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单片弛张振荡器的温度补偿方法

发布时间:2020-06-30 15:53:27 阅读: 来源:铡草机厂家

1 引言

本文引用地址: 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。

设i1=i2=ic,则

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, (3)式将变为

(4)式将变为

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1 685ppm/℃。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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