CN101977035B - 一种温度补偿失调消除的rc振荡器及其实现方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种温度补偿失调消除的RC振荡器及方法，所述RC振荡器包括基准电流产生模块和时钟信号产生模块，所述基准电流产生模块由两个运算放大器、两个电流源、两个场效应管、电阻和减法器组成，时钟信号产生模块由比较器、缓冲器、电容、电流源、电流沉和电流镜构成，电流镜的输入端连接减法器的输出端，比较器的输出端控制RC振荡器的所有开关，比较器的输出端经缓冲器后成为RC振荡器的输出时钟信号。本发明的有益效果为：消除了常规技术中影响振荡器输出频率的误差来源，即电阻温度系数及比较器的输入失调电压，极大程度地提升了输出频率的精度。
Description
技术领域
本发明涉及CMOS集成电路领域，尤其涉及一种温度补偿失调消除的RC振荡器及其实现方法。
背景技术
混合信号芯片中的数字电路通常需要频率精准的时钟信号，时钟信号在芯片内由振荡器产生，RC振荡器以其结构简单，可集成度高，性能良好得到了广泛的研究和应用。在常规的RC振荡器中，电流镜将电流基准转换为电流源IP和电流沉IN，通常设定IP=IN=k*VREF/R, k为常数，VREF为基准电压，R为电阻，由两个开关S1，S2交替导通切换充电电流源IP和放电电流沉IN，两个比较器用来比较电容电压VC和基准电压VH及VL并将比较结果输入到RS触发器产生输出信号，由输出信号控制开关。
上电后，两个比较器输出为逻辑值“01”，当输出信号为逻辑“0”，S1导通S2关断，电容开始充电。当VH<VC<VL后，比较器输出为“00”， 输出信号保持为“0”，电容继续充电。当VC>VH后，比较器输出为逻辑“10”，输出信号变为逻辑“1”，S1关断S2导通，电容停止充电同时开始放电。VC下降的过程中，如果VH<VC<VL，比较器输出为逻辑“01”， 输出信号保持为逻辑“1”，电容持续放电。当VC<VL后，比较器输出重新变为逻辑“01”，电容又一次开始充电。如此循环充放电产生稳定的占空比为50%的方波脉冲，脉冲频率f=k*VREF/[2(VH-VL)]*[1/(RC)]。
上式中，由于电阻R和电容C均为芯片内集成，它们的绝对精度和温度漂移不可忽视，严重影响了脉冲频率的精度。另外两个比较器存在输入失调电压Vos1、Vos2, 因此VH-VL应修正为[(VH-Vos1)-(VL-Vos2)]。电阻R和电容C的绝对精度通过修调可以得到保证，电容C的温度漂移相对较小，也可以忽略，但电阻R的温度漂移非常显著，比较器失调电压之差(Vos2-Vos1)也可能到正负数十mV量级，并且也是一个温度敏感的量。它们给振荡器输出频率带来的误差可能高达25%，这显然是不可接受的。
发明内容
本发明的目的是提供一种温度补偿失调消除的高精度RC振荡器，以克服现有技术的不足。
本发明的目的通过以下技术方案来实现：
一种温度补偿失调消除的RC振荡器，包括基准电流产生模块和时钟信号产生模块，所述基准电流产生模块由两个运算放大器、两个电流源I1和I2、两个场效应管M1和M2、电阻R和减法器组成，两个运算放大器的正向输入端分别连接与对应的基准电压VREF1和VREF2，两个运算放大器的反向输入端分别连接相对应的场效应管（如M1，M2）的源极，两个运算放大器的输出端分别连接相对应的场效应管（M1，M2）的栅极，两个电流源（如I1，I2）的一端分别连接相对应的场效应管（M1，M2）的源极，两个电流源（I1，I2）的另一端均接地，两个场效应管的漏极均连接减法器。
