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一种具有频率抖动功能RC振荡器的设计_李昌

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电子科技2009年第22卷第6期电子#电路

收稿日期:2008-08-26作者简介:李 昌(1982-),男,硕士研究生。研究方向:模拟集成电路设计。一种具有频率抖动功能RC振荡器的设计

李 昌,杜国同

(大连理工大学物理与光电工程学院,辽宁大连 116023)

摘 要 开关电源在其开关频率及倍频处,会辐射较大的电磁干扰能量,采用频率抖动技术可以将集中的干扰能量分散到较宽的频带上,从而降低干扰幅值。在对常见的RC振荡器分析的基础上,设计了一种带有频率抖动功能的振荡器。该振荡器中心频率为6412kHz,可以在一个周期8ms内实现频率上下各抖动116kHz幅值。在simoMOS1Lm40VBiCMOS工艺条件下经过Hspice仿真,满足设计要求。关键词 频率抖动;电磁干扰;RC振荡器;开关电源中图分类号 TN752 文献标识码 A 文章编号 1007-7820(2009)06-045-04

DesignofaFrequencyJitteringRCOscillator

LiChang,DuGuotong(SchoolofPhysicsandPhotoelectricEngineering,DalianUniversityofTechnolgy,Dalian116023,China)

Abstract EMIenergyoflargeamplitudeisemittedatthetmiesoftheswitchingfrequencyinaswitc-hingpowersupply.Thespectrumofconcentrated-EMI-energyisspreadbythefrequencyjitteringtechnique,andEMIisrestrained.BasedonananalysisofconventionalRCoscillators,anmiprovedoscillatorwithfre-quencyjitteringisdesigned.Thecentralfrequencyoftheoscillatoris6412kHz,andthefrequencyjitters

from6216kHzto6518kHzinaperiodof8ms.DetailedcircuitdesignandHspicesmiulationresultsarea-lsogiven.Keywords frequencyjittering;EMI;RC-oscillator;switchingmodepowersupply

