种具有外同步功能振荡器的设计.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 开关电源的发展已经有很长的时间，而且应用也已经非常的广泛。而直流 开关电源是各种电源中应用范围和市场最大的一种，尤其是从直流输入变为直 流输出的“直流直流变换器一。本文着手于设计直流开关转换器中的一个重要 模块，振荡器。 本文设计的是一种具有外同步功能的振荡器。这种振荡器的应用背景就是 直流开关转换器，因此有别于市场上专门的振荡器产品。这种特殊应用的振荡 器对于频率大小的稳定性要求没有通讯产品应用的振荡器要求高，但是对于频 率占空比的稳定性却有更高的要求。 因此为了保证频率大小的稳定性和频率占空比的稳定性都能达到要求，本 文对振荡器的核心子电路进行了精心设计，针对这些子电路的关键性能都进行 了容差设计。在子电路性能得到保证之后，架构的振荡器电路频率就能在很宽 的温度范围和电压范围内得到稳定的保证，即使工艺的波动也不会改变频率大 小和占空比的稳定。 而且本设计的振荡器还扩展了外同步功能。这就是当外接入的时钟频率与 振荡器的本振频率大小和占空比都不同时，振荡器能够自动的调整到外接时钟 的频率大小，这样就能保证电路中只有一个统一的频率，能够进行低噪声应用。 更特别的是，振荡器在进行外同步应用时，外同步的频率范围被扩展到可 以低于本振频率。这一性能大大增加了外同步的频率范围。而且外同步应用时 的输出频率的占空比，不受外同步频率占空比的影响，只由振荡器内部电路决 定，使得外同步应用时的振荡输出频率也能保证恒定的占空比。这样就能维持 直流开关转换器的控制模式。因为直流开关转换器的控制方式要求不仅振荡器 频率的大小恒定，占空比也要始终保持在大概8 0 几的大小。 基于这种特殊的应用，本文对设计的振荡器的各种关键性能都进行了验 证，确保了设计的合理性。并且在文章的最后，将本文设计振荡器的性能与市 场上一款优秀的振荡器产品m a x i m 7 3 8 7 进行了比较，也证实了本文设计的振荡 器是可以能够进行i p 应用的。 关键词：偏置；振荡器；占空比；外同步 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t s w i t c h i n gm o d ep o w e rs u p p l yt e c h n o l o g yh a sb e e nw e l ld e v e l o p e da n dh a sb e c o m e w i d e l yu s e di nt o d a y se l e c t r o n i cw o r l d t h ed cs w i t c h i n gm o d ep o w e rs u p p l y o c c u p i e s t h e l a r g e s t m a r k e ts h a r e , c s p e c i a l l y d ct od cc o n v e r t e r s a s y n c h r o n i z a b l eo s c i l l a t o rf o rt h ea p p l i c a t i o ni nd c t 0d cc o n v e n e r si sp r e s e n t e di n t h i sp a p e r f o rt h i sk i n do fa p p l i c a t i o n t h er e q u e s tf o ft h eo s c i l l a t o r s 靠e q u e n c y s t a b i l i t yi sn o ta ss t r i c ta sf o rt h a to fc o m m u n i c a t i o np r o d u c t s ，b u ti th a sah i g h e r s t a b i l i t yr e q u e s tf o ri t sd u t yc y c l e t h e r e f o r e ，t om e e tt h ef r e q u e n c ya n dd u t yc y c l e s t a b i l i t yr e q u i r e m e n t s ，t h ek e vs u b b l o c k ss u c ha st h ec o m p a r a t o ra n dt h eb i a sb l o c k w h i c hp r o v i d e sas u p p l y i n s e n s i t i v ea n dt e m p e r a t u r e i n s e n s i t i v ec u r r e n tt ob i a st h e o s c i l l a t o ra r e c a r e f u l l yd e s i g n e d i no r d e rt o a c q u i r e a s u p p l y i n s e n s i t i v e t e m p e r a t u r e - i n s e n s i t i v ea n dp r o c e s s - i n s e n s i t i v