所述时钟信号产生模块包括比较器、缓冲器、电容C、电流源IP、电流沉IN和电流镜，电流镜的输入端连接减法器的输出端，电流源IP和电流沉IN均连接电流镜的输出端，由开关S1，S2控制电流源IP和电流沉IN的导通及断开，电流沉IN的另一端接地，由开关S3，S4控制选通基准电压VH或VL并连接到比较器的正向输入端，比较器的反向输入端连接电容C，电容C的另一端接地；所述的时钟信号产生模块中所有的开关（S1，S2，S3，S4）均连接比较器的输出端，缓冲器连接比较器的输出端。
一种温度补偿失调消除的方法，包括以下步骤：
1）将第一运算放大器的正向输入端接入零温度系数的电压基准VREF1，然后，将第二运算放大器的正向输入端接入负温度系数的电压基准VREF2；
2）步骤1）接入的电压基准VREF1和VREF2通过基准电流产生模块处理后，得到零温度系数的电流基准IREF=k（VREF1- VREF2）/R，其中R是具有正温度系数的半导体电阻，k为常数；
3）步骤2）中得到的电流基准IREF连接时钟信号产生模块中的电流镜且被转换成电流相等的电流源IP和电流沉IN;
4）时钟信号产生模块接通电路电源后，电容C的电压从零开始按照IP/C的速率上升，此时比较器的输出逻辑值为0，进而使开关S1、S3导通而开关S2、S4关断，VH接入比较器的正向输入端，电容C持续充电，比较器的输出端经缓冲器整形缓冲后输出时钟输出信号；
5）当电容C的电压达到VH后，比较器的输出为逻辑值为1，进而开关S1、S3关断而开关S2、S4导通，VL接入比较器的正向输入端，电容C开始以IN/C的速率放电，比较器的输出端经缓冲器整形缓冲后输出时钟输出信号；
6）当电容C的电压下降到VL时，比较器再次输出逻辑值为0，进而开关S1、S3导通同时开关S2、S4关断，VH接入比较器的正向输入端，电容C开始充电，比较器的输出端经缓冲器整形缓冲后输出时钟输出信号；
7）循环执行步骤4）-6），进而得到连续的温度补偿的失调消除的时钟信号。
本方法基于以下事实：a. 半导体电阻的温度系数很大，不可忽略，通常扩散电阻为正温度系数。b. 集成电路中容易获得各种温度系数的电压基准。
本发明的有益效果：消除了常规技术中影响振荡器输出频率的误差来源、电阻R的温度系数以及比较器的输入失调差，极大程度地提升了输出频率的精度。由于采用了双运算放大器和双电流源，使得电流基准（VREF1-VREF2）/R得以实现。如果设定（VREF1-VREF2）具有和电阻R相同的温度系数，那么电流基准将是零温度系数。时钟信号产生模块中，用开关S3、S4来选通VH、VL，与常规振荡器相比省去了一个比较器，从而VH-VL可以重新写为[(VH+Vos)-(VL+Vos)]=VH-VL, 即失调电压得以消除。使用本发明技术能够消除常规技术中存在的影响输出频率精度的因素，有效地提升了振荡器的性能。
附图说明
下面根据附图对本发明作进一步详细说明。
图1是本发明实施例所述的温度补偿失调消除的RC振荡器的基准电流产生模块的电路图；
图2是本发明实施例所述的温度补偿失调消除的RC振荡器的时钟信号产生模块的电路图。
图中：
1、第一运算放大器；2、第二运算放大器；3、减法器；4、比较器；5、缓冲器；6、电流源；7、电流沉；8、电流镜。
具体实施方式
本发明实施例所述的一种温度补偿失调消除的RC振荡器，包括基准电流产生模块和时钟信号产生模块，所述基准电流产生模块由两个运算放大器（1，2）、两个电流源I1和I2、两个场效应管M1和M2、电阻R和减法器3组成，两个运算放大器（1，2）的正向输入端分别连接与对应的基准电压VREF1和VREF2，两个运算放大器（1，2）的反向输入端分别连接相对应的场效应管（M1，M2）的源极，两个运算放大器（1，2）的输出端分别连接相对应的场效应管（M1，M2）的栅极，两个电流源（I1和I2）的一端分别连接相对应的场效应管（M1，M2）的源极，两个电流源（I1和I2）的另一端均接地，两个场效应管（M1，M2）的漏极均连接减法器3。
