Oscilador sencillo sin cristal, completamente integrado, basado en

Oscilador sencillo sin cristal, completamente integrado, basado en
copiadores de corriente
W. Lancioni - P. Petrashin
Grupo de Microelectrónica
Universidad Católica de Córdoba
Fax: + 54 351 494 0786
e-mail:
[email protected]
[email protected]
Abstract
The present circuit has been designed in order to obtain a small, low consumption and stand allone oscillator,
specially suited for applications where low cost is important and frequency stability is no critical (i. e. electronic
toys, greeting cards, etc.). Beside being easily predictible with very simple equations, this circuit can also be
used as VCO with some small circuit changes. In this paper, first of all the idea is shown, followed by one
proposed circuit. The design equations and some simulation information are also included in the report. As a
practical data, it could be menctioned that probably the next year the circuit will be sent for fabrication to the
U.S. , via MOSIS with AMI Technology.
Resúmen
El presente circuito ha sido diseñado tratando de obtener un sistema pequeño, de bajo consumo y a su vez
autónomo y con buen rendimiento. Sin dudas que la estabilidad en frecuencia ofrecida por un circuito a cristal no
será nunca superada por un circuito sin esta referencia. Este diseño pretende ofrecer una alternativa de bajo costo
y consumo reglable para aquellos sistemas en donde la estabilidad en frecuencia no es crítica (por ejemplo los
juguetes electrónicos). Además de ser predecible ecuacionalmente de forma relativamente sencilla, este circuito
presenta la posibilidad de variar su frecuencia en forma muy simple (para ser usado por ejemplo como VCO). En
este artículo, se mostrará primero la idea, seguida de un posible diseño circuital, ecuaciones matemáticas y
finalmente información sobre simulación. Actualmente se están haciendo los preparativos para enviar a fundir el
circuito a través de MOSIS en E.U.A, en tecnología de AMI.
Introducción
La idea de funcionamiento se explica observando el esquema de la figura 1. Suponiendo que el circuito arranca
con la tensión en el capacitor en cero volt, a la salida del Schmitt Trigger (ST) habrá por consecuencia un uno
lógico. Este nivel, actuando sobre la llave de paso SW, hace que ésta se ecuentre abierta, permitiendo que la
capacidad se cargue a través de la fuente de corriente F1, a una corriente constante. Una vez que el valor de
tensión en la capacidad alcanza el nivel del umbral más alto del ST, este conmuta, permitiendo que la capacidad
se descargue a través de la llave SW y de la fuente de corriente F2 (que es el doble de F1), también con corriente
constante. Esta descarga continuará hasta que la tensión en la capacidad alcance el nivel umbral más bajo,
permitiendo que el ST conmute nuevamente, repitiendo el ciclo. Esto produce una tensión de entrada en forma
de triángulo. Podría pensarse en este caso en controlar a las fuentes de corriente con una tensión de referencia
que
presente
Vcc
características
de
independencia
de
tensión de fuente [1].
Esto
resultaría en una
F1, I
frecuencia bastante
estable con la tensión
de
SW
alimentación. Otra
1
posibilidad es la que
se
muestra en la figura
2
y
consiste en variar la
ST
corriente con una
F2, 2I
tensión de control,
produciendo
en
consecuencia
una
variación
en
la
frecuencia.
Esta
Figura 1. Esuqema del oscilador propuesto
variación, a pesar de
no ser
lineal con la tensión
de
control, le brinda una gran versatilidad al circuito.
