CMOS鋸齒波振蕩器的分析與設(shè)計(jì)**（******大學(xué)，重慶400065）摘要：近年來，通信電子產(chǎn)品的電源供電系統(tǒng)多使用開關(guān)電源芯片。目前，PWM控制電路是開關(guān)電源的主要采用方式，PWM控制電路的核心功能部件是鋸齒波振蕩器現(xiàn)在的許多鋸齒波振蕩器雖然具備精度高、穩(wěn)定性好的特點(diǎn)，但受到電源電壓和環(huán)境溫度的影響較大。因此要求振蕩器在溫度、工藝、電源電壓和環(huán)境負(fù)載等變化以及漂移的條件下，能夠產(chǎn)生頻率穩(wěn)定的信號(hào)輸出。針對(duì)這個(gè)問題，本文設(shè)計(jì)一種適用于DC-DC開關(guān)電源的采用RC振蕩器結(jié)構(gòu)的CMOS鋸齒波振蕩器。關(guān)鍵詞：鋸齒波振蕩器；PWM；電壓比較器；振蕩頻率中圖分類號(hào)：TN914.53文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)：ATheanalysisanddesignoftheCMOSsawtooth

oscillatorGongShuang(TheChongqingUniversityofPostsandTelecommunications,Chongqing400065,P.R.China)Abstract：Inrecentyears,electronicproducts,communicationspowersupplysystemmulti-useswitchingpowerchip.Currently,PWMcontrolcircuitisaswitchingpowersupplymainlyintheway,thecorefeaturesPWMcontrolcircuitisasawtoothoscillator.Weaskoscillatoratatemperature,process,supplyvoltageandambientconditionschangeanddriftload,etc.,itispossibletoproduceastableoutputsignalfrequency.Althoughmanynowsawtoothoscillatorwithhighaccuracy,goodstability,butthelargersubjecttothesupplyvoltageandambienttemperature.Soforthisproblem,wedesignedoneforDC-DCswitchingpowersupplyusingRCoscillatostructureCMOSsawtoothoscillator.Keywords：Sawtoothoscillator；PWM；Voltagecomparator；Oscillationfrequency0前言隨著近幾年電子電力技術(shù)與微電子技術(shù)的發(fā)展，高效率、高頻化、集成化成為電子電源技術(shù)不斷向新方向發(fā)展的目標(biāo)，目前電源技術(shù)領(lǐng)域的重點(diǎn)傾向于高頻開關(guān)電源。尤其是近年來，電子產(chǎn)品性能不斷的提高，體積不斷的減小，相應(yīng)的對(duì)其電源系統(tǒng)的要求也越來越高，因此研究新型的開關(guān)電源控制芯片也就成為了熱點(diǎn)。在現(xiàn)今的大部分電子產(chǎn)品中DC-DC開關(guān)電源得到了廣泛的應(yīng)用，鋸齒波振蕩電路是其核心的功能部件。本文研究設(shè)計(jì)一種適用于DC-DC開關(guān)電源的鋸齒波振蕩器。本文的主要研究內(nèi)容為設(shè)計(jì)一個(gè)適用于DC-DC開關(guān)電源的鋸齒波振蕩器。為了產(chǎn)生穩(wěn)定的輸出信號(hào)，采用RC振蕩器的原理設(shè)計(jì)一個(gè)由誤差放大器、電壓比較器、與非門電路等器件組成的鋸齒波振蕩器。