摘要：近年來(lái)，開關(guān)電源芯片被廣泛應(yīng)用于通信電子產(chǎn)品的電源供電系統(tǒng)。目前，關(guān)電源主要采用pwm控制電路，鋸齒波振蕩器是pwm控制電路的核心功能部件。在電源電壓、溫度、工藝和環(huán)境負(fù)載變化或者漂移的條件下，要求振蕩器能夠產(chǎn)生頻率穩(wěn)定的信號(hào)輸出。許多鋸齒波振蕩器雖然具有穩(wěn)定性好、精度高的特點(diǎn)，但受環(huán)境溫度和電源電壓影響較大，基于以上要求，本文設(shè)計(jì)一種鋸齒波產(chǎn)生電路。
1、電路結(jié)構(gòu)及原理
1．1電路整體框架及原理
圖1為rc振蕩器的原理圖。本文提出的鋸齒波振蕩器主要由三部分構(gòu)成，一部分是基準(zhǔn)產(chǎn)生的電流i1和i2，一部分由電容c和開關(guān)k1、k2組成，zui后一部分是控制電路。
該電路利用基準(zhǔn)源產(chǎn)生的電流i1對(duì)電容c進(jìn)行充電，利用電流i2進(jìn)行放電，從而產(chǎn)生對(duì)開關(guān)k1和k2的控制信號(hào)。
產(chǎn)生脈沖的工作過(guò)程如下：假設(shè)輸出信號(hào)um為低電平，使開關(guān)管s1導(dǎo)通，s2關(guān)斷。這時(shí)電流i1對(duì)c進(jìn)行充電，使a點(diǎn)電壓ua升高，經(jīng)過(guò)控制電路作用后，使輸出信號(hào)um變?yōu)楦唠娖?；然后，um使開關(guān)管s1關(guān)斷，s2導(dǎo)通，電流i2對(duì)c進(jìn)行放電，使a點(diǎn)電壓ua降低，輸出um又變?yōu)榈碗娖?。電路如此反?fù)循環(huán)工作，便在輸出端產(chǎn)生振蕩信號(hào)，ua是產(chǎn)生的鋸齒波信號(hào)。
振蕩器實(shí)際電路結(jié)構(gòu)如圖2所示，其中uref引腳輸入的是來(lái)自帶隙基準(zhǔn)的參考電壓，um是輸出給后級(jí)的zui大占空比信號(hào)，uout是所要求的鋸齒波輸出信號(hào)。
圖1中的開關(guān)s1、s2分別由pmos管vt4和vt5代替。因此，圖1中的倒相器在具體電路中便不需要實(shí)現(xiàn)。在集成電路中不易直接實(shí)現(xiàn)的電流源，所以先產(chǎn)生一個(gè)的參考電壓uref，然后通過(guò)一個(gè)u-i變換電路，產(chǎn)生兩個(gè)的充放電電流i1和i2。圖2中的電阻r是外接的精密電阻，電路中運(yùn)放將b點(diǎn)電位鉗位在參考電壓uref，因此流過(guò)r的電流為
vt2和vt3，vt6和vt7組成兩組電流鏡，則充放電電流i1和i2為：
假設(shè)振蕩器輸出信號(hào)um初始值為低電平，vt4打開，vt5關(guān)斷，電流通過(guò)vt4流到電容，電容進(jìn)行充電。此時(shí)ua低于vh，comp1輸出高電平，ua高于vl，comp2也輸出高電平，um保持低電平。直到c的電壓上升到高于vh一點(diǎn)，comp1輸出低電平，使得um翻轉(zhuǎn)為高電平。此時(shí)vt5打開，vt4關(guān)斷，電流通過(guò)vt5，電容c通過(guò)vt6支路進(jìn)行放電，逐漸減小。直到c的電壓降低到低于vl一點(diǎn)，comp2輸出低電平，um翻轉(zhuǎn)為低電平。電路如此循環(huán)，在輸出端產(chǎn)生振蕩信號(hào)。
如圖3所示，門限電壓是由uref1對(duì)uref2產(chǎn)生，uref1對(duì)uref2是來(lái)自基準(zhǔn)模塊的電壓，不隨溫度和電源電壓變化，所以vh和vl基本保持恒定。
1.2出頻率的計(jì)算
不同的充放電電流決定了輸出高低電平的不同脈寬，所以決定了方波信號(hào)的占空比。具體原理如下：
在一個(gè)充放電周期內(nèi)設(shè)電容的充電時(shí)間為tr，放電時(shí)間為tf，電容充放電的周期為ts，由電容的電流公式：
調(diào)整vt6和vt7的寬長(zhǎng)比，可以得到較小的充電電流和較大的放電電流，當(dāng)i2>>i1時(shí)，可以得到
得到鋸斷波的下降沿近似垂直。通過(guò)調(diào)整電容c或者r的大小，可以得到預(yù)期的鋸齒波振蕩周期為ts=7．6μs，即振蕩器的周期為132khz。其中vh和vl都是由基準(zhǔn)電壓而得到的，故不隨外界條件變化，從而使振蕩頻率不受電源電壓和溫度的影響而維持恒定。
2、仿真結(jié)果與分析
此電路采用tsmc0．5μm工藝實(shí)現(xiàn)，用spectre進(jìn)行仿真。在5．8v電源輸入，27℃環(huán)境溫度下，圖4是振蕩器產(chǎn)生的鋸齒波信號(hào)以及zui大占空比輸出信號(hào)，由仿真結(jié)果可知鋸齒波的頻率控制在132khz，且上升沿線性度好，下降沿陡峭，zui大占空比達(dá)。
表1給出了振蕩器在不同電源電壓和溫度下的振蕩周期仿真結(jié)果，由表格所示結(jié)果可知，振蕩頻率zui小為129khz，zui大為135khz。頻率漂移范圍在±3％內(nèi)，可見頻率隨電源電壓和溫度變化的影響較小，振蕩器的精度較高。