eo u t p u to s c i l l a t o rf r e q u e n c y a s p e c i a lf u n c t i o no ft h eo s c i l l a t o rd e s i g n e dh e r ei st h es y n c h r o n i z a t i o nt oe x t e r n a l f r e q u e n c i e s ，t h a ti s ， w h e nt h ef r e q u e n c ya n dd u t yc y c l eo ft h ee x t e r n a ic l o c k s i g n a la l ed i f f e r e n tf r o mt h a to ft h eo s c i l l a t o r s ，t h eo s c i l l a t o rc h a n g e sa u t o m a t i c a l l y i t sf r e q u e n c ya n dd u t yc y c l et ot h a to ft h ec l o c ks i g n a l ss ot h a tau n i q u ef r e q u e n c y i sp r e s e n t e di nt h ei c w h a t ss p e c i a li st h a ti nt h ea p p l i c a t i o no fe x t e r n a l s y n c h r o n i z a t i o n ，t h er a n g co ft h ee x t e r n a lf r e q u e n c yi se x t e n d e d ( i tc a nb es m a l l e r t h a nt h eo s c i l l a t o r si n t r i n s i cf r e q u e n c y ) a n dt h ed u t yc y c l eo ft h eo s c i l l a t o r s f r e q u e n c yi sc o n t r o l l e do n l yb yi t si n t e r n a lc i r c u i t r y w h i l et h ed u t yc y c l eo ft h e e x t e r n a lf r e q u e n c yv a r i e sg r e a t l y , t h ed u t yc y c l eo ft h eo s c i l l a t o rf r e q u e n c yi sk e p t t 0b ec o n s t a n t ( u s u a l l y8 0 ) ，a n dt h ec y c l ei ss y n c h r o n i z e dt ot h ee x t e r n a l f r e q u e n c y t h ek e yp a r a m e t e r so ft h eo s c i l l a t o ra r ef m a l l yv e r i f i e db yh s p i c es i m u l a t i o nr e s u l t s c o m p a r i s o nb e t w e e nt h eo s c i l l a t o rd e s i g n e da n da no s c i l l a t o rp r o d u c tm a x i m 7 3 8 7 w i d e l yu s e di nt o d a y sp o w e rs u p p l ym a r k e ti n d i c a t e st h a tt h eo s c i l l a t o rd e s i g n e d h e r ec a nb ew i d e l yu s e di ni pa p p l i c a t i o n s k e y w o r d s ：b i a sc u r r e n t ；o s c i l l a t o r ；d u t yc y c l e ；s y n c h r o n i z a t i o n 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容 编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存 和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； ， 2 不保密使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“4 一) 学位论文作者签名：鄯进 i 嗍：砧啦7 指导老师签名：乃g 形 嗍纱豇牛7 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作 所得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体， 均已在文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： 本设计的振荡器扩展了外同步功能。