該鋸齒波振蕩器具有受電源電壓和溫度影響較小的特點(diǎn)。基于CSMC0.5um混合標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝，利用Spectre軟件對(duì)設(shè)計(jì)電路進(jìn)行仿真。對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析,1鋸齒波振蕩器的設(shè)計(jì)圖1鋸齒波振蕩器的設(shè)計(jì)圖2鋸齒波振蕩電路的設(shè)計(jì)圖1.1鋸齒波振蕩器設(shè)計(jì)原理常用的振蕩器電路結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中Vref為1.25V引腳輸入的是來自帶隙基準(zhǔn)源的1.25V的參考電壓信號(hào)，OSC是控制振蕩的電容輸出信號(hào)，CLK是最大占空比輸出信號(hào)用于給后級(jí)PWM信號(hào)信號(hào)形成邏輯電路提供輸入以便對(duì)PWM比較器的輸出調(diào)制信號(hào)的占空比進(jìn)行限制，Sawtooth則是所要求的鋸齒波輸出信號(hào)(2)誤差放大器的設(shè)計(jì)圖3誤差放大器設(shè)計(jì)電路圖圖1RCSawtooth則是所要求的鋸齒波輸出信號(hào)(2)誤差放大器的設(shè)計(jì)圖3誤差放大器設(shè)計(jì)電路圖圖中，電容C1起控制振蕩作用，而電容C2則產(chǎn)生鋸齒波信號(hào)。C2電路的設(shè)計(jì)是為了提高鋸齒波信號(hào)幅值，以增大PWM調(diào)制范圍。門限電壓由電阻R1、R2、R3、M7通過對(duì)基準(zhǔn)源提供的基準(zhǔn)1.25V進(jìn)行分壓得到，當(dāng)M7的柵極受到比較器的低輸出電平控制而使M7截止時(shí)到高門限電壓：匕=1.25xR212當(dāng)M7的柵極受到比較器的高輸出電平控制而使M7導(dǎo)通時(shí)，得到低門限電壓：匕T.25*r土：3r)123通過調(diào)節(jié)R1、R2、R3的大小即可準(zhǔn)確設(shè)置高門限電平V1和低門限電平V2。當(dāng)R3遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于R2時(shí)可使V2約等于零，能增加鋸齒波的幅值范圍。1.2鋸齒波振蕩器的設(shè)計(jì)本文設(shè)計(jì)的CMOS鋸齒波振蕩器的電路圖如圖2所示，其中帶隙基準(zhǔn)信號(hào)為Vref，輸入信號(hào)值為1.25V，鋸齒波振蕩器輸出信號(hào)為Va。它主要由誤差放大器和充放電控制電路兩個(gè)子模塊構(gòu)成，誤差放大器的設(shè)計(jì)有效地提高電路穩(wěn)定性，降低輸出電壓和基準(zhǔn)電壓的誤差。而充放電控制電路主要是由電壓比較器和與非門電路組成，通過對(duì)MOS管M5的控制實(shí)現(xiàn)。2.1誤差放大器的應(yīng)用誤差放大器作為DC-DC變換器中的重要組成部分，誤差放大器可以提高系統(tǒng)敏感度，調(diào)整精度，降低誤差，能夠檢測輸出電壓，并且將誤差信號(hào)放大，進(jìn)而改變變換器的發(fā)動(dòng)時(shí)間和輸出波紋，因此誤差放大器直接影響到變換器的輸出特性。對(duì)于電壓反饋PWM控制系統(tǒng)的降壓DC—DC變換器結(jié)構(gòu)。2.2誤差放大器的設(shè)計(jì)本文通過對(duì)各種電流電壓，輸出頻率，電路結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析和研究，設(shè)計(jì)了一款高增益、寬帶寬、靜態(tài)電流小的結(jié)構(gòu)簡單的誤差放大器。