El diseño
El circuito propuesto se muestra en la figura 2. Pueden apreciarse 14 transistores y un capacitor. T1 y T2 forman
un espejo de corriente de tipo p, mientras que T3 y T4 están escalados de forma de relacionar las corrientes
convenientemente. Por T2 circulará la mitad de corriente que por T4. T5 es un transistor de paso que habilita la
VCC
VCC
VCC
T2
T1
T8
T9
T12
T5
T14
Vctrl
VCC
T4
T3
C
T6
T7
Figura 2. Esquema del oscilador propuesto
T13
T10
T11
descarga a 2I cuando es necesario. T6 y T7 conforman un inversor, necesario para la lógica ya que el schmitt
trigger es inversor. T8 a T13 conforman el schmitt trigger (ST), el cual se encargará, agregando la histéresis, de
hacer que el circuito oscile. T14 está colocado para permitir que los drenadores de T1 y T3 excursionen en forma
independiente. Como puede verse, variando la tensión de control de T3, se varía la corriente de descarga; T1 y
T2 se encargan de ajustar adecuadamente la corriente de carga y se produce un cambio en la frecuencia de
oscilación, como se demostrará más adelante.
Cabe destacar que el diseño basado en espejos de corriente permite no sólo simetría sino también la posibilidad
de escalamiento, posibilitando la inclusión del circuito en diseños donde el bajo consumo sea una prioridad.
Ecuaciones
Las ecuaciones para los umbrales de entrada del ST pueden escribirse como[2]:
Vth1 = (Vcc + Vtn √β) / (1 + √β)
(1)
Vth2 = √β (Vcc - Vtp) / (1 + √β)
(2)
donde β se define como:
β = (W/L)8/(W/L)9
VC
Vth1
Vth2
t
T1
T2
Figura 3. Variación de la tensión en la capacidad como función
del tiempo.
Además, suponiendo comportamiento ideal, puede deducirse (observar la figura 3) la frecuencia de oscilación de
la siguiente manera:
f = 1/(T1 + T2) = 1 / 2T
(3)
además, ya que la corriente se supone constante,
I = C ∆V/T
(4)
de donde surge inmediatamente que:
T = C ∆V/I
(5)
Reemplazando (5) en (3) se obtiene:
f = I / (2 C ∆V)
(6)
(suponiendo simetría)
en donde se ha supuesto ∆V = Vth1 - Vth2
Observando (6), se puede notar que la frecuencia de oscilación depende de tres factores: la corriente, la
capacidad y la diferencia de potenciales de umbral. En principio y gracias a que los umbrales del ST tampoco
dependen de la tensión de fuente, sería factible pensar en realizar un oscilador bastante estable con tensión de
fuente gracias a algún circuito que la estabilice[1]. Esto será evaluado en estudios posteriores.
Figura 4. Forma de onda simulada usando PSPICE
En la figura 4 se muestra una simulación usando PSPICE del circuito oscilador propuesto. En esta imágen puede
observarse la excelente simetría que existe entre la carga y la descarga. Los umbrales están fijados ahora en 1.35
V el inferior y 2.55 V el superior y la tensión de control está enclavada en 1.5 V.
Conclusiones
El circuito muestra un excelente funcionamiento en su simpleza de diseño. El control de frecuencia permite una
variación de 40 KHz hasta 1.2 Mhz sin problemas de oscilación ni arranque. Esto permite múltiples aplicaciones
en circuitos de bajo consumo (por ejemplo jugetes musicales). También se redujo la tensión de alimentación de 5
hasta 3V verificandose un funcionamiento más que aceptable. El circuito se presenta como robusto y aparenta
ofrecer muchas posibilidades, sobre todo para implementaciones donde la economía sea una variable a tener en
cuenta.
Referencias
[1]
W. Lancioni, P. Petrashin, L. Toledo. "Circuito Sencillo de Cuatro Transistores para referencia interna
de Tensión". IV Workshop Iberchip. Mar del Plata 11 - 13 de Marzo de 1998.
[2]
L. Toledo. "Diseño de un conversor de 3 bits tipo flash usando el Método Gráfico". 1er Simposio
Nacional de Microelectrónica. Tucumán, Junio 1994.
[3]
R. L. Olivera Pinto. "A Design Methodology for MOS Amplifiers". SBCCI ´97
[4]
Integrated Dual Tone Multi-Frequency Telephone Dialer. M Callahan et al. SSC Conference Digest of
Tech. Papers, 1977.
[5]
Tsividis, Y. P. "Operation and Modeling of the MOS Transistor", Mc Graw Hill Inc., 1988.