摘 要： 提出了一種結構簡單的CMOS電流控制模式振蕩器。該電路利用系統內部參考電壓和外接電阻產生的電流信號對電容進行充放電，通過調節外接電阻大小，振蕩器輸出頻率在660 kHz～4.15 MHz內可調。
關鍵詞： 振蕩器；CMOS；頻率
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振蕩器在許多電子系統中應用廣泛。作為時鐘產生電路，常用于單片集成電路中[1]，其主要功能是：產生周期性的脈沖信號，輸出控制邏輯電路的時序，使其和驅動模塊結合產生驅動功率器件的驅動信號。它對電路的信號處理性能有很大影響。但在一般的應用場合，要求在電源電壓、溫度等變化或漂移的條件下，振蕩電路能夠產生頻率穩定的信號輸出[2]。
在開關電源的時鐘產生電路中，常用到電流控制振蕩器。在傳統的電流控制振蕩器中,元件參數確定后，振蕩器輸出頻率固定不變[3]，不能滿足時鐘信號和驅動信號可變的需求。
文中振蕩器通過對電容充放電產生鋸齒波，經過遲滯比較器實現矩形波輸出。根據外接電阻大小確定電容充放電電流，通過調節外接電阻大小，設定振蕩輸出波形的頻率，實現頻率在660 kHz～4.15 MHz范圍內可調。具有很強的實用性。
1 電路結構及原理分析
1.1 電路原理
振蕩器電路的基本原理圖如圖1所示，包括電流產生電路、遲滯比較器、恒流源充放電回路、控制電路四部分。
該電路利用帶隙基準源與外接電阻產生精確電流I0，采用電流鏡產生鏡像電流I1、I2，通過電流I1對電容C進行放電，通過電流I2對電容C進行充電，從而形成了一個振蕩周期。
電路工作原理：通過V-I變換電路產生充放電電流，當電容電壓低于比較器正向閾值電壓時，電流源I2開始向電容C充電，使電容電壓升高，超過正向閾值電壓時，比較器電壓狀態轉換，電容C通過M16放電。電路如此循環工作，便在輸出端產生振蕩信號。
1.2 振蕩器電路分析
圖2是圖1振蕩器原理圖的具體實現電路。由于在集成電路中不易直接實現精確的電流源，所以先產生一個精確的參考電壓Vref，然后通過一個V-I變換電路，產生兩個精確的充放電電流：I1和I2。圖2中的電阻Rt是外接的精密電阻，電路中M1～M9構成的運算放大器將A點箝位在參考電壓Vref，因此流過Rt的電流為：
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M12與M10、M17與M13以及M14與M10組成三組電流鏡[4]，如果M12與M10、M17與M13以及M14與M10的寬長比分別是(W/L)12/(W/L)10、(W/L)17/(W/L)13和(W/L)14/(W/L)10，則充放電電流I1和I2可表示為：
M19～M29構成遲滯比較器，在以往的比較器電路中，一般單級增益不高，并以犧牲輸出電壓范圍來提高增益，進而不能達到滿幅度輸出，導致電路性能不好[5]。本設計的比較器電路采用三級放大，第一級是差分輸入級將雙端變單端輸出，M21和M22作為輸入對管，M23和M24作為電流源負載；第二級為CMOS共源放大器，由M26和M27組成；第三級為推挽式CMOS單級放大器，由M28和M29組成，由于CMOS反相器作為輸出級，所以能達到滿幅度輸出。遲滯比較器在開環條件下工作，因此不需要考慮放大器閉環穩定工作的頻率補償問題。
如果輸出初始狀態為低電平，M15導通，M16截止，電流經過M14、M15對電容C充電，由于電流恒定不變，所以電容兩端的電壓線性上升，同時由于比較器輸出為低電平，使得M25截止，比較器的負向輸入端電壓被箝位在正向閾值電壓VOH，其中：
當電容C兩端的電壓超過了正向閾值電壓時，比較器輸出變為高電平，M16導通，M15截止，電容C經過M16、M17放電，同樣電容兩端的電壓亦線性下降；又因為M25導通，比較器負向輸入端電壓被箝位到負向閾值電壓VOL，其中：
1.3 輸出頻率計算
振蕩器信號的頻率由恒定電流源對電容的充放電時間決定。
放電時間：
分析式(6)和式(7)可知，改變k1、k2的值可以調整電流I1和I2的大小，從而改變充電時間和放電時間，達到設定占空比的目的。
輸出振蕩信號的周期就是電容C的充電時間和電容C的放電時間之和，因此輸出頻率為：
分析式(2)、式(3)和式(8)，通過控制外接電阻Rt的大小，改變電流I1、I2的大小，實現調節振蕩器頻率的功能。
2 仿真結果
根據上面的分析結果, 基于0.5μm標準CMOS工藝模型, 利用HSPICE對電路進行模擬仿真。在模擬仿真過程中, 各器件的參數有所優化。電路輸出波形如圖3所示，其中VDD=5V，Rt固定150kΩ不變，放電電流I1等于充電電流I2，故輸出占空比為50％的方波。
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圖4為輸出頻率與電阻Rt的關系曲線，其中VDD=5 V，Rt從50kΩ變化到750kΩ，振蕩器輸出頻率由4.15 MHz變化到660 kHz。因此，本文提出的振蕩器很好地實現了頻率可控。
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3 結論分析
利用內部基準源和外接精密電阻調節電容的充放電電流，在5 V電源電壓下，經過比較器電路作用后，上升時間和下降時間非常小，使產生的輸出振蕩波形更接近理想矩形波；通過調節外接電阻大小，設定振蕩器輸出波形在頻率范圍660 kHz~4.15 MHz內可調，實現了一種結構簡單的電流控制振蕩器。
參考文獻
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[2] YU Shu Huan，CHEN Yi Ming，GUO Wei Dong，et al.A?digital trim controlled on-chip RC oscillator[A].Proceedings of the 44th IEEE 2001 Midwest Symposium Circuits and?Systems[C].2001：882-885.
[3] 孫嘉興，于曉鵬.一種簡單的電流控制振蕩器[J].遼寧大學學報(自然科學版)2008，35(1)：21-23.
[4] BEHZAD RAZAvI.Design of analog CMOS integrated circuit[M].New York：McGraw Hill，2001：135-139.
[5] ALLEN P E，HOLBERG D R.CMOS analog circuit design?2nd ed[M].Oxford：Oxford University Press，Inc.2002：439-483.