所述时钟信号产生模块包括比较器4、缓冲器5、电容C、电流源6（如IP）、电流沉7（如IN）和电流镜8，电流镜8的输入端连接减法器3的输出端，电流源IP和电流沉IN均连接电流镜8的输出端，由开关S1，S2控制电流源IP和电流沉IN的导通及断开，电流沉IN的另一端接地，由开关S3，S4控制选通基准电压VH或VL并连接到比较器4的正向输入端，比较器4的反向输入端连接电容C，电容C的另一端接地；所述的时钟信号产生模块中所有的开关（如S1，S2，S3，S4）均连接比较器4的输出端，缓冲器5连接比较器4的输出端。
本发明实施例所述的温度补偿失调消除的方法，包括以下步骤：
1）首先，将第一运算放大器的正向输入端接入零温度系数的电压基准VREF1，然后，将第二运算放大器的正向输入端接入负温度系数的电压基准VREF2；
2）步骤1）接入的电压基准VREF1和VREF2通过基准电流产生模块处理后，得到零温度系数的电流基准IREF=k（VREF1- VREF2）/R，其中R是具有正温度系数的半导体电阻，k为常数；
3）步骤2）中得到的电流基准IREF连接时钟信号产生模块中的电流镜且被转换成电流相等的电流源IP和电流沉IN;
4）时钟信号产生模块接通电路电源后，电容C的电压从零开始按照IP/C的速率上升，此时比较器的输出逻辑值为0，进而使开关S1、S3导通而开关S2、S4关断，VH接入比较器的正向输入端，电容C持续充电，比较器的输出端经缓冲器整形缓冲后输出时钟输出信号；
5）当电容C的电压达到VH后，比较器的输出为逻辑值为1，进而开关S1、S3关断而开关S2、S4导通，VL接入比较器的正向输入端，电容C开始以IN/C的速率放电，比较器的输出端经缓冲器整形缓冲后输出时钟输出信号；
6）当电容C的电压下降到VL时，比较器再次输出逻辑值为0，进而开关S1、S3导通同时开关S2、S4关断，VH接入比较器的正向输入端，电容C开始充电，比较器的输出端经缓冲器整形缓冲后输出时钟输出信号；
7）循环执行步骤4）-6），进而得到连续的温度补偿的失调消除的时钟信号。
本方法基于以下事实：a. 半导体电阻的温度系数很大，不可忽略，通常扩散电阻为正温度系数。b. 集成电路中容易获得各种温度系数的电压基准。
图1中，第一运算放大器1、场效应管M1和电流源I1构成源极跟随器，由于负反馈的作用，电流源I1的上端即电阻R的左端电压为第一运算放大器1的正向输入端基准电压VREF1。同理电阻R的右端电压为第二运算放大器2的正向输入端基准电压VREF2，因此得到电阻R上的电流为（VREF1-VREF2）/R。场效应管M1、M2的漏源电流分别为[I1+(VREF1-VREF2)/R]和[I2-(VREF1-VREF2)/R。在减法器3中由减法运算得到减法器输出IREF=k(VREF1-VREF2)/R，R是具有正温度特性的半导体电阻，选取VREF1为零温度系数电压基准，VREF2为负温度系数电压基准，则（VREF1-VREF2）为正温度系数，那么减法器输出IREF在合理设定的情况下就具有零温度系数的特征。
图2中，电流镜8将减法器输出IREF转换成电流相等的电流源IP和电流沉IN。 电路初始上电后，电容C的电压从零开始按照IP/C的速率上升，此时比较器4的输出为逻辑“0”，S1、S3导通而S2、S4关断，VH出现在比较器4的正向输入端，电容持续充电。当电容C的电压到达VH后，比较器4的输出为逻辑“1”，S1、S3关断而S2、S4导通，VL出现在比较器4的正向输入端，电容开始以IN/C的速率放电。当电容C的电压下降到VL时，比较器4再次翻转输出逻辑“0”，S1、S3导通同时S2、S4关断，VH又一次出现在比较器4的正向输入端，电容C又开始充电。如此电容C的电压不断地从VL升至VH然后又降至VL，比较器4反向输入端的电压也不停地在VH和VL之间切换。比较器4的输出端经缓冲器5整形缓冲后输出时钟输出信号。由于在和VH、VL比较时只使用一个比较器4，而且比较器4的失调电压是一个确定的随机值，在电压窗口的计算中已被消除，从而比较器4的失调电压对时钟的输出没有任何影响。
