具有频率抖动功能的驰张振荡器的制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种具有频率抖动功能的弛张振荡器，主要解决现有开关电源中电磁干扰能量相对集中，对电源系统造成较大影响的问题。该振荡器包括RC充放电网络（201）、第一比较器（202）、第二比较器（203）、RS触发器（204）和频率抖动控制模块（205）。RC充放电网络产生的锯齿波电压与两阈值电压经两个比较器相比较后，输出给RS触发器产生频率变化的方波信号，该方波信号反馈控制RC充放电网络的充电或放电，同时作为时钟信号通过频率抖动控制模块周期性的改变RC充放电网络中充放电电容的大小，线性的改变输出方波信号的频率，从而分散电磁干扰的能量。本发明能有效的减小开关电源中电磁干扰的影响，可用于开关电源管理类芯片。
【专利说明】具有频率抖动功能的驰张振荡器
【技术领域】[0001]本发明属于电子电路【技术领域】，涉及模拟集成电路，特别是ー种弛张振荡器，可减小开关电源系统带来的电磁干扰。
技术背景[0002]从无线电、电视的发射机和接收机、示波器、信号发生器，到数字频率表等多种电子装置，都要使用振荡器，在各种规模数字系统中，振荡器更是系统工作的ー个最基本的元部件，它是电源芯片里十分重要的一个模块。尤其是在开关电源领域中，振荡器电路是其核心功能部件，它对电路的信号处理性能有着极大的影响。其中，振荡器中的弛张振荡器广泛应用于开关电源管理类芯片中。[0003]弛张振荡器，通常由给定的ー个时常数电容在两个设定的高低阈值电压之间进行充、放电实现，其震荡频率反比于时常数电容的值。根据电路结构形式的不同，可以将弛张振荡器分成三类，即恒流弛张充放电式、RC充放电式和发射极耦合弛张式振荡器。对于RC充放电式振荡器，只要改变产生充放电流的电阻的大小和改变充放电电容的大小，就可以改变该振荡器的震荡频率。[0004]图1为传统弛张振荡器方框图，它包括RC充放电模块101、第一比较器102、第二比较器103和RS触发器104 ;第一比较器102的正向输入端连接上阈值电压信号V1，其负向输入端连接RC充放电模块101的输出充放电电压信号V。，其输出连接RS触发器104输入端S ;第二比较器103的正向输入端连接RC充放电模块101输出的充放电电压信号\，其负向输入端连接下阈值电压信号V2，V^V1 ;第二比较器103的输出端连接RS触发器104输入端R ;该RS触发器104输出端为振荡器输出信号\。当充放电电压信号V。低于下阈值电压信号V2时,第一比较器102输出为高电平,第二比较器103输出为低电平,并通过RS触发器104控制充放电模块101充电，充放电电压信号V。逐渐升高；当充放电电压信号Vc介于下阈值电压信号V2与上阈值电压信号V1之间时,第一比较器102输出高电平,第二比较器103输出高电平，RS触发器104输出保持原状态，充放电电压信号V。将继续升高；当充放电电压信号\大于上阈值电压信号V1时,第一比较器102输出低电平,第二比较器103输出高电平，并通过RS触发器104控制充放电模块放电，充放电电压信号V。开始降低；当充放电电压信号V。再次低于下阈值电压V2时,充放电模块101又一次充电开始,如此反复形成一定周期的方波信号\。由此过程可以看出，该弛张振荡器输出的方波信号Vree的频率受充放电电容和充放电电流控制，由于弛张振荡器的充电电容和充放电流在设计后就不会改变，振荡频率也随之固定，这样电磁干扰噪声的能量将会很集中，使得开关电源系统将受到较大的电磁干扰，降低了开关电源系统的稳定性。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于针对上述传统弛张振荡器的不足，提出ー种具有频率抖动功能的弛张振荡器，以减少电磁干扰对电源系统的影响，提高开关电源系统的稳定性。[0006]实现本发明目的技术思想:通过频率抖动控制模块周期性的线性增减振荡器模块的工作频率来分散各谐波干扰的能量，使个谐波的的电磁干扰辐射将分布在较宽的频率范围类，而不是局限在原先窄带范围，以降低该系统的电磁干扰辐射能量，克服电磁干扰对开关电源系统的影响。整个振荡器包括:
[0007]RC充放电网络201、第一比较器202、第二比较器203、RS触发器204和频率抖动控制模块205 ；