設(shè)計(jì)出一種應(yīng)用于電壓反饋PWM控制的DC—DC開關(guān)電源的誤差放大器。該放大器采用反饋結(jié)構(gòu)，具有較大的動(dòng)態(tài)范圍，并且能夠消除噪聲影響。如圖3所示：3電壓比較器的設(shè)計(jì)3.1電壓比較器的應(yīng)用電壓比較器的基本功能就是判斷兩個(gè)輸入電壓大小誰比較大。比較的結(jié)果用輸出電壓的高和低來表示。集成比較器和運(yùn)算放大器是電壓比較器經(jīng)常采用的組成方式。對(duì)于數(shù)字電路邏輯電平為了使它的高低輸出信號(hào)即電平滿足要求，必須使比較器和數(shù)字電路相連接，添加附加電路，并且對(duì)它的輸出電壓采取箝位措施，以保證輸出要求。3.2電壓比較器的設(shè)計(jì)近幾年，關(guān)于電壓比較器的研究有諸多報(bào)道，電壓比較器的種類和應(yīng)用也越來越廣泛。不過，無論如何，靠犧牲輸出擺幅來提高增益的傳統(tǒng)電壓比較器是不能達(dá)到滿幅度輸出的。針對(duì)這個(gè)問題，本文設(shè)計(jì)了一種由兩級(jí)放大器與三級(jí)反相器級(jí)聯(lián)的電壓比較器。圖4電壓比較器設(shè)計(jì)電路圖電工學(xué)里一種基本邏輯電路，是與門和非門的疊加，有兩個(gè)輸入和一個(gè)輸出。CMOS電路中的邏輯門有非門、與門、與非門、或非門、或門、異或門、異或非門，施密特觸發(fā)門、緩沖器、驅(qū)動(dòng)器等。非門也稱反相器，它是只有1個(gè)輸入端和1個(gè)輸出端的邏輯門。輸人為高電平時(shí)，輸出即為低電平；反之，輸人為低電平時(shí)，輸出為高電平。輸出與輸入總是反相或互補(bǔ)的。5.2與非門電路設(shè)計(jì)本文設(shè)計(jì)的與非門電路如圖6所示：4充放控制電路的設(shè)計(jì)圖6與非門電路的設(shè)計(jì)圖4.1充放控制電路結(jié)構(gòu)模型的設(shè)計(jì)圖5中的充放控制電路由圖13所示的電路結(jié)構(gòu)成，該電路主要包括了比較器COMP1、COMP2和與非門Nand1、Nand2等模塊。其中Nand1和Nand2的設(shè)計(jì)構(gòu)成RS觸發(fā)器。仿真結(jié)果與分析COW]Naud]6.1CMOS鋸齒波振蕩器的輸出頻率分析圖2中的I1相當(dāng)于圖3中的Iss，Iss電流源是由圖中的誤差放大器和晶體管M1、M2、M3以及R1電阻組成的電路產(chǎn)生的。負(fù)反饋系統(tǒng)依靠圖中的誤差放大器A1、晶體管M1以及R1組成。誤差放大器A1強(qiáng)制兩端電壓輸入值相等，也即是V1=Vref，從而得到流過R1電阻的電流IR為：圖5充放控制電路設(shè)計(jì)電路結(jié)構(gòu)模型4.2電壓比較器的仿真與分析根據(jù)圖3.5所示的電壓比較器電路設(shè)計(jì)圖，采用CSMC0.5um標(biāo)準(zhǔn)的CMOS混合工藝及Cadence畫出電路圖形，然后進(jìn)行仿真。通過直流掃描，得出PMOS和NMOS器件的寬長比分別為：表1電壓比較器MOS管的寬長比VI=-^4-RR1由PMOS晶體管M2、M3構(gòu)成的電流鏡，可知充電電流Iss為：（W/L）'ss_（W/L）3'r2(4)W(um)202088302083082.4L(um)2222222220.6W/L101044151041044MC123456789105與非門電路的設(shè)計(jì)圖2的控制電路由圖3所示電路中的電阻R2、R3、晶體管M4和充放電控制電路所構(gòu)成。由電路圖可以看出，晶體管M2和M4構(gòu)成電流鏡，因此晶體管M4處的漏電流I4等于：（W/L）4=（W/L）4R2(5)5.1與非門電路簡介電流I4通過電阻R2和電阻R3產(chǎn)生門限電(8)(9)(8)(9)圖7鋸齒波振蕩器輸出信號(hào)和充放控制電路的輸出信號(hào)仿真曲線7結(jié)束語壓VH和VL,由此可知：VH=14(R2+R3)(6)匕=14R3⑺假設(shè)電容C1的充電時(shí)間為TS,放電時(shí)問為Tf,鋸齒波信號(hào)振蕩周期T=Ts+Tf。根據(jù)圖3所示的電路結(jié)構(gòu)，充電時(shí)間TS與放電時(shí)間Tf可分別表示為：T_七(vh—匕)

