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摘 要：文中介绍了一种应用于低D类音频功放的CMOS振荡器结构设计，用于对音频信号的调制。振荡器采用内部正反馈的迟滞比较器设计，大大降低了电源电压和环境温度对CMOS振荡器振荡频率的影响。理论分析及仿真结果表明，此CMOS振荡器具有较高的频率稳定性。
关键词：振荡器；D类音频放大器；迟滞比较器
A CMOS Oscillator used in High-fidelity Class D Audio Amplifier
HE Qin，WANG Dan
（School of Information Science & Technology，Southwest Jiaotong University，
Chengdu 610031， China）
Abstract: A CMOS Oscillator is proposed in this paper，which can be used in a low-EMI filter-less Class D audio amplifier. This oscillator is made up of a comparator with internal positive feedback and used for conventional PWM modulation of audio signal. We can get a high resolution CMOS RC oscillator using this structure，which could be less independent of the voltage and temperature variation. The simulation results shows that this RC oscillator have a more stable frequency.
Keywords: Oscillator，Class D audio amplifier，hysteretic comparator
振荡器作为现代电子系统的重要组成部分，被广泛应用于时钟同步电路、 无线通信收发器中的频率综合器、光通信中的时钟恢复电路(CRC，clock recovery circuit )，以及多相位采样电路中[1]。振荡器按实现电路元件分为RC振荡器、LC振荡器和石英晶体振荡器[2]。
设计集成芯片内部的振荡电路的关键在于产生振荡信号频率的稳定性，它要求芯片不随工艺、 温度、 电源电压的变化而变化[3]。本文采用内部正反馈的迟滞比较器设计了一种高稳定性宽电压范围的振荡器。该振荡器可以广泛使用在D类音频放大器中。
1 电路设计与原理分析
1.1 振荡器系统电路结构及原理
振荡器采用恒流源充放电技术，即利用恒定电流源提供的灌电流和拉电流分别对电容进行充电和放电。振荡器的等效电路如图1所示。
当振荡器工作时，通过OPA的钳位可以得到R4上端电压等于R3上的端电压，并由此产生一个恒定电流
IR4=■(1)
这个电流通过电流镜的结构镜像出去，作为充放电的电流并产生两个比较器的高低比较电平
UA=IR4(R5+R6)(2)
UB=IR4R5(3)
通过电流镜的宽长比的比值可以得到充放电的电流是相等的，即产生的三角波信号上升和下降的时间是相等的。此电流为
ICharge=Idischarge=■IR4(4)
分析充放电的过程，假设使能开启使OSC工作，运放和比较器很快进入工作状态，比较的高低电平很快建立起来，输入至比较器。此时，电容上没有电荷，电压为零，与A和B比较，两个比较器分别输出高电平和低电平。
通过锁存器的工作使C为低电平，开启MP7给电容充电。当USAW大于B电平时，比较器COMP2翻转输出高电平，由于锁存器低电平触发，所以C维持低电平继续给电容充电，直到USAW的电平达到A点电平时，COMP1比较器输出低电平，触发C信号翻转输出高电平，电容开始放电，USAW的电平马上低于A点电平，比较器COMP1恢复输出高电平，如此循环往复的工作。所以USAW的输出正常工作之后是介于电平A和B之间的。