[0008]所述频率抖动控制模块205,用于将RS触发器204输出的方波信号\转化为一组逻辑控制信号Q1~Qn，n≥1，该组逻辑控制信号Q1~Qn连接到RC充放电网络201的输入端，用于控制该RC充放电网络中充放电电容的大小，使震荡器的输出方波信号Vtj的频率周期性的线性变化；
[0009]所述RC充放电网络201，用于根据方波信号\的逻辑值，控制其内部充放电电容的充电或放电，产生充放电电压信号\给第一比较器202和第二比较器203。
[0010]作为优选，上述弛张振荡器中的RC充放电网络201，包括运算放大器301，偏置电阻R1,4个低压PMOS管M1~M4,4个低压NMOS管M5~M8，n个低压NMOS开关管S1~Sn,中心电容Ctl和n个受控电容C1~Cn ;
[0011]所述放大器301，其正向输入端接基准电压信号V3，其负向端输入通过偏置电阻R1 连接到地，其输出端连接到低压NMOS管M8的栅端；该低压NMOS管M8的源端连接放大器301 的负向输入端，构成负反馈环路，以保证流过低压NMOS管M8的第一偏置电流I1恒定；
[0012]所述低压PMOS管M1~M3,其栅端相连构成有源电流镜结构，其源端共同连接电源 VDD,低压PMOS管M1的栅端与自身漏端相连，并连接到低压NMOS管M8的漏端；低压PMOS管 M2的漏端与低压NMOS管M5的漏端相连；低压PMOS管M3的漏端与低压PMOS管M4的源端相连；
[0013]所述低压NMOS管M5和M6，其栅端相连构成有源电流镜结构，其源端共同连接到地； 低压NMOS管M5的栅端与自身漏端相连，低压NMOS管M6的漏端与低压NMOS管M7的源端相连；
[0014]所述低压NMOS管M7和低压PMOS管M4,其栅端与RS触发器204的输出方波信号 V。相连；其漏端相连并作为充放电网络201的输出端输出充放电电压信号\ ;该充放电电压信号V。连接第一比较器202的负向输入端与外部带隙基准电压模块输出的上阈值电压信号V1进行比较，并输出置位信号Vs到RS触发器204的置位输入端S ;该充放电电压信号 V。连接第二比较器203的正向输入端与外部带隙基准电压模块输出的下阈值电压信号％进行比较，并输出清零信号\到RS触发器204的清零输入端R ;该RS触发器204根据置位信号Vs和清零信号Vk的不同，通过置位、锁存和清零处理，产生方波信号\ ；
[0015]所述n个低压NMOS开关管S1~Sn，作为开关管控制支路的导通和断开，其漏端相连并连接充放电电压信号\ ;其栅端分别接逻辑控制信号Q1~Qn ;其源端分别连接受控电容C1~Cn的一端；该受控电容C1~Cn的另一端连接到地；
[0016]所述中心电容Ctl跨接于充放电电压信号Vc与地之间。
[0017]作为优选，上述弛张振荡器中的频率抖动控制模块205，包括分频器401、异或门 403~406、缓冲器402和异或非门407 ；
[0018]所述分频器401用于对方波信号\进行分频处理；其清零输入端连接置位控制信号CTR ;其时钟控制端连接方波信号Vtj ;其输出端输出7个分频信号D1.D2, D3、D4、D5、D6和D7;
[0019]所述第一异或门403，其第一输入端连接分频信号D3，其第二输入端连接分频信号D7，其输出端连接到缓冲器的输入端A ；
[0020]所述第二异或门404，其第一输入端连接分频信号D4，其第二输入端连接分频信号D7，其输出端连接缓冲器的输入端B ；
[0021]所述第三异或门405，其第一输入端连接分频信号D5，其第二输入端连接分频信号D7，其输出端连接缓冲器的输入端C ；
[0022]所述第四异或门406，其第一输入端连接分频信号D6，其第二输入端连接分频信号D7，其输出端连接缓冲器的输入端D ；
[0023]所述缓冲器402的输出端输出逻辑控制信号q1、Q2、Q3和Q4 ;
[0024]所述异或非门407，其第一输入端连接置位控制信号CTR，其第二输入端连接逻辑控制信号Q1，其输出为逻辑控制信号Qi。
[0025]本发明与现有技术相比具有以下优点:
[0026](I)本发明由于增设了频率抖动控制模块，能实现输出频率周期性的上下线性抖动，如图6所示，有效的减小了电磁干扰对开关电源系统的影响。
[0027](2)本发明由于通过控制充放电电容的大小改变输出振荡频率，结构简单，易于实现，成本较低。
[0028]( 3 )本发明通过输出反馈作为时序脉冲，不需要外加时序控制信号，减小了电路面积，易于集成。
【专利附图】
【附图说明】
[0029]图1是传统的弛张振荡器结构图；
