锂离子电池办理芯片的研讨及其低功耗规划 — 锂离子电池办理芯片的电路完成 (二)

4.2.2振动器

1电路结构

延时电路规划中，一个重要的部分就是振动器。电池办理芯片中的振动器，有必要能在较宽的作业电压规模（1.5V~8V）内、在各种工艺和运用条件下输出频率相对安稳的时钟信号，并且电流耗费要足够低。除负载短路外，电池产生过充电、过放电和过流等意外状况发生后，答应存在的时刻均在ms级；又考虑到延时时刻参数的设置和频率对功耗以及亚阈值电 路的影响，振动器的频率设为2kHz.振动器结构中，RC振动器是常见的一种，其输出频率受阈值电压影响较小，可是受电源电压影响较大；Relax振动器是另一种常见结构，其结构简略，输出频率受电源电压改变影响较小，可是在电容放电时，存在从电源到地的通路，因而并不适合在低功耗场合运用。而环形振动器结构简略，经过改善易于完成低电流耗费，所以本文规划了一个环形结构的振动器，电路如图4.2.13所示。

图 4.2.13中，偏置电路经过B2端给NMOS供给栅级电压，即给振动器供给了电流源I CTRL；POWERDB信号由逻辑控制电路输出，正常状况下为低电平，当电池电压下降到一设定值时，体系进入Power Down状况，POWERDB将变为高电平，此刻振动器输出为零。

正常作业时，振动器的等效电路如图4.2.14所示。在正常状况下，振动器由5个电流源负载反相器和2个推挽反相器组成，反相器数目为奇数，所以振动器振动，输出一对频率相同、相位相反的矩形波CLK和CLKB.从图4.2.13可知，第5个电流源负载反相器中，负载电容是或非门的输入栅极电容，该电容很 小，因而该反相器的上升延时和下降延时很短。相同，推挽反相器的上升延时和下降延时通常在ns级，关于低频振动器也可以疏忽。所以，振动周期主要由前四个电流源负载反相器的上升延时和下降延时来决议。可将前四个电流源反相器视为延时单元，如图4.2.14（b）所示。在预算振动器的振动周期时，只需要考虑 延时单元。

明显，延时单元的上升延时和下降延时，与其充放电速率及负载电容C_L相关。由图4.2.14（b）可知，当输入V_IN变为高电平时，PMOS管关断，电容C_L开端恒流放电，V_OUT电平将下降至使下一级PMOS管导通。将这期间所阅历的时刻计为下降延时t_PHL，有

式中，V_THP为PMOS阈值电压。反之，电容C_L充电时，V_OUT由低电平将上升至下级PMOS管关断，所阅历的时刻界说为上升延时t_PLH。由图4.2.15的上升延时近似计算图可以近似求出t_PLH为

式中，gmp为PMOS管的跨导。一般地，C_L取2pF左右，进步电源电压和增大PMOS管的宽长比可以增大g_mp，然后减小上升延时。和下降延时比较，上升延时较小，预算时可以疏忽不计。

因而，振动频率f_OSC可以标明为

式中，N为电流源负载反相器数目，此处有N=4.由式（4.2.3）可知，在不考虑工艺容差和负载电容值偏移状况下，振动频率差错主要由电流源所供给的电流安稳性所决议，所以振动器期望电流源是一个抱负的恒流源，并且有很高的电源电压按捺比。

2振动频率差错要素而在实践使用中，并不存在抱负的恒流源，偏置电路供给的输出电流I_CTRL和电源电压的联系，可由图4.2.16所示的线性化模型来表征。

图4.2.16中，当电源电压在1.5V到8V之间改变时，I_CTRL近似线性上升。（4.2.3）式则可变为

式（4.2.4）中，k是斜率，单位为欧姆。式（4.2.4）表征了振动器的振动频率与电源电压V DD、|V_THP|及C_L之间的函数联系。下面评论各要素改变对输出频率安稳性的影响：
当VDD固定不变时，|V_YHP|改变时，对（4.2.4）两头求导有

当|V_YHP|固定不变时，VDD改变时，对（4.2.4）两头求导有

当温度改变时，其他参数不变，温度升高时，振动频率上升，反之下降。温度改变时，振动频率改变主要是PMOS管的阈值电压随温度改变。因为阈值电压与温度之间的联系很杂乱，所以经过模仿来确认温度与振动频率之间的联系。

模仿结果标明，温度改变，其他参数不变时，振动频率随温度近似线性上升，预算时取（Δf_osc/T）≈7Hz/℃。

当电容C改变，其他参数不变时，对（4.2.4）式两头求导有：

由（4.2.8）式可知，振动频率差错也与振动频率值有关。下降振动频率，将在必定程度上减小振动频率差错。关于给定的振动频率，要想减小振动频率差错，从根本上应使偏置电路的输出电路更挨近恒流。

3波形及噪声考虑

同一频率的周期矩形波和方波信号频谱中，谐波的起伏以1/n规则收敛。方波的偶次谐波落在频谱包络线的零值点上，所以它的频谱只包括基波和奇次谐波重量，所以和同一振动频率的矩形波比较，方波具有最小的谐波失真（THD），即有

规划时调整C1的电容使得输出波形CLK和CLKB挨近方波。
时钟颤动和相位噪声描绘的是同一现象，都指的是振动器输出的不确认性。

两者不同之处在于时钟颤动描绘输出时域的不确认性，而相位噪声则描绘输出频域的不确认性。

开环体系中，肯定时钟颤动与丈量距离的平方根成正比，如下式所示

式 中k为份额系数，T为丈量距离。在锂离子电池办理芯片中，因为振动器作用于计数器的时刻距离固定（等于3Tosc、5Tosc、7Tosc、 12Tosc），并且体系延时容许的差错远远大于丈量距离期间的肯定时钟颤动，故振动器对相位噪声没有严厉的要求，尽管如此，规划中仍是采取了一些办法来 减小相位噪声。

研讨标明，低频电源噪声和高频衬底耦合噪声对环形振动器的相位噪声影响最大，所以要尽量减小电源噪声和衬底耦合噪声。而图 4.2.13所示的电路中，延时单元的负载%&&&&&%不接地而接电源电压便是为此意图。从NMOS管的源极看进去，NMOS和C L组成低通滤波器，可以有用滤除数字电路的开、关经过衬底引进振动器的高频噪声。

一起，依据线性时变模型（LTV）的研讨可知，不对称的上升和下降沿将添加1/f³角频率，然后增大相位噪声和时钟颤动，使得THD变大。1/f³角频率跟着振动器的级数增大而减小，因而规划时振动器选用七级反相器，既可以减小1/f³角频率、减小THD，一起有利于产品的系列化。