CN2794038Y - 用于振荡器的温度系数补偿电路及使用该电路的振荡器 - Google Patents

Abstract

本实用新型揭示了一种用于振荡器的温度系数补偿电路振荡器包括比较器、电流源、电容和延时电路，补偿电路构成比较器的输入级，补偿电路在比较器的正输入端产生第一偏置电压，而在比较器的负输入端产生第二偏置电压。本实用新型还揭示了一种使用上述温度系数补偿电路的振荡器电路。相对于常用的电路来说，本实用新型的温度补偿电路没有使电路的复杂性增加太多。在高频应用时，它也可以进行适当的改变。通过调节电流源的温度系数也可以很好的补偿不同工艺条件下的振荡器输出频率的温度系数。

Description

用于振荡器的温度系数补偿电路及使用该电路的振荡器

技术领域

本实用新型涉及一种振荡器领域，尤其涉及用于振荡器电路的温度系数控制和补偿。

背景技术

随着便携式设备的普及，面向便携式应用的电源管理芯片和系统的设计面临着新的挑战。对电源模块的重量，体积提出了更高的要求。这就要求振荡器频率更高，同时为了保证整个系统的稳定和性能的，对频率的稳定性也提出了更高的要求。在开关电源控制芯片中主要采用的是锯齿波振荡器来提供整个芯片的PWM的时钟信号和斜坡补偿信号。采用双极型(bipolar)工艺来实现高频振荡器时，由于器件特性的因素，振荡频率在所要求的工作范围内会有较大的偏差。下面是我们在设计DC-DC转换器(Converter)控制芯片的振荡器中所采用的温度补偿电路。与基本电路相比，它可以提供很好的温度特性。由它和通用的振荡器可以构成高频且温度特性稳定的实用电路。

通常情况下，用于电源管理芯片中的振荡器为锯齿波振荡器。为了提供整个控制系统的斜坡补偿信号和时钟同步信号，振荡器一般由比较器，电流源，电容，以及延时电路四部分构成。振荡频率由比较器以及延时电路的速度，电流源充电电流的大小和电容值的大小决定。同时工艺的偏差也会对频率产生影响。当在低频范围内工作时，工艺特性和偏差对振荡频率造成的影响较小。但随着工作频率要求越来越高，工艺所带来的影响就显现出来。

通常用于电源管理芯片中的振荡器结构如图1所示。由带隙电流源101产生的电流经电流镜102给电容器103充电。电容器103上的电压以斜率为Icharge/C1(C1为电容器的电容值)随时间上升。当电容器103上的电压上升到使比较器104翻转时，比较器104的输出端产生高电平。经作为延时电路的缓冲器105延时后，缓冲器105的输出端产生高电位将开关106打开。电容器103上存储的电荷经开关106泻放到地。电容器103上的电压降为开关106的导通压降，从而使比较器104输出端的电压变为低电平。经缓冲器105延迟后输出端产生低电平将开关106关断。这时电容器103重新开始充电周期。在电容器上的电压得到了锯齿波振荡波形，在缓冲器105的输出端得到了一个方波输出，它的脉宽等于比较器104、缓冲器105和开关106所构成环路的延迟。

在低频应用中，由于给电容器充电的时间在整个振荡周期中所占的比重较大，所以环路延迟对振荡频率的影响较小。振荡频率可近似的由公式1给出。式中Vref和V_on分别为参考电压和开关上的导通压降。

$f=\frac{I_{\mathrm{ch}\arg e}}{(V_{\mathrm{ref}}-V_{\mathrm{on}})*C}$ 公式1

在这种应用条件下，只需采用简单的电路使(V_ref-V_on)的温度系数与充电电流的温度系数相当，即 $[\frac{1}{I_{\mathrm{ch}\arg e}}\·\frac{{\∂I}_{\mathrm{ch}\arg e}}{\∂T}-\frac{1}{V}\·\frac{\∂(V_{\mathrm{ref}}-V_{\mathrm{on}})}{\∂T}]$ 较小，就可保证振荡频率随温度变化的稳定。

