一种温度不敏感频率可调锯齿波振荡器的设计

第１１卷第４４ｔ／ｔ　２００９年１２月　辽宁师专学报　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｌｉａｏｎｉｎｇ　Ｔｅａｃｈｅｒｓ　Ｃｏｌｌｅｇｅ　ＶｏＩ．１１　Ｎｏ．４　Ｄｅｅ．２　０　０　９　【学术研究】　一种温度不敏感频率可调锯齿波振荡器的设计　刘晓智　（武警沈阳指挥学院，辽宁沈阳１１０１１３）　摘要：设计一种以双比较器型施密特触发器为核心的锯齿波振荡器，并对各部分电路的工作原理进行阐　述．该电路利用基准电流源产生的０６流信号对电容进行充放电产生锯齿波，并可通过外部电阻调节振荡频率，　振荡频率受电源电压及温度等环境影响较小，稳定性高．通过Ｈｓｐｉｃｅ对电路进行仿真对其功能加以验证．　关键词：施密特控制电路；锯齿波；基准电流源；稳定性　中图分类号：ＴＮ４３２　文献标识码：Ａ　文章编号：１００８—５６８８（２００９）０４—００２０—０３　锯齿波振荡器是一种基本波形产生电路，它对电路的信号处理性能有着很大的影响，因此在许多领域　中有着广泛的应用，如ＰＷＭ控制电路．在电源电压、温度、工艺和环境负载变化或漂移的条件下，一般　要求振荡电路能够产生频率稳定的信号输出ｎ　．许多锯齿波振荡器虽然具有稳定性好、精度高的特点，但　受环境温度影响较大，频率可调范围并不大，基于以上要求，本文设计一种以双比较器型施密特触发器为　核心的锯齿波发生电路，并可依据使用环境自行调节系统的振荡频率．　１振荡电路的基本原理　如图１所示，本文设计的锯齿波振荡电路由启振电路、施密特控　制电路、基准电流产生电路及充放电电路组成．其中，ＳＷ　、ＳＷ　为　充放电控制开关，　为输出锯齿波，　充、　放为充放电电流，ｃ　为ＭＯＳ电容．频率可通过改变外接电阻Ｒ　来调节．　电路的基本工作原理为：假设施密特控制电路的上下阈值电压为　Ｖ　、　初始阶段，开关ＳＷ　、ＳＷ　均处于断开状态，电容Ｃ　上　压降为０，即　＝０，没达到施密特触发器的阂值电压，整个振荡　电路不工作．系统上电后，启振电路工作，控制开关ＳＷ　闭合，振　荡电路开始正常工作，此后，启振电路不再起作用．恒流　充对电容　ｃ　充电，锯齿波　随时间线性上升，当　＞　时，施密特控制　图１振荡基本原理图　电路翻转，开关ＳＷ：闭合、ＳＷ　断开，振荡电路进入放电状态；电　容通过恒流　放从ＳＷ　回路放电，　ｃＴ随时间线性下降，当　四＜　时，施密特控制电路再次翻转，使开关状态发生改变，电路不断重复上述的充放电过程，则　凹的输出为　一定幅值的锯齿波信号．　２振荡电路的设计　２．１启振电．路　在系统上电阶段，振荡器处于不工作状态，即ＳＷ　、ＳＷ，均断开，本文设计一种启振电路，使整个　系统上电后振荡器脱离平衡状态开始振荡，即产生一个使ＳＷ，闭合的信号控制恒流　充为电容充电．实　际电路如图２（见２１页）所示，采用一个电压比较器，通过基准产生的镜像电流给电容Ｃ　充电，当Ｖ　。　’＞Ｖ　时，比较器输出低电平；经过施密特触发器后，ｙ端为高电平信号，该信号与双比较器组成的施　密特控制电路产生的高电平信号共同控制与非门输出低电平信号来驱动ＰＭＯＳ开关ＳＷ　闭合，电路进入　充电状态．此后ｙ端始终维持高电平，与非门不再受其控制，只由施密特控制电路输出信号控制，启振　收稿Ｅｔ期：２ｏ０９—１Ｏ一２５　作者简介：刘晓智（１９８３一），男（满族），辽宁辽阳市人，助教，主要从事军事通信方面研究　刘晓智　一种温度不敏感频率可调锯齿波振荡器的设计　２１　电路不再起作用，直到系统重新启动　２启振及施密特控制电路　２．