采用恒流源充放电技术,以比较器为核心,利用一种新型真随机数发生器产生随机控制信号,设计一种基于0.5μm CMOS工艺的扩展频谱振荡器,振荡频率在1~1.6 MHz的范围内。通过Cadence spectre仿真工具对电路进行仿真验证,结果表明,该方案能够在1~1.6 MHz的范围内产生随机振荡信号。该振荡器可以用于改善DC/DC转换器的噪声性能。
本文探讨了一种创新的基于真随机数发生器的扩展频谱CMOS振荡器设计，该设计采用0.5微米CMOS工艺，旨在改善DC/DC转换器的噪声性能。扩展频谱振荡器的核心在于其随机控制信号的产生，这种信号由一个新型真随机数发生器提供。传统振荡器通常工作在固定频率，导致大量噪声集中在特定频点，而扩展频谱振荡器通过随机变化的频率分散噪声，降低输出噪声峰值。
设计中，振荡器由随机序列发生器、振荡器电路、整形电路和二分频电路四个部分组成。随机序列发生器在外部使能信号和反馈时钟的控制下产生随机信号，这些信号与整形电路的反馈信号结合，共同控制振荡器中恒流源的充电电流，使得振荡器产生的频率在1至1.6MHz范围内随机变化。通过二分频电路，随机振荡信号进一步整形，确保频率在设定范围内随机波动。
真随机数发生器电路的设计基于D触发器的“振荡采样法”，但进行了改进，只需一个振荡器即可。电路包含17级D触发器，其中16级形成一个移位寄存器。通过异或操作和特定时钟周期的采样，确保了输出信号的随机性和均匀分布。输出的随机信号被用作控制振荡器中电容充电电流的大小，从而实现随机频率变化。
CMOS随机振荡器电路主要由单位增益缓冲器、电压比较器、电流镜以及随机电流充电电路组成。单位增益缓冲器由M1至M5、M7、M8和电阻R1构成，用来设定基础充电电流I1。电压比较器由M10至M18实现，电流镜M25则用于对电容C充电。随机控制信号V1至V4控制M27至M30的开关状态，通过镜像电流改变电容C的充电速度，进而改变振荡器频率。二分频电路则将振荡器输出的随机信号转换为方波形式。
通过Cadence Spectre仿真工具对整个电路进行了验证，结果证实了该设计能够在1到1.6MHz范围内产生随机振荡信号，证明了其在噪声抑制方面的有效性。这种基于真随机数发生器的扩展频谱CMOS振荡器设计，不仅提高了DC/DC转换器的噪声性能，也为未来开关电源控制电路的优化提供了新的思路。
