- 一种高精度数字可调片上振荡器设计

2．3 比较器RS锁存器设计
    如果考虑比较器、锁存器和开关管S1，S2的传输延时td，则振荡器的频率可以表示为：

   
    由上式可知，经精确补偿电流和电压后，只有通过减小传输延时td来减低传输延时对振荡器频率的影响。比较器采用全差分结构，以获得较高的速率和高电源电压抑制比。使用小尺寸器件可减小开关的传输延迟，另外比较器迟滞效应也会给振荡器频率带来一定误差。假设由于比较器迟滞带来上升延迟t1、下降延迟t2，则周期误差为：

  
    采用两个比较器的对称结构，保持Ich1=Ich2，Cl=C2，使得基准电流对电容充放电的时间相同，有t1=t2。因此双比较器对称结构设计可有效消除传输延迟的频率偏差，提高振荡器的精度。RS锁存器由两个NOR组成。
2．4 数字修调设计
    在振荡器设计中，由于工艺偏差等原因会产生频率偏差。为保证频率精度，有必要采用数字修调控制可配置寄存器对振荡器频率进行矫正，以得到精准的目标频率。
2．4．1 电流粗调频率可选
    由图2电路可见，开关管EN1闭合，EN2断开时，Ich=I，选择4 MHz频率输出；开关管EN1关闭，EN2断开时，Ich=I1，选择2 MHz频率输出。
2．4．2 电阻微调频率
    带隙基准电路的电阻微调网络如图4所示。R按照RN=2n-1RLSB取值，所有开关由片上可配置寄存器控制，通过控制Tr1～Tr8，可使电阻在256阶精度变化，使得基准电压Vbg的变化梯度为256阶，从而实现频率256阶精度微调。

    十六进制寄存器为FFH状态时，Tr1～Tr8全为1，开关管均闭合，Rtrim最小，基准电压Vbg输出最小，振荡器输出最大频率fmax；十六进制寄存器为00H状态时，Tr1～Tr8全为O，开关管均断开，Rtrim最大，基准电压Vbg输出最大，振荡器输出最小频率fmin。设置寄存器为80H状态则对应频率振荡器的中心频率fOSC，该频率可通过电阻网络在fmin～fmax之间调节，可调精度为：

  
    在微调电阻阵列的设计中，要充分考虑晶体管的工艺偏差和开关的传输延迟，减小开关晶体管的导通电阻对trim电阻的影响。

3 测试结果及分析
    基于CSMC O．5 μm CMOS工艺对所提电路进行流片，其电路的显微照片如图5所示。

在室温下对流片电路进行了频率和数字修调测试，测试时EN1选通，可配置数字寄存器从00H变化到FFH状态，频率可调范围为3．828～4．162 MHz，振荡器输出频率fOSC=4．001 MHz，最大可微调步长为O．005 MHz／LSB，调节精度为O．125％；EN2选通，寄存器00H～FFH的可调范围为1．942～2．054 MHz，振荡器的输出频率fOSC=2．000 2 MHz，微调步长为O．002 MHz／LSB，调节精度为O．1％。对流片电路进行了温度和电压特性测试。
3．1 振荡器的温度特性
    振荡器在00H，80H，FFH状态下随温度的变化特性曲线如图6所示。

    当VDD=5 V，温度范围为-40～+125℃，频率为4 MHz时，振荡器的频率变化为138 ppm／℃；频率为2 MHz时，振荡器的频率变化为94 ppm／℃。
3．2 振荡器的电源电压变化特性
    图7是2 MHz，4 MHz在00H，80H，FFH状态下振荡器频率与电源电压关系图。当t=25℃，电源电压为3～6 V，频率为4 MHz时，振荡器的频率变化为2．3％；当频率为2 MHz时，振荡器的频率变化仅为0．56％。表1总结了室温下测得的振荡器特性参数。

4 结 语
    基于0．5μm CMOS工艺设计一种频率为2 MHz，4 MHz数字可调高精度振荡器。经流片测试表明，该振荡器在3～5 V工作电压下，-40～+125℃温度范围内都具有较稳定的工作频率，4 MHz数字修调精度可达±0．125％；2 MHz数字修调精度可达±O．1％，该电路可嵌入到数字系统钟作为片内时钟，亦可单独作为时钟芯片。所设计的振荡器已应用于LED驱动芯片中，并且具有极其广泛的应用前景。