一種結(jié)構(gòu)簡單的低功耗振蕩器電路設(shè)計(jì)

摘要：給出了一種結(jié)構(gòu)簡單的低功耗振蕩器電路的設(shè)計(jì)方法，該電路由RC充放電回路、偏置電路組成。與傳統(tǒng)振蕩器電路相比，該電路具有精度高、電路結(jié)構(gòu)簡單以及輸出占空比可調(diào)等優(yōu)點(diǎn)。采用0．35 μm BCD工藝并利用Cadence Spectre仿真工具對電路進(jìn)行仿真，結(jié)果表明，在5 V工作電壓下，電路起振速度快，輸出波形穩(wěn)定，平均功耗僅0．29 mW。
關(guān)鍵詞：振蕩器電路；低功耗；RC振蕩器；CMOS

0 引言
振蕩器是許多電子系統(tǒng)中時(shí)鐘產(chǎn)生電路的重要組成部分。常用的振蕩器結(jié)構(gòu)有RC振蕩器、環(huán)形振蕩器和晶體振蕩器三種。RC振蕩器結(jié)構(gòu)簡單，成本低，且電路功耗也較低，因而成為應(yīng)用最普遍的一種振蕩器電路；但它有振蕩頻率穩(wěn)定性差，產(chǎn)生的頻率受電源電壓、環(huán)境溫度以及組成振蕩器的各種元器件的電學(xué)特性影響較大等缺點(diǎn)。
本文基于對傳統(tǒng)RC振蕩電路的分析，提出了一種新型的RC振蕩電路。該電路結(jié)構(gòu)簡單，能夠在不增加功耗的同時(shí)提高RC振蕩器的精度，且溫度系數(shù)小。此外，與傳統(tǒng)RC振蕩器相比，由于該電路包含兩個(gè)充電支路，因此，電路輸出波形的占空比可隨意調(diào)節(jié)。

1 傳統(tǒng)RC振蕩器
圖1所示為傳統(tǒng)的RC振蕩器電路，電路由保護(hù)電阻Rp、反饋電阻Rf兩個(gè)反向器U1和U2，以及一個(gè)耦合電容C組成。當(dāng)節(jié)點(diǎn)電壓Vi有極微小的正跳變發(fā)生時(shí)，U1的輸出迅速跳變?yōu)榈碗娖?，同時(shí)U2的輸出迅速跳變?yōu)楦唠娖?，電路進(jìn)入第一個(gè)暫穩(wěn)態(tài)，此時(shí)電容C開始通過電阻Rf放電。隨著電容C的放電電壓Vi逐漸下降，當(dāng)Vi下降到MOS管的閾值電壓VTH時(shí)，U1反向器的輸出迅速變?yōu)楦唠娖?，而U2反向器的輸出迅速跳變?yōu)榈碗娖?，電路進(jìn)入第二個(gè)暫穩(wěn)態(tài)，電容C通過電阻Rf開始充電。隨著電容C的充電，Vi不斷升高，當(dāng)Vi升至VTH時(shí)，電路又重新轉(zhuǎn)換為第一個(gè)暫穩(wěn)態(tài)。

假設(shè)保護(hù)電阻Rp足夠大，且Rf遠(yuǎn)大于反向器的導(dǎo)通電阻RON，則電路的振蕩周期為：
T=2.2RfC (1)
圖1中，RC振蕩器的頻率主要受電阻Rf、電容C以及反相器U1、U2的翻轉(zhuǎn)電平影響。U1、U2的翻轉(zhuǎn)電平受反相器內(nèi)部器件的特性和電源電壓的影響較大，并且該振蕩器的頻率精度不高，波形占空比不易調(diào)節(jié)。

2 新型振蕩器設(shè)計(jì)及分析
本設(shè)計(jì)的新型振蕩器電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。圖2中左邊的電路上下對稱，MOS管T5、T6以及反相器、與非門構(gòu)成振蕩器的主體部分，其余的器件為偏置部分。電容C1、C2的充放電時(shí)間決定著振蕩頻率，因此，通過改變C1、C2的電容值可以改變振蕩器的輸出頻率。