CN102035489A - 一种消除温度和电压影响的rc振荡器电路 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种消除温度和电压影响的RC振荡器电路，提供成比例输出的翻转电压U和充电电流I给RC振荡模块，使输出频率仅与电容C和若干电阻R有关，并通过调节几个R的比值，减小温度影响，电源电压只需维持电路正常工作即可，与频率无关。本发明结构简单，所用器件少；精度高，在一般低压电路中，电压和温度造成的频偏都可控制在1％以内；容易调节，在保证电路正常工作前提下，只要适当调节电阻即可提高精度。

Description

一种消除温度和电压影响的RC振荡器电路

技术领域

本发明涉及集成电路领域。

背景技术

随着集成电路设计和制造技术的发展，人们已经开始将振荡器集成进所需的芯片之中。但是，无论是环形振荡器或是RC振荡器，其常用的MOS器件和电阻都受电压温度影响较大，产生的频率往往不够精确，在一些需要高精度时序信号的芯片中就不适用了。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种消除温度和电压影响的RC振荡器电路。

本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案为：一种消除温度和电压影响的RC振荡器电路，包括RC振荡模块，RC振荡模块包括电流输入端、电压输入端和信号输出端，其特征在于：它还包括第一PMOS管、第二PMOS管、第三PMOS管、第四PMOS管、第五PMOS管、第一电阻、第二电阻、第三电阻和运算放大器；第一PMOS管、第二PMOS管、第三PMOS管、第四PMOS管和第五PMOS管的源极接工作电压；第一PMOS管、第二PMOS管和第三PMOS管的栅极连接成一个节点，第一PMOS管的栅极与第一PMOS管的漏极连接；第一PMOS管的漏极输入一路电流源后接地，第二PMOS管的漏极经第一电阻后接地，第三PMOS管的漏极经第二电阻后接地；第三PMOS管的漏极与运算放大器的正输入端连接，运算放大器的输出端与第四PMOS管和第五PMOS管的栅极连接，第四PMOS管的漏极分为两路，一路与运算放大器的负输入端连接，另一路经第三电阻后接地；所述的第二PMOS管漏极与所述的RC振荡模块的电压输入端连接，所述的第五PMOS管的漏极与所述的RC振荡模块的电流输入端连接。

按上述方案，所述的RC振荡模块还包括第六PMOS管、第七PMOS管、第一NMOS管、第二NMOS管、第一比较器、第二比较器、第一电容、第二电容、第一与非门和第二与非门；第六PMOS管的栅极与第二NMOS管的栅极连接后与第二与非门的输出端连接，第二NMOS管的源极接地，第六PMOS管的漏极与第二NMOS管的漏极连接后分为两路，一路接第二电容的正极，第二电容的负极接地，另一路接第一比较器的负输入端；第七PMOS管的栅极与第一NMOS管的栅极连接后与第一与非门的输出端连接，第一NMOS管的源极接地，第七PMOS管的漏极与第一NMOS管的漏极连接后分为两路，一路接第一电容的正极，第一电容的负极接地，另一路接第二比较器的负输入端；第二与非门的一个输入端与第一比较器的输出端连接，另一个输入端与第一与非门的输出端连接；第一与非门的一个输入端与第二比较器的输出端连接，另一个输入端与第二与非门的输出端连接；所述的第六PMOS管和第七PMOS管的源极为所述的RC振荡模块的电流输入端，所述的第一比较器和第二比较器的正输入端为所述的RC振荡模块的电压输入端，所述的第二与非门的输出端为所述的RC振荡模块的信号输出端。

本发明的工作原理为：提供成比例输出的翻转电压U和充电电流I给RC振荡模块，使输出频率仅与电容C和若干电阻R有关，并通过调节几个R的比值，减小温度影响，电源电压只需维持电路正常工作即可，与频率无关。

本发明的有益效果为：

1、结构简单，所用器件少；精度高，在一般低压电路中，电压和温度造成的频偏都可控制在1％以内；

2、容易调节，在保证电路正常工作前提下，只要适当调节电阻即可提高精度。

附图说明

图1为RC振荡模块的电路图

图2为形成RC振荡模块输入电流和输入电压的电路图

具体实施方式

图1为RC振荡模块的电路图，图中电压U和电流I为输入电压和输入电流，输出方波为CLKout。第一与非门ND0和第二与非门ND1构成一个RS触发器。第六PMOS管P6的栅极与第二NMOS管N1的栅极连接后与第二与非门ND1的输出端连接，第二NMOS管N0的源极接地，第六PMOS管P6的漏极与第二NMOS管N1的漏极连接后分为两路，一路接第二电容C1的正极，第二电容C1的负极接地，另一路接第一比较器CP1的负输入端；第七PMOS管P7的栅极与第一NMOS管N0的栅极连接后与第一与非门ND0的输出端连接，第一NMOS管N0的源极接地，第七PMOS管P7的漏极与第一NMOS管N0的漏极连接后分为两路，一路接第一电容C0的正极，第一电容C0的负极接地，另一路接第二比较器CP2的负输入端。

电路正常工作时，ND1和ND0输出为10或01状态，第二电容C1或第一电容C0其中之一由电流I对其进行充电，另一对地放电并保持为0。当电流I对电容充电使其电压到达电压U时，第一比较器CP1和和第二比较器CP2输出翻转，ND1和ND0的输出也随之翻转，C1、C0中原充电电容放电，原放电电容进行充电，如此反复，CLKout不间断的输出1，0状态。

第一电容C0和第二电容C1的充放电同时进行，且放电时间比充电时间快许多，因而CLKout维持1和0的时间由C0和C1电压从0冲到电压U的时间决定，假设C1和C0的电容量总和为C，由公式Q＝IT＝CU，Q为电量，