就是当外接入的时钟频率与振荡器 的本振频率大小和占空比都不同时，振荡器能够自动的调整到外接时钟的频 率大小，这样就能保证电路中只有一个统一的频率，能够进行低噪声应用。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第一章绪论 1 1 开关电源的发展及市场价值 匕世纪6 0 年代，开关电源的问世，使其逐步取代了线性稳压电源和s c r 相控电源 成为市场的热点。4 0 多年来，开关电源技术有了飞速的发展，经历了功率半导体器件、 高频化和软开关技术、开关电源系统的集成技术三个发周阶殴n 嘲田田功率半导体器件 从双极型器件发展为m 0 s 型器件，使电力电子系统有可能实现高频化，并大幅度降低 导通损耗，电路也更为简单。自e 世纪8 0 年代开始，高频化和软开关技术的开发研究， 使功率变换器性能更好、重量更轻、尺寸更小。高频化和软开关技术是过去2 0 年国际 电力电子界研究的热点之一。鳓旧m 匕世纪9 0 年代中期，集成电力电子系统和集成电 力电子模块( i p e m ) 技术开始发展，它是当今国际电力电子界待解决的新问题之一上 世纪9 0 年代，随着大规模分布电源系统的发展，体化的设计观念被推广到更大容量、 更高电压的电源系统集成，提高了集成度，出现了集成电力电子模块( i p e 的。i p 刚将 功率器件与电路、控制以及检测、执行等元件集成封装，得到标准的，可制造的模块， 既可用于阑佳设计，也可用于专用、特殊设计。优点是可快速高效为用户提供产品， 显著降低成本，提高百疆害性。电源系统集成是当今国际电力电子界亟待解决的新问题 之一。 。 电气或电子设备需要电源来维持正常工作，为电源管理提供了足够的市场空间。 近年来，许多领域例如邮电通讯、军事装备、交通设备、仪器设备、工业设备、家用 设备等方面越来越多的应用开关电源并取得显著效益。国际开关电源市场情况：1 9 9 9 年全球开关电源市场的规模从1 9 9 2 年的8 4 亿美元猛增至1 6 6 亿荛元平均年增长率 为1 0 这是由于作为电源和开关电源最主要用户的计算机及其外转设备市场的不断 发展，以通讯通信业的异军突起，促进了开关电源市场的日益增长，使全球开关电源市 场呈现出十分美好的前景2 0 0 4 年全球p c 、手机及数字消费电子等产品供需两旺，成 为拉动半导体市场增长的主要动力，全球半导体市场全面复苏。电源管理始终是模拟 i c 市场最亮的看点，占到整个模拟i c 市场3 1 2 9 6 的份额。据市场研究机构预测，2 0 0 8 年全球电源管理芯片销售额将上升至2 9 5 亿美元，2 0 0 3 年到2 0 0 8 年的年复合增长率 为1 2 7 ，功率模拟器件将持续强劲地增长，p c 、手机、数码相机、m p 3 以及数字电视 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 成为最主要的增长市场。 直流开关电源是各种电源中应用范围和市场最大的种，包括从交流输入变为直 流输出的“开关整流器 和从直流输入变为直流输出的“直流直流变换器 。直流开 关电源经过j 1 十年的发展，集中了许多高新技术，包括高频开关技术、软开关技术、 功率因数校正技术、同步整流技术嘲、智能化技术、表面安装技术，已经形成高工作 频率、高效率、高功率密度、高可靠性等为特征的现代直流开关电源。直流开关电源 的应用范围和市场比铰大，包括：各种电子计算机、中央处理器、存储装置用开关电 源；计算胡外围终端设备，输入输出装置用开关电源；有线通讯设备、程控交换机、 户内通讯设备用开关电源；无线通讯设备、发送设备、移动通讯设备用开关电源；工 厂自动化、机器人、数控机床、空调设备、电力控制设备用开关电源；自动售货机、 现金自动交付机、现金自动存储机用开关电源；显示器、示波器用开关电源；医疗设 备、试验仪器、汽车电子、液晶显示装置用开关电源；文字书写机、个人计算机、传 真机用开关电源；复印机、速印机用开关电源；电视机、录像机用开关电源；游戏机 用开关电源；数字音响、电子乐器用开关电源；磁带录音机、立体声录放机用开关电 源；插头式开关电源、充电器用开关电源和住宅设备用开关电源。 中国的电源技术和产品，经过十几年的发展，已有很大进步。加入i r l 0 之后，不 仅国内市场国际化，国内产品也要国际化，国内生产企业不仅要重视国内市场的开发， 也要重视国际市场的开发。从应用领域看，中国的电源管理芯片市场焦点集中在便携 式产品、消费类电子、计算机、通讯和网络设备应用领域，同时中国的工业设备和汽 车电子对电源管理芯片的需求也呈匕升趋势，这些需求让中国的电源管理芯片市场倍 添活力。中国的开关电源发展前景十分可观。 1 2 振荡器的发展以及在开关电源中的作用 振荡器自其诞生以来就一直在通信、电子、航海航空航天及医学等领域扮演重要 的角色，具有广泛的用途。在无线电技术发展的初期，它就在发射机中用来产生高频 载波电压，在超外差接收机中用作本机振荡器，成为发射和接收设备的基本部件。随 着电子技术的迅速发展，振荡器的用途也越来越广泛，例如在无线电测量仪器中，它 产生各种频段的正弦信号电压；电子钟和电子手表中采用频率稳定度很高的振荡电路 作为定时部件等。