一種應(yīng)用于D類音頻放大器的CMOS振蕩器的設(shè)計(jì)
摘要：文中介紹了一種應(yīng)用于低D類音頻功放的CMOS振蕩器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，用于對音頻信號的調(diào)制。振蕩器采用內(nèi)部正反饋的遲滯比較器設(shè)計(jì)，大大降低了電源電壓和環(huán)境溫度時(shí)CMOS振蕩器振蕩頻率的影響。理論分析及仿真結(jié)果表明，此CMOS振蕩器具有較高的頻率穩(wěn)定性。
關(guān)鍵詞：振蕩器；D類音頻放大器；遲滯比較器
振蕩器作為現(xiàn)代電子系統(tǒng)的重要組成部分，被廣泛應(yīng)用于時(shí)鐘同步電路、無線通信收發(fā)器中的頻率綜合器、光通信中的時(shí)鐘恢復(fù)電路(CRC，clock recovery circuit)，以及多相位采樣電路中。振蕩器按實(shí)現(xiàn)電路元件分為RC振蕩器、LC振蕩器和石英晶體振蕩器。
設(shè)計(jì)集成芯片內(nèi)部的振蕩電路的關(guān)鍵在于產(chǎn)生振蕩信號頻率的穩(wěn)定性，它要求芯片不隨工藝、溫度、電源電壓的變化而變化。本文采用內(nèi)部正反饋的遲滯比較器設(shè)計(jì)了一種高穩(wěn)定性寬電壓范圍的振蕩器。該振蕩器可以廣泛使用在D類音頻放大器中。
1 電路設(shè)計(jì)與原理分析
1．1 振蕩器系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)及原理
振蕩器采用恒流源充放電技術(shù)，即利用恒定電流源提供的灌電流和拉電流分別塒電容進(jìn)行充電和放電。振蕩器的等效電路如圖1所示。
當(dāng)振蕩器工作時(shí)，通過OPA的鉗位可以得到R4上端電壓等于R3上的端電壓，并由此產(chǎn)生一個(gè)恒定電流
這個(gè)電流通過電流鏡的結(jié)構(gòu)鏡像出去，作為充放電的電流并產(chǎn)生兩個(gè)比較器的高低比較電平
UA=IR4(R5+R6) (2)
UB=IR4R5 (3)
通過電流鏡的寬長比的比值可以得到充放電的電流是相等的，即產(chǎn)生的三角波信號上升和下降的時(shí)間是相等的。此電流為
分析充放電的過程，假設(shè)使能開啟使OSC工作，運(yùn)放和比較器很快進(jìn)入工作狀態(tài)，比較的高低電平很快建立起來，輸入至比較器。此時(shí)，電容上沒有電荷，電壓為零，與A和B比較，兩個(gè)比較器分別輸出高電平和低電平。
通過鎖存器的工作使C為低電平，開啟MP7給電容充電。當(dāng)USAW大于B電平時(shí)，比較器COMP2翻轉(zhuǎn)輸出高電平，由于鎖存器低電平觸發(fā)，所以C維持低電半繼續(xù)給電容充電，直到USAW的電平達(dá)到A點(diǎn)電平時(shí)，COMP1比較器輸出低電平，觸發(fā)C信號翻轉(zhuǎn)輸出高電平，電容開始放電，USAW的電平馬上低于A點(diǎn)電平，比較器COMP1恢復(fù)輸出高電平，如此循環(huán)往復(fù)的工作。所以USAW的輸出正常工作之后是介于電平A和P之間的。
根據(jù)前面的公式推導(dǎo)，可以推出其周期公式。這里可以分兩部分來分析
1．2 運(yùn)放OPA
此OPA電路是采用折疊式共源共柵結(jié)構(gòu)，如圖2所示，所以即使運(yùn)放只有一級，在增益上還是可以滿足電路的設(shè)計(jì)要求。
由于運(yùn)放的輸出電阻ROUT及電容C1很大，所以在輸出端產(chǎn)生了一個(gè)低頻的主極點(diǎn)。
該主極點(diǎn)為
1．3 比較器COMP
根據(jù)電路分析得，比較器COMP1為一級運(yùn)放，采用了高速比較器結(jié)構(gòu)，如圖3所示。同時(shí)此結(jié)構(gòu)也可以對電路的等效跨導(dǎo)增強(qiáng)，提高比較器的增益。
2 電路的仿真結(jié)果與分析
圖4為振蕩器仿真結(jié)果，表1為在不同電源電壓及溫度下振蕩頻率值。由表1可以得出該振蕩器的頻率受電源電壓的影響比較小，隨著溫度上升則頻率增大，不同的process corner下頻率也不同。但是其波動(dòng)范圍都在電源管理芯片以及音頻放大器芯片應(yīng)用范圍之內(nèi)。
3 結(jié)束語
本文采用具有內(nèi)部正反饋的遲滯比較器的結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了一種基于CMOS工藝的高性能高穩(wěn)定性的振蕩器。該振蕩器對電壓、溫度、工藝偏差具有較強(qiáng)的容忍度。經(jīng)過仿真驗(yàn)證結(jié)果表明，該振蕩器完全適用于D類音頻放大器，DC／DC等芯片中。
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