论文总字数：28911字

摘 要

振荡器作为一种重要的信号产生电路，常被集成在智能功率芯片中用于脉冲宽度调制及电路刷新，振荡器精度和稳定性直接影响脉冲宽度调制及电路刷新信号正常与否。因此，一个高线性度、稳定性良好的张弛振荡器对智能功率驱动芯片的可靠性极为重要。

本文系统性地分析了传统张弛振荡器的工作原理和造成其控制非线性的主要原因，围绕提升线性度，本文采用了自调整参考电压的反馈网络，设计了由峰值检测保持电路、缓冲电路、减法器和传输门电路组成的参考电压反馈网络，通过调整比较器参考电压大小，进而消除电路延时对控制振荡器输出频率的非线性影响。同时，为了兼顾振荡器的温度特性和电源电压抑制特性，本文设计了一种改进后自举式电流源，用于提供振荡器电容的充电电流，在保持结构较为简单的前提下，有效地改善了振荡器的温度特性和电源电压特性。另外，本文还设计了振荡器电路中使用的运算放大器电路和RS触发器电路，以满足整体电路设计的需求。

本设计采用cadence软件进行仿真，仿真结果显示，本文设计的张弛振荡器，在75kHz至500kHz频率范围内的线性误差绝对值小于0.567%，在-40℃至125℃温度范围内的频率误差绝对值小于0.455%，在电源电压从5V至7V变化时频率误差绝对值小于0.485%，电路静态功耗为25uW，以上指标均达到设计要求。

关键词：张弛振荡器，高线性度，反馈，自举式电流源

Abstract

As an important signal generation circuit, the oscillator is often integrated in the smart power chip for pulse width modulation and circuit refresh. The accuracy and stability of the oscillator directly affect the pulse width modulation and circuit refresh signal is normal or not. Therefore, a highly linear and stable relaxation oscillator is very important for the reliability of smart power-driven chips.

This paper systematically analyzes the working principle of the traditional relaxation oscillator and the main reason that causes it to control the non-linearity. In order to improve the linearity, this paper uses a self-adjusting reference voltage feedback network and designs a peak detection and hold circuit, a buffer circuit, A reference voltage feedback network consisting of a subtractor and a transmission gate circuit adjusts the reference voltage of the comparator to eliminate the nonlinear influence of the circuit delay on the output frequency of the control oscillator. At the same time, in order to take into account the temperature characteristics of the oscillator and the power supply voltage suppression characteristics, an improved bootstrapped current source is designed in this paper. It is used to provide the charging current of the oscillator capacitor, and it is effectively improved under the premise of keeping the structure simple. Oscillator temperature characteristics and supply voltage characteristics. In addition, the operational amplifier circuit and RS flip-flop circuit used in the oscillator circuit are designed to meet the needs of the overall circuit design.

This design used cadence software to simulate. The simulation results show that the relaxation oscillator designed in this paper has an absolute value of linear error in the frequency range from 75kHz to 500kHz of less than 0.567%, and the absolute value of the frequency error in the temperature range from -40°C to 125°C. Less than 0.455%, when the power supply voltage changes from 5V to 7V, the absolute value of the frequency error is less than 0.485%, and the static power consumption is 25uW. The above indicators meet the design requirements.

KEY WORDS: relaxation oscillator, high linearity, feedback, bootstrapped current source

目 录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 课题背景与意义 1

1.1.1 课题背景 1

1.1.2 研究意义 1

1.2 国内外研究现状及发展趋势 2

1.3 项目主要工作内容及性能指标 2

1.3.1 研究内容 2

1.3.2 性能指标 3

1.4 论文组织结构 3

第二章 张弛振荡器概述及改善线性度的方案 4

2.1 传统张弛振荡器的结构及工作原理 4

2.2 传统张弛振荡器输出非线性的原因及其他性能分析 4

2.3 传统提高振荡器线性度的方法 6

2.3.1 基于电容器极板变换的单电容张弛振荡器 6

2.3.2 双定时电容张弛振荡器 7

2.4 本章小结 8

第三章 高线性度张弛振荡器设计 9

3.1 对传统改善振荡器线性度方案的改良 9

3.1.1 基于交叉检测的耦合锯齿振荡器 9

3.1.2 附加额外充电电流的张弛振荡器 10

3.1.3 参考电压自调节的张弛振荡器 12

3.2 振荡器高线性度实现方案 13

3.3 振荡器各模块的实现 15

3.3.1 电流源的设计及仿真 15

3.3.2 运算放大器的实现与仿真 18

3.3.3 RS触发器的设计及实现 19

3.4 方案整体电路 20

3.5 本章小结 20

第四章 仿真验证结果与分析 21

4.1 振荡器线性度仿真 21

4.2 振荡器温度特性仿真 22

4.3 振荡器电源抑制特性仿真 23

4.4 振荡器功耗测定 24

4.5 仿真结果分析及总结 25

4.6 本章小结 25

第五章 总结与展望 26

5.1 总结 26

5.2 展望 26

致 谢 28

参考文献 29

绪论

振荡器（Oscillator）是一种能量转换装置——将直流电能转换为具有一定频率的交流电能。振荡器的主要应用包括：微处理器中的时钟信号、调幅和检波电路中的载波信号、蜂窝电话中的载波合成信号等等。随着科技的发展，终端产品的需求是做到更薄更小，成本更低，性能更好 ^[1]。而对于其中所用到的振荡器，线性度则是其关键的性能指标。在这样的发展趋势下，高线性度张弛振荡器的研究具有了重要的意义。

课题背景与意义

课题背景

振荡器的用途广泛，而在智能功率驱动芯片中，其也起到了举足轻重的作用。单片集成智能功率驱动芯片中集成了脉冲宽度调制和电路刷新功能，要求芯片提供一个频率精确且抗抖动能力较强的方波信号。若振荡频率不精确或抗抖动能力弱，将会导致脉冲宽度调制信号和刷新信号异常。因此，单片集成智能功率驱动芯片需要一款高精度低抖动的振荡器 ^[2] 。

常用的振荡器有三种，分别是环形振荡器、晶体振荡器、张弛振荡器 ^[3] 。

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