尤其在通信系统电路中，压控振荡器f v c o ) 是其关键部件，特别是 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 在锁相环电路、时钟恢复电路和频率综合器电路等更是重中之重1 9 i 埘1 1 1 振荡器的发展从早期的真空管时代到后期的晶体管时代，无论是理论e 还是电路 结构和性能上，无论是体积嵫是制作成本愀都取得了飞跃性的进展，但在很长 的段时期内都是处在用分离元件组装而成的阶段，其性能较差，成本相对较高，体 积较大和难以大批量生产。随着通信领域的不断向前推进，终端产品越来越要求轻、 薄、短、小，越来越要求低成本、高性能、大批量生产，这对于先前的分离元件组合 模式将不再胜任，并提出新的要求和挑斟珥b 1 1 4 1 1 5 1 集成电路各项技术的发展迎合了这 些要求，特别是主流c m o s 工艺提供以上要求的解决方案，单片集成振荡器的研制取 得了极大的进步。然而，由于工艺条件的限制，r f 电路的设计多采用g a a s b i p o l a r , a 垤o s 工艺实现，难以和现在主流的标准c m o s 工艺集成。因此，优性能的标准 的。矗0 | sv 设计成为近年来r f 电路设计的热门课题。 但是多年来中国在这方面的研究投入无论在军用还是民用上均不够重视，仅限于 在引进状态，还没有达到质的跨越，这是之所以在电子通信类，我国滞后发达国家的 个重要原因。而且我国多数仍然利用传统的双极工艺，致使产品在体积匕、重量e 、 成本e 都较大，各种参数性能不够优越，稳定性差、难以和现代主流c m o s 工艺集成 等等都是我国相关领域发展的瓶颈。我国在电子通信领域市场潜力非常大，因此自主 研究高性能、高质量、低成本的振荡器市场前景广阔、意义巨大。 对于振荡器的分类，有多种分类的标准。根据频率有：低频振荡器，中频振荡器， 高频振荡器，超频振荡器等。根据原理有：自激振荡器，他激振荡器，压控振荡器， 变频振荡器，石英、r c 、l c , 等。根据输出有：正弦波振荡器，脉冲波振荡器，x 射线、激光。 振荡器是直流开关电源中最重要的模块之一。在开关电源结构中，振荡器可以说 是个相对独立的漠块，本身与开关电源的控制没有直接关系。但是实际上振荡频率 却是开关电源控韦黻的载体，开关电源的控制要通过振荡频率信号辅助实现，而振 荡频率的稳定性就决定了开关电源控制的精度。除了频率保持稳定这要求之外，对 于开关电源来说，占空比的稳定也不能忽略。因为开关电源控制中，控制占空比是重 要的参量，而这个参量却是依托于频率占空比稳定的基础之上。由此也引出了本文所 做的工作。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 1 3 本文的工作 本文设计了种基于直流开关转换器应用的振荡器电路。主要做了以下几方面的 工作： 一 ( 1 ) 设计了振荡器内部所需的基础模块以及核心子模先包括： 乱电流镜的设计。本设计电路中使用了简单c i v l o s 电流镜以及特定结构的低压 共源共栅电流镜的组合，使得关键电路的电流传递误差大大减小。 b 低压偏置电路的容差设计。针对偏置电路的重要性，本文采用了电阻温度辛卜偿 的方法大大改善了偏置电流的温度特性，使得各种容差条件下的偏置电流的温度和电 压特性都得到了保证，也就简化了后续振荡器电路的设计。 c 内部比较器的容差设计。针对比较器的关键参数延时，本设计做了详细分析。 得到了所有容差范围内的延时数据。在保证延时合理的庸况下，采用了最简单的结构， 简化了电路。 ( 2 ) 以振荡器的频率稳定性为设计目标，分析了影响频率稳定性的各种参数，包 括： 乱振荡器结构的设计。本设计结合了传统松弛振荡器的基础结构，设计了2 个关 键的功能子模块，使得振荡器的功能得到了拓展，具有与外频率同步的功能。通过这 设计，使得振荡器可以适合于低噪声的应用。 b 频率稳定性的分析。针对这一目标，本设计做了详细分析，得到了所有可能的 容差条件下的频率结果。并针对结果的产生原因进行了分析，即分析了所有影响频率 的因素。在对部分影响因子简化分析的基础巳优化了频率的稳定性。 c 功耗的分析。针对低功耗的发展趋势，本设计中对振荡器功耗进行了优化。主 要是调节偏置电流，达到功耗与性能的折中。 d 抖动，失配等参数的分析。针对频率的抖动，以及电路结构的失配，本设计用容 差边界条件，得到了所有的数据结果。并针对抖动，对其原因以及结果做了详细分析， 使得本设计频率的抖动参数要大大优于市场上针对d c d c 应用的振荡器的抖动参数。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 本文的设计所使用工艺是u m c0 6 u mb i c m o s 工艺，是2 层多晶，2 层金属，p 型衬底酌工艺。而本文的容差设计所用n 髓介绍如下表： 表1 1 容差设计所用的嬲 p l 麟n m o sc a pr e s斟t c a s e o t y p i c a lt y p i c a lt y p i c a l t y p i c a l t y p i c a l c a s e lf a s t f a s t s l o ws l o w t y p i c a l c a s e 2s l o ws l o w t y p i c a l s l o w t y p i c a l c a s e 3s l o ws l o w h i 曲h i 曲t y p i c a l c a s e 4f a s ts l o w t y p i c a it y p i c a lt y p i c a l c 嫩5s l o wf a s t t y p i c a l t y p i c a lt y p i c a l 说明：q s c 0 至c a s e 5 是容差分析所用的6 个o o r n c r ，反映了工艺变化的边界。