２施密特控制电路　如图２所示，本文设计的施密特控制电路由双比较器及ＲＳ触发器组成，比较器的幅值通过电阻Ｒ，、　Ｒ　、Ｒ　分带隙基准电压　而得，因此受温度、电压源等影响较小．由分析振荡电路的基本工作原理　可知，施密特触发器的上下阈值电压即为锯齿波电压的最大值和最小值，施密特的门限宽度就是锯齿波的　峰峰值，它的大小可由以下公式确定：　ＶＨ－　Ｖ脚　（１）　Ｖ　＿　－　（２）　Ｖ　＝Ｖ　一　＝　＿　Ｖ旺　。　（３）　改变电阻Ｒ　、Ｒ　、Ｒ，之间的比值，可以调节锯齿波最大值、最小值和峰峰值．本电路中Ｒ　、Ｒ　、Ｒ。　设定为固定值，基准电压一定，则锯齿波幅值一定，不随其他因素的改变而改变．　２．３基准电流产生电路　如图３所示，运算放大器的同相输人　端接基准电压，反向输入端接一个限流电　阻尺。到输入管脚，该管脚外接电阻Ｒ　．　尺。的阻值为几欧姆，Ｒ　为几千欧姆，所　以尺．的大小可以忽略不计，由Ｖ＋＝　Ｖ一＝ＶＲＥＦ３，有　１厂　ｊＲＥＦ＝　盟　（４）　…ｒ　通过Ｍ　与Ｍ　。的镜像产生振荡电路的电　流源，设其镜像比例为』＼，，则　ＩｏＳＣ＝ＮＩＲＥＦ　（５）　其余ＭＯＳ管为此电流源提供偏置及电压余度　］　２．４　充放电电路　图３电流基准产生电路　辽宁师专学报　２００９年第４期　如图４所示，ＰＭＯＳ管Ｍ。，和ＮＭＯＳ管Ｍ：：作为两个开关管，控制着电路的充放电，当ＳＷｔ为低电　平时，Ｍ。，导通，则恒流　充为电容Ｃ　充电；当ＳＷ　、ＳＷ　均为高电平时，Ｍ　导通、Ｍｔ，截止，电容　Ｃ　通过Ｍ：：回路到地放电．　由以上的分析可知，假设充电电流的镜像比例为Ｋ。，并将公式（４）、（５）代人，则充电电流为：　充＝Ｋ１　Ｊｏｓｃ：Ｋ　Ｎ　Ｖ　ＲＥ～Ｆ３　（６）　放电电流的镜像比例为Ｋ　，则放电电流为：　放＝Ｋ　ｏＳｃ＝Ｋ　Ｎ　。　（７）　振荡的频率即为ＭＯＳ电容ＣＴ的充放电频率　．根据电容公式：　Ｑ＝ＣＴ　Ｖ　＝　充Ｔ充：　放丁放　其中，Ｑ为电荷量；Ｃ　为电容值；Ｖ　为电容Ｃ　的电压增量，ＶｃＴ＝Ｖ　，且有ＶＲＥ　（１）、（６）、（７）代人公式（８）得　Ｔ充＝　（８）　ＶＲｍ．将公式　一皇　＿【一∞∞∞日　．【。　（９）　４　２　Ｏ　Ｒ　２　Ｒ　Ｔ　Ｃ　Ｔ　一　充一　＿ｊ　＿　——干Ｒ　、　Ｒ２ＲＴ　ＣＴ放　—————　Ｋ２　Ｎ（Ｒ１＋Ｒ　２　丁放＝——（１０）　电路中Ｒ。、Ｒ　、Ｒ　及镜像比例Ｋ。、Ｋ　为定值，本文设置的充放电电流比值根据锯齿波信号的占　空比及放电管的面积间折中选择，其比值为Ｋ　＝４Ｋ。，则　Ｔ＝Ｔ充＋Ｔ放＝　＿－］　５　Ｒ　２　Ｒ　＿Ｔ　Ｃ　Ｔ　令Ｋ：　，则可得频率　（１１）　，０ｓｃ　１＝Ｋ丽Ｉ　（１２）　由公式（１２）可得频率仅与外部电阻Ｒ　及内部ＭＯＳ电容Ｃ　有关，对温度及电源电压的变化都不敏感．　在电容值固定的情况下，通过修改外部电阻Ｒ　可改变芯片的振荡频率．　信号　６变汁｝　５Ｏ　１ｏ０　１５０　２００　２５０　３００　３５０　４００　４５０　Ｔｉｍｅ（１ｉｎ）　（ＴＩＭＥ）　图４充放电电路　图５控制信号及锯齿波波形　３仿真结果与分析　本文所设计的电路基于无锡上华１　ｍ　ＣＭＯＳ工艺，使用Ｈｓｐｉｃｅ软件对该电路进行仿真．　３．１瞬态仿真结果　设置５００　ｂｔｓ瞬态仿真，ＭＯＳ电容为Ｃ　＝２．６　ｆＦ，仿真条件为ＶＤＤ＝１６　Ｖ，Ｔｅｍｐ　（下转６１页）　刘海艳　项目教学法在《计算机组装与维护》教学中的应用　６１　通过填写报表，不　表１实验报告样表　但让学生明晰自己的任　＼＼　目　班级　１　组别名称　实验题目　ｌ计算机组装　务，巩固所学知识，还　内容＼　姓名　ｌ　缺席人数　指导教师　｝　能够从中积累经验、总　实验内容　结体会，从而提高计算　遇到问题　机操作水平．　