[0030]图2是本发明具有频率抖动功能的弛张振荡器结构图；
[0031 ]图3是本发明中的RC充放电网络结构图；
[0032]图4是本发明中的运算放大器模块结构图；
[0033]图5是本发明中的频率抖动控制模块结构图；
[0034]图6是本发明的输出频率变化图。
【具体实施方式】
[0035]以下结合附图及其实施例对本发明作进ー步描述。
[0036]參考图2，本发明带频率抖动功能的弛张振荡器包括:RC充放电网络201、第一比较器202、第二比较器203、RS触发器204和频率抖动控制模块205。其中:
[0037]所述RC充放电网络201，用于根据方波信号V。的逻辑值，控制内部充放电电容的充电或放电，从而产生充放电电压信号\，该充放电电压信号\连接第一比较器202的负向输入端和第二比较器203的正向输入端，为第一比较器202和第二比较器203提供不断变化的电压信号；
[0038]所述第一比较器202，用于将RC充放电网络201输出的充放电电压信号VC与上阈值电压信号V1进行比较产生置位信号\，该置位信号Vs连接到RS触发器204，为RS触发器204提供置位控制信号；
[0039]所述第二比较器203，用于将RC充放电网络201的输出充放电电压信号Vc与下阈值电压信号V2进行比较产生清零信号\，该清零信号Vr连接到到RS触发器204，为RS触发器204提供清零控制信号；
[0040]所述RS触发器204，用于根据置位信号Vs和清零信号Vk的不同，通过置位、锁存和清零处理，产生方波信号该方波信号连接到RC充放电网络201和频率抖动控制模块 205，为RC充放电网络提供内部充放电电容的充电或放电的反馈控制信号，为频率抖动控制模块205中的分频器401提供时序脉冲信号；
[0041]所述频率抖动控制模块205,用于产生一组逻辑控制信号Q1~Qn,n≥1，本实例n 取4，该组逻辑控制信号Q1~Q4连接RC充放电网络201，为RC充放电网络201内部的充放电电容支路提供逻辑控制。
[0042]参考图3，本发明的RC充放电网络201，包括运算放大器301，偏置电阻R1，4个低压PMOS管M1~M4,4个低压NMOS管M5~M8,4个低压NMOS开关管S1~S4,中心电容Ctl和 4 个受控电容 C1 ~C4，且 C1:C2 = C3 = C4=Sc^1J2J3 ；
[0043]所述放大器301，其正向输入端接基准电压信号V3，其负向输入端通过偏置电阻R1 连接到地，其输出端连接到第四低压NMOS管M8的栅端；该第四低压NMOS管M8的源端连接放大器301的负向输入端，构成负反馈环路，以保证流过第四低压NMOS管M8的第一偏置电流I1恒定；
[0044]上述放大器301、偏置电阻R1和第四NMOS管M8构成源跟随器结构，通过设计放大器的参考基准电压V3和偏置电阻R1可以使第一偏置电流I1固定，并镜像给其他支路，且I1 的值为:
[0045]
【权利要求】
1.ー种具有频率抖动功能的弛张振荡器，包括第一比较器(202)、第二比较器(203)和RS触发器(204)，其特征在于:RS触发器(204)的输出端连接有RC充放电网络(201)和频率抖动控制模块(205)； 所述频率抖动控制模块(205)，用于将RS触发器(204)输出的方波信号\转化为ー组逻辑控制信号Q1~Qn，n≥1，该组逻辑控制信号Q1~Qn连接到RC充放电网络(201)的输入端，用于控制该RC充放电网络中充放电电容的大小，使震荡器的输出方波信号Vtj的频率周期性的线性变化； 所述RC充放电网络(201)，用于根据方波信号V。的逻辑值，控制其内部充放电电容的充电或放电，产生充放电电压信号V。给第一比较器(202)和第二比较器(203)。
2.根据权利要求1所述的ー种具有频率抖动功能的弛张振荡器，其特征在于RC充放电网络(201)，包括运算放大器(301)，偏置电阻R1，4个低压PMOS管M1~M4，4个低压NMOS管M5~M8, n个低压NMOS开关管S1~Sn，中心电容Ctl和n个受控电容C1~Cn ; 所述放大器(301 )，其正向输入端接基准电压信号V3，其负向端输入通过偏置电阻R1连接到地，其输出端连接到低压NMOS管M8的栅端；该低压NMOS管M8的源端连接放大器(301)的负向输入端，构成负反馈环路，以保证流过低压NMOS管M8的第一偏置电流I1恒定； 