其 中，c a s e 0 就是下文中所指的典型情况的c o m e r ，这种情况下，所有参数都是标准值。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 第二章振荡器中核心子电路 振；笏器产生哪各溉受至4 眵的基恻电瞧而j 越缝荆姒电路的设计决定了 振荡器的性能以及稳定度。所以必须要着重分析。下面逐步分析电路中用到的重要的 子模块，包括：( 1 ) 电济流；( 2 ) 偏置啦各；( 3 ) 比较器。 2 1 电流镜 电流镜是模拟i c 设计的基本组成单元，广泛的被使用于i c 电路中，用于将电路 偏置在理想的工作状态嗍蜘。电流镜的结构有很多种，本文介绍的是本设计中用到的 结构。 2 1 1 简单电流镜 如图2 - 1 所示，基本的电流镜可以由b i p o l a r 或组成。b i p o l a r 电流镜结构， 由于存在着基极电流，会造成很大的电流误差。以图2 - 1 ( a ) 中电路为例，假设2 + - - 极管的电流放大倍数相等，则最终输出电流与输入电流的关系是： l o t = l i n ( 1 + 争 7 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 由公式( 2 - 1 ) ，如果假定电流放大倍数卢的值是1 0 0 倍，则输入输出的误差是2 ， 因为电路中偏置电流都是通过电流镄传递，最后累积的误差会相当可观。 在s 电流镜结构中，因为栅极电i j ；嵌叫、，在设计完全可以忽略不计，则输入输 出电流相等。所以，图2 - 1 ( b ) 中的电流关系是： i嘲li|l、(2-2) 而且公式( 2 2 ) 的精度是非常高的。所以c m o s 电流镜这种结构简单，而又能够精确地 传输电流的特性在电路设计中非常重要。但是由于c m o s 管在应用中存在着沟道长度 调制效应，使得图1 嘞中输出管的电流仍然会随输出处电压的变化而变化，某撇 上限制了c m o s 电流镜传输的精度。而采用级联的c m o s 电流镜贝啊以大大缓解这 个问题。 i l 一，一一，一，一一。一，j 图2 - 2 ( a ) c m o s 擞煳蝴( b 脚o sf 臁螺煳蝴 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 如图2 - 2 ( a ) 所示，c m o s 共源共栅电流镜就是利用基准电流去产生2 个偏置电压， 分别去偏置共源共栅结构的2 个输出管。这样的结构，实际上就是在简单电流源的基 础匕层叠了个m o s f e t ，并且这个m o s 管也是要工作在饱和区。这样的结构就能 有效的抑制输出电流随着输出电压变化，增加了电流传输的精度。遍尾因为即使输出 姬即d 处) 魁剥艮大，也衣锄恸到下管的输出姆即c 处) 。这佯对二秆管来说， 增加的共振共栅管就屏蔽了输出处电压的变化。c 处的电压维持稳定，因此下管的沟 道长度调制效应就大大被缓解了。c m o s 共源共栅电流镜的结构也增加了输出的阻 抗，使得这种结构的电流源非常的理想。 但是随之带来的问题是图2 - 2 ( a ) 中这种共源共栅电流镜结构所需要的最小工作电 压要远远大于图2 - 1 嘞中的简单电流镜结构。下面不妨来推导二下图2 - 2 ( a ) q 口结构所需 要的最小工作电压，即假定所有管子都工作在临界饱和区的状态。 下面各式是图2 - 2 ( a ) * 各点处的电压是m o s 管阈值电压，p 南r 是m o s 管临 界饱和时的v o s 值) ： a 处的电匪是：圪l + v d s a t c 处的电压是：y c 。y d s a t b 处的电压是：l 抄磊_ 乃石+ 2 r d 处的电压是：v o 。2 r + d 处电压就是输出电压。因此这种共源共栅电流镜结构的输出电压是比较大的， 如假设y 南是0 g v ，v d s a r 是0 ：2 v ，则共源共栅电流镜的最小工作电压是1 3 v 。而简单 电流镜的输出电匪只有个v o s a r ，就是0 2 v 。所以，共源共栅电流镜的最小工作电压 对于低电压压应用来说太大了。 e 述这个问题可以通过采用低压共源共栅结构电流镜改进。首先，我f f 讽察共源 共栅电流镜结构的优点就是在个电流源管的基础匕，叠加了个饱和的共源共栅管。 通过这个m o s 管来屏蔽输出电压的变化。因此，保持这个原理不变，只需要改变所 叠加的共源共栅管的偏置电压，就可以得到想要的低压共源共栅管。 如图2 功所示，就是种低压共源共栅电流镜结构【1 8 1 9 1 2 0 2 ，它的输出端电压( 节 点d 处电压_ ) 要比单纯的共源共栅电流镜小的多。