但在高频应用时，器件的寄生效应和温度特性对振荡频率的影响不能再忽略不计。这时由于器件温度特性的影响，振荡器的频率会随温度发生较大的变化。因此，本领域中需要一种能满足高频应用要求的振荡器。

发明内容

本实用新型的目的是提供一种能够对温度系数进行补偿的振荡器的温度系数补偿电路以及使用该种电路的振荡器。

根据本实用新型的一方面，提供一种用于振荡器的温度系数补偿电路，所述振荡器包括比较器、电流源、电容和延时电路，其特征在于，所述补偿电路构成所述比较器的输入级，所述补偿电路在所述比较器的正输入端产生第一偏置电压，而在所述比较器的负输入端产生第二偏置电压。

在一个实施例中，所述第一偏置电压是一固定电压偏置，而第二偏置电压是具有负温度系数的电压偏置。

在一个实施例中，所述温度系数补偿电路包括第一电流源、第一电阻器、第二电阻器、第三电阻器、第四电阻器、第一晶体管以及第二晶体管，其中，所述第一电流源的一端接地、另一端连于第一电阻器和第三电阻器之间，所述第一电阻器的另一端连到第一晶体管的射极，第一晶体管的集电极和第二晶体管的集电极相连并接地，第二晶体管的射极连到第二电阻器的一端，第二电阻器的另一端与第四电阻器相连，第三电阻器的另一端和第四电阻器的另一端相连并且是高电位，第一晶体管的基极上加有一参考电压，第二晶体管的基极上加有一锯齿波电压，第一、第三电阻之间连接到比较器的负输入端而第二、第四电阻之间连接到比较器的正输入端，其中，所述第二电阻器上的压降即所述第一偏置电压，所述第一电阻器上的压降即所述第二偏置电压。

在一个实施例中，所述第一电流源是一带隙电流源。

在一个实施例中，所述第一电流源是包括第五电阻器、第六电阻器、第七电阻器和第三晶体管的简单电流源电路，其中第五电阻器的一端接固定高电位，另一端与第六电阻器的一端相接并接于第三晶体管的基极，第六电阻器的另一端接地，第三晶体管的射极经第七电阻器接地、集电极为输出电流。

在一个实施例中，所述第一偏置电压是具有负温度系数的电压偏置，所述第二偏置电压是一固定电压偏置。

在一个实施例中，所述温度系数补偿电路包括第一电流源、第一电阻器、第二电阻器、第三电阻器、第四电阻器、第一晶体管和第二晶体管，其中第一晶体管和第二晶体管的集电极相连并接地，第一晶体管的射极与第一电阻器的一端相连，第一电阻器的另一端接于第三电阻器的一端，第二晶体管的射极连到第二电阻器的一端，第二电阻器的另一端与第四电阻器的一端相连，第三电阻器的另一端和第四电阻器的另一端相连并且是高电位，第一电流源的一端接地、另一端接于第二电阻器和第四电阻器之间，第一晶体管的基极上加有一参考电压，第二晶体管的基极上加有一锯齿波电压，所述第一、第三电阻之间连接到比较器的负输入端而第二、第四电阻之间连接到比较器的正输入端，其中，所述第二电阻器上的压降即所述第一偏置电压，所述第一电阻器上的压降即所述第二偏置电压。

根据本实用新型的另一方面，提供一种振荡器电路，包括比较器、电流源、电容和延时电路，其中电流源经电容器给电容充电；电容的一端连到比较器一输入端、另一端接地；比较器的输出端与缓冲器的一端相连；缓冲器的另一端或者经开关接地、或者经开关连到电容和所述比较器一输入端之间的节点；其还包括前述的温度系数补偿电路，其构成所述比较器的输入级，所述补偿电路在所述比较器的正输入端产生第一偏置电压，而在所述比较器的负输入端产生第二偏置电压。

相对于常用的电路来说，本实用新型的温度补偿电路没有使电路的复杂性增加太多。在高频应用时，它也可以进行适当的改变。通过调节电流源的温度系数也可以很好的补偿不同工艺条件下的振荡器输出频率的温度系数。