随着开关电源的开关频率不断提高,其正常

工作时的电磁干扰(EMI)问题越来越受到设计者的关注。如果电磁辐射太强,它们会通过电源线传

播或辐射到系统中的其他装置上,损害系统的性

能[1]。电磁辐射的峰值一般出现在开关电源的开

关频率及倍频处,通过对工作频率的调整与抖动,可将EMI扩散到更宽的频率上,从而降低峰值辐

射。在此,介绍了一种具有频率抖动功能的振荡

器,将其集成到开关电源芯片中,可以起到抑制EMI的作用。

1 频率抖动原理

频率抖动技术是指开关电源的工作频率并非固定不变,而是周期性的变化来减小电磁干扰[2]。如图1所示,为其工作原理。可见,开关

频率不是固定的,而是周期性波动。其对EMI干扰能量的分散作用,从图2(a)和图2(b)可以很

好的体现出来。可见,未加入频率抖动、固定频

率时,干扰能量各次谐波较窄,而且离散在开关

频率及倍频处集中;而加入了频率抖动以后,谐波幅值明显降低了,并分散开来,减小EMI的效果十分明显。

图1 频率抖动的示意图45电子#电路一种具有频率抖动功能RC振荡器的设计

ElectronicSci1&Tech1/Jun115,2009图2 加入频率抖动前后干扰能量分布图

2 常见RC振荡器

常见的振荡器,如图3所示[3]。

图3 常见RC振荡器结构 通过设置放大器的参考电压Vref和电阻R可以

使电流Iref=VrefR固定,并镜像给充放电电路。电容

充放电信号由放大器产生,并通过逻辑电路送给

充放电电路。设置参考电压Vref1、Vref2加在比较器

参考电压端(Vref1

出高电平,COMP2比较器输出低电平,并通过逻

辑控制电路将放电支路关闭、充电支路打开,电

容充电,其上电压开始上升;当电容上电压介于Vref1、Vref2之间时,两比较器同输出高电平,充电

状态保持;当电容上电压超过Vref2时,比较器

COMP1输出低电平,COMP2输出高电平,通过逻

辑控制将充电支路关闭、放电支路打开,电容开

始放电,其上电压开始下降;当电容上的电压再次低于Vref1时,又一次充电开始,如此反复,形成

三角波振荡波形。振荡器的振荡频率受充电电容

和充放电电流控制。一般充电电容设计后不会改

变,可以通过改变充放电电流来改变充放电时间,从而改变振荡频率。

3 频率抖动振荡器的设计

311 设计思想

图4为设计的振荡器的示意图。在主偏置电路

中加入电流源I1、I2如图,因为Iref的电流是恒定的,通过控制I1、I2的导通和关闭来调节振荡器的

充放电电流。假设nMOS和pMOS同型尺寸相同,

当开关K1合上、K2断开,则的充放电电流减小为

Iosc=Iref-I1,振荡器频率降低;当开关K1断开、K2合上,则的充放电电流增大为Iosc=Iref+I2,振

荡器频率增大。本设计中,上下并联多路电流源,

并采用逻辑控制使它们随时间组合导通来使充放电电流周期性改变,从而达到频率抖动的功能。

图4 频率抖动振荡器示意图

312 设计的频率抖动振荡器设计的带有频率抖动功能振荡器,如图5所

示。电路从左至右分为3个部分:第一部分为电流

偏置区,由运放AMP、N1、P1、P2以及RI端所接电阻组成主偏置部分,为后级提供偏置电流;最

右边区域为振荡器主体部分,产生锯齿波;中间

部分为充放电电流调节区即频率抖动调控区,由

上面3路电流源I1、I2、I3及下面3路电流源I4、I5、I6组成,来调节Iosc的电流,其中电流源比例

为I1BI2BI3=1B2B4,I4BI5BI6=1B2B4,并由net1~

net6控制电流源的工作状态。实现在一个抖动周期

的前半个周期内,下面的3路电流源随时间组合开通,使合电流呈0~7I4~0组合,充放电电流先增

大后减小,呈正弦波正半周期状;另半个周期中,

上面的3路电流源组合开通,同样呈0~7I1~0的组合,充放电电流先减小后增大,呈正弦波负半

周期状;整个周期实现充放电电流随时间的正弦

型变化,从而达到频率周期性抖动的目的。

46一种具有频率抖动功能RC振荡器的设计电子#电路

电子科技/2009年6月15日图5 频率抖动振荡器电路图

此频率抖动振荡器设计目标为中心工作频率

为64kHz,最大抖动频率为116kHz,实现在8ms周期内完成一次从上下各116kHz频率抖动。

下面计算恒流充电模式,电流比例如上情况

下振荡器的振荡频率。

31211 无频率抖动时

此时上下电流源全部关闭[4],Iosc=Irer,Iosc电

流镜像给充放电支路。由于采用恒流充电,电容

C1的充电时间为

tcharge=$VC1C

Icharge(1)

放电时间为

tdischarge=$VC1CIdischarge(2)

其中$VC1为电容C1电压变化量,C为容值。

得振荡周期为

T=tcharge+tdischarge=$VC1CIcharge+$VC1CIdischarge(3)

于是,得无频率抖动时,中心振荡频率为

f=1T=IchargeIdischarge$VC1C(Icharge+Idischarge)(4)

本电路在设计中,实现64kHz的中心频率过

程如下:设置Vref=118V,RI处加入电阻100k8,

并采用电流镜像使得

Iref=VrefRI=118100@10-3=118@10-5(5)

设置的各MOS管参数比例,使得:IrefBIchargeB

Idischarge=10B1B4,电容C1的容值为8197pF,充放

电比较器的参考电压设置为315V和110V。代入式(4)中得此振荡器的中心频率为

f=4Icharge5$VC1CU6412kHz(6)

该频率与设计目标相符,可以作为中心频率。此

时,Vref、RRI值确定,Iref、Icharge和Idischarge3路mos

管比例也确定。

31212 采用频率抖动时

此时Iosc与Iref不再相等,受修调电流源影响。

当频率最大正向抖动时,下面3路电流源打

开,Iosc>Iref,充放电电流增大,振荡频率增大,

此时设计目标振荡频率为

f=4Iccharge5$VC1C=6518kHz(7)

得

IcchargeU118445@10-6A(8)

由于IoscBIcharge=10B1,得,

Icosc=118445@10-5A

电流变化:$Iosc=4145@10-7A,于是可得

I4Iref=$Iref/7Iref=4145@10-7

7@118@10-5U1280(9)

当频率最大负向抖动时,振荡频率约为fU

6216kHz,同理得到I1IrefU1280(10)