下面推导图2 - 2 ( b ) * 结构的最小输出 电压，同样假定所有管子均工作在临界饱和：( v r n 是m o s 管阈值电压，r 是m o s 管临界饱和时的v o s 值) ： 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 a 处的电压是： c 处的电压是： b 处的电压是： d 处的电压是： 一一+ v d s 蠢r - v d s a i - v n v + 2 v u s , c r ， - 2 圪瑚r 比较两种结构的b 处电压，发现图2 - 2 ( b ) 结构的b 处电压比图2 - 2 ( a ) 中的要小一 个v n v 的大小。但是图2 - 2 ( b ) 结构中的v a s a r 是由电阻上偏压决定的。因i 比j 彦个值可能 比图2 - 2 ( a ) 中的r 大些。但是即使是这样，低压共源共栅电流镜结构的输出电压 只有2 个y 矗谢，比图2 - 2 ( a ) 结构的输出电压要小的多，接近小了个y 南的大小。 因此低压共源共栅电流镜结构比共源共栅电流镜更为实用。但是不好之处，就在 于低压共源共栅电流镜使用了电阻，要占用更大的面积，功耗也增加了。所以，两种 结构可以酌情选择。 2 2 偏置电路 图2 - 3 基本的自偏置产生电路 本设计中的偏置产生电路是，如图2 - 3 所示的w i d l a r 电流源的自偏置结构。这种 西南交通大学硕士研究生学位论文第10 页 结构简单实用。下面推导这种结构的偏置电疯产生公式。因为p 管的源和衬底相接， 因此没有衬偏效应，m 1 管和m 2 管的阈值电压相等。因此，直接得到下式： ，l r 一 其中，尺- p p c 蕾，p p 是p 管的电子迁移率，c 二是单位面积的栅氧化层电容。 由于m 3 管和m 4 管删蝴，因此 整理得到： r 1 1 - 1 2 i l ( 2 - 3 ) ( 2 - 5 ) 卜丽2 蓐1 袁r 从公式( 2 q 可以看出，图2 - 3 这种结构产生的偏置电流与电源电压无关，主要受 工艺和温度影响。这种偏置产生结构的特点就是简单，而且足够精确。但是这种结构 的偏置电流受到电阻r 的温度系数的影响非常大。随着温度的变化，电流的变化非常 大，这就使得后续的设计非常困难。所以很有! 自奎要对结构进行改进，能够产生零温度 系数的电流。 而观察公式( 2 甸中的各个参量，对于温度系数而言，只有电阻r 的温度系数可以 供设计者选择。从这个思路出发，引入个相反温度系数的电阻串联，来改变电流的 温度系数。如下图所示： 西南交通大学硕士研究生学位论文第 页 图抖零温度系数的自偏置结构 图2 4 是在图2 - 3 结构的基础匕对电阻r 进行了替换。将原本的个电阻替换 成为2 个具有相反温良系数的电阻串联。通过这样的修改，设计中就有2 个电阻的温 度系数可以供选择。而通过配置电阻值的比例，就可以得到零温度系数的电流。其中， 电阻要使用修调技术嘲瞪嗍。 2 2 2 低压共源共栅偏置电路设计 本节的设计就是基于上节的偏置产生结构的基础，再应用了低压共源共栅电流镜 的电流传输特性，得到种电流产生的结j 陶i 签闼，如下图所示， 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 图撕由自偏置结构产耋弼棚援勘移辩刚榭萤结构 下面推导图5 所示的，共源共栅输出结构的最小输出电压，假定所有管子均工作 在临界饱和区。 a 处的电压是：_ 一i v d s a r c 处的电压是：v c 。v d o y 商f b 处的电压是：一i 2 v d 翻r d 处的电压是：- v d o 一2 v d 翻r 不难看出，偏置输出处仅仅耗费了2 p ，d 甜的电压。而这种偏置的实现可以：通过a 处的电压比b 处的电压高个v d s a r 实现。使用这种结构的偏置在电源电压只有1 s v 时就可以工作。完成了以匕工作之后，就可以得到完整的偏置电路结构了。 2 2 3 完整的偏置电路结构设计 综合上述的设计思想，提出了完整的偏置电路设计结构，如下图所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 图2 - 6 完整的偏置电路结构图 图2 - 6 提出了种完整的偏置电路产生结构。图中最左勉侧的电阻和个b i t 串 联，是偏置的启动电路。核心电路中，通过采用正负温度系数电阻匹配的思想，改进 了偏置电流的温度特性。图中还有部分电路j 黾用来加快启动速度的，以及产生低压共 源共栅偏置输出。下面给出图2 - 6 结构所产生偏置电流的各种性能曲线。 2 2 4 偏置蝴型特性 典型工作环境是指：_ 3 6 1 , ，t e m p 。2 5 ，m o d e ls c a s e o 。 首先分析的是电流的温度系数，如下图所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第14 页 如图2 - 7 所示，通过电阻的温度补偿之后，偏置电流的温度特性大大改善，在 - 4 0 。c 一+ 8 5 。c 的温度范围内，i m a x = 2 0 1 n a ，i m i n = 1 9 4 n a 。电流的温度系数为 t cf 二- 一旦妁9 p p m | o c l o o ta t 下图是偏置电流的电压特性。 