单片弛张振荡器的温度补偿方法
时间：2006-10-25 10:36:00
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[导读]本文提出一种适用于这种结构振荡器的片内温度补偿方案，可以简单方便地获得更好的温度性能。
1 引言
弛张充放电振荡器在PWM电源和电容传感器中都得到了广泛的应用，也常常作为时钟产生电路用在单片功率集成电路中。但是，由于这种振荡器结构的特殊性，一般的弛张振荡器输出频率受环境温度的变化影响较大，温度性能较差。为了获得较好的温度性能，一般都要采用恒温槽等措施，但增大了体积和成本。为此，本文提出一种适用于这种结构振荡器的片内温度补偿方案，可以简单方便地获得更好的温度性能。
2 弛张振荡器的工作原理
弛张振荡器的一般结构如图1所示。弛张振荡器的工作过程如下：先用一个电流源I1向电容器C充电，这时电容器上的电压会不断上升，将电容器上的电压通过比较器与设定的阈值电压相比较。当电容器上的电压高于电位比较器的阈值电压V2时，控制部分将会控制开关动作，使I1断开，I2导通，电容器开始通过I2放电，电容器的电压开始下降，设此时的时刻为t2。当电容器的电压下降到低于低位比较器的阈值电压V1时，控制部分再次使开关动作，使I1导通，I2断开，I1又重新对电容器充电，设此时的时刻为t1。这样不停反复就可以在电容器上输出连续不断的振荡波形。
如果保持IC、C不变，则由（4）式看出电容器的充放电时间是由电容器电压的幅度唯一决定的。可通过调节2个比较器的阈值电压来调节电容器的电压幅度，从而可方便地调节振荡器的输出频率。以上分析在各个电路无时延的条件下获得的。
3 温度对输出电压频率的影响
3.1 产生频率误差的原因
任何电路结构都存在不同程度的延时。在这种结构的振荡器中，比较器和控制部分也存在一定的延时，虽然可以采用高速比较器和尽可能简单的控制结构来减少延时，但是始终无法消除延时带来的影响。因此，当电容器上的电压已经上升或下降到需要开关动作时，由于比较器和控制部分的延时Δτ使得开关往往要经过一段时间后才会动作，而在这段时间内，I1（I2）还在继续对电容器充电（放电）,因此输出电压与Uc相比会产生误差（ICΔτ）/C，此时，
可以看出输出电压频率与设计值产生了偏差。
3.2 温度对输出频率的影响
显然，在不同温度条件下比较器和控制部分的延时是不一样的。由于主要考察延时对输出频率的影响，因此设在不同温度条件下IC和C保持不变，在温度T1时，比较器和控制部分产生的延时为Δτ1，在温度T2时产生的延时为Δτ2。则（5）式和（7）式可写为
从（8）式可以看出，在不同的温度条件下电容器的充放电时间发生了的变化Δt，从而导致输出电压的频率随温度而变化。
图2给出在没有温度补偿的情况下，采用CSMC 0.6μm双层金属、双层多晶硅工艺下和使用Hspice仿真出来的振荡器输出波形。其中，取IC为250μA，C为5pE，比较器采用的是参考文献[2]中介绍的高速比较器方案，低位比较器的阈值电压为2.4V，高位比较器的阈值电压为2.5V。图中T1、T2、T3分别为－40℃、27℃、85℃时的输出波形。把振荡器27℃时的输出频率设计为20MHz，测出此时振荡器的温度系数约为1685ppm/℃。图3中的曲线1给出近似的输出电压幅度与温度的关系，正如上面所推导的一样，在不同的温度条件下输出的电压幅度并不相等。
4 温度补偿的实现
为了消除温度对输出频率的影响，从（12）式可以看出还必须使Δt＝0。为了实现上述要求，令T1时的V2＝V’2；T2时的V2＝V”2，V1保持不变，则（9）、（11）式改写为（13）式或（17）式：
