低温漂高电源抑制的双定时电容张弛振荡器
摘 要张弛振荡器目前被广泛的应用，所以需要其具有高稳定性高精度的特点。然而普通的单定时电容张弛振荡器存在延时的问题，所以采用双定时电容张弛振荡器，拥有两个定时电容的张弛振荡器不仅能够解决延时的问题，与此同时其输出信号的占空比更加精确。本文设计的张弛振荡器，采用帯隙基准电压源提供一个稳定的基准电压，并通过LDO电路传送到输出端后接片外电阻，从而减小温度对充电电流的影响；采用共源共栅电流镜将充电电流传送到电容，电流镜中的MOS管的宽W和长L设置成较大值，但W/L设置成较小值，从而减小电源电压变化和工艺抖动的影响。本文先对单个定时电容的窗口式张弛振荡器和双定时电容的张弛振荡器的工作原理及其性能进行了分析，重点研究了双定时电容张弛振荡器的温度、电源抑制两个特性，设计了一款新型的低温漂、高电源抑制的双定时电容张弛振荡器并采用cadence软件进行仿真验证。通过验证可以得到，本文设计的双定时电容张弛振荡器在温度和电源电压改变时，输出的结果与理论值偏差不大，可以满足此次设计的设计指标。
Key words：Relaxation oscillator; Power supply rejection ratio; Low temperature drift; Double timing capacitor 目 录
第一章 课题背景与意义 1
1.1张弛振荡器介绍 1
1.2 研究意义 2
1.3本文的研究内容和设计指标 2
1.3.1 研究内容 2
1.3.2 设计指标 3
第二章 张弛振荡器概述 4
2.1 振荡器的分类 4
2.1.1 张弛振荡器 4
2.2 窗口式张弛振荡器的工作原理及性能分析 4
2.2.1 窗口式张弛振荡器的工作原理 4
2.2.2 窗口式张弛振荡器的性能分析 5
2.3 双定时电容张弛振荡器的工作原理及性能分析 6
2.3.1 双定时电容张弛振荡器的工作原理 6
2.3.2 双定时电容张弛振荡器的性能分析 8
2.4 本章小结 8
第三章 高性能双定时电容张弛振荡器的设计 9
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072#
3.1 双定时电容张弛振荡器的低温漂特性设计 9
3.1.1 LDO电路的稳定性分析与设计 10
3.1.2 帯隙基准电压源的设计 14
3.2.帯隙基准的电源电压特性分析与设计 14
3.3充电电流产生电路的电源电压抑制能力设计 15
3.4整体电路的仿真验证 18
3.5本章小结 22
第四章 总结 23
第一章 课题背景与意义
1.1张弛振荡器介绍
图11是谐振变换器的结构原理图，通过交流整流滤波后能够产生所需的，或者通过蓄电池或者其余恒定电流源产生。直流电源通过开关结构部分之后形成交流方波信号，谐振由谐振结构网和交流方波信号共同组成，并且提供给输出负载的直流电压和直流电流是通过整流和滤波的谐振电压或者是电流。
图11 谐振变换器的结构图
谐振变换器相比脉宽调制变换器的优势在于，谐振变换器结构中的以功率管组成的开关会在零电压和零电流的时候连通和断开，构成一个软开关，能够减小开关的损耗，提高工作效益。
从图12中可以看出，一个半桥结构加上一个LLC谐振网络共同组合成半桥LLC谐振变换器。半桥结构被M1和M2两个功率管组成，HO和LO是两个互补的方波信号，并且能够决定M1和M2的连接或断开。避免M1、M2两个功率开关管发生直通的方式是在两个互补的方波信号之间增加死区时刻；LLC谐振网络的组成部分是电容Cr、电感Lr和变压器上面的励磁电感Lm。图12里D1和D2两个二极管可以全波整流，可以让负载使用的电压是在输出电容Co滤波后的输出电压。
图12 半桥LLC的谐振变换器
研究半桥LLC谐振变换器之后发现它的直流的增益为：
（1.1）
其中，(为电感系数；
fn为归一化频率，f为芯片的输出频率；
Q为品质因数，Q；
Zo为特性阻抗，；
