近年來,， D類音頻功率放大器憑借其效率高，功耗低等優(yōu)點(diǎn),， 已成為MP3,、移動電話等便攜式音頻系統(tǒng)的首選解決方案。而振蕩器是D類音頻放大器的重要組成部分,， 振蕩器對放大器的音質(zhì),、芯片效率、電磁干擾等指標(biāo)有著重要的影響,。為此,， 本文設(shè)計(jì)了一種應(yīng)用于D類功放的電流控制振蕩器電路。該模塊基于電流模式,， 主要實(shí)現(xiàn)兩個功能： 一是提供幅度與電源電壓成正比的三角波信號,； 二是提供頻率幾乎與電源電壓無關(guān)的方波信號， 該方波信號的占空比為50%,。

　　1 電流模式振蕩器原理

　　振蕩器的工作原理是通過MOS開關(guān)管來控制電流源對電容的充放電以產(chǎn)生三角波信號,。傳統(tǒng)的基于電流模式的振蕩器結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 電流控制振蕩器的原理結(jié)構(gòu)

　　圖1中,， R1,、R2、R3,、R4通過對電源電壓的分壓來產(chǎn)生閾值電壓VH,、VL和參考電壓Vref,。參考電壓再通過放大器OPA與MN1構(gòu)成的LDO結(jié)構(gòu)來產(chǎn)生與電源電壓成正比的參考電流Iref。因此有：

　　本系統(tǒng)中的MP1,、MP2,、MP3可構(gòu)成鏡像電流源， 以產(chǎn)生充電電流IB1,。而MP1,、MP2、MN2,、MN3組成的鏡像電流源則產(chǎn)生放電電流IB2,。假設(shè)MP1、MP2,、MP3寬長比相等,， MN2、MN3的寬長比相等,。則有：

　　振蕩器工作時,， 在充電階段t1時， CLK=1,，MP3管以恒定電流IB1對電容充電,， 此后A點(diǎn)電壓線性上升， 當(dāng)A點(diǎn)電壓大于VH時,， cmp1輸出端電壓翻轉(zhuǎn)為零,。邏輯控制模塊主要由RS觸發(fā)器組成， 當(dāng)cmp1輸出為0時,， 輸出端CLK翻轉(zhuǎn)為低電平,， CLK為高電平。振蕩器進(jìn)入放電階段t2,， 此時電容C開始以恒定電流IB2放電,， 使A點(diǎn)的電壓下降。當(dāng)電壓下降到小于VL時,， cmp2的輸出電壓變?yōu)?,。RS觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)， CLK變?yōu)楦唠娖剑?CLK變?yōu)榈碗娖剑?從而完成一個周期的充放電過程,。由于IB1和IB2相等,， 所以， 電容的充電和放電時間相等,， A點(diǎn)三角波的上升沿斜率與下降沿斜率的絕對值相等,， 因此， CLK信號為占空比50%的方波信號。

　　該振蕩器的輸出頻率與電源電壓無關(guān),， 而三角波的幅度則與電源電壓成正比,。

　　2 振蕩器電路的實(shí)現(xiàn)

　　本文設(shè)計(jì)的振蕩器電路實(shí)現(xiàn)如圖2所示。該電路分為閾值電壓產(chǎn)生電路,， 充放電電流產(chǎn)生電路和邏輯控制電路三個部分,。

圖2 振蕩器的具體實(shí)現(xiàn)電路

　　2.1 閾值電壓產(chǎn)生部

　　閾值電壓產(chǎn)生部分可由MN1和四個阻值相等的分壓電阻R1、R2,、R3和R4來構(gòu)成,。MOS管MN1在此作為開關(guān)管。無音頻信號輸入時,， 芯片將CTRL端置為低電平,， VH、VL均為0V,， 振蕩器停止工作,， 以降低芯片的靜態(tài)功耗。有信號輸入時,， CTRL為低電平,， VH=3Vdd/4， VL=Vdd/4,。由于比較器工作的高頻狀態(tài)下,， 如果B點(diǎn)和C點(diǎn)直接與比較器輸入端相連， 則可能會通過MOS管的寄生電容對閾值電壓產(chǎn)生電磁干擾,。故本電路將B點(diǎn)和C點(diǎn)與緩沖器相連,。電路仿真表明， 使用緩沖器可以有效隔離電磁干擾,， 穩(wěn)定閾值電壓,。

　　2.2 充放電電流的產(chǎn)生

　　與電源電壓成正比的電流可由OPA,、MN2和R5產(chǎn)生,。由于OPA的增益很高， 因此,， Vref與V5之間的電壓差可以忽略不計(jì),。

　　由于存在溝道調(diào)制效應(yīng)， MP11和MN10的電流會受到源漏電壓的影響,， 因此,， 對電容的充放電電流不再與電源電壓呈線性關(guān)系。本設(shè)計(jì)中,，電流鏡采用cascode結(jié)構(gòu)可以穩(wěn)定MP11和MN10的源漏電壓,， 降低對電源電壓的敏感程度。從交流角度看,， cascode結(jié)構(gòu)提高了電流源(層) 的輸出電阻,， 減小了輸出( 入) 電流的誤差,。MN3、MN4,、MP5 用于為MP12 提供偏置電壓,。MP8、MP10,、MN6則可為MN9提供偏置電壓,。

　　2.3 邏輯控制部分

　　觸發(fā)器的輸出CLK和CLK為相位相反的方波信號， 可用來控制MP13,、MN11與MP14,、MN12的開啟和關(guān)斷。MP14和MN11作為開關(guān)管,， 其作用相當(dāng)于圖1中的SW1和SW2,。MN12和MP13作為輔助管， 其主要作用是減小充放電電流的毛刺,，消除三角波的尖沖現(xiàn)象,。尖沖現(xiàn)象主要是由于MOS管狀態(tài)轉(zhuǎn)換時的溝道電荷注入效應(yīng)所引起的。