附图说明

本实用新型上述的以及其他的特征、性质和优势将通过下面结合附图对实施例的描述而变得更加明显，在附图中相同的附图标记始终表示相同的特征，其中，

图1是现有技术的振荡器结构；

图2是本实用新型的振荡器结构；

图3是本实用新型的振荡器结构内具有温度系数补偿电路的比较器的一个实施例的电路图；

图4是本实用新型振荡器结构内具有温度系数补偿电路的比较器的另一个实施例的电路图；

图5是本实用新型偏置电路内的电流源电路的一个实施例的电路图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例进一步说明本实用新型的技术方案。

针对越来越多的高频应用的要求，本实用新型采用了新的温度系数补偿电路来调节振荡器的温度系数，以使它能满足使用要求。它能很好地提高振荡器随频率的稳定性，是一种新型且实用的补偿电路。图2所示即为本实用新型的振荡器电路的电路结构图。

与图1相比，本实用新型在比较器104的正负输入端加上了温度系数补偿电路107，该电路107是作为比较器104的输入级，其为比较器104的正、负输入端提供电压偏置。其中在负输入端加上了具有负温度系数的电压偏置Vbias，而在正输入端则是一个固定的电压偏置Fixed-DC。如图2所示，由带隙电流源101产生的电流经电流镜102给电容器103充电。电容器103上的电压以斜率为Icharge/C1(C1为电容器103的电容值)随时间上升。当电容器103上的电压经一固定电压偏置输出到比较器104，比较器的另一端加上了具有正温度系数的电压偏置，进行比较后使比较器104翻转，从而使比较器104的输出端产生高电平。经作为延时电路的缓冲器105延时后，缓冲器105的输出端产生高电位将开关106打开。电容器103上存储的电荷经开关106泻放到地。电容器103上的电压降为开关106的导通压降，从而使比较器104输出端的电压变为低电平。经缓冲器105延迟后输出端产生低电平将开关106关断。这时电容器103重新开始充电周期。这样的电路结构可以补偿由于温度升高而导致频率下降的情况。

图3是实用新型振荡器结构内具有温度系数补偿电路的比较器的一个实施例的电路图；，在该实施例中，在比较器的负输入端增加一个具有负温度系数的温度系数补偿电路。参考图3，在该实施例中，比较器输入级的电路包括第一电流源I_PTAT、第一电阻器R1、第二电阻器R2、第三电阻器R3、第四电阻器R4、第一晶体管Q1以及第二晶体管Q2，其中，I_PTAT的一端接地、另一端连于R1和R3之间，R1的另一端连到Q1的射极，R1的集电极和Q2的集电极相连并接地，Q2的射极连到R2的一端，R2的另一端与R4相连，R3的另一端和R4的另一端相连并且是高电位，Q1的基极上加有一参考电压Vref，Q2的基极上加有一锯齿波电压，R1、R3之间连接到比较器的负输入端而R2、R4之间连接到比较器的正输入端。前面描述过的Vref仍然加在Q1管的基极，锯齿波电压信号加在Q2管的基极。R1与R2，R3与R4分别匹配。偏置电流流过电阻R1和R2所产生的压降构成了图2中所示的两个偏置电压源。考虑到差分对的对称性，R2上的压降可以看作不随温度变化，即为图2中的Fixed-DC电压。R1与I_PTAT电流源构成了具有负温度系数的电压偏置Vbias。这将使实际比较器的判断电平随温度叠加上一个负温度系数的量。这实际上够成了Vref温度补偿基础上的二阶补偿。

图2和图3所示电路在通常振荡器的电路中加入了具有温度补偿作用的电压偏置。用于补偿由于工艺的影响，在高频应用时振荡频率随温度的漂移。

Q1和Q2是比较器的输入级。R4和R2构成了固定的电压偏置。I_PTAT、R1和R3构成了具有负温度系数的电压偏置。这两个电压偏置共同起作用，随温度调节振荡器中比较器的翻转电平，以达到补偿振荡器温度系数的目的。相对于常用的电路来说，本实用新型的温度补偿电路没有使电路的复杂性增加太多。在高频应用时，它也可以进行适当的改变。如将I_PTAT电流源加在锯齿波电压一侧时则可用于补偿频率随温度发生的正向漂移。参考图4示出了该种应用的一个实施例的电路图。