从（17）式可以看出，为了消除温度对输出频率的影响，可以使电容电压在不同温度条件下取不同的电容值来实现。只要它们能满足（17）式的条件，就可以得到零温度系数的输出频率。在振荡器中，电容器电压是由比较器的阈值电压控制的，可以通过调节比较器的阈值电压来满足要求。在芯片设计中，比较器的阈值电压一般由基准源提供。基准源往往根据带隙原理来调整它的温度系数。一般会尽量调节使其具有零温度系数。但从需要出发，也可以把它调试成所需的非零温度系数。因此，可使令低位比较器的阈值电压不变，只调节高位比较器的阈值电压使其具有负温度的系数，这样，随着温度的增大UC不断降低，输出的频率较为恒定。在图3中，为了研究的方便，使输出电压与温度的关系近似为直线1。根据上述推导，以振荡器输出电压的中间值为轴，曲线1水平翻转，得到的曲线3为基准源的输出幅度曲线，从而可获得整个温度范围内的最好温度补偿效果。此时需要把基准源的温度系数调节到大约1 319ppm/℃。
图4示出按上述方法进行温度补偿的振荡器的输出波形。由于使输出电压幅度与温度的关系近似线性化，因此与实际输出曲线存在一定的误差，仍旧无法得到零温度系数的输出波形。为了仿真的方便，把比较器的阈值电压外接，人为地按照上述要求调节高位比较器的阈值电压。图4中，T1、T2、T3分别为－40℃、27℃、85℃时的输出波形。可以看出输出电压的幅度随着温度的变化而大大减小，此时仍把27℃时的输出频率设计为20MHz，测出此时振荡器的温度系数为115ppm/℃。比起没有温度补偿的温度系数有了很大的提高。
5 结束语
针对一般弛张振荡器温度系数较差的缺点，提出了一种新的片内温度补偿方案。只要在设计基准源的时候结合振荡器的要求来确定它的温度系数，就可以方便地使振荡器获得较好的温度性能，同时并不增加它的面积和成本，具有较大的实用性。
弛张充放电振荡器在PWM电源和电容传感器中都得到了广泛的应用，也常常作为时钟产生电路用在单片功率集成电路中。但是，由于这种振荡器结构的特殊性，一般的弛张振荡器输出频率受环境温度的变化影响较大，温度性能较差。为了获得较好的温度性能，一般都要采用恒温槽等措施，但增大了体积和成本。为此，本文提出一种适用于这种结构振荡器的片内温度补偿方案，可以简单方便地获得更好的温度性能。
2 弛张振荡器的工作原理
弛张振荡器的一般结构如图1所示。弛张振荡器的工作过程如下：先用一个电流源I1向电容器C充电，这时电容器上的电压会不断上升，将电容器上的电压通过比较器与设定的阈值电压相比较。当电容器上的电压高于电位比较器的阈值电压V2时，控制部分将会控制开关动作，使I1断开，I2导通，电容器开始通过I2放电，电容器的电压开始下降，设此时的时刻为t2。当电容器的电压下降到低于低位比较器的阈值电压V1时，控制部分再次使开关动作，使I1导通，I2断开，I1又重新对电容器充电，设此时的时刻为t1。这样不停反复就可以在电容器上输出连续不断的振荡波形。
如果保持IC、C不变，则由（4）式看出电容器的充放电时间是由电容器电压的幅度唯一决定的。可通过调节2个比较器的阈值电压来调节电容器的电压幅度，从而可方便地调节振荡器的输出频率。以上分析在各个电路无时延的条件下获得的。
3 温度对输出电压频率的影响
3.1 产生频率误差的原因
任何电路结构都存在不同程度的延时。在这种结构的振荡器中，比较器和控制部分也存在一定的延时，虽然可以采用高速比较器和尽可能简单的控制结构来减少延时，但是始终无法消除延时带来的影响。因此，当电容器上的电压已经上升或下降到需要开关动作时，由于比较器和控制部分的延时Δτ使得开关往往要经过一段时间后才会动作，而在这段时间内，I1（I2）还在继续对电容器充电（放电）,因此输出电压与Uc相比会产生误差（ICΔτ）/C，此时，
