一種適用于LED驅(qū)動(dòng)電路的壓控振蕩器的設(shè)計(jì)

摘要：鎖相電路在多路LED驅(qū)動(dòng)芯片中得到了普遍地應(yīng)用，壓控振蕩器是鎖相電路的關(guān)鍵組成部分。文中采用弛張振蕩器的原理提出了一種電壓調(diào)節(jié)范圍寬、增益線性度高和具有極低功琵的壓控振蕩器(VCO)電路結(jié)構(gòu)，并基于0．5μm的CMOS工藝對(duì)該VCO進(jìn)行了設(shè)計(jì)。仿真結(jié)果表明在引入60Hz擺幅為0．5V的電源噪聲的情況下，其頻率抖動(dòng)在2％以?xún)?nèi)，電路平均功耗在1mW左右，滿足LED驅(qū)動(dòng)的應(yīng)用。
關(guān)鍵詞：鎖相電路；壓控振蕩器；調(diào)節(jié)線性度；頻率抖動(dòng)

    近年來(lái)，LED憑借著節(jié)能、環(huán)保和長(zhǎng)壽耐用等方向的優(yōu)勢(shì)成為繼白熾燈、熒光燈和高強(qiáng)度氣體燈之后的第四代光源由LED具有發(fā)射光特性隨著平均驅(qū)動(dòng)電流而轉(zhuǎn)移的性質(zhì)，大多數(shù)LED驅(qū)動(dòng)芯片設(shè)計(jì)采用PWM調(diào)光。PWM調(diào)光信號(hào)必須存滿足回應(yīng)時(shí)間要求的前提下，在調(diào)光頻率與對(duì)比度方面進(jìn)行折中 一般來(lái)說(shuō)調(diào)光頻率越低對(duì)比度越高。鎖相電路因自身特點(diǎn)在多路LED驅(qū)動(dòng)芯片中得到了普遍地應(yīng)用，由鎖相環(huán)時(shí)鐘器提供LED芯片所需的調(diào)光頻率，而VCO為鎖相電路的重要組成部分，所以一個(gè)線性度好、功耗低的VCO對(duì)低功耗LED驅(qū)動(dòng)芯片的性能具有重要影響。本文設(shè)計(jì)了一款用于LED驅(qū)動(dòng)芯片的低頻VCO電路，具有較低的功率耗散，增益線性度好且增益可調(diào)的特點(diǎn)。
    本文首先介紹了VCO的基本原理，然后對(duì)本文所提出的壓控振蕩的原理和微調(diào)增益線性度進(jìn)行了分析，并通過(guò)HISPICE軟件對(duì)電路進(jìn)行仿真。

1 VCO的設(shè)計(jì)
1．1 基本原理
    鎖相技術(shù)是一種利用反饋技術(shù)實(shí)現(xiàn)頻率和相位同步的技術(shù)，其主要作用是將電路輸出的時(shí)鐘與系統(tǒng)的參考輸入時(shí)鐘保持同步。當(dāng)參考輸入時(shí)鐘的頻率或相位發(fā)生改變時(shí)，鎖相環(huán)會(huì)檢測(cè)到這種變化，并且通過(guò)其內(nèi)部的反饋系統(tǒng)來(lái)調(diào)節(jié)輸出頻率和相位，直到兩者重新同步。

    其中壓控振蕩器是鎖相電路的關(guān)鍵組成部分，在大多數(shù)應(yīng)用要求振蕩頻率是“可調(diào)的”，也就是說(shuō)，其輸出頻率足一個(gè)輸入的函數(shù)。這個(gè)輸入經(jīng)常為電壓。一個(gè)理想的壓控振蕩器其輸出頻率是其輸入電壓的線性函數(shù)，如圖2所示：
    ωout=ω0+K0Vc             (1)

    這里，ω0表示對(duì)應(yīng)于Vc=0時(shí)的截距，而K0表示電路的增益(單位為rad／V·s。頻率可以達(dá)到的范圍，ω2-ω1，被稱(chēng)為“調(diào)節(jié)范圍”。
1．2 電路結(jié)構(gòu)
    通常從振蕩電路的分類(lèi)來(lái)看，一般分為諧波式振蕩器和弛張振蕩器兩種。前者由于需要集成晶體與電感，在集成電路中實(shí)現(xiàn)有一定的難度，同時(shí)其輸出頻率不能夠通過(guò)外部調(diào)節(jié)在大范圍內(nèi)變動(dòng)，因此在現(xiàn)代集成電路設(shè)計(jì)中，更多的壓控振蕩器屬于弛張振蕩器。本文所設(shè)計(jì)的壓控振蕩器采用的就是弛張振蕩器的原理，電路結(jié)構(gòu)如圖3所示：