　　假設(shè)去除MN12和MP13,， CLK從0跳變到1時,，MP14由導(dǎo)通到關(guān)閉狀態(tài)， 同時迫使MP11和MP12組成的電流源瞬間內(nèi)從飽和區(qū)進(jìn)入深線性區(qū),， 并使MP11,、MP12、MP13的溝道電荷在極短的時間內(nèi)抽出,， 而這將引起很大的毛刺電流,， 從而使A點(diǎn)出現(xiàn)尖沖電壓。與此同時,， MN11由關(guān)斷狀態(tài)跳轉(zhuǎn)到導(dǎo)通狀態(tài),， MN10和MN9組成的電流層從深線性區(qū)轉(zhuǎn)到飽和區(qū)， 這三個管子的溝道電容短時間內(nèi)充電,， 同樣會引起大的毛刺電流和尖沖電壓,。同樣， 若去除輔助管MN12,， 那么,， CLK跳變時， MN11,、MN10,、MN9也會產(chǎn)生大的毛刺電流與尖沖電壓。

　　雖然MP13與MP14寬長比相同， 但柵極電平相反,， 因此,， MP13與MP14交替導(dǎo)通。MP13對消除尖沖電壓主要起兩個作用,。一是保證MP11,、MP12在整個周期內(nèi)都工作在飽和區(qū)， 以保證電流的連續(xù)性,， 避免由電流鏡所引起的尖沖電壓,；二是使MP13、MP14構(gòu)成互補(bǔ)管,。這樣,， 在CLK電壓變化瞬間， 一個管子的溝道電容充電,， 同時另外一個管子的溝道電容放電,， 正負(fù)電荷相互抵消， 從而大大減小毛刺電流,。同理,， MN12的引入也會起到相同的作用。

　　2.4 修調(diào)技術(shù)的應(yīng)用

　　在不同的晶片之間,， 不同批次的MOS管的參數(shù)會有所不同,。在不同的工藝角下， MOS管的氧化層厚度to也會有差別,， 相應(yīng)的Cox也會隨之變化,， 從而引起充放電電流大小發(fā)生偏移， 使振蕩器的輸出頻率發(fā)生變化,。在集成電路設(shè)計(jì)中,， 修調(diào)技術(shù)主要是針對電阻、電阻網(wǎng)絡(luò)(或電容網(wǎng)絡(luò))進(jìn)行修調(diào),。采用不同的修調(diào)技術(shù)可增大或減小阻值(或容值),， 從而設(shè)計(jì)不同的電阻網(wǎng)絡(luò)(或電容網(wǎng)絡(luò))。

　　充 放電電流IB1和IB2主要由電流Iref決定,。而Iref=Vdd/2R5,。因此,， 本設(shè)計(jì)選擇對電阻R5進(jìn)行修調(diào),，修調(diào)網(wǎng)絡(luò)如圖3所示， 圖中,， 所有電阻阻值均相等,。本設(shè)計(jì)中， 電阻R5的阻值為45kΩ。R5由十個阻值為4.5kΩ的小電阻串聯(lián),。將A,、B兩點(diǎn)之間的金屬絲熔斷可將R5的阻值提高2.5%， 而將B,，C之間的金屬絲熔斷可將電阻提高1.25%,， 將A、B和B,、C之間的熔絲都熔斷,， 則可將阻值提高3.75%。這種修調(diào)技術(shù)的缺點(diǎn)是只能將電阻值調(diào)大,， 而不能調(diào)小,。

圖3 電阻修調(diào)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

　　3 仿真結(jié)果分析

　　本設(shè)計(jì)可在CSMC公司的0.5μmCMOS工藝上實(shí)現(xiàn)， 并可利用Spectre工具對振蕩器進(jìn)行仿真,。

　　3.1 互補(bǔ)開關(guān)管對三角波的改善

　　圖4所示是互補(bǔ)開關(guān)管對三角波的改善示意圖,。由圖4可見， 本設(shè)計(jì)中MP13和MN12的波形在斜率變化時沒有明顯的尖峰,， 而且在添加輔助管后,， 其波形尖沖現(xiàn)象基本消失。

圖4 互補(bǔ)開關(guān)管對三角波的改善波形

　　3.2 電源電壓和溫度的影響

　　圖5所示是電壓和溫度對頻率的影響曲線,。

　　從圖5可以看出,， 電源電壓從3V變化到5V時， 其振蕩器的頻率變化為1.86%,； 當(dāng)溫度從-40℃變化到120℃時,， 振蕩器頻率變化了1.93%?？梢娫跍囟群碗娫措妷鹤兓秶艽髸r,， 該振蕩器的輸出頻率仍可保持穩(wěn)定， 故可保證芯片的正常工作,。

圖5 電壓和溫度對頻率的影響曲線

　　4 結(jié)束語

　　本文設(shè)計(jì)了一種應(yīng)用于D類音頻功放的電流控制振蕩器,。在典型情況下， 該振蕩器可以輸出頻率為250kHz的方波和三角波信號,。而且在溫度和電源電壓變化范圍較大時,， 振蕩器的輸出頻率仍然可以保持穩(wěn)定。此外,， 通過增加互補(bǔ)開關(guān)管,， 還可以去除尖沖電壓。而通過引入電阻網(wǎng)絡(luò)修調(diào)技術(shù),， 則可在有工藝偏差情況下得到精確的輸出頻率,。目前,， 該振蕩器已經(jīng)應(yīng)用于一款D類音頻放大器中。