单片弛张振荡器的温度补偿方法

[09-12 18:39:25]   来源:http://www.88dzw.com  传感技术   阅读:8376

文章摘要:单片弛张振荡器的温度补偿方法 黄海,唐广 1 引言 弛张充放电振荡器在PWM电源和电容传感器中都得到了广泛的应用,也常常作为时钟产生电路用在单片功率集成电路中。但是,由于这种振荡器结构的特殊性,一般的弛张振荡器输出频率受环境温度的变化影响较大,温度性能较差。为了获得较好的温度性能,一般都要采用恒温槽等措施,但增大了体积和成本。为此,本文提出一种适用于这种结构振荡器的片内温度补偿方案,可以简单方便地获得更好的温度性能。

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单片弛张振荡器的温度补偿方法 黄海,唐广


1 引言

弛张充放电振荡器在PWM电源和电容传感器中都得到了广泛的应用,也常常作为时钟产生电路用在单片功率集成电路中。但是,由于这种振荡器结构的特殊性,一般的弛张振荡器输出频率受环境温度的变化影响较大,温度性能较差。为了获得较好的温度性能,一般都要采用恒温槽等措施,但增大了体积和成本。为此,本文提出一种适用于这种结构振荡器的片内温度补偿方案,可以简单方便地获得更好的温度性能。

2 弛张振荡器的工作原理

弛张振荡器的一般结构如图1所示。弛张振荡器的工作过程如下:先用一个电流源I1向电容器C充电,这时电容器上的电压会不断上升,将电容器上的电压通过比较器与设定的阈值电压相比较。当电容器上的电压高于电位比较器的阈值电压V2时,控制部分将会控制开关动作,使I1断开,I2导通,电容器开始通过I2放电,电容器的电压开始下降,设此时的时刻为t2。当电容器的电压下降到低于低位比较器的阈值电压V1时,控制部分再次使开关动作,使I1导通,I2断开,I1又重新对电容器充电,设此时的时刻为t1。这样不停反复就可以在电容器上输出连续不断的振荡波形。

设I1=I2=IC,则

如果保持IC、C不变,则由(4)式看出电容器的充放电时间是由电容器电压的幅度唯一决定的。可通过调节2个比较器的阈值电压来调节电容器的电压幅度,从而可方便地调节振荡器的输出频率。以上分析在各个电路无时延的条件下获得的。

3 温度对输出电压频率的影响

3.1 产生频率误差的原因

任何电路结构都存在不同程度的延时。在这种结构的振荡器中,比较器和控制部分也存在一定的延时,虽然可以采用高速比较器和尽可能简单的控制结构来减少延时,但是始终无法消除延时带来的影响。因此,当电容器上的电压已经上升或下降到需要开关动作时,由于比较器和控制部分的延时Δτ使得开关往往要经过一段时间后才会动作,而在这段时间内,I1(I2)还在继续对电容器充电(放电),因此输出电压与Uc相比会产生误差(ICΔτ)/C,此时,

(3)式将变为

(4)式将变为

可以看出输出电压频率与设计值产生了偏差。

3.2 温度对输出频率的影响

显然,在不同温度条件下比较器和控制部分的延时是不一样的。由于主要考察延时对输出频率的影响,因此设在不同温度条件下IC和C保持不变,在温度T1时,比较器和控制部分产生的延时为Δτ1,在温度T2时产生的延时为Δτ2。则(5)式和(7)式可写为

从(8)式可以看出,在不同的温度条件下电容器的充放电时间发生了的变化Δt,从而导致输出电压的频率随温度而变化。

图2给出在没有温度补偿的情况下,采用CSMC 0.6μm双层金属、双层多晶硅工艺下和使用Hspice仿真出来的振荡器输出波形。其中,取IC为250μA,C为5pE,比较器采用的是参考文献[2]中介绍的高速比较器方案,低位比较器的阈值电压为2.4V,高位比较器的阈值电压为2.5V。图中T1、T2、T3分别为-40℃、27℃、85℃时的输出波形。把振荡器27℃时的输出频率设计为20MHz,测出此时振荡器的温度系数约为1 685ppm/℃。图3中的曲线1给出近似的输出电压幅度与温度的关系,正如上面所推导的一样,在不同的温度条件下输出的电压幅度并不相等。

4 温度补偿的实现

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