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单片弛张振荡器的温度补偿方法 黄海,唐广 1 引言 弛张充放电振荡器在PWM电源和电容传感器中都得到了广泛的应用,也常常作为时钟产生电路用在单片功率集成电路中。但是,由于这种振荡器结构的特殊性,一般的弛张振荡器输出频率受环境温度的变化影响较大,温度性能较差。为了获得较好的温度性能,一般都要采用恒温槽等措施,但增大了体积和成本。为此,本文提出一种适用于这种结构振荡器的片内温度补偿方案,可以简单方便地获得更好的温度性能。
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传感技术中的单片弛张振荡器的温度补偿方法传感技术中的单片弛张振荡器的温度补偿方法
单片弛张振荡器的温度补偿方法 黄海,唐广 1 引言 弛张充放电振荡器在PWM电源和电容传感器中都得到了广
泛的应用,也常常作为时钟产生电路用在单片功率集成电路中。但是,由于这种振荡器结构的特殊性,一般的
弛张振荡器输出频率受环境温度的变化影响较大,温度性能较差。为了获得较好的温度性能,一般都要采用恒
温槽等措施,但增大了体积和成本。为此,本文提出一种适用于这种结构振荡器的片内温度补偿方案,可以简
单方便地获得更好的温度性能。
单片弛张振荡器的温度补偿方法
黄海,唐广
1 引言引言
弛张充放电振荡器在PWM电源和电容传感器中都得到了广泛的应用,也常常作为时钟产生电路用在单片功率集成电路中。但
是,由于这种振荡器结构的特殊性,一般的弛张振荡器输出频率受环境温度的变化影响较大,温度性能较差。为了获得较好的
温度性能,一般都要采用恒温槽等措施,但增大了体积和成本。为此,本文提出一种适用于这种结构振荡器的片内温度补偿方
案,可以简单方便地获得更好的温度性能。
2 弛张振荡器的工作原理弛张振荡器的工作原理
弛张振荡器的一般结构如图1所示。弛张振荡器的工作过程如下:先用一个电流源I
1
向电容器C充电,这时电容器上的电压会不
断上升,将电容器上的电压通过比较器与设定的阈值电压相比较。当电容器上的电压高于电位比较器的阈值电压V2时,控制
部分将会控制开关动作,使I
1
断开,I
2
导通,电容器开始通过I
2
放电,电容器的电压开始下降,设此时的时刻为t
2
。当电容器的
电压下降到低于低位比较器的阈值电压V
1
时,控制部分再次使开关动作,使I
1
导通,I
2
断开,I
1
又重新对电容器充电,设此时
的时刻为t
1
。这样不停反复就可以在电容器上输出连续不断的振荡波形。
设I
1
=I
2
=I
C
,则
如果保持I
C
、C不变,则由(4)式看出电容器的充放电时间是由电容器电压的幅度唯一决定的。可通过调节2个比较器的阈值
电压来调节电容器的电压幅度,从而可方便地调节振荡器的输出频率。以上分析在各个电路无时延的条件下获得的。
3 温度对输出电压频率的影响温度对输出电压频率的影响
3.1 产生频率误差的原因产生频率误差的原因
任何电路结构都存在不同程度的延时。在这种结构的振荡器中,比较器和控制部分也存在一定的延时,虽然可以采用高速比较
器和尽可能简单的控制结构来减少延时,但是始终无法消除延时带来的影响。因此,当电容器上的电压已经上升或下降到需要
开关动作时,由于比较器和控制部分的延时Δτ使得开关往往要经过一段时间后才会动作,而在这段时间内,I
1
(I
2
)还在继续
对电容器充电(放电),因此输出电压与U
c
相比会产生误差(I
C
Δτ)/C,此时,
(3)式将变为
(4)式将变为
可以看出输出电压频率与设计值产生了偏差。
3.2 温度对输出频率的影响温度对输出频率的影响
显然,在不同温度条件下比较器和控制部分的延时是不一样的。由于主要考察延时对输出频率的影响,因此设在不同温度条件
下I
C
和C保持不变,在温度T
1
时,比较器和控制部分产生的延时为Δτ
1
,在温度T
2
时产生的延时为Δτ
2
。则(5)式和(7)式可
写为
从(8)式可以看出,在不同的温度条件下电容器的充放电时间发生了的变化Δt,从而导致输出电压的频率随温度而变化。
图2给出在没有温度补偿的情况下,采用CSMC 0.6μm双层金属、双层多晶硅工艺下和使用Hspice仿真出来的振荡器输出波
形。其中,取IC为250μA,C为5pE,比较器采用的是参考文献[2]中介绍的高速比较器方案,低位比较器的阈值电压为2.4V,
高位比较器的阈值电压为2.5V。图中T1、T2、T3分别为-40℃、27℃、85℃时的输出波形。把振荡器27℃时的输出频率设
计为20MHz,测出此时振荡器的温度系数约为1 685ppm/℃。图3中的曲线1给出近似的输出电压幅度与温度的关系,正如上
面所推导的一样,在不同的温度条件下输出的电压幅度并不相等。
4 温度补偿的实现温度补偿的实现
为了消除温度对输出频率的影响,从(12)式可以看出还必须使Δt=0。为了实现上述要求,令T1时的V2=V’ 2;T2时的V2
=V”2,V1保持不变,则(9)、(11)式改写为(13)式或(17)式:
从(17)式可以看出,为了消除温度对输出频率的影响,可以使电容电压在不同温度条件下取不同的电容值来实现。只要它
们能满足(17)式的条件,就可以得到零温度系数的输出频率。在振荡器中,电容器电压是由比较器的阈值电压控制的,可
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