一种新型高精度RC振荡器电路设计.pdf

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1、第10卷第1期电路与系统学报Vol.10No.12005年2月JOURNALOFCIRCUITSANDSYSTEMSFebruary，2005文章编号：1007-0249(2005)01-0147-04*一种新型高精度RC振荡器电路设计刘帘曦，杨银堂，朱樟明，雷晗（西安电子科技大学微电子所，陕西西安710071）摘要：在对传统的振荡器电路的分析比较基础上，基于振荡器的基本工作原理，结合误差比较器技术，提出了一种新型高性能低功耗的RC振荡器。利用CSMC的DPDMBsim3模型和Cadence的Spectre仿真器对该电路进行了模拟和仿真，结果表明该电路与传统的振荡器相比具有精度高、功耗低的优点

2、。最后对该电路进行版图设计，版图面积2为70.5×62.5µm。关键词：RC振荡器；高精度；周期；误差比较器中图分类号：TN402文献标识码：A1引言在VLSICMOS电路设计中常常要用到一类专门用于产生信号的电路。即振荡电路。它可以将直[1~3]流功率转换成为周期性的波形信号。在设计中，常用到的振荡器有三种：RC振荡器，环形振荡器和晶体振荡器。RC振荡器是应用最为普遍的一种振荡器电路，它的结构简单，成本较低，另外该电路功耗也较低。但是这种电路的工作电压极大地影响着它的频率，工艺相关性比较差，精度较差。环形振荡器的振荡频率范围很宽，稳定度较高。但是对电源噪声很敏感，布局尺寸面积较大。晶体振荡器

3、频率很准，而且工作稳定，其精度只与所选择的晶体器件固有频率有关。但是它的功耗较大，不能集成在芯片内部。本文提出了一种新型的RC振荡电路，该电路结构简单，能够在不增加功耗的条件下提高RC振荡器的精度，并且克服了传统RC振荡器波形占空比不易调节的缺点。本文的第2部分介绍了两种比较常见的传统RC振荡器；第3部分给出新型的高精度振荡器的原理图，并且对它的周期进行分析和仿真，并对电路进行了物理级的版图设计；第4部分是将仿真结果比较后得出的结论。2传统RC振荡器电路图1给出了最基本的振荡器电路的结构，其中EN为使能信号端，当其为高时，电路正常工作。振荡频率取决与RC的乘积，近似估算值图1与非门与反相器组成

4、为：T=2.2RC[2]。的RC振荡器电路在振荡器的输入端加上“施密特触发器”，对输入信号做滤波处理，达到了对波形整形的目的，在一定程度上提高了RC振荡器周期的精度。但是，这种振荡器的周期在本质上还是由RC的乘积所决定，所以，它不能从本质上提高RC振荡器的周期精度。这种电路结构如图2所示。3新型高精度RC振荡器RC振荡器不够稳定而且精度不高的主要原因是因为它的电平翻转与电源电压的跳变密切相关。如果采用两路信号作误差比较，由于这两路信号同时都受到电源电压变化的影响，在作误差比较的时候可以消除或者部分消除电源电压的影响，从而使振荡器的波形稳定。传统的RC振荡器精度不高的另一个原因是它的周期主要依图

5、2带施密特触发器的RC振荡器*收稿日期：2003-07-01修订日期：2003-08-28基金项目：国家高技术研究发展863计划基金资助项目（2002AA1Z1210）148电路与系统学报第10卷赖RC的乘积。为了提高精度，可以使振荡器的周期主要由误差比较器的延迟时间来决定，而用RC的充放电时间来微调。这样可以得到相对精度较高的振荡器电路。改进后的电路原理图如图3所示。3.1工作原理信号线Y2引入的是控制信号，当Y2为高的时候，N5导通，P4截止，R1和R2分压，提供参考电压V，该电路正常工ref作；否则电路停止工作，振荡器停振。RC电路的振荡原理是利用对电容充放电时，电容两极板上电位不可突变

6、的特性来实现的。因此，可以通过对RC两端图3改进后的高精度RC振荡器电路图的电压的控制来实现对电路周期的控制。图3中，V=±3V，V作为反馈信号输入误差放大器，并与V作比较。输出的电压经过反相器的整ABCref形之后输出。该输出电压又会影响VAB，使其对电容反相充电。由于N4是反比管，所以通过它的电流很小，也就是说误差比较器的输出电流很小。同理，P5和N6也是倒比管，它们的寄生电容很大。图3中的E点电位VE=∫i⋅c⋅dt随时间变化缓慢，从而造成VAB的变化很缓慢，即当对电容C2充电完成以后，由于V并没有立即发生改变，所以C点的电位V也不发生变化，继续维持原来的高电位状态。设经ABC过时间t1

7、后VAB变化，此时电容C2开始放电，放电完毕，VC又维持低电位。可以使这个时间t1远大于RC的充放电时间，那么该振荡器的周期就主要由误差比较器来决定。对于该电路，可以通过调节R1和R2的比值来改变Vref的值，从而改变输出方波的占空比。而电阻R3的主要作用是降低功耗：首先它可以限制本身所在支路的电流，由于P5和N6是倒比管，它们的等效电阻很大，为了能与其相比较，电阻R3的阻值也比较大；再则，电阻R