图2 - 8 典五精况- 卜输出偏置电流的槲性卸- 、，) 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 如图2 - 8 所示，偏置电流的电压特性，在v d d 从1 s v - 6 v 的变化范围内， i m a x = 2 0 8 n a ，i m i n = 1 9 5 n a 。电流的电压系数可以表示为 v c ，上一a i 1 4 s ， d 叮缸 ，因为偏置产生电路采用的是单级的电流镜结构，所以电流 的电匪系数比温度系数要略差。 2 2 5 偏置电流性能的容差设计 为了增强设计的稳健，对电路的性能进行容差分析，即在w o r s tc a s e 下，对电路 进行分析。下面是对偏置电路i - t ，i - v 特性容差分析的结果，首先分析的是电流温度 特性的容差结果。如下图中，显示了6 种c a 辩下电流的温度曲线。 图2 - 9i - t 特性的容差结果 从图2 - 9 中看出，6 个c a 的情况下，偏置电流只是绝对值匕下发生了偏移，而 温度系数基本保持同样的变化。上下偏移极限差值也不到2 0 h a 。所有情况中， i m a x = 2 0 8 n a ，i m i n = 1 8 6 n a 。这些都在设计容差范围之内，需要注意的是其中c a s e 2 和 c a s e 3 的曲线是重合的，所以图中显示的5 根线。下图是电压系数的容差分析结果。 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 图2 - 1 01 - v 特性的容差结果 如图2 - 1 0 所示，除了有上下1 5 h a 的绝对值变化之外，6 种c a s e 的电匮系数变化 基本致。其中，l m a x = 2 1 6 n a , i m i n = 1 8 8 n a 。c a s e 0 和c a s e l 曲线重合。 从以匕分析结果来看，设计的偏置电路所产生的电流，在温度系数以及电匮系数 这两个关键指标匕已经满腰求。而偏置电路在电源电匪只有1 5 v 的时候，就可以 开始工作。所以，电路可以在电源上电的最快时间内就启动。这样也加快了振荡器的 建立时间。 2 3 比较器 2 3 1 比较器电路结构 比较器在振荡器结构中有重要作用。比! 皎器的结构多种多样，有- 级比较器，两 级比较器，以及多级比较器圈1 3 3 1 3 4 l 。比较器的参数也非常多，但是最重要的2 个参数 就是传输延时和失调电压。下面从出于优化这两个参数，以及简化设计的角度出发， 介绍本文所采用到的比较器结构，如卞图所示， 西南交通大学硕士研究生学位论文第17 页 图2 n 比较器结构示意图 如图2 - 1 1 所示，首先这是个2 级比较器，第级是输入部分，第二级是输出部 分。为了减小比较器的延时，可以采用很多的方法。最好的办法就是消除尾电流的限 制，采用有源尾电流结构等办法，但是这样的话，就大大增加了设计的复杂度。所以 必须采用折中涉及的方法。本文所用的办法就是使用了p u s h - p u l l 结构输出。这样做的 好处是，在同样大小的尾电流情况下，输出处匕管和下管能够同时响应电流的变化， 使输出驱动电流几乎增加了倍。因此也加快了输出电压的转化，从而减小了比较器 的转换延时。这种方法在结构上非常简单，大大减轻了对于尾电流的要求，从而降低 了所需的功耗。 失调电压，这个参数的引入主要来自于输入对管。这两个管子的阈值电压的偏置 是主因，而电流的不对称分布也影响了失调电压。对于这个参数的理解，请参考下文 的关于非理想因素中失配的分析。 下面从仿真的角度来验证匕述的2 个参数性能的优劣。 2 3 2 比较器性能分析 2 3 2 1 延时的典型情况分析 观察图2 1 1 中所示比较器的结构，若图中j 下向端i n + 是上升阶越时，右输入管关 断，电流通过2 组电流镜传递，对等效负载电容充电；若图中负向端i n - 是下降阶越 时，左输入管关断，电流只需通过1 组电流镜传递，对等效负载电容放电。因此，两 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 8 页 者比铰可知，充电的电流路径匕管子数多，节点电容大，所以延时也相应大，所以可 以大致预测输出信号的上升延时是下降延时的2 倍左右。下图是典型情况下延时的仿 真结果。 图2 - 1 2 典型情况下，比皎器的延时曲线 如图2 - 1 2 所示，比较器的上升延时约为1 0 9 m , 下降延时约为4 8 a s ，这符合了预期 的判断，基本匕e 升延时是下降延时的2 倍多些。而得到这种结果的仿真条件除了 p v t 是典型情况外，所加的输入信号的余辟i 是依照了振荡频障的斜率设计的。为了增 加这个参数的可靠性，下面是延时这个参数的容差分析。 2 3 2 2 延时的容差分析 影响延时参数变化的就是温度，电压以及工艺，下面逐分析。 0 ) 延时随温度的变化 西南交通大学硕士研究生学位论文第19 页 图2 - 1 3 延时随温度的变化曲线 说明：如图2 - 1 3 所示，以时间为x 轴的波形，显示了温度分另出庄一4 0 ，2 5 ，8 5 度时，时域的输入信号与输出信号波形。以温度为x 轴的波形，显示的分别是上升延 时和下降延时随温度的变化。 将图中数据整理如下表： 表2 - 1 延时随温度的变化 。鲫 如2 58 5 d e l a y 眦 1 1 91 2 01 3 7 t d f a u ( 哟 4 74 85 1 不难发现，随着温度的升高，延时也在增加。