参考图4可见，在该实施例中，构成比较器输入级的电路包括第一电流源I_PTAT、第一电阻器R1、第二电阻器R2、第三电阻器R3、第四电阻器R4、第一晶体管Q1和第二晶体管Q2。其中Q1和Q2的集电极相连并接地，Q1的射极与R1的一端相连，R1的另一端接于R3的一端，Q2的射极连到R2的一端，R2的另一端与R4的一端相连，R3的另一端和R4的另一端相连并且是高电位，第一电流源I_PTAT的一端接地、另一端接于R2和R4之间，Q1的基极上加有一参考电压Vref，Q2的基极上加有一锯齿波电压，R1、R3之间连接到比较器的负输入端而R2、R4之间连接到比较器的正输入端，其中，R1与R2，R3与R4分别匹配。偏置电流流过电阻R1和R2所产生的压降构成了图2中所示的两个偏置电压源。考虑到差分对的对称性，R1上的压降可以看作不随温度变化，即为图2中的Fixed-DC电压。R2与I_PTAT电流源构成了具有正温度系数的电压偏置Vbias。此时，第一偏置电压是具有负温度系数的电压偏置，第二偏置电压是一固定电压偏置。

经过适当的电路修改，本电路可以适用于振荡频率随温度发生正向漂移的情况。也可以通过简单的修改I_PTAT电路的参数来适应不同的工艺条件，来减小振荡器输出频率的温度漂移。

图3中的I_PTAT可由普通的带隙电流源构成，也可由图5所示的简单的电流源电路来构成。参考图5可见，该简单电流源包括：第五电阻器R5、第六电阻器R6、第七电阻器R7和第三晶体管Q3。其中R5的一端接高电位，另一端与R6的一端相接并接于Q3的基极，R6的另一端接地，Q3的射极经R7接地、基极加有一由R5，R6分压所得的参考电压Vrefcomp、集电极为输出电流。

R5，R6提供电路所需的Vrefcomp值，此Vrefcomp值用于决定温度补偿的开始温度点和补偿的大小。当温度上升使Vrefcomp＞Vbe时，开始进行温度补偿，根据图5得出以下公式：

Iout＝(Vrefcomp-Vbe)/R_ref

当省略电阻的温度系数时：

$\frac{\∂\mathrm{Iout}}{\∂T}=\frac{\∂((\mathrm{Vrefcomp}-\mathrm{Vbe})/R_{\mathrm{ref}})}{\∂T}=\frac{1}{R_{\mathrm{ref}}}*\frac{\∂\mathrm{Vbe}}{\∂T}$

${\mathrm{TC}}_F=\frac{1}{\mathrm{Iout}}\frac{\∂\mathrm{Iout}}{\∂T}=\frac{R_{\mathrm{ref}}}{\mathrm{Vrefcomp}-\mathrm{Vbe}}\frac{\∂((\mathrm{Vrefcomp}-\mathrm{Vbe})/R_{\mathrm{ref}})}{\∂T}=\frac{1}{\mathrm{Vrefcomp}-\mathrm{Vbe}}*\frac{\∂\mathrm{Vbe}}{\∂T}$

采用图5的电路结构时，可以通过选取适当的电阻值来得到补偿用的温度系数。

相对于常用的电路来说，本实用新型的温度补偿电路没有使电路的复杂性增加太多。在高频应用时，它也可以进行适当的改变。通过调节电流源的温度系数也可以很好的补偿不同工艺条件下的振荡器输出频率的温度系数。

上述实施例是提供给熟悉本领域内的人员来实现或使用本实用新型的，熟悉本领域的人员可在不脱离本实用新型的发明思想的情况下，对上述实施例做出种种修改或变化，因而本实用新型的保护范围并不被上述实施例所限，而应该是符合权利要求书提到的创新性特征的最大范围。

Claims (10)