得出CLKout输出一个周期所需时间：

输出CLKout的频率：

通常电容的温度和电压系数相对较小，对频率影响也小，只要电流I和电压U的比例固定，输出也会稳定，为此我们设计了如图2的电路为其提供电压和电流。

图2中电压U、电流I即输出到RC振荡模块的电压、电流，电流源i可以是镜像来的电流，也可以是一简单电流源。

设图2中第一PMOS管P1、第二PMOS管P2构成的电流镜和第一PMOS管P1、第三PMOS管P3构成的电流镜都是1∶1输出，则通过第一电阻R1、第二电阻R2的电流都是i，U＝iR1，U+＝iR2，运算放大器CP0接成负反馈，U-＝U+＝iR2，第四PMOS管P4和第五PMOS管P5的栅源电压都相同，I等于流过第三电阻R3的电流，即I＝U-/R3＝iR2/R3。

将U，I带入频率公式得到：

$f=\frac{i{R}_2}{C{R}_{3}i{R}_1}=\frac{R_2}{C{R}_1{R}_3}$

公式中仅有电容电阻，在低压芯片中，电压变化较小，电压系数对电容电阻的值影响也很小，因此可视为与电压无关。

相比电容值，温度对电阻值的影响要大很多，可忽略温度对电容值的影响。要减弱温度造成的频偏，须选择多种温度系数的电阻，并适当调节各电阻的比例。当R2与R1R3随温度变化趋势相同或相近时，即可消除温度的干扰。

以下讨论当只考虑电阻一阶温度系数时如何调节电阻。假设R1和R3采用室温下方块阻值为r，一阶温度系数为Δr的电阻，分别使用了a个单位的r与b个单位的r；R2除了用上述电阻外，还使用方块阻值为R，温度系数为ΔR的电阻与之串联，使用了c个单位的R与d个单位r

当在室温时，

当温度变化T时，R2的阻值变为：

R₂＝c(R+TΔR)+d(r+TΔr)＝cR+dr+TcΔR+TdΔr

R1R3的阻值为：

R₁R₃＝ab(r+TΔr)(r+TΔr)＝ab(r²+2TrΔr+T²Δr²)

电阻温度系数一般在1.0E-3到1.0E-4的数量级，可忽略Δr的平方项，则

R₁R₃＝abr(r+2TrΔr)

温度T时频率：

$f=\frac{\mathrm{cR}+\mathrm{dr}+\mathrm{Tc\ΔR}+\mathrm{Td\Δr}}{\mathrm{Cab}{r}^2+2\mathrm{TCabr\Δr}}$

只要保证

即可使温度变化后f保持不变。d/c的比例约为

实际电阻模型都有多阶温度系数，电阻比例并非严格如上式所述，频率也仍会受温度微小的影响，但已能满足大多数常用RC振荡电路的需要。实际测试证明，这种振荡器在温度-40～70℃时，频偏在0.5％以内。

本发明可用于绝大多数需要高精度振荡器的电路中，如提供数字电路的时钟信号。

Claims (2)

1.一种消除温度和电压影响的RC振荡器电路，包括RC振荡模块，RC振荡模块包括电流输入端、电压输入端和信号输出端，其特征在于：它还包括第一PMOS管、第二PMOS管、第三PMOS管、第四PMOS管、第五PMOS管、第一电阻、第二电阻、第三电阻和运算放大器；第一PMOS管、第二PMOS管、第三PMOS管、第四PMOS管和第五PMOS管的源极接工作电压；第一PMOS管、第二PMOS管和第三PMOS管的栅极连接成一个节点，第一PMOS管的栅极与第一PMOS管的漏极连接；第一PMOS管的漏极输入一路电流源后接地，第二PMOS管的漏极经第一电阻后接地，第三PMOS管的漏极经第二电阻后接地；第三PMOS管的漏极与运算放大器的正输入端连接，运算放大器的输出端与第四PMOS管和第五PMOS管的栅极连接，第四PMOS管的漏极分为两路，一路与运算放大器的负输入端连接，另一路经第三电阻后接地；所述的第二PMOS管漏极与所述的RC振荡模块的电压输入端连接，所述的第五PMOS管的漏极与所述的RC振荡模块的电流输入端连接。

2.根据权利要求1所述的RC振荡器电路，其特征在于：所述的RC振荡模块还包括第六PMOS管、第七PMOS管、第一NMOS管、第二NMOS管、第一比较器、第二比较器、第一电容、第二电容、第一与非门和第二与非门；第六PMOS管的栅极与第二NMOS管的栅极连接后与第二与非门的输出端连接，第二NMOS管的源极接地，第六PMOS管的漏极与第二NMOS管的漏极连接后分为两路，一路接第二电容的正极，第二电容的负极接地，另一路接第一比较器的负输入端；第七PMOS管的栅极与第一NMOS管的栅极连接后与第一与非门的输出端连接，第一NMOS管的源极接地，第七PMOS管的漏极与第一NMOS管的漏极连接后分为两路，一路接第一电容的正极，第一电容的负极接地，另一路接第二比较器的负输入端；第二与非门的一个输入端与第一比较器的输出端连接，另一个输入端与第一与非门的输出端连接；第一与非门的一个输入端与第二比较器的输出端连接，另一个输入端与第二与非门的输出端连接；所述的第六PMOS管和第七PMOS管的源极为所述的RC振荡模块的电流输入端，所述的第一比较器和第二比较器的正输入端为所述的RC振荡模块的电压输入端，所述的第二与非门的输出端为所述的RC振荡模块的信号输出端。

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