一種基于真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器的擴(kuò)展頻譜CMOS振蕩器的設(shè)計(jì)

在現(xiàn)代開(kāi)關(guān)電源的控制電路中，振蕩器" target="_blank">振蕩器對(duì)模擬電路和信號(hào)處理起著很重要的作用。在多數(shù)情況下，其工作頻率被設(shè)計(jì)為某一固定頻率或是基于一定負(fù)載的恒定值，在該工作頻率下存在大量的噪聲信號(hào)。如果振蕩器的頻率在某一頻率范圍內(nèi)隨機(jī)變化，噪聲信號(hào)就會(huì)分散在一定的頻率范圍，從而可以減小由諧振引起的噪聲，并有利于在頻譜范圍內(nèi)，最大限度地減小開(kāi)關(guān)電源的輸出信號(hào)噪聲峰值。本文提出了一種新型真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器的結(jié)構(gòu)，利用真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生的隨機(jī)序列控制振蕩器中恒流源的充電電流的大小，設(shè)計(jì)了一種擴(kuò)展頻譜CMOS振蕩器，可以用于改善DC／DC轉(zhuǎn)換器的噪聲性能。

1 擴(kuò)展頻譜振蕩器的結(jié)構(gòu)

整個(gè)電路的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，它由隨機(jī)序列發(fā)生器、振蕩器電路、整形電路及二分頻電路四部分組成。在外部使能信號(hào)和反饋時(shí)鐘的控制下，隨機(jī)序列發(fā)生器產(chǎn)生隨機(jī)信號(hào)，與整形電路的反饋信號(hào)一起控制振蕩器工作，這樣振蕩器中對(duì)電容充電電流的大小在一定范圍內(nèi)是隨機(jī)跳變的，因此振蕩器產(chǎn)生了隨機(jī)振蕩信號(hào)。在振蕩器中，通過(guò)改變電容的充電電流的大小，從而調(diào)節(jié)隨機(jī)振蕩器的振蕩信號(hào)的周期。振蕩器產(chǎn)生的振蕩信號(hào)經(jīng)過(guò)二分頻電路整形后產(chǎn)生的時(shí)鐘頻率在某一頻率范圍內(nèi)隨機(jī)變化。

2 真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器電路

2.1 設(shè)計(jì)思路

在以往的文獻(xiàn)]中，真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器的許多設(shè)計(jì)方法已經(jīng)產(chǎn)生。本電路設(shè)計(jì)的思路是利用D觸發(fā)器“振蕩采樣法”，核心部分是一個(gè)下降沿觸發(fā)的D觸發(fā)器，用于對(duì)兩個(gè)相對(duì)獨(dú)立的方波進(jìn)行數(shù)字混合，即將一個(gè)高頻方波送觸發(fā)器時(shí)鐘端，另一個(gè)低頻方波送入數(shù)據(jù)輸入端。但文獻(xiàn)提出了一種振蕩采樣法的結(jié)構(gòu)需要兩個(gè)振蕩器，電路復(fù)雜，不能滿足擴(kuò)展頻譜振蕩器的需要。

2.2 電路設(shè)計(jì)

通過(guò)對(duì)文獻(xiàn)振蕩采樣法的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，本文設(shè)計(jì)了一種僅需要一個(gè)振蕩器的隨機(jī)序列發(fā)生器。

當(dāng)使能信號(hào)EN為高電平時(shí)，整體電路如圖2所示。在此電路中共有17級(jí)D觸發(fā)器，第一個(gè)D觸發(fā)器實(shí)現(xiàn)對(duì)兩個(gè)獨(dú)立的方波進(jìn)行數(shù)字混合，后面16個(gè)D觸發(fā)器構(gòu)成一個(gè)16位的移位寄存器。為了補(bǔ)償輸出分布的不均勻，在采樣時(shí)鐘的節(jié)拍下，每次將第一個(gè)D觸發(fā)器采樣得到的單個(gè)隨機(jī)位逐次移位，然后將移位寄存器的第二個(gè)D觸發(fā)器的輸出與最后的D觸發(fā)器的輸出異或，此信號(hào)b12又被送入到第一個(gè)D觸發(fā)器的數(shù)據(jù)輸人端。電路的輸出信號(hào)為移位寄存器的后四位，即為：c5，c6，c7，a10。

在電路設(shè)計(jì)中，利用了異或電路把相隔14個(gè)時(shí)鐘的輸出值b7和a10相異或，這樣得到b12的預(yù)知輸出值的概率很小。其原理是根據(jù)高斯分布的特征之一，隨機(jī)變量(周期)的變化會(huì)引起標(biāo)準(zhǔn)變差的相同變化。如果我們考慮相隔14個(gè)周期的采樣值，而不是連續(xù)采樣值，這樣第14個(gè)時(shí)鐘邊緣相對(duì)于第一個(gè)時(shí)鐘邊緣的標(biāo)準(zhǔn)是原來(lái)的14倍。于是相隔多個(gè)周期的采樣值就會(huì)具有較小的相關(guān)性，預(yù)知輸出值的概率就很小。這樣，b7和a10相異或得到的b12信號(hào)是一預(yù)知概率很小的隨機(jī)信號(hào)，所以送入到第一個(gè)D觸發(fā)器的數(shù)據(jù)輸入端的信號(hào)為隨機(jī)信號(hào)。

