摘要：介紹單片弛張振蕩器的工作原理，分析弛張振蕩器產生輸出頻率誤差的原因及溫度對輸出頻率的影響，推導出振蕩器達到零溫度系數的條件，提出一種弛張振蕩器內溫度補償方法，只要在設計電壓基準源的溫度系數時結合振蕩器的需要來考慮，利用該方法就可以使弛張振蕩器方便地獲得較好的溫度系數，大大縮小面積和降低成本。最后給出仿真波形。 
關鍵詞：弛張振蕩器；延時；溫度補償；單片集成電路 
中圖分類號：TN753.8  文獻標識碼：A  文章編號：1006-6977（2006）01-0032-03 

1 引言 

    弛張充放電振蕩器在PWM電源和電容傳感器中都得到了廣泛的應用，也常常作為時鐘產生電路用在單片功率集成電路中。但是，由于這種振蕩器結構的特殊性，一般的弛張振蕩器輸出頻率受環(huán)境溫度的變化影響較大，溫度性能較差。為了獲得較好的溫度性能，一般都要采用恒溫槽等措施，但增大了體積和成本。為此，本文提出一種適用于這種結構振蕩器的片內溫度補償方案，可以簡單方便地獲得更好的溫度性能。 

2 弛張振蕩器的工作原理 

    弛張振蕩器的一般結構如圖1所示。弛張振蕩器的工作過程如下：先用一個電流源I1向電容器C充電，這時電容器上的電壓會不斷上升，將電容器上的電壓通過比較器與設定的閾值電壓相比較。當電容器上的電壓高于電位比較器的閾值電壓V2時，控制部分將會控制開關動作，使I1斷開，I2導通，電容器開始通過I2放電，電容器的電壓開始下降，設此時的時刻為t2。當電容器的電壓下降到低于低位比較器的閾值電壓V1時，控制部分再次使開關動作，使I1導通，I2斷開，I1又重新對電容器充電，設此時的時刻為t1。這樣不停反復就可以在電容器上輸出連續(xù)不斷的振蕩波形。   


    如果保持IC、C不變，則由（4）式看出電容器的充放電時間是由電容器電壓的幅度唯一決定的?？赏ㄟ^調節(jié)2個比較器的閾值電壓來調節(jié)電容器的電壓幅度，從而可方便地調節(jié)振蕩器的輸出頻率。以上分析在各個電路無時延的條件下獲得的。 

3 溫度對輸出電壓頻率的影響 

3.1 產生頻率誤差的原因 

    任何電路結構都存在不同程度的延時。在這種結構的振蕩器中，比較器和控制部分也存在一定的延時，雖然可以采用高速比較器和盡可能簡單的控制結構來減少延時，但是始終無法消除延時帶來的影響。因此，當電容器上的電壓已經上升或下降到需要開關動作時，由于比較器和控制部分的延時Δτ使得開關往往要經過一段時間后才會動作，而在這段時間內，I1（I2）還在繼續(xù)對電容器充電（放電）,因此輸出電壓與Uc相比會產生誤差（ICΔτ）/C，此時，

可以看出輸出電壓頻率與設計值產生了偏差。 

3.2 溫度對輸出頻率的影響 

    顯然，在不同溫度條件下比較器和控制部分的延時是不一樣的。由于主要考察延時對輸出頻率的影響，因此設在不同溫度條件下IC和C保持不變，在溫度T1時，比較器和控制部分產生的延時為Δτ1，在溫度T2時產生的延時為Δτ2。則（5）式和（7）式可寫為   


    從（8）式可以看出，在不同的溫度條件下電容器的充放電時間發(fā)生了的變化Δt，從而導致輸出電壓的頻率隨溫度而變化。  

    圖2給出在沒有溫度補償的情況下，采用CSMC 0.6μm雙層金屬、雙層多晶硅工藝下和使用Hspice仿真出來的振蕩器輸出波形。其中，取IC為250μA，C為5pE，比較器采用的是參考文獻[2]中介紹的高速比較器方案，低位比較器的閾值電壓為2.4V，高位比較器的閾值電壓為2.5V。圖中T1、T2、T3分別為－40℃、27℃、85℃時的輸出波形。把振蕩器27℃時的輸出頻率設計為20MHz，測出此時振蕩器的溫度系數約為1 685ppm/℃。圖3中的曲線1給出近似的輸出電壓幅度與溫度的關系，正如上面所推導的一樣，在不同的溫度條件下輸出的電壓幅度并不相等。    


4 溫度補償的實現 

    為了消除溫度對輸出頻率的影響，從（12）式可以看出還必須使Δt＝0。為了實現上述要求，令T1時的V2＝V’ 2；T2時的V2＝V”2，V1保持不變，則（9）、（11）式改寫為（13）式或（17）式：

    從（17）式可以看出，為了消除溫度對輸出頻率的影響，可以使電容電壓在不同溫度條件下取不同的電容值來實現。只要它們能滿足（17）式的條件，就可以得到零溫度系數的輸出頻率。在振蕩器中，電容器電壓是由比較器的閾值電壓控制的，可以通過調節(jié)比較器的閾值電壓來滿足要求。在芯片設計中，比較器的閾值電壓一般由基準源提供?；鶞试赐鶕对韥碚{整它的溫度系數。一般會盡量調節(jié)使其具有零溫度系數。但從需要出發(fā)，也可以把它調試成所需的非零溫度系數。因此，可使令低位比較器的閾值電壓不變，只調節(jié)高位比較器的閾值電壓使其具有負溫度的系數，這樣，隨著溫度的增大UC不斷降低，輸出的頻率較為恒定。在圖3中，為了研究的方便，使輸出電壓與溫度的關系近似為直線1。根據上述推導，以振蕩器輸出電壓的中間值為軸，曲線1水平翻轉，得到的曲線3為基準源的輸出幅度曲線，從而可獲得整個溫度范圍內的最好溫度補償效果。此時需要把基準源的溫度系數調節(jié)到大約1 319ppm/℃。  

    圖4示出按上述方法進行溫度補償的振蕩器的輸出波形。由于使輸出電壓幅度與溫度的關系近似線性化，因此與實際輸出曲線存在一定的誤差，仍舊無法得到零溫度系數的輸出波形。為了仿真的方便，把比較器的閾值電壓外接，人為地按照上述要求調節(jié)高位比較器的閾值電壓。圖4中，T1、T2、T3分別為－40℃、27℃、85℃時的輸出波形?？梢钥闯鲚敵鲭妷旱姆入S著溫度的變化而大大減小，此時仍把27℃時的輸出頻率設計為20MHz，測出此時振蕩器的溫度系數為115ppm/℃。比起沒有溫度補償的溫度系數有了很大的提高。   

5 結束語 

    針對一般弛張振蕩器溫度系數較差的缺點，提出了一種新的片內溫度補償方案。只要在設計基準源的時候結合振蕩器的要求來確定它的溫度系數，就可以方便地使振蕩器獲得較好的溫度性能，同時并不增加它的面積和成本，具有較大的實用性。