单片弛张振荡器的温度补偿方法

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＝I_C，则

如果保持I_C、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U_c相比会产生误差（I_CΔτ）/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I_C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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