根据前面的公式推导，可以推出其周期公式。这里可以分两部分来分析
C=■(5)
C1(UA-UB)=■×IR4×T1(6)
T1=■(7)
结合公式(1)、(2)、(3)、(4)可得
T1=2C1R6(8)
由于OSC的充放电时间相等，所可以得到振荡器的周期为
T=2T1=4C1R6(9)
1.2 运放OPA
此OPA电路是采用折叠式共源共栅结构，如图2所示，所以即使运放只有一级，在增益上还是可以满足电路的设计要求。
等效输出电阻
ROUT=[gm(MP9)ro(MP9)ro(MP6)]×[gm(MN9)ro(MN9)(ro(MN6)//ro(MP11))]
(10)
运放的增益为
ADB=g(MP11)×ROUT(11)
由于运放的输出电阻ROUT及电容C1很大，所以在输出端产生了一个低频的主极点。
该主极点为
P=■(12)
1.3 比较器COMP
根据电路分析得，比较器COMP1为一级运放，采用了高速比较器结构，如图3所示。同时此结构也可以对电路的等效跨导增强，提高比较器的增益。
2 电路的仿真结果与分析
图4为振荡器仿真结果，表1为在不同电源电压及温度下振荡频率值。由表1可以得出该振荡器的频率受电源电压的影响比较小，随着温度上升则频率增大，不同的process corner下频率也不同。但是其波动范围都在电源管理芯片以及音频放大器芯片应用范围之内。
3 结束语
本文采用具有内部正反馈的迟滞比较器的结构，设计了一种基于 CMOS工艺的
高性能高稳定性的振荡器。 该振荡器对电压、温度、工艺偏差具有较强的容忍度。经过仿真验证结果表明，该振荡器完全适用于D类音频放大器，DC/DC等芯片中。
参考文献
[1] 黄可，冯全源.一种基于BCD工艺的高性能振荡器的设计 微电子学，2009，39(5).
[2] 李展，冯炳军.一种基于内部迟滞比较器的新型RC振荡器[J] 微电子学，2009，32(1): 41-48.
[3] 李俊宏，李平，胥锐.一种 基于标准CMOS工艺的低成本振荡器的设计[J ] . 微电子学，2007，37 (4) : 543-547.
[4] 陈巨，鲁斌，王晓蕾. 消费类芯片RC振荡器的分析与设计[J]. 中国集成电路，2005，(09) .
[5] 余清华，宋健，代杰. 一种基于恒压源充放电的高精度张弛振荡器的设计[J]. 电子世界，2011，(09) .
作者简介
何 钦(1985-)，男，四川成都，硕士研究生，主要研究方向：集成电路设计。
王 丹(1955-)，男，四川成都，副教授，主要研究方向：电子电路，集成电路设计，可编程集成电路应用。
关键词：振荡器；D类音频放大器；迟滞比较器
A CMOS Oscillator used in High-fidelity Class D Audio Amplifier
HE Qin，WANG Dan
（School of Information Science & Technology，Southwest Jiaotong University，
Chengdu 610031， China）
Abstract: A CMOS Oscillator is proposed in this paper，which can be used in a low-EMI filter-less Class D audio amplifier. This oscillator is made up of a comparator with internal positive feedback and used for conventional PWM modulation of audio signal. We can get a high resolution CMOS RC oscillator using this structure，which could be less independent of the voltage and temperature variation. The simulation results shows that this RC oscillator have a more stable frequency.