    M1和M2管工作時(shí)分別產(chǎn)生電流IM1和IM2，兩電流之和IA為電流鏡的輸入電流。
   
    式中μn為溝道載流子的遷移率，Cox為單位長(zhǎng)度柵氧化層電容，VBIAS心為一基準(zhǔn)電壓。
    電容C1的充電電流為IC，對(duì)于一恒定的充電電流，由于電容電壓不會(huì)產(chǎn)生突變，所以C1上的電壓會(huì)隨時(shí)間線性上升。當(dāng)C1上的電壓高于VH時(shí)，D觸發(fā)器的R端置1，則Qn為1，因此VOUT也為1，而M3管開(kāi)啟，電容C1上的電荷開(kāi)始通過(guò)R2、M3到地放電，則C1上的電壓開(kāi)始下降，當(dāng)C1上的電壓低于VL時(shí)，D觸發(fā)器的S端置1，VOUT為0，M3管截止。IC繼續(xù)給電容C1充電，C1上的電荷增多，繼而電壓上升。如此反復(fù)，VOUT端為高電平為1，低電平為0的方波。
    IC·ton=C1·(VH-VL)      (5)
    ton為電容充電時(shí)間，即M3管導(dǎo)通時(shí)間。
    由于IC相對(duì)于電阻R2和M3組成的通路的放電電流要小的多，所以放電時(shí)忽略IC對(duì)電容的充電作用。
    根據(jù)零輸入響應(yīng)電容電壓的公式

    當(dāng)VIN為0時(shí)，VCO依然有頻率輸出因?yàn)閂BIAS會(huì)使M2常開(kāi)，所以電流IA始終不會(huì)為0。IM6，IM7，IM8分別為IA的鏡像電流，而IC=IM6+IM7 +IM8，所以IC也應(yīng)為電流IA的鏡像，數(shù)字信號(hào)VA與VB控制著M4和M5的開(kāi)啟和關(guān)斷，從而控制電容充電電流IC的大小，繼而改變VCO的輸出頻率。
    調(diào)節(jié)線性度是描述壓控振蕩器的增益的穩(wěn)定性。因?yàn)?strong>壓控振蕩器的增益直接與鎖相環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性相關(guān)，所以必須保證在整個(gè)調(diào)節(jié)范圍內(nèi)有高的線性度、若是KVCO變化大則會(huì)導(dǎo)致鎖相環(huán)的失鎖，VCO的輸出只為高電平或是低電平。
    在M1加上R1是為了引入負(fù)反饋，使IM1隨VIN的變化更線性。一般R1越大線性度越好。由于版圖面積和系統(tǒng)要求，R1一般選擇在幾百千歐左右。因?yàn)镮M是uA級(jí)，所以公式(2)可簡(jiǎn)化為
    IM1≈(VIN-VTH)／R1      (8)
    在電路設(shè)計(jì)中，使時(shí)間常數(shù)τ盡量小，則相對(duì)于充電時(shí)間，放電時(shí)間可忽略、所以
    f≈l／ton (9)
    因此頻率f與VIN成線性關(guān)系
1．3 仿真結(jié)果
    利用上華0．5μm CMOS工藝和HSPICE軟件對(duì)這種設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。

    如圖4所示，曲線依次從上至下為VA=0，VB=0；VA=1，VB=0；VA=0，VB=1；VA=1，VB=1四種情況下VOUT的頻率隨輸入電壓VIN變化的仿真圖?？煽闯鲈谛酒ぷ鞯妮斎腚妷?～4V間，該VCO的工作穩(wěn)定。具有良好的線性度。

    在相位鎖定的狀態(tài)下，如圖5所示， (b)、(d)VA=0，VB=0；VA=1，VB=1兩種情況下在鎖相電路穩(wěn)定的時(shí)，VCO在電源電壓引入噪聲時(shí)的頻率抖動(dòng)情況。兩種情況下的頻率抖動(dòng)分別為：
    4672．4×3．6957×10-6≈1．7％
    102590×135．38×10-9≈1．4％
    經(jīng)仿真得出VA=0，VB=0；VA=1，VB=1兩種情況下在鎖相電路穩(wěn)定的時(shí)，VCO的平均功耗分別為550．24μW，1．1352mW。

2 結(jié)束語(yǔ)
    本文所設(shè)計(jì)的VCO具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，調(diào)節(jié)線性度高，功耗低等優(yōu)點(diǎn)。由于引入負(fù)反饋電阻R1使增益更穩(wěn)定，當(dāng)給電源電壓加上擺幅為0．5 V，頻率為60Hz的正弦信號(hào)噪聲時(shí)，輸出頻率的抖動(dòng)在2％以?xún)?nèi)，這個(gè)電路的功耗在1mW左右。此款VCO可廣泛應(yīng)用于低功耗，低頻LED驅(qū)動(dòng)電路中。