1.一种用于振荡器的温度系数补偿电路，所述振荡器包括比较器、电流源、电容和延时电路，其特征在于，所述补偿电路构成所述比较器的输入级，所述补偿电路在所述比较器的正输入端产生第一偏置电压，而在所述比较器的负输入端产生第二偏置电压。

2.如权利要求1所述的温度系数补偿电路，其特征在于，所述第一偏置电压是一固定电压偏置，而第二偏置电压是具有负温度系数的电压偏置。

3.如权利要求2所述的温度系数补偿电路，其特征在于，所述温度系数补偿电路包括第一电流源、第一电阻器、第二电阻器、第三电阻器、第四电阻器、第一晶体管以及第二晶体管，其中，

所述第一电流源的一端接地、另一端连于第一电阻器和第三电阻器之间，所述第一电阻器的另一端连到第一晶体管的射极，第一晶体管的集电极和第二晶体管的集电极相连并接地，第二晶体管的射极连到第二电阻器的一端，第二电阻器的另一端与第四电阻器相连，第三电阻器的另一端和第四电阻器的另一端相连并且是高电位，第一晶体管的基极上加有一参考电压，第二晶体管的基极上加有一锯齿波电压，第一、第三电阻之间连接到比较器的负输入端而第二、第四电阻之间连接到比较器的正输入端，其中，

所述第二电阻器上的压降即所述第一偏置电压，所述第一电阻器上的压降即所述第二偏置电压。

4.如权利要求3所述的温度系数补偿电路，其特征在于，所述第一电流源是一带隙电流源。

5.如权利要求3所述的温度系数补偿电路，其特征在于，所述第一电流源是包括第五电阻器、第六电阻器、第七电阻器和第三晶体管的简单电流源电路，其中第五电阻器的一端接固定高电位，另一端与第六电阻器的一端相接并接于第三晶体管的基极，第六电阻器的另一端接地，第三晶体管的射极经第七电阻器接地、集电极为输出电流。

6.如权利要求1所述的温度系数补偿电路，其特征在于，所述第一偏置电压是具有正温度系数的电压偏置，所述第二偏置电压是一固定电压偏置。

7.如权利要求6所述的温度系数补偿电路，其特征在于，所述温度系数补偿电路包括第一电流源、第一电阻器、第二电阻器、第三电阻器、第四电阻器、第一晶体管和第二晶体管，

其中第一晶体管和第二晶体管的集电极相连并接地，第一晶体管的射极与第一电阻器的一端相连，第一电阻器的另一端接于第三电阻器的一端，第二晶体管的射极连到第二电阻器的一端，第二电阻器的另一端与第四电阻器的一端相连，第三电阻器的另一端和第四电阻器的另一端相连并且是高电位，第一电流源的一端接地、另一端接于第二电阻器和第四电阻器之间，第一晶体管的基极上加有一参考电压，第二晶体管的基极上加有一锯齿波电压，第一、第三电阻之间连接到比较器的负输入端而第二、第四电阻之间连接到比较器的正输入端，其中，

所述第二电阻器上的压降即所述第一偏置电压，所述第一电阻器上的压降即所述第二偏置电压。

8.如权利要求7所述的温度系数补偿电路，其特征在于，所述第一电流源是一带隙电流源。

9.如权利要求7所述的温度系数补偿电路，其特征在于，所述第一电流源是包括第五电阻器、第六电阻器、第七电阻器和第三晶体管的简单电流源电路，其中第五电阻器的一端接固定高电位，另一端与第六电阻器的一端相接并接于第三晶体管的基极，第六电阻器的另一端接地，第三晶体管的射极经第七电阻器接地、集电极为输出电流。

10.一种振荡器电路，包括比较器、电流源、电容和延时电路，其中电流源经电容器给电容充电；电容的一端连到比较器一输入端、另一端接地；比较器的输出端与缓冲器的一端相连；缓冲器的另一端或者经开关接地、或者经开关连到电容和所述比较器一输入端之间的节点，其特征在于，还包括如权利要求1至10中任一项所述的温度系数补偿电路，其构成所述比较器的输入级，所述补偿电路在所述比较器的正输入端产生第一偏置电压，而在所述比较器的负输入端产生第二偏置电压。

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