所述低压PMOS管M1~M3,其栅端相连构成有源电流镜结构，其源端共同连接电源VDD，低压PMOS管M1的栅端与自身漏端相连，并连接到低压NMOS管M8的漏端；低压PMOS管M2的漏端与低压NMOS管M5的漏端相连；低压PMOS管M3的漏端与低压PMOS管M4的源端相连；所述低压NMOS管M5和M6,其栅端相连构成有源电流镜结构，其源端共同连接到地；低压NMOS管M5的栅端与自身漏端相连，低压NMOS管M6的漏端与低压NMOS管M7的源端相连；所述低压NMOS管M7和低压PMOS管M4,其栅端与RS触发器204的输出方波信号\相连；其漏端相连并作为充放电网络(201)的输出端输出充放电电压信号Vc;该充放电电压信号V。连接第一比较器(202)的负向输入端与外部带隙基准电压模块输出的上阈值电压信号V1进行比较，并输出置位信号Vs到RS触发器(204)的置位输入端S ;该充放电电压信号Vc连接第二比较器(202)的正向输入端与外部带隙基准电压模块输出的下阈值电压信号\进行比较，并输出清零信号Vk到RS触发器(204)的清零输入端R ;该RS触发器204根据置位信号\和清零信号\的不同，通过置位、锁存和清零处理，产生方波信号V。； 所述n个低压NMOS开关管S1~Sn，作为开关管控制支路的导通和断开，其漏端相连并连接充放电电压信号\ ;其栅端分别接逻辑控制信号Q1~Qn ;其源端分别连接受控电容C1~Cn的一端；该受控电容C1~Cn的另一端连接到地； 所述中心电容Ctl跨接于充放电电压信号\与地之间。
3.根据权利要求1所述的ー种具有频率抖动功能的弛张振荡器，其特征在于频率抖动控制模块(205)包括，分频器(401)、异或门(403)~(406)、缓冲器(402)和异或非门(407); 所述分频器(401)用于对方波信号N0进行分频处理；其清零输入端连接置位控制信号CTR ;其时钟控制端连接方波信号\ ;其输出端输出7个分频信号D1.D2、D3、D4、D5、D6和D7 ；所述第一异或门(403)，其第一输入端连接分频信号D3,其第二输入端连接分频信号D7，其输出端连接到缓冲器的输入端A ； 所述第二异或门(404)，其第一输入端连接分频信号D4，其第二输入端连接分频信号D7，其输出端连接缓冲器的输入端B ；所述第三异或门(405)，其第一输入端连接分频信号D5,其第二输入端连接分频信号D7，其输出端连接缓冲器的输入端C ； 所述第四异或门(406)，其第一输入端连接分频信号D6，其第二输入端连接分频信号D7，其输出端连接缓冲器的输入端D ； 所述缓冲器(402)的输出端输出逻辑控制信号q1、Q2、Q3和Q4 ； 所述异或非门(407)，其第一输入端连接置位控制信号CTR，其第二输入端连接逻辑控制信号Q1，其输出为逻辑控制信号Qi。
4.根据权利要求2所述的ー种具有频率抖动功能的弛张振荡器，其特征在于运算放大器(301)包括，5个低压PMOS管M9~M13, 3个低压NMOS管M14~M16,补偿电阻R2,补偿电容Cb和第二偏置电流I2; 所述低压PMOS管M9~Mltl其栅端相连构成有源电流镜结构，其源极共同连接到电源VDD ;低压PMOS管M9的栅端与自身漏端相连，并连接到第二偏置电流I2; 所述低压NMOS管M14和M15其栅端相连构成有源电流镜结构；其源端共同连接到地；低压NMOS管M14的栅端与自身漏端相连；低压PMOS管Mltl的漏端连接到低压PMOS管M12和M13的源端； 所述低压PMOS管M12和M13其源端相连接构成差分对；其栅端分别作为放大器(301)的负向输入端b和正向输入端a,该正向输入端a连接外部带隙基准电压模块输出的基准电压信号V3,负向输入端b连接低压NMOS管M8的源端；低压PMOS管M12的漏端与低压NMOS管M46分的漏端相连；低压PMOS管M13的漏端与低压NMOS管M15的漏端相连； 所述低压NMOS管M16,其栅·端接低压PMOS管M13的漏极；其源端接地；其漏端与低压PMOS管M11的漏端相连，构成共源级放大器，输出差分放大信号Vd ； 所述补偿电容Cb和补偿电阻R2串联跨接于低压PMOS管M13的漏极和输出差分放大信号Vd之间，作为相位裕度补偿。
【文档编号】H03B5/04GK103595244SQ201310643897
【公开日】2014年2月19日 申请日期:2013年12月1日 优先权日:2013年12月1日
【发明者】来新泉, 丁时勇, 邵丽丽, 许文丹 申请人:西安电子科技大学