綜上所述，在某范圍內(nèi)隨機(jī)采樣時(shí)鐘的節(jié)拍下，第一個(gè)D觸發(fā)器對(duì)輸入隨機(jī)數(shù)據(jù)b12進(jìn)行采樣得到隨機(jī)信號(hào)。為了得到分布均勻的輸出信號(hào)，將采樣所得到的隨機(jī)信號(hào)利用移位寄存器逐次移位，從而得到了分布均勻的四路隨機(jī)輸出信號(hào)c5，c6，c7，a10。

3 振蕩器電路設(shè)計(jì)

CMOS隨機(jī)振蕩器電路的工作原理圖如圖3所示。M1～M5，M7，M8，R1構(gòu)成了單位增益緩沖器，使，決定了振蕩器的充電電流基I1(I1=Vo／R1)，在設(shè)計(jì)時(shí)可以調(diào)節(jié)R1的大小實(shí)現(xiàn)對(duì)充電電流基I1的調(diào)整。M10～M18構(gòu)成了電壓比較器，利用M18，M19電流鏡產(chǎn)生單端輸出Vout。由M25產(chǎn)生鏡像電流I2，對(duì)時(shí)間常數(shù)電容C充電。隨機(jī)電流充電電路由隨機(jī)控制信號(hào)(V1～V4)隨機(jī)打開(kāi)M27～M30管，由于鏡像的作用，電容C充電電流變大，加快電容C充電速度，即改變了振蕩器的頻率。在電路中M21～M24各管的寬長(zhǎng)比比值設(shè)計(jì)為8：4：2：1，使振蕩器的振蕩頻率可以完全覆蓋某一頻率范圍，從而保證該振蕩器在某一頻率范圍內(nèi)連續(xù)隨機(jī)變化。

二分頻電路，將振蕩器輸出信號(hào)整形，實(shí)現(xiàn)方波輸出。

由于t放約占(t放+t充)的1％，因此計(jì)算時(shí)可以忽略t放，在仿真時(shí)改變R1的大小，就可以達(dá)到預(yù)期的目標(biāo)。

整個(gè)電路輸出時(shí)鐘為：

4 擴(kuò)展頻譜振蕩器整體電路的仿真結(jié)果

4.1 真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器電路的仿真

真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器電路的仿真如圖4所示。c5，c6，c7，a10為串聯(lián)的D觸發(fā)器中最后四位的輸出信號(hào)，從仿真結(jié)果中可見(jiàn)，在開(kāi)始幾個(gè)微秒內(nèi)，這四位隨機(jī)信號(hào)沒(méi)有變化，則輸出的時(shí)鐘信號(hào)的周期保持不變；在幾個(gè)微秒之后，這四位隨機(jī)信號(hào)隨機(jī)變化，則輸出時(shí)鐘的頻率以基頻為最小值隨機(jī)變化。此后，輸出時(shí)鐘信號(hào)的周期將隨著這四位隨機(jī)信號(hào)的改變而變化。

4.2 振蕩器整體電路的仿真

通過(guò)Cadence spectre仿真工具對(duì)電路進(jìn)行仿真驗(yàn)證，當(dāng)隨機(jī)開(kāi)關(guān)都關(guān)閉時(shí)振蕩器的振蕩頻率為1 MHz；而當(dāng)隨機(jī)開(kāi)關(guān)管都打開(kāi)時(shí)振蕩器的振蕩頻率為1.6 MHz。振蕩器的輸出為隨機(jī)信號(hào)如圖5所示。a2是對(duì)應(yīng)于Vout的輸出時(shí)鐘信號(hào)。從仿真波形可見(jiàn)，輸出時(shí)鐘信號(hào)a2的周期隨機(jī)變化，驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)的電路的正確性。

5 試驗(yàn)情況

將上述電路應(yīng)用于DC／DC轉(zhuǎn)換器電路，在輸出電流為500 mA，輸出電容為10 μF的條件下進(jìn)行整體測(cè)試。同時(shí)將DC／DC轉(zhuǎn)換器的頻率固定，即將振蕩器的隨機(jī)控制信號(hào)置為低電平，在輸出電流為500 mA，輸出電容為22μF的條件進(jìn)行整體測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明，使用擴(kuò)展頻譜振蕩器電路的轉(zhuǎn)換器的輸出電容值僅為固定頻率轉(zhuǎn)換器的一半，但是峰值大于20 dBm的輸出噪聲很明顯地減少了。由此可見(jiàn)，采用擴(kuò)展頻譜振蕩器的轉(zhuǎn)換器抑制噪聲的能力比工作頻率固定的轉(zhuǎn)換器強(qiáng)。

6 結(jié)語(yǔ)

本文利用真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生隨機(jī)信號(hào)控制充電恒流源電流大小，完成了一種擴(kuò)展頻譜振蕩器電路的設(shè)計(jì)。仿真結(jié)果表明，在5 V電源電壓下，利用隨機(jī)數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生的控制信號(hào)實(shí)現(xiàn)了擴(kuò)展頻譜振蕩器在1～1.6 MHz的范圍頻譜內(nèi)隨機(jī)變化，隨機(jī)振蕩信號(hào)性能良好，能滿足實(shí)際電路需要。