朱遠超，劉敏宇，何繼雄，熊誦梁，章帥兵

（江西理工大學，江西 贛州 341000）

1 鋸齒波振蕩電路的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

近年來，隨著電子產品的性能日益增強，體積越來越小，對其電源系統(tǒng)的性能要求越來越高。在DC/DC開關電源的PWM控制電路中，鋸齒波振蕩電路起著關鍵性的作用。一般情況下，要求鋸齒波振蕩電路在不同的電源電壓和溫度下盡可能產生高穩(wěn)定性、波形規(guī)則的輸出信號，同時為了提升PWM的調制脈寬，也要求鋸齒波具有較大的信號幅值[1]。

研究鋸齒波振蕩電路的工作原理，設計一個高穩(wěn)定性高精度的鋸齒波振蕩電路非常重要。鋸齒波振蕩電路對 DC/DC 電源的開關控制起重要作用。鋸齒波振蕩電路的設計流程如圖1所示。

圖1 鋸齒波振蕩電路的設計流程圖

2 低電源抑制比的帶隙基準電壓源的簡介

如圖2所示為低電源抑制比的帶隙基準電壓源，M7工作在飽和區(qū)，當其漏極電流I7不變時，可以知道柵極電壓UG7也不變，因為M6、M7構成電流鏡，所以I6、I7都不變[5]；同時，M4、M5又和M0、M2構成電流鏡電路。M0、M1、M2、M3互相組成電流鏡裝置，以此確保I2和I3恒定，多個電流鏡可以提高工作電流的穩(wěn)定性，使得M6和M7在相同的源漏極電壓差下正常工作，以減少I6和I7的差值，此時即使因為外界因素的干擾使得電壓源輸出電流發(fā)生改變，但由于電壓源自身存在負反饋，因此可以進行內部的自我調節(jié)，從而達到恒流的效果[4]。

圖2 基準源電路

3 電壓比較器的簡介

以往在研究比較器電路時會存在單級放大增益較低，需用犧牲其輸出電壓范圍來提高增益的效果，因此無法達到較大的幅度輸出，導致電路工作能力較差。基于此，本文設計了一個電壓比較器電路，采用三級放大的原理，避免上述所提到的問題，電路原理如圖3所示[2]。

圖3 電壓比較器電路

首先可以看到第一級是一個雙端輸入單端輸出的差分電路，由M11、M12、M15、M16組成，其中M11、M12作為差分輸入管，M15、M16作為電流源負載，憑借著差分電路的特性可以抑制共模信號的干擾，從而提高共模抑制比CMRR，同時也可以降低電路工作中對于信號的噪聲干擾；第二級是一個CMOS共源放大電路，由M13和M17組成，這一級為了提高電壓放大倍數(shù)而設計；第三級設計了一個推挽反相器，由M14和M18組成，這一級的設計可以提高該比較器電路的放大增益，同時在不影響性能的前提下盡量達到滿擺幅輸出的效果。

4 恒流源充放電電路的簡介

恒流源充放電的電路如圖4所示，由MOS管M117和M118組成電流源裝置，M119、M120、M121、M122組成恒流源反相器裝置，同時M120、M121與M119、M122組成電流鏡，通過偏置電壓和比較器時鐘信號的電壓來控制反相器輸入電平的高低，從而來控制其輸出電平的高低，再根據(jù)輸出電壓對電容C進行充放電，從而達到將電壓比較器產生的矩形波信號轉化為鋸齒波信號。通過控制充放電電流的大小以及電容C的大小來控制充放電的斜率，從而產生鋸齒波的信號。

圖4 恒流源充放電電路圖

5 鋸齒波振蕩電路的設計

5.1 鋸齒波振蕩電路的工作原理

通過上述的3個單元電路合成一個鋸齒波振蕩電路，如圖5所示[3]。其振蕩器的工作過程如下：假設一開始比較器的輸出電平為低電平，此時M31導通，M28截止，充電電流I充通過M30、M31對電容C開始充電，由于是恒流源對電容進行充放電，電流基本上保持不變，所以電容兩端的電壓UC斜率固定，同時由于比較器的輸出端是低電平，使得M32截止，比較器的反相輸入端電壓由電阻分配關系可知為正向閾值電壓UOH，其中：

圖5 基于CMOS工藝的鋸齒波振蕩電路

當電容C上的電壓大于正向閾值電壓時，比較器的輸出狀態(tài)將翻轉為高電平，這時M31截止，M28導通，恒流源開始對電容C放電，同樣電容C上的電壓開始線性減少；又由于比較器輸出電平為高電平的緣故，此時M32將導通，比較器的反相輸入端電壓近似為接地即為負向閾值電壓UOL，其中：

這里不考慮晶體管M32飽和導通時的電壓降。當電容C的電壓低于負向閾值電壓時，比較器的輸出狀態(tài)翻轉變?yōu)榈碗娖剑懔髟囱b置又開始對電容C進行充電，如此循環(huán)工作，在OSC端生成鋸齒波信號，同時考慮到比較器的輸出端將會產生一個高低電平周期性轉換的時鐘脈沖信號[6]。

圖6、圖7將鋸齒波振蕩電路的工作原理和Cadence仿真結果進行對比，說明了本文所設計電路的可行性。

圖6 鋸齒波振蕩電路工作原理

圖7 Cadence仿真結果

5.2 振蕩頻率在不同電源電壓和溫度下的變化情況

振蕩頻率在不同電源電壓和溫度下的變化情況如表1所示。

表1 振蕩器在不同溫度和不同電源電壓下的頻率仿真結果

從表中的結果可知振蕩器頻率的最小值是23.78 kHz，最大值是28.10 kHz。頻偏范圍為-7%～+10%。本文所設計的鋸齒波振蕩電路在一定電源電壓和溫度范圍內的振蕩器頻率變化小，穩(wěn)定性高，并且該振蕩器的頻率精度高，符合設計要求[7]。

6 結 論

本文介紹了一種由基準電壓源、電壓比較器和恒流源充放電電路構成的鋸齒波振蕩電路及其工作原理，運用Cadence進行仿真驗證，仿真結果與其工作原理圖形近似一樣，說明該電路的可行性，并且計算了其在不同電源電壓和溫度下的頻率變化情況，相當穩(wěn)定，運用范圍廣，具有很好的現(xiàn)實意義和推廣價值，為今后解決此類問題提供了一個可靠的方向和借鑒。