Keywords: Oscillator，Class D audio amplifier，hysteretic comparator
振荡器作为现代电子系统的重要组成部分，被广泛应用于时钟同步电路、 无线通信收发器中的频率综合器、光通信中的时钟恢复电路(CRC，clock recovery circuit )，以及多相位采样电路中[1]。振荡器按实现电路元件分为RC振荡器、LC振荡器和石英晶体振荡器[2]。
设计集成芯片内部的振荡电路的关键在于产生振荡信号频率的稳定性，它要求芯片不随工艺、 温度、 电源电压的变化而变化[3]。本文采用内部正反馈的迟滞比较器设计了一种高稳定性宽电压范围的振荡器。该振荡器可以广泛使用在D类音频放大器中。
1 电路设计与原理分析
1.1 振荡器系统电路结构及原理
振荡器采用恒流源充放电技术，即利用恒定电流源提供的灌电流和拉电流分别对电容进行充电和放电。振荡器的等效电路如图1所示。
当振荡器工作时，通过OPA的钳位可以得到R4上端电压等于R3上的端电压，并由此产生一个恒定电流
IR4=■(1)
这个电流通过电流镜的结构镜像出去，作为充放电的电流并产生两个比较器的高低比较电平
UA=IR4(R5+R6)(2)
UB=IR4R5(3)
通过电流镜的宽长比的比值可以得到充放电的电流是相等的，即产生的三角波信号上升和下降的时间是相等的。此电流为
ICharge=Idischarge=■IR4(4)
分析充放电的过程，假设使能开启使OSC工作，运放和比较器很快进入工作状态，比较的高低电平很快建立起来，输入至比较器。此时，电容上没有电荷，电压为零，与A和B比较，两个比较器分别输出高电平和低电平。
通过锁存器的工作使C为低电平，开启MP7给电容充电。当USAW大于B电平时，比较器COMP2翻转输出高电平，由于锁存器低电平触发，所以C维持低电平继续给电容充电，直到USAW的电平达到A点电平时，COMP1比较器输出低电平，触发C信号翻转输出高电平，电容开始放电，USAW的电平马上低于A点电平，比较器COMP1恢复输出高电平，如此循环往复的工作。所以USAW的输出正常工作之后是介于电平A和B之间的。
根据前面的公式推导，可以推出其周期公式。这里可以分两部分来分析
C=■(5)
C1(UA-UB)=■×IR4×T1(6)
T1=■(7)
结合公式(1)、(2)、(3)、(4)可得
T1=2C1R6(8)
由于OSC的充放电时间相等，所可以得到振荡器的周期为
T=2T1=4C1R6(9)
1.2 运放OPA
此OPA电路是采用折叠式共源共栅结构，如图2所示，所以即使运放只有一级，在增益上还是可以满足电路的设计要求。
等效输出电阻
ROUT=[gm(MP9)ro(MP9)ro(MP6)]×[gm(MN9)ro(MN9)(ro(MN6)//ro(MP11))]
(10)
运放的增益为
ADB=g(MP11)×ROUT(11)
由于运放的输出电阻ROUT及电容C1很大，所以在输出端产生了一个低频的主极点。
该主极点为
P=■(12)
1.3 比较器COMP
根据电路分析得，比较器COMP1为一级运放，采用了高速比较器结构，如图3所示。同时此结构也可以对电路的等效跨导增强，提高比较器的增益。
2 电路的仿真结果与分析
图4为振荡器仿真结果，表1为在不同电源电压及温度下振荡频率值。由表1可以得出该振荡器的频率受电源电压的影响比较小，随着温度上升则频率增大，不同的process corner下频率也不同。但是其波动范围都在电源管理芯片以及音频放大器芯片应用范围之内。
3 结束语
本文采用具有内部正反馈的迟滞比较器的结构，设计了一种基于 CMOS工艺的
高性能高稳定性的振荡器。 该振荡器对电压、温度、工艺偏差具有较强的容忍度。经过仿真验证结果表明，该振荡器完全适用于D类音频放大器，DC/DC等芯片中。
参考文献
[1] 黄可，冯全源.一种基于BCD工艺的高性能振荡器的设计 微电子学，2009，39(5).
[2] 李展，冯炳军.一种基于内部迟滞比较器的新型RC振荡器[J] 微电子学，2009，32(1): 41-48.
[3] 李俊宏，李平，胥锐.一种 基于标准CMOS工艺的低成本振荡器的设计[J ] . 微电子学，2007，37 (4) : 543-547.
[4] 陈巨，鲁斌，王晓蕾. 消费类芯片RC振荡器的分析与设计[J]. 中国集成电路，2005，(09) .
[5] 余清华，宋健，代杰. 一种基于恒压源充放电的高精度张弛振荡器的设计[J]. 电子世界，2011，(09) .
作者简介
何 钦(1985-)，男，四川成都，硕士研究生，主要研究方向：集成电路设计。
王 丹(1955-)，男，四川成都，副教授，主要研究方向：电子电路，集成电路设计，可编程集成电路应用。