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一种高精度数字可调片上振荡器设计

作者: 时间:2009-07-03 来源:网络 收藏

M7~M10通过共源共栅连接,使得流过Q1,Q2的电流IQ1,IQ2相等。在此电路结构中,Q1发射极基极电压VQ1应等于Q2发射极基极电压VQ2与电阻两端的电压之和,即:

本文引用地址://m.amcfsurvey.com/article/188861.htm


假设m/n为Q2与Q1发射极面积之比,则可得电阻R与支路电流IPTAT关系如下:


式中:VT为热电压VTkT/q;R为多晶电阻。VT的正温度系数与R的负温度系数使得IPTAT正比于绝对温度。Q3支路在提供一个负温度系数pcas 电压的同时,将M19的栅极电压箝制在固定电位,使得R1两端的电压VR1=VQ1=Veb1,则R1支路电流INTAT可表示为:


设:(ω/l)17/(ω/l)18=k,则:


调节R,R1,k,使得эI/эt=0,可以得到一路与温度无关的电流I。电流I1为另一路镜像。这种以热电压为基准的自偏置电路对的频率进行了很好的温度补偿。共源共栅电流镜具有较大电源抑制比,使得电流受电源电压影响小。此电路既用作基准电流电路,也是芯片内部其他电路的偏置电路。
2.2 与温度无关的基准电压
基准电压电路如图3所示。运放由自偏置基准电流电路提供偏置电流,将A,B两点箝制在相等电位上,假设A,B两点电压分别为VA,VB,有:


输出电压Vbg可表示为:


假设m1/n1为Q5与Q4发射极面积比,利用式(7)、式(8)消去电流可得:


将式(9)对温度求偏导数有:


调节Rtrim,R5,R6使得эVbg/эt=0,可以得到零温度系数的基准电压Vbg,达到温度补偿的目的。

2.3 比较器RS锁存器设计
如果考虑比较器、锁存器和开关管S1,S2的传输延时td,则的频率可以表示为:


由上式可知,经精确补偿电流和电压后,只有通过减小传输延时td来减低传输延时对频率的影响。比较器采用全差分结构,以获得较高的速率和高电源电压抑制比。使用小尺寸器件可减小开关的传输延迟,另外比较器迟滞效应也会给振荡器频率带来一定误差。假设由于比较器迟滞带来上升延迟t1、下降延迟t2,则周期误差为:


采用两个比较器的对称结构,保持Ich1=Ich2,Cl=C2,使得基准电流对电容充放电的时间相同,有t1=t2。因此双比较器对称结构设计可有效消除传输延迟的频率偏差,提高振荡器的精度。RS锁存器由两个NOR组成。
2.4修调设计
在振荡器设计中,由于工艺偏差等原因会产生频率偏差。为保证频率精度,有必要采用修调控制可配置寄存器对振荡器频率进行矫正,以得到精准的目标频率。
2.4.1 电流粗调频率可选
由图2电路可见,开关管EN1闭合,EN2断开时,Ich=I,选择4 MHz频率输出;开关管EN1关闭,EN2断开时,Ich=I1,选择2 MHz频率输出。
2.4.2 电阻微调频率
带隙基准电路的电阻微调网络如图4所示。R按照RN=2n-1RLSB取值,所有开关由片上可配置寄存器控制,通过控制Tr1~Tr8,可使电阻在256阶精度变化,使得基准电压Vbg的变化梯度为256阶,从而实现频率256阶精度微调。

十六进制寄存器为FFH状态时,Tr1~Tr8全为1,开关管均闭合,Rtrim最小,基准电压Vbg输出最小,振荡器输出最大频率fmax;十六进制寄存器为00H状态时,Tr1~Tr8全为O,开关管均断开,Rtrim最大,基准电压Vbg输出最大,振荡器输出最小频率fmin。设置寄存器为80H状态则对应频率振荡器的中心频率fOSC,该频率可通过电阻网络在fmin~fmax之间调节,可调精度为:


在微调电阻阵列的设计中,要充分考虑晶体管的工艺偏差和开关的传输延迟,减小开关晶体管的导通电阻对trim电阻的影响。

3 测试结果及分析
基于CSMC O.5 μm CMOS工艺对所提电路进行流片,其电路的显微照片如图5所示。



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