通过公式（1.1）可看出，为了让半桥LLC谐振系统可以输出恒定的电流，采用的方式为调节芯片工作频率以及谐振频率互相影响去调制，它的内置振荡器能够控制芯片的工作频率，从图13中可以看出。所以，LLC谐振系统最需要的内置的振荡器所必需的条件是要具有高精度并且稳定性优良等条件。
图13芯片内部结构图
1.2 研究意义
一些成本比较低、能大范围调节频率、占空比能够达到 50% 这些优势的振荡器多部分被应用在当前的产品中。然而，这些张弛振荡器也具有一些劣势，例如受温度影响大、被电源电压大幅干扰等。本文对张驰振荡器进行研究，研究了它受温度影响和电源电压影响的的产生并且分析了对它的输出频率的干扰，研究出了一种低温漂、能够较高地抑制电源的两个定时电容的张弛振荡器，可以供给一个精度较高、能够保持稳定的控制信号。
1.3本文的研究内容和设计指标
1.3.1 研究内容
本文的任务是研究出一种受温度影响小、能够抑制电源变化产生影响的具有两个定时电容的张弛振荡器。在集成电路中，被大批应用的张弛振荡器应具备启动时间短、方便调节频率、比较低的成本、容易被集成这些优势。然而张弛振荡器也容易被工作时电压的改变和外界温度改变而产生影响。本文对张弛振荡器被温度和电源电压的影响的过程研究分析，研发出一种受温度影响不大、能够较高抑制电源改变产生的影响的两个定时电容的张弛振荡器，重点研究内容为：
（1）充分研究思考其被温度、电源电压影响的原理；
（2）对其实施具有优良特性的设计；
（3）进行仿真验证；
1.3.2 设计指标
本论文最后的目标是想要研究出高精度并且稳定性优良的张弛振荡器，并且进行仿真工作。此处张弛振荡器的各项指标为：
（1）振荡器里占空比是50%的输出信号的误差≤4%
（2）在1315V的电压区间改变，振荡器的输出频率偏差≤6.5%
（3）在40℃—125℃的温度区间变化，振荡器的输出频率偏差≤8%
张弛振荡器概述
2.1 振荡器的分类
2.1.1 窗口张弛振荡器
在图21中，充电电流Icharge和放电电流Idischarge分别作用于充放电电容也就是定时电容C从而进行充电和放电，电容C上的电压变化区间受COMP1和2的VH和VL来掌控，（VH和VL是参考电平），RS触发器被COMP1和2单独触发，影响并且转换Q端的电平，进一步控制开关M1和M2的断连达到电容反复充放电的目的。
图21中窗口张弛振荡器被工作时候的电压变化和外界的温度改变的影响比较大，但是大多振荡器应该都必须具有很高的准确度、并可以不受外界温度改变和自身电源的电压改变时的干扰，所以本文的重中之重就是提升张弛振荡器的准确度和稳定能力。
Key words：Relaxation oscillator; Power supply rejection ratio; Low temperature drift; Double timing capacitor 目 录
第一章 课题背景与意义 1
1.1张弛振荡器介绍 1
1.2 研究意义 2
1.3本文的研究内容和设计指标 2
1.3.1 研究内容 2
1.3.2 设计指标 3
第二章 张弛振荡器概述 4
2.1 振荡器的分类 4
2.1.1 张弛振荡器 4
2.2 窗口式张弛振荡器的工作原理及性能分析 4
2.2.1 窗口式张弛振荡器的工作原理 4
2.2.2 窗口式张弛振荡器的性能分析 5
2.3 双定时电容张弛振荡器的工作原理及性能分析 6
2.3.1 双定时电容张弛振荡器的工作原理 6
2.3.2 双定时电容张弛振荡器的性能分析 8
2.4 本章小结 8
第三章 高性能双定时电容张弛振荡器的设计 9
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072#
3.1 双定时电容张弛振荡器的低温漂特性设计 9
3.1.1 LDO电路的稳定性分析与设计 10
3.1.2 帯隙基准电压源的设计 14
3.2.帯隙基准的电源电压特性分析与设计 14
3.3充电电流产生电路的电源电压抑制能力设计 15
3.4整体电路的仿真验证 18
3.5本章小结 22
第四章 总结 23
第一章 课题背景与意义
1.1张弛振荡器介绍