s—ISST_匕(匕-V,)'S'SS綜合以上分析可知，圖3.2所示的鋸齒波振蕩器的輸出信號(hào)Va能獲得下降沿近似垂直；通過調(diào)整電容C的容值、電阻R1的阻值、MOS晶體管M3與M5的寬長比等，能獲得預(yù)期振蕩頻率的鋸齒波信號(hào)Va,其中Va振蕩頻率為f=1/T。6.2CMOS鋸齒波振蕩器電路仿真與分析根據(jù)圖2所示的鋸齒波振蕩器的電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖，采用CSMC0.5um標(biāo)準(zhǔn)的CMOS混合工藝及Cadence畫出電路圖形，然后進(jìn)行仿真。通過直流掃描，得出PMOS和NMOS器件的寬長比分別為：表2鋸齒波振蕩器電路CMOS管的長寬比M1M2M3M4M5W90u360u360u360u90uL0.6u2u2u2u2uW/L15018018018045表3鋸齒波振蕩器的電阻電容參數(shù)R1R2R3C1VrefInput60K70K10K50pF1.25V為驗(yàn)證鋸齒波振蕩器的性能特性，采用CSMC0.5um標(biāo)準(zhǔn)的CMOS混合工藝及Cadence的Spectre工具對(duì)電路進(jìn)行仿真驗(yàn)證。電源電壓設(shè)置為4V，電容為50PF，溫度在27°C下的鋸齒波振蕩器輸出信號(hào)Vramp以及充放控制電路的輸出信號(hào)Vm的瞬態(tài)仿真結(jié)果。仿真結(jié)果如圖7所示：由此可知，當(dāng)電容C1為50pF時(shí)，鋸齒波振蕩器的輸出信號(hào)振蕩頻率為262.05KHZ；當(dāng)電容C1為40pF時(shí)，振蕩頻率為320.83KHZ；當(dāng)電容C1為30pF時(shí)，振蕩頻率為416.93KHZ。可以看出，鋸齒波振蕩器的精度相當(dāng)高，滿足DC-DC開關(guān)電源的要求。本文利用RC振蕩器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了由誤差放大器、電壓比較器和與非門電路組成的充放控制電路等器件構(gòu)成的鋸齒波振蕩器。通過采用CSMC0.5um標(biāo)準(zhǔn)的CMOS混合工藝Cadence對(duì)電路進(jìn)行仿真，得出鋸齒波振蕩器的輸出信號(hào)頻率受電源電壓和溫度的影響非常小，各項(xiàng)性能特性完全滿足DC-DC開關(guān)電源的要求。參考文獻(xiàn)趙卉.電流控制模式單片開關(guān)電源的設(shè)計(jì)[D].電子科技大學(xué),2005.吳霜菊.平均電流模式PWM降壓開關(guān)電源設(shè)計(jì)[D].東南大學(xué),2004.朱樟明，楊銀堂.一種10-ppm/C低壓CMOS帶隙電壓基準(zhǔn)源設(shè)計(jì)[J].電路與系統(tǒng)學(xué)報(bào)，2004,9(4):118-120.TseCK,LaiYM,ChowMHL.Controlofbifurcationincurrent-programmedDC/DCconverters:analternativeviewpointoframpcompensation[C]//IndustrialElectronicsSociety,2000.IECON2000.26thAnnualConfjerenceoftheIEEE.IEEE,2000,4:2413-2418.ShenL,QuanyuanF.Designofasynchronizableoscillatorwithstablefrequency[C]//ASI