综上,得到电路中各支路的电流关系为:IrefB

IchargeBIdischargeBI1BI4=280B28B7B1B1,I1BI2BI3=1B2B

4,I4BI5BI6=1B2B4,通过调整MOS管宽长比和个

数比可以达到该比例要求。

另外,需要提到的是,考虑到实际版图中

47电子#电路一种具有频率抖动功能RC振荡器的设计

ElectronicSci1&Tech1/Jun115,2009MOS管匹配问题,该电路采用多次电流镜像设计,

这样可以使镜像得到的电流更加精确[4-6],并且使

在需要电流调节时,更加方便、准确。如图6所示,电流源的控制信号net1~net6由

振荡器的充放电控制信号control经过分频、传输

门等数字逻辑模块后产生,其结构如同加减计数器结构,抖动周期通过分频器数目来设置使其为

8ms。

图6 频率抖动控制模块示意图

4 仿真结果

基于sinoMOS1Lm40VBiCMOS工艺条件,设

定VDD=5V,其它参数如上文,采用Hspice仿真工

具对设计的电路进行瞬态仿真。得到的电流源控制信号,如图7所示,可见,控制信号可以按照设计

思想在8ms内有序的打开各电流源。图7的最后一

组为振荡器的三角波信号,其随时间的频率变化,如图8所示(这里只取一个周期的波形)。可见,该

振荡器可以在8ms内振荡频率以中心频率6412kHz

为中心上下波动116kHz,满足设计要求。

图7 频率抖动控制信号图8 振荡器频率抖动仿真波形

5 结束语

文中采用simoMOS1Lm40VBiCMOS工艺,设计了一个具有频率抖动功能的RC振荡器,其中

心频率为6412kHz,可以在一个周期8ms内实现

频率上下抖动116kHz。把这种振荡器经过优化后集成到开关电源芯片中,可以将开关电源开关频

率及倍频处集中的电磁干扰能量分散,降低干扰

幅值,在一定程度上起到抑制电磁干扰的作用。

参考文献

[1] BobBel,lGrantSmith.用电源变换器工作频率的抖动降低峰值辐射[J].电子设计技术,2006,13(1):102.[2] 高峰涛,张姝瑶,王涵,等.EMI滤波器特性分析[J].电子科技,2008,21(9):9-11.[3] 吴高纲.电磁兼容及其预测[J].电子科技,2001(1):34-35.[4] 刘帘曦.一种新型高精度RC振荡器电路设计[J].电路与系统学报,2005,10(3):147-150.[5] 袁涛,王华.一种CMOS电流控制振荡器的分析与设计[J].微电子学,2005(6):662-664.[6] AllenPE,HolbergDR.CMOSAnalogCircuitDesign[M].SecondEdition.Beijing:PublishingHouseofE-lectronicsIndustry,2002.

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rc振荡电路频率计算公式

rc振荡电路频率计算公式

rc振荡电路频率计算公式

1. 前言

RC振荡电路是一种基本的电路结构，主要应用于信号发生、脉冲生成等方面。此外，RC振荡电路还被广泛应用于各种测量仪器中，如频率计等。本文将通过简单的介绍，给大家介绍RC振荡电路频率计算公式。

2. RC振荡电路概述

RC振荡电路是由电感L、电容C和电阻R组成的。在该电路中，当电容C和电感L之间存在电荷交换时，会产生电场和磁场，从而使电路呈现周期性的振荡现象。RC振荡电路可分为两种：谐振电路和非谐振电路。其中，谐振电路的频率和振幅十分稳定，因此在信号发生、脉冲生成等方面得到了广泛应用。

3. RC谐振电路的频率计算公式

在RC谐振电路中，为了产生稳定的振荡，需要保证振荡频率与电容C和电感L有关，并且不受电阻R的影响。电路频率计算公式如下：

f=1/(2π√(LC))

其中，f表示电路的振荡频率，L表示电路中的电感量，C表示电路中的电容量，π表示圆周率。 4. 安装RC振荡电路

在安装RC谐振电路时，需要注意以下几点：

1. 电路应避免干扰：RC谐振电路对干扰十分敏感，应尽量避免安装在强电磁场干扰的区域。

2. 电路接线应正确：电路的接线应正确，避免接反导致电路无法正常工作。

3. 电路的电容和电感应选择合适：根据需要，选择合适大小的电容和电感量，以确保电路频率符合要求。

5. 应用场景

RC振荡电路频率计算公式广泛应用于科学研究、医学、通讯、电力等领域。下面我们就以频率计为例简单介绍一下RC振荡电路在频率计中的应用。

在频率计中，用RC谐振电路来量测频率，其中电容量C和电感量L固定，频率计算公式为：

f = 1/(2πRC)

通过分析电流的大小，可以计算出输入信号的频率，进而在频率分析仪上显示出频率分布情况。

6. 总结

本文主要介绍了RC振荡电路频率计算公式。RC振荡电路是一种十分重要的基本电路，广泛应用于信号发生、脉冲生成等方面。在安装RC振荡电路时，需要注意电路的干扰和接线问题。RC谐振电路频率计算公式广泛应用于科学研究、医学、通讯、电力等领域，其中应用最广泛的是频率计。

