应用于电源监控芯片的高精度、低功耗RC振荡器设计
2022年电子技术应用第10期
尚林林，周 盼，赵 鹏
深圳市国微电子有限公司，广东 深圳 518000
摘要： 基于0.35 μmBCD工艺，设计了一种应用于电源监控芯片的单比较器结构的高精度、低功耗RC振荡器。RC振荡器电路包括基准模块和RC电路产生模块。源于RC电路工作原理以及如何减少温度、电源电压的变化对振荡器频率的影响。引入新型电源电压补偿，减少了由电源电压变化引起的比较器迟滞时间的变化，导致振荡器频率发生改变。采用MOS管稳态导通电阻具有正温度系数特性，补偿多晶电阻负温度系数特性的线性补偿方式，抑制了振荡频率随温度的变化。同时设计了一种带5位译码器高精度、低功耗数字修调电路，有效提高了MOS管导通电阻的精度，克服了传统温度补偿电路补偿电阻阻值不精确的问题。Spectre仿真结果显示，电源电压在2.5 V~5.5 V范围变化，振荡周期误差范围为-0.8%~+0.14%，温度在-40 ℃~125 ℃范围变化，振荡周期误差范围为-0.3%~+0.79%。整个RC振荡器电路最大工作电流为5.1 μA，其中RC电路产生模块最大工作电流为0.9 μA。RC电路产生模块结构简单，降低了电路复杂性从而减少电路的实现成本，该电路结构已成功应用于高精度、低功耗电源监控芯片中。
中图分类号： TM752
文献标识码： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.222668
中文引用格式： 尚林林，周盼，赵鹏. 应用于电源监控芯片的高精度、低功耗RC振荡器设计[J].电子技术应用，2022，48(10)：43-47，53.
英文引用格式： Shang Linlin，Zhou Pan，Zhao Peng. Low power consumption, high precision RC oscillator for power monitoring chip[J]. Application of Electronic Technique，2022，48(10)：43-47，53.
文献标识码： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.222668
中文引用格式： 尚林林，周盼，赵鹏. 应用于电源监控芯片的高精度、低功耗RC振荡器设计[J].电子技术应用，2022，48(10)：43-47，53.
英文引用格式： Shang Linlin，Zhou Pan，Zhao Peng. Low power consumption, high precision RC oscillator for power monitoring chip[J]. Application of Electronic Technique，2022，48(10)：43-47，53.
Low power consumption, high precision RC oscillator for power monitoring chip
Shang Linlin，Zhou Pan，Zhao Peng
Shenzhen Guowei Electronics Co.,Ltd.，Shenzhen 518000,China
Abstract： High precision and low power RC oscillator is designed which is applied to power monitoring chip . The circuit is fabricated in a 0.35 μmBCD process . The RC oscillator includs reference module and RC circuit generation module. Based on the principle of RC oscillator and the intention of reducing the influence of temperature and power supply voltage changes on the oscillator frequency. In order to reduce oscillator period varies with the supply power, a new type of power supply voltage compensation is introduced to reduce the influence of the change of power supply voltage on the hysteresis time of the comparator. And to suppress the effect of temperature on oscillator frequency, the on-resistance and linear resistance of MOS tube are used for temperature compensation. To improve the accuracy of the on-resistance of the MOS tube,and overcome the problem of the traditional supplementing resistance inaccurate, a high precision and low power digital tuning circuit with 5 bit decoder is designed. The simulation results show that the input voltage range is 2.5 V ~ 5.5 V, the oscillation period error range is -0.8%~+0.14%， the temperature range is-40°C~125°C,and the oscillation period error range is -0.3%~+0.79%.The maximum quiescent current 5.1 μA, RC circuit generation module is 0.9 μA.This circuit is simple in structure, low in cost and easy to implement, applied to many power monitoring chips.
Key words : RC oscillator; temperature compensation; supply voltage compensation; digital tuning circuit
0 引言
常见的DC-DC电源、电源监控等电源芯片，一般会使用振荡器电路产生时钟信号，用于延迟、监控等。而完全集成的RC振荡器具有较好的温度变化性能，可以用来取代晶体振荡器，以减少电源芯片的尺寸和成本[1-3]。RC振荡器的频率和功耗是其主要的性能指标[4-5]。但是RC振荡器的频率易受到电源电压、温度的影响，传统RC振荡器结构中的比较器迟滞时间也会给振荡器频率带来误差[6]。
如何减少温度、电源电压对振荡器周期的影响是设计高精度RC振荡器的主要难点。当前RC振荡器电路温度补偿的诸多方案中，常见采用正负温度系数线性电阻叠加，产生不受温度影响的充电电流[7-8]，具有结构简单、容易实现等优点，但是也存在线性补偿的电阻阻值易受温度、电源电压发生较大的变化，阻值精度不够等缺陷。对于电源电压补偿的方案中，主要利用电源到地的分压电阻产生与电源电压成比例的翻转电平[9]，虽然这种结构可以有效地消除电源电压变化对振荡器周期的影响，但也存在不足之处，很难产生与电源电压相关而与温度无关的充电电流。对于比较器的迟滞时间带来的误差，一般采用的是对称结构的双比较器结构[10]，可以有效消除比较器迟滞时间带来的误差，但是也存在电容和比较器的失配造成的误差[11]，同时会增加电路的复杂程度，增加功耗和电路实现成本。
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作者信息：
尚林林，周 盼，赵 鹏
（深圳市国微电子有限公司，广东 深圳 518000）
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