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(chǎn)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(nèi)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(diào)節(jié)2個比較器的閾值電壓來調(diào)節(jié)電容器的電壓幅度,，從而可方便地調(diào)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(chǎn)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(jīng)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(jīng)過一段時間后才會動作，而在這段時間內(nèi),，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(chǎn)生誤差（ICΔτ）/C,，此時，
可以看出輸出電壓頻率與設計值產(chǎn)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(chǎn)生的延時為Δτ1,，在溫度T2時產(chǎn)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?shù)那闆r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(shù)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?shù)膶崿F(xiàn)
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(xiàn)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(xiàn)。只要它們能滿足（17）式的條件,，就可以得
到零溫度系數(shù)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(diào)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?jù)帶隙原理來調(diào)整它的溫度系數(shù),。一般會盡量調(diào)節(jié)使其具有零溫度系數(shù),。但從需要出發(fā)，也可以把它調(diào)試成所需的非零溫度系數(shù),。因此,，可使令低位比較器的閾值電壓不變，只調(diào)節(jié)高位比較器的閾值電壓使其具有負溫度的系數(shù),，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(jù)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(nèi)的最好溫度補償效果,。此時需要把基準源的溫度系數(shù)調(diào)節(jié)到大約1 319ppm/℃。
圖4示出按上述方法進行溫度補償?shù)恼袷幤鞯妮敵霾ㄐ?。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(shù)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(diào)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(shù)為115ppm/℃,。比起沒有溫度補償?shù)臏囟认禂?shù)有了很大的提高。
5 結束語
針對一般弛張振蕩器溫度系數(shù)較差的缺點,，提出了一種新的片內(nèi)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(shù)，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。