指导过程　１．４评价学生成果　实验体会　项目完成后，一定要对学生的成果给予评价．因为每个学生完成项目后，都希望自己的劳动成果得到　教师的肯定，因此项目的总结评价是很重要的，其中包括评价学生的思路是否正确、能力是否有所提高、　知识水平的掌握程度等．评价方式主要分为三个环节：（１）教师评价，评价各组的总体情况；（２）小组成　员互评，检验在完成项目过程中每个成员的参与情况；（３）学生本人自我评价，让学生从中找出不足．　２项目教学的反思　２．１任务设计要合理　设计任务时一定要从学生实际出发，考虑每一名学生现有的知识水平、平时的兴趣爱好等特点，做到　因材施教．将学习总体目标详细分为小目标，设计一些学生易于掌握的项目．任务的设计难度要因人而　异，对于能力差的学生，如果分给他们太难的任务就容易使学生受到挫折，对于能力强的学生太容易的任　务又会使他们丧失兴趣．因此，项目设计要合理．　２．２要给学生留有足够空间　设计任务的过程中最好留有缺陷，使学生能够运用自己的能力弥补缺陷．在完成项目的过程中，不要　限制学生完成任务的步骤和方法．这样不仅能够能培养学生的创新能力，同时还能引导学生采用多种方法　解决问题．　２．３　明确教师和学生的位置　在项目实施过程中，教师只是一个参与者，尽量不去干预学生的实施过程，只有当学生遇到困难再去　指导和帮助．学生应尽量自主去完成任务，但是由于学生知识水平和学习能力的不同，在实践中并不是所　有的学生都能完成任务．　（审稿人李铁成，责任编辑朱成杰）　（上接２２页）　２７℃，图５（见２２页）为控制开关信号及锯齿波信号波形．从图５可以看到，系统上电阶段ＳＷ　为高电　平，ＳＷ　为低电平信号，电路不振荡，在ｔ＝１７０　ｓ时，ＳＷ　产生一启振低电平信号（如图５中箭头所指　跳变信号），控制振荡电路脱离起初的平衡态．通过仿真结果可得厂０ｓｃ＝６５．７８　ｋＨｚ，与计算结果相符．　３．２频率对电源及温度变化的稳定性　设置仿真条件为ｔ＝５００　ｓ，ＣＴ　７－２．６　ＩＦ，ＲＴ＝　表１仿真数据（ＣＴ＝２．６　ｆＦ，ＲＴ＝１００　ｋＱ）　１００　ｋＱ，分别对电源电压及温度从１２～２５　Ｖ及一２Ｏ　～１４０℃仿真，其频率的稳定性结果见表１．　表１数值表明，锯齿波具有很高的精度和稳定　度，符合设计要求．　４　结论　本文给出了一种在ＣＭＯＳ工艺下锯齿波振荡电路的设计．仿真模拟的结果表明，该振荡电路的振荡　频率对电源电压和温度的变化不敏感，并可根据系统的使用需求，通过改变外接电阻的阻值来调节振荡频　率，因此该电路能满足实际的需求，具有广泛的应用前景．　参考文献：　［１］Ｗａｎｇ　Ｃ　Ｙ，Ａｈｍａｄ　Ｍ　Ｏ，Ｓｗａｉｎｙ　Ｍ　Ｎ　Ｓ．Ａ　ＣＭＯＳ　ｃｕｒｒｅｎｔ—ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ　ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ　ａｎｄ　ｉｔｓ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ［Ａ］．Ｐｒｏｃ　２００３　Ｉｎｔ　Ｓｙｍｐ　Ｃｉｒｃ　ａｎｄ　Ｓｙｓｔ【Ｃ］：Ｂａｎｇｋｏｋ：Ｔｈａｉｌａｎｄ．２００３．７９３—７９６．　［２］毕查德・拉扎维，模拟ＣＭＯＳ集成电路设计［Ｍ］．陈贵灿译．西安：西安交通大学出版社，２００３．１１６—１２１．　［３］袁涛，王华，方建，等．一种ＣＭＯＳ电流控制振荡器的分析与设计［Ｊ］．微电子学，２００５，３５（６）：６６２—６６４．　（审稿人　王立俊，责任编辑王巍）