这是因为比较器的尾电流是零温度 系数，而路径上的寄生电容随着温度而增加，因此整体延时随温度增加。以2 5 的延时 1 6 8 n s 为单位，则延时随温度的变化范围是：0 9 8 8 - - 1 1 1 9 0 ( 2 ) 延时随电源电压的变化。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 0 页 。 图2 - 1 4 比较器延时随电源电压的变化 说明：如图2 - 1 4 所示，以时间为x 轴的波形，显示了电源电盼别在z 4 v , 3 6 v , 6 v 时，时域的输入信号与输出信号波形。以电压为x 轴的波形，显示的分别是上升延时 和下降延时随电源电压的变化。 将数据整理如下表： 表2 - 2 延时随电源的变化 拟3 66 0 眈盘y t d r i s c ( n s ) 6 11 0 91 9 5 t d f a l l ( 璐) 4 44 8 6 4 随着电压的增加，延时也在增加。这是因为测量延时是取5 0 的电源电压测量值， 所以随着电压的增加，输出达到电压值一半大小的时间也在增加。因此整体延时随电 源电压增加。以3 6 v 的延时1 5 7 n s 为单位，则延时随温度的变化范围是：0 6 7 1 6 5 。 ( 3 ) 延时随工艺角的变化 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 1 页 图2 - 1 5 比铰器延时随工艺角的变化 说明：如图2 - 1 5 所示，以时间为x 轴的波形，显示了6 中不同澉下，时域的输 入信号与输出信号波形。以c a s e 为x 轴的波形，显示的分别是上升延时和下降延时随 不同锹的变化。 将数据整理如下表： 表2 - 3 延时随蝴愀 叠 c a s e 0c a s e lc a s e 2c a s e 3c a , s e ac a s e 5 眈b y m i s e s ) 1 0 91 3 41 1 11 1 11 1 81 1 6 t d f a l l ( 1 磅 4 84 94 64 6 4 54 9 随着c a s e 的变化，延时也在变化。以c a s e 0 的延时1 5 7 n s 为一单位，则延时随温 度的变化范围是：1 1 1 7 。 综合以上数据的分析，得出以下结论： 在典型情况下，比较器的上升延时约为1 0 9 n s , 下降延时约为4 8 n s ，个周期的延 时为1 5 7 n s 。而平均延时最小的情况是电源为2 4 v 时，延时为1 0 5 n s ；平均延时最大的 情况是电源为6 v 时，延时为2 5 9 n s 。所以，以1 5 7 n s 为中心点，比较器延时的最坏变 化范围是，0 6 1 - 1 6 5 。 2 3 2 3 比较器失调电压 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 2 页 图2 - 1 6 典型情况下，比较器的失调电压 如图2 1 6 所示，比较器输出跳变的中点，理噫蝌抛该是门限1 8 ，。但图中所示 的是1 7 9 5 v 。所以失调电压是5 m y 。由于本设计比较器的2 个门限是0 s v 和1 v ，而 5 m y 的失调相对门限而言太小，即使随p 、厂r 的漂移，影响也不大，所以不作过多的分 析。而对于影响失调电压的参数可以参考下文中的关于失配的讨论。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 3 页 第三章振荡器电路 3 1 振荡器电路的设计 3 1 1 基本振荡电路结构 本文设计的振荡器在传统的松弛振荡器的基础结构上p 习p q ，拓展了同步功能电 路，并对振荡电路的各种参数进行了详细分析。下图所示的是振荡器的基本结构。 图3 - 1 振荡器的基本结构 基本结构说明：图3 _ 1 中的2 。个电流源大小分别是个单位的电流i 和n 个单位 的电流n i ，而m o s 管m 1 是开关。其中i 是充电电流，1 4 1 是放电电流。c o m p 是比 较器。和屹是经过电阻对基准电压r e f 进行分压得到的2 个门限电压。m o s 管 m 2 和m 3 都是开关管。o s c o u t 是振荡器的输出。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 4 页 3 1 2 基本振荡电路原理说明 这是正反馈电路。不妨假定，初始状态时，开关管m 1 截止，则比皎器c o m p 输 出的是低电平，开关管m 3 截止，m 乏导通，比较器的正输入端是高门限，负输入端 是电流源i 对电容c 充电。此时，振荡器输出o s co u t 为高电平。当c 上充电到高 门限v h 的大小，比较器输出跳变为高电平，使m 1 导通，m 3 导通，m 2 截止。此时， 振荡器输出o s co t r r 是低电平。而同时比较器的正输入端跳变为低门限。而在 负输入端，因为放电电流是充电电流的n 倍，所以是电流源对电容c 放电。当电容上 电压降低到比正端的低门限还低时，比皎器的输出再次跳变为低，又回到了初始态， 如此周而复始。得到振荡波形如下图所示： 图3 - 2 三角波是电容上电压的变化，矩形波是输出振荡信号 而基本振荡器的频率公式推导如下： 个振荡周期主要由3 部分时间组成 电容充电时间； 电容放电时间； 环路延时