可以看出输出电压频率与设计值产生了偏差。
3.2 温度对输出频率的影响
显然，在不同温度条件下比较器和控制部分的延时是不一样的。由于主要考察延时对输出频率的影响，因此设在不同温度条件下IC和C保持不变，在温度T1时，比较器和控制部分产生的延时为Δτ1，在温度T2时产生的延时为Δτ2。则（5）式和（7）式可写为
从（8）式可以看出，在不同的温度条件下电容器的充放电时间发生了的变化Δt，从而导致输出电压的频率随温度而变化。
图2给出在没有温度补偿的情况下，采用CSMC 0.6μm双层金属、双层多晶硅工艺下和使用Hspice仿真出来的振荡器输出波形。其中，取IC为250μA，C为5pE，比较器采用的是参考文献[2]中介绍的高速比较器方案，低位比较器的阈值电压为2.4V，高位比较器的阈值电压为2.5V。图中T1、T2、T3分别为－40℃、27℃、85℃时的输出波形。把振荡器27℃时的输出频率设计为20MHz，测出此时振荡器的温度系数约为1685ppm/℃。图3中的曲线1给出近似的输出电压幅度与温度的关系，正如上面所推导的一样，在不同的温度条件下输出的电压幅度并不相等。
4 温度补偿的实现
为了消除温度对输出频率的影响，从（12）式可以看出还必须使Δt＝0。为了实现上述要求，令T1时的V2＝V’2；T2时的V2＝V”2，V1保持不变，则（9）、（11）式改写为（13）式或（17）式：
从（17）式可以看出，为了消除温度对输出频率的影响，可以使电容电压在不同温度条件下取不同的电容值来实现。只要它们能满足（17）式的条件，就可以得到零温度系数的输出频率。在振荡器中，电容器电压是由比较器的阈值电压控制的，可以通过调节比较器的阈值电压来满足要求。在芯片设计中，比较器的阈值电压一般由基准源提供。基准源往往根据带隙原理来调整它的温度系数。一般会尽量调节使其具有零温度系数。但从需要出发，也可以把它调试成所需的非零温度系数。因此，可使令低位比较器的阈值电压不变，只调节高位比较器的阈值电压使其具有负温度的系数，这样，随着温度的增大UC不断降低，输出的频率较为恒定。在图3中，为了研究的方便，使输出电压与温度的关系近似为直线1。根据上述推导，以振荡器输出电压的中间值为轴，曲线1水平翻转，得到的曲线3为基准源的输出幅度曲线，从而可获得整个温度范围内的最好温度补偿效果。此时需要把基准源的温度系数调节到大约1 319ppm/℃。
图4示出按上述方法进行温度补偿的振荡器的输出波形。由于使输出电压幅度与温度的关系近似线性化，因此与实际输出曲线存在一定的误差，仍旧无法得到零温度系数的输出波形。为了仿真的方便，把比较器的阈值电压外接，人为地按照上述要求调节高位比较器的阈值电压。图4中，T1、T2、T3分别为－40℃、27℃、85℃时的输出波形。可以看出输出电压的幅度随着温度的变化而大大减小，此时仍把27℃时的输出频率设计为20MHz，测出此时振荡器的温度系数为115ppm/℃。比起没有温度补偿的温度系数有了很大的提高。
5 结束语
针对一般弛张振荡器温度系数较差的缺点，提出了一种新的片内温度补偿方案。只要在设计基准源的时候结合振荡器的要求来确定它的温度系数，就可以方便地使振荡器获得较好的温度性能，同时并不增加它的面积和成本，具有较大的实用性。
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