RC桥式振荡器

RC桥式振荡器

塔里木大学信息工程学院课程设计

第 1 页 共 9 页 目录

前言 ............................................................... 2

正文 ............................................................... 2

2.1设计的目的和意义............................................. 2

2.2目标与总体方案............................................... 2

2.3设计的方法和内容............................................. 3

2.3.1设计的硬件环境及软件介绍 ............................... 3

2.3.2设计的原理 ............................................. 3

2.3.3设计内容 ............................................... 5

2.3.4设计方案 ............................................... 5

3.4设计的创新点与关键技术....................................... 8

3.5结论......................................................... 8

有关说明 ........................................................... 8

致谢 ............................................................... 9

RC振荡电路的幅频特性及其调节方法

RC振荡电路的幅频特性及其调节方法

RC振荡电路的幅频特性及其调节方法

RC振荡电路是一种常见的电路结构，在许多电子设备和系统中具有重要的应用。本文将介绍RC振荡电路的幅频特性和调节方法，以帮助读者更好地理解和应用此类电路。

一、RC振荡电路的基本原理与特性

RC振荡电路是由电容器和电阻器组成的电路，通过其中的正反馈机制产生振荡现象。其基本原理如下：

1.1 电路结构

RC振荡电路由电容器和电阻器组成，常见的结构有三种：串联结构、并联结构和串并联结构。具体的电路连接方式会影响振荡电路的特性表现。

1.2 振荡原理

RC振荡电路利用正反馈作用产生振荡。当电荷通过电容器，经过电阻器放电时，电压下降导致电流变化。通过反馈回路作用，电容器重新充电，并且周期性地产生振荡。

1.3 振荡频率

RC振荡电路的振荡频率与电容器和电阻器的数值有关。一般而言，振荡频率等于1/(2πRC)，其中R为电阻值，C为电容值。

1.4 幅频特性 RC振荡电路的幅频特性反映了电压信号在不同频率下的衰减情况。振荡电路在一定频率范围内，能够产生相对稳定的输出信号。幅频特性曲线通常为低频段增益较高、高频段增益较低的形态。

二、RC振荡电路的调节方法

为了满足不同的应用需求，人们通常需要对RC振荡电路的振荡频率和幅频特性进行调节。以下是常用的调节方法：

2.1 调节电容值

通过改变电容器的数值，可以调节RC振荡电路的振荡频率。增大电容值会降低振荡频率，而减小电容值会提高振荡频率。如果需要实现精确的频率调节，可以使用可变电容器。

2.2 调节电阻值

改变电阻器的数值可以对RC振荡电路的振荡频率进行调节。增大电阻值会降低振荡频率，而减小电阻值会提高振荡频率。调节电阻值通常会对幅频特性产生影响，需要综合考虑调节的效果。

2.3 加入补偿网络

为了改善RC振荡电路的幅频特性，可以在电路中加入补偿网络。补偿网络可以通过串联或并联的方式，优化电路的幅频特性。例如，在串联结构中，可以加入并联的电容器或电感器来改变电路的频率响应。

rc振荡器工作原理

rc振荡器工作原理

rc振荡器工作原理

RC振荡器是一种基于电阻和电容元件构成的电路，用于产生稳定的振荡信号。其工作原理如下：

1. 正反馈回路：RC振荡器通过将一部分输出信号送回输入端，形成正反馈回路。这种回路会使输入信号放大，并引起系统产生自激振荡，即输出信号会不断地周期性地衰减和增强。

2. 相位变化：在RC振荡器中，电容和电阻元件在电路中起着关键作用。当电容充电时，电压呈指数增长；而当电容放电时，电压呈指数衰减。这种相位变化会导致电路的振荡。

3. 频率确定：RC振荡器的振荡频率由电容和电阻的值决定。具体来说，振荡频率可以通过RC时间常数计算得出，即频率等于1除以RC的乘积。当电容或电阻的值发生变化时，振荡频率也会相应变化。

4. 稳定性：由于RC振荡器的输出信号被正反馈放大，因此即使外部有微小的扰动，振荡器仍能自我稳定，并维持输出信号的稳定性。但是，正反馈程度过高会导致振荡器失去稳定性，因此需要适当控制反馈强度。

总结起来，RC振荡器工作原理基于正反馈回路，通过电容和电阻元件的相位变化产生周期性的振荡信号。振荡的频率由电容和电阻的数值决定，并可通过调整这些元件来改变频率。振荡器能够自我稳定，但需要控制反馈强度以保持稳定性。