图11是谐振变换器的结构原理图，通过交流整流滤波后能够产生所需的，或者通过蓄电池或者其余恒定电流源产生。直流电源通过开关结构部分之后形成交流方波信号，谐振由谐振结构网和交流方波信号共同组成，并且提供给输出负载的直流电压和直流电流是通过整流和滤波的谐振电压或者是电流。
图11 谐振变换器的结构图
谐振变换器相比脉宽调制变换器的优势在于，谐振变换器结构中的以功率管组成的开关会在零电压和零电流的时候连通和断开，构成一个软开关，能够减小开关的损耗，提高工作效益。
从图12中可以看出，一个半桥结构加上一个LLC谐振网络共同组合成半桥LLC谐振变换器。半桥结构被M1和M2两个功率管组成，HO和LO是两个互补的方波信号，并且能够决定M1和M2的连接或断开。避免M1、M2两个功率开关管发生直通的方式是在两个互补的方波信号之间增加死区时刻；LLC谐振网络的组成部分是电容Cr、电感Lr和变压器上面的励磁电感Lm。图12里D1和D2两个二极管可以全波整流，可以让负载使用的电压是在输出电容Co滤波后的输出电压。
图12 半桥LLC的谐振变换器
研究半桥LLC谐振变换器之后发现它的直流的增益为：
（1.1）
其中，(为电感系数；
fn为归一化频率，f为芯片的输出频率；
Q为品质因数，Q；
Zo为特性阻抗，；
通过公式（1.1）可看出，为了让半桥LLC谐振系统可以输出恒定的电流，采用的方式为调节芯片工作频率以及谐振频率互相影响去调制，它的内置振荡器能够控制芯片的工作频率，从图13中可以看出。所以，LLC谐振系统最需要的内置的振荡器所必需的条件是要具有高精度并且稳定性优良等条件。
图13芯片内部结构图
1.2 研究意义
一些成本比较低、能大范围调节频率、占空比能够达到 50% 这些优势的振荡器多部分被应用在当前的产品中。然而，这些张弛振荡器也具有一些劣势，例如受温度影响大、被电源电压大幅干扰等。本文对张驰振荡器进行研究，研究了它受温度影响和电源电压影响的的产生并且分析了对它的输出频率的干扰，研究出了一种低温漂、能够较高地抑制电源的两个定时电容的张弛振荡器，可以供给一个精度较高、能够保持稳定的控制信号。
1.3本文的研究内容和设计指标
1.3.1 研究内容
本文的任务是研究出一种受温度影响小、能够抑制电源变化产生影响的具有两个定时电容的张弛振荡器。在集成电路中，被大批应用的张弛振荡器应具备启动时间短、方便调节频率、比较低的成本、容易被集成这些优势。然而张弛振荡器也容易被工作时电压的改变和外界温度改变而产生影响。本文对张弛振荡器被温度和电源电压的影响的过程研究分析，研发出一种受温度影响不大、能够较高抑制电源改变产生的影响的两个定时电容的张弛振荡器，重点研究内容为：
（1）充分研究思考其被温度、电源电压影响的原理；
（2）对其实施具有优良特性的设计；
（3）进行仿真验证；
1.3.2 设计指标
本论文最后的目标是想要研究出高精度并且稳定性优良的张弛振荡器，并且进行仿真工作。此处张弛振荡器的各项指标为：
（1）振荡器里占空比是50%的输出信号的误差≤4%
（2）在1315V的电压区间改变，振荡器的输出频率偏差≤6.5%
（3）在40℃—125℃的温度区间变化，振荡器的输出频率偏差≤8%
张弛振荡器概述
2.1 振荡器的分类
2.1.1 窗口张弛振荡器
在图21中，充电电流Icharge和放电电流Idischarge分别作用于充放电电容也就是定时电容C从而进行充电和放电，电容C上的电压变化区间受COMP1和2的VH和VL来掌控，（VH和VL是参考电平），RS触发器被COMP1和2单独触发，影响并且转换Q端的电平，进一步控制开关M1和M2的断连达到电容反复充放电的目的。
图21中窗口张弛振荡器被工作时候的电压变化和外界的温度改变的影响比较大，但是大多振荡器应该都必须具有很高的准确度、并可以不受外界温度改变和自身电源的电压改变时的干扰，所以本文的重中之重就是提升张弛振荡器的准确度和稳定能力。
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