- 一種高精度數(shù)字可調(diào)片上振蕩器設(shè)計

2．3 比較器RS鎖存器設(shè)計
??? 如果考慮比較器、鎖存器和開關(guān)管S1，S2的傳輸延時td，則振蕩器的頻率可以表示為：

???
??? 由上式可知，經(jīng)精確補償電流和電壓后，只有通過減小傳輸延時td來減低傳輸延時對振蕩器頻率的影響。比較器采用全差分結(jié)構(gòu)，以獲得較高的速率和高電源電壓抑制比。使用小尺寸器件可減小開關(guān)的傳輸延遲，另外比較器遲滯效應(yīng)也會給振蕩器頻率帶來一定誤差。假設(shè)由于比較器遲滯帶來上升延遲t1、下降延遲t2，則周期誤差為：

??
??? 采用兩個比較器的對稱結(jié)構(gòu)，保持Ich1=Ich2，Cl=C2，使得基準(zhǔn)電流對電容充放電的時間相同，有t1=t2。因此雙比較器對稱結(jié)構(gòu)設(shè)計可有效消除傳輸延遲的頻率偏差，提高振蕩器的精度。RS鎖存器由兩個NOR組成。
2．4 數(shù)字修調(diào)設(shè)計
??? 在振蕩器設(shè)計中，由于工藝偏差等原因會產(chǎn)生頻率偏差。為保證頻率精度，有必要采用數(shù)字修調(diào)控制可配置寄存器對振蕩器頻率進行矯正，以得到精準(zhǔn)的目標(biāo)頻率。
2．4．1 電流粗調(diào)頻率可選
??? 由圖2電路可見，開關(guān)管EN1閉合，EN2斷開時，Ich=I，選擇4 MHz頻率輸出；開關(guān)管EN1關(guān)閉，EN2斷開時，Ich=I1，選擇2 MHz頻率輸出。
2．4．2 電阻微調(diào)頻率
??? 帶隙基準(zhǔn)電路的電阻微調(diào)網(wǎng)絡(luò)如圖4所示。R按照RN=2n-1RLSB取值，所有開關(guān)由片上可配置寄存器控制，通過控制Tr1～Tr8，可使電阻在256階精度變化，使得基準(zhǔn)電壓Vbg的變化梯度為256階，從而實現(xiàn)頻率256階精度微調(diào)。

??? 十六進制寄存器為FFH狀態(tài)時，Tr1～Tr8全為1，開關(guān)管均閉合，Rtrim最小，基準(zhǔn)電壓Vbg輸出最小，振蕩器輸出最大頻率fmax；十六進制寄存器為00H狀態(tài)時，Tr1～Tr8全為O，開關(guān)管均斷開，Rtrim最大，基準(zhǔn)電壓Vbg輸出最大，振蕩器輸出最小頻率fmin。設(shè)置寄存器為80H狀態(tài)則對應(yīng)頻率振蕩器的中心頻率fOSC，該頻率可通過電阻網(wǎng)絡(luò)在fmin～fmax之間調(diào)節(jié)，可調(diào)精度為：

??
??? 在微調(diào)電阻陣列的設(shè)計中，要充分考慮晶體管的工藝偏差和開關(guān)的傳輸延遲，減小開關(guān)晶體管的導(dǎo)通電阻對trim電阻的影響。

3 測試結(jié)果及分析
??? 基于CSMC O．5 μm CMOS工藝對所提電路進行流片，其電路的顯微照片如圖5所示。

在室溫下對流片電路進行了頻率和數(shù)字修調(diào)測試，測試時EN1選通，可配置數(shù)字寄存器從00H變化到FFH狀態(tài)，頻率可調(diào)范圍為3．828～4．162 MHz，振蕩器輸出頻率fOSC=4．001 MHz，最大可微調(diào)步長為O．005 MHz／LSB，調(diào)節(jié)精度為O．125％；EN2選通，寄存器00H～FFH的可調(diào)范圍為1．942～2．054 MHz，振蕩器的輸出頻率fOSC=2．000 2 MHz，微調(diào)步長為O．002 MHz／LSB，調(diào)節(jié)精度為O．1％。對流片電路進行了溫度和電壓特性測試。
3．1 振蕩器的溫度特性
??? 振蕩器在00H，80H，F(xiàn)FH狀態(tài)下隨溫度的變化特性曲線如圖6所示。

??? 當(dāng)VDD=5 V，溫度范圍為-40～+125℃，頻率為4 MHz時，振蕩器的頻率變化為138 ppm／℃；頻率為2 MHz時，振蕩器的頻率變化為94 ppm／℃。
3．2 振蕩器的電源電壓變化特性
??? 圖7是2 MHz，4 MHz在00H，80H，F(xiàn)FH狀態(tài)下振蕩器頻率與電源電壓關(guān)系圖。當(dāng)t=25℃，電源電壓為3～6 V，頻率為4 MHz時，振蕩器的頻率變化為2．3％；當(dāng)頻率為2 MHz時，振蕩器的頻率變化僅為0．56％。表1總結(jié)了室溫下測得的振蕩器特性參數(shù)。

4 結(jié) 語
??? 基于0．5μm CMOS工藝設(shè)計一種頻率為2 MHz，4 MHz數(shù)字可調(diào)高精度振蕩器。經(jīng)流片測試表明，該振蕩器在3～5 V工作電壓下，-40～+125℃溫度范圍內(nèi)都具有較穩(wěn)定的工作頻率，4 MHz數(shù)字修調(diào)精度可達±0．125％；2 MHz數(shù)字修調(diào)精度可達±O．1％，該電路可嵌入到數(shù)字系統(tǒng)鐘作為片內(nèi)時鐘，亦可單獨作為時鐘芯片。所設(shè)計的振蕩器已應(yīng)用于LED驅(qū)動芯片中，并且具有極其廣泛的應(yīng)用前景。