具有平均电压反馈的高精度振荡器的设计

摘要

自晶体振荡器发明以来，由于其拥有稳定度高、频率抖动小的优点而广泛应用于各类精密仪器与系统中。而随着晶体管的问世，与其加工工艺水平的不断提高，各类系统已经开始由分立器件向单片集成发展。将原来的片外振荡器以片内集成的形式实现能大幅减少成本，降低功耗。
　　张弛振荡器具有与标准CMOS工艺相兼容的优势，在片上系统、生物医疗传感器、高速接口以及微型计算机等应用领域大量采用。张弛振荡器采用反复对电容充放电的形式形成振荡方波输出，当电压达到比较器翻转点时改变充放电状态，但是，比较器延迟易受电源、温度等影响，因此振荡器频率精度受限。尤其是高频率振荡器的设计中，比较器延迟的影响更加突出。
　　本文采用了一种平均电压反馈结构稳定比较器延迟。平均电压反馈结构通过在基准电压和比较器之间插入有源滤波器实现，平均电压反馈环路通过自动调节有源滤波器的输出来使有源滤波器的两输入端直流电压相等，最终实现稳定的输出频率。当比较器延迟增加时，有源滤波输出增加，比较器延迟减小时，有源滤波输出减小。得益于平均电压反馈，本文采用的比较器结构非常简单，而在普通张弛比较器中，比较性能要求较高。使得最终的振荡频率只由无源器件电阻、电容和相对稳定的比较器延迟确定。
　　本文的振荡器主要针对开关电源的应用场合而设计，通过与开关电源中原有振荡器相比较，在振荡频率，比较器延迟等性能指标上有较大改善。最终实现10MHz量级的50％占空比方波输出，通过分频率模块可实现2.5MHz的输出，最终的占空比也可通过数字电路降低，以适应现有开关电源应用对振荡器的需求。
　　振荡器输出的温度系数主要由电阻决定，在对电阻进行温度补偿后，从30℃至120℃输出频率有0.3%的变化。电源电压从2.7V至3.9V变化时，输出频率改变2%。
　　本次设计基于0.13μm CMOS工艺实现，输出结果通过 trimming在6MHz-10MHz内可调。最终绘制了版图，进行了流片。

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第一章 绪论

1.1 课题背景

1.2 振荡器的应用

1.3 本论文的结构安排

第二章 压控振荡器

2.1 压控振荡器分类

2.2 方波振荡器

2.3 CMOS张弛振荡器最新发展

2.4 本章小结

第三章 DC-DC中的振荡器

3.1 DC-DC中振荡器实现方式

3.2 振荡器的性能指标

3.3 本章小结

第四章 高精度张弛振荡器

4.1 高精度振荡器整体结构

4.2振荡器数字部分设计

4.3振荡器性能分析

4.4本章小结

第五章 版图与后仿

5.1 版图设计

5.2 封装与PCB设计

5.3 芯片后仿

第六章 全文总结与展望

6.1 全文总结

6.2 后续工作展望

致谢

参考文献

攻硕期间所取得的研究成果