摘 要： 提出了一种结构简单的CMOS电流控制模式振荡器。该电路利用系统内部参考电压和外接电阻产生的电流信号对电容进行充放电，通过调节外接电阻大小，振荡器输出频率在660 kHz～4.15 MHz内可调。
　　关键词： 振荡器；CMOS；频率

　　振荡器在许多电子系统中应用广泛。作为时钟产生电路，常用于单片集成电路中^[1]，其主要功能是：产生周期性的脉冲信号，输出控制逻辑电路的时序，使其和驱动模块结合产生驱动功率器件的驱动信号。它对电路的信号处理性能有很大影响。但在一般的应用场合，要求在电源电压、温度等变化或漂移的条件下，振荡电路能够产生频率稳定的信号输出^[2]。
　　在开关电源的时钟产生电路中，常用到电流控制振荡器。在传统的电流控制振荡器中,元件参数确定后，振荡器输出频率固定不变^[3]，不能满足时钟信号和驱动信号可变的需求。
　　文中振荡器通过对电容充放电产生锯齿波，经过迟滞比较器实现矩形波输出。根据外接电阻大小确定电容充放电电流，通过调节外接电阻大小，设定振荡输出波形的频率，实现频率在660 kHz～4.15 MHz范围内可调。具有很强的实用性。
1 电路结构及原理分析
1.1 电路原理
　　振荡器电路的基本原理图如图1所示，包括电流产生电路、迟滞比较器、恒流源充放电回路、控制电路四部分。

　　该电路利用带隙基准源与外接电阻产生精确电流I₀，采用电流镜产生镜像电流I₁、I₂，通过电流I₁对电容C进行放电，通过电流I2对电容C进行充电，从而形成了一个振荡周期。
　　电路工作原理：通过V-I变换电路产生充放电电流，当电容电压低于比较器正向阈值电压时，电流源I₂开始向电容C充电，使电容电压升高，超过正向阈值电压时，比较器电压状态转换，电容C通过M16放电。电路如此循环工作，便在输出端产生振荡信号。
1.2 振荡器电路分析
　　图2是图1振荡器原理图的具体实现电路。由于在集成电路中不易直接实现精确的电流源，所以先产生一个精确的参考电压Vref，然后通过一个V-I变换电路，产生两个精确的充放电电流：I₁和I₂。图2中的电阻Rt是外接的精密电阻，电路中M1～M9构成的运算放大器将A点箝位在参考电压V_ref，因此流过Rt的电流为：

　　M12与M10、M17与M13以及M14与M10组成三组电流镜^[4]，如果M12与M10、M17与M13以及M14与M10的宽长比分别是(W/L)₁₂/(W/L)₁₀、(W/L)₁₇/(W/L)₁₃和(W/L)₁₄/(W/L)₁₀，则充放电电流I1和I2可表示为：
　　　

　　M19～M29构成迟滞比较器，在以往的比较器电路中，一般单级增益不高，并以牺牲输出电压范围来提高增益，进而不能达到满幅度输出，导致电路性能不好^[5]。本设计的比较器电路采用三级放大，第一级是差分输入级将双端变单端输出，M21和M22作为输入对管，M23和M24作为电流源负载；第二级为CMOS共源放大器，由M26和M27组成；第三级为推挽式CMOS单级放大器，由M28和M29组成，由于CMOS反相器作为输出级，所以能达到满幅度输出。迟滞比较器在开环条件下工作，因此不需要考虑放大器闭环稳定工作的频率补偿问题。
　　如果输出初始状态为低电平，M15导通，M16截止，电流经过M14、M15对电容C充电，由于电流恒定不变，所以电容两端的电压线性上升，同时由于比较器输出为低电平，使得M25截止，比较器的负向输入端电压被箝位在正向阈值电压VOH，其中：
　　

　　当电容C两端的电压超过了正向阈值电压时，比较器输出变为高电平，M16导通，M15截止，电容C经过M16、M17放电，同样电容两端的电压亦线性下降；又因为M25导通，比较器负向输入端电压被箝位到负向阈值电压VOL，其中：
　　
1.3 输出频率计算
　　振荡器信号的频率由恒定电流源对电容的充放电时间决定。
　　放电时间：
　　　　

　　分析式(6)和式(7)可知，改变k₁、k₂的值可以调整电流I1和I2的大小，从而改变充电时间和放电时间，达到设定占空比的目的。
　　输出振荡信号的周期就是电容C的充电时间和电容C的放电时间之和，因此输出频率为：
　　
　　分析式(2)、式(3)和式(8)，通过控制外接电阻Rt的大小，改变电流I₁、I₂的大小，实现调节振荡器频率的功能。
2 仿真结果
　　根据上面的分析结果, 基于0.5μm标准CMOS工艺模型, 利用HSPICE对电路进行模拟仿真。在模拟仿真过程中, 各器件的参数有所优化。电路输出波形如图3所示，其中V_DD=5V，R_t固定150kΩ不变，放电电流I₁等于充电电流I₂，故输出占空比为50％的方波。

　　图4为输出频率与电阻R_t的关系曲线，其中V_DD=5 V，R_t从50kΩ变化到750kΩ，振荡器输出频率由4.15 MHz变化到660 kHz。因此，本文提出的振荡器很好地实现了频率可控。

3 结论分析
　　利用内部基准源和外接精密电阻调节电容的充放电电流，在5 V电源电压下，经过比较器电路作用后，上升时间和下降时间非常小，使产生的输出振荡波形更接近理想矩形波；通过调节外接电阻大小，设定振荡器输出波形在频率范围660 kHz~4.15 MHz内可调，实现了一种结构简单的电流控制振荡器。

参考文献
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