本发明消除了常规技术中影响振荡器输出频率的误差来源、电阻R的温度系数以及比较器的输入失调差，极大程度地提升了输出频率的精度。本发明采用双运算放大器和双电流源，使得电流基准（VREF1-VREF2）/R得以实现。如果设定（VREF1-VREF2）具有和电阻R相同的温度系数，那么电流基准将是零温度系数。时钟信号产生模块中，用开关S3、S4来选通VH、VL，与常规振荡器相比省去了一个比较器，从而（VH-VL）可以重新写为[(VH+Vos)-(VL+Vos)]=VH-VL, 即失调电压得以消除。
Claims (2)
1.一种温度补偿失调消除的RC振荡器，包括基准电流产生模块和时钟信号产生模块，其特征在于：所述基准电流产生模块由第一运算放大器（1）、第二运算放大器（2）、两个电流源、两个场效应管、电阻及减法器（3）组成，第一运算放大器（1）和第二运算放大器（2）的正向输入端分别连接对应的基准电压，第一运算放大器（1）和第二运算放大器（2）的反向输入端分别连接对应的场效应管的源极，第一运算放大器（1）和第二运算放大器（2）的输出端分别连接对应的场效应管的栅极，两个场效应管的源极还接到电阻R的两端；两个电流源的一端分别连接对应的场效应管的源极，两个电流源的另一端均接地，两个场效应管的漏极均连接减法器；所述时钟信号产生模块包括比较器（4）、缓冲器（5）、电容、电流源（6）、电流沉（7）和电流镜（8），电流镜（8）的输入端连接减法器（3）的输出端，电流源（6）和电流沉（7）均连接电流镜（8）的输出端并由开关控制电流源（6）和电流沉（7）的导通及断开，电流沉（7）的另一端接地并由开关控制选通基准电压并连接到比较器（4）的正向输入端，比较器（4）的反向输入端连接电容，所述电容的另一端接地；所述的时钟信号产生模块中所有的开关均连接比较器（4）的输出端，缓冲器（5）连接比较器（4）的输出端。
2.一种温度补偿失调消除的方法，其特征在于，包括以下步骤：
1）将第一运算放大器的正向输入端接入零温度系数的电压基准VREF1，然后，将第二运算放大器的正向输入端接入负温度系数的电压基准VREF2；
2）步骤1）接入的电压基准VREF1和VREF2通过基准电流产生模块处理后，得到零温度系数的电流基准IREF=k（VREF1- VREF2）/R，其中R是具有正温度系数的半导体电阻，k为常数；
3）步骤2）中得到的电流基准IREF连接时钟信号产生模块中的电流镜且被转换成电流相等的电流源IP和电流沉IN;
4）时钟信号产生模块接通电路电源后，电容C的电压从零开始按照IP/C的速率上升，此时比较器的输出逻辑值为0，进而使开关S1、S3导通而开关S2、S4关断，VH接入比较器的正向输入端，电容C持续充电，比较器的输出端经缓冲器整形缓冲后输出时钟输出信号；
5）当电容C的电压达到VH后，比较器的输出为逻辑值为1，进而开关S1、S3关断而开关S2、S4导通，VL接入比较器的正向输入端，电容C开始以IN/C的速率放电，比较器的输出端经缓冲器整形缓冲后输出时钟输出信号；
6）当电容C的电压下降到VL时，比较器再次输出逻辑值为0，进而开关S1、S3导通同时开关S2、S4关断，VH接入比较器的正向输入端，电容C开始充电，比较器的输出端经缓冲器整形缓冲后输出时钟输出信号；
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