CN102158203A

CN102158203A - 一种高精度rc振荡器

Info

Publication number: CN102158203A
Application number: CN2011101089150A
Authority: CN
Inventors: 袁胜; 胡克用
Original assignee: HANGZHOU XINSAI MICRO-ELECTRONICS Co Ltd
Current assignee: HANGZHOU XINSAI MICRO-ELECTRONICS Co Ltd
Priority date: 2011-04-26
Filing date: 2011-04-26
Publication date: 2011-08-17

Abstract

本发明涉及CMOS集成电路，具体涉及一种高精度的RC振荡器。本发明中的RC振荡器采用两级修调方式，第一级修调是比较参考电压的修调，目标是使振荡器的输出频率修调到第二级修调的范围内；第二级修调是充电电流的修调，目标是使振荡器的输出频率精度符合设计要求。比较器参考电压的产生和充电电流的恒流源设计，都基于带隙基准源，优点是参考电压和充电电流的温度系数都很小，使RC振荡器具有低温度漂移的优点。使用两级修调设计的RC振荡器，克服原有结构中因为集成电路工艺参数的变化，可能导致功能失效的缺点，同时两级修调的方法具备可操作性，便于实际操作。

Description

一种高精度RC振荡器

技术领域

本发明涉及CMOS集成电路，具体涉及一种高精度的RC振荡器。

背景技术

RC振荡器即电阻电容振荡器(R代表电阻，C代表电容)。在现代CMOS集成电路中，通常采用的RC振荡器设计原理是恒流源对电容充电的方式。为了实现精确的振荡频率，需要内部设计电流可修调的恒流源电路，通过寄存器方式修调充电电流，达到改变振荡频率的目的。附图1是一种常见的RC振荡器电路图，其中充电电容C1＝C2，充电电流Icharge1＝Icharge2，上下对称结构的设计，确保振荡器的输出时钟占空比为50％，根据设计振荡频率的要求选择电容值和充电电流。

上述RC振荡器电路虽然具有高精度和50％等占空比等优点，但是为了满足修调精度、恒流源匹配性和实现成本等要求，修调位数一般不能超过7位即128级，在保证频率精度的前提下，导致频率可修调范围一般都比较小。因此上述RC振荡器对集成电路工艺参数的要求较高，一旦工艺参数偏移较大时，比较容易出现输出频率超出可修调范围的情况，导致电路失效。

为克服上述缺点，本发明电路专门设计了两级频率修调的RC振荡器，在原有修调恒流源充电电流的基础上，增加了对比较器参考电压VREF的修调，两级修调电路见附图2。通过原理分析，可知VREF参考电压的改变对RC振荡器的输出频率影响很大，所以把VREF修调设计成为第一级修调，即频率粗调，修调VREF的目的是确保振荡器的输出频率落在恒流源可修调范围之内，即使出现工艺参数变化较大的情况，因为有两级的修调电路设计，也能把振荡器的输出频率修调到设计值。

发明内容

本发明目的是设计一种对CMOS集成电路工艺参数不敏感的高精度RC振荡器，提供一种实用性高且实现成本低的RC振荡电路和修调方法。需要特别说明的是，在传统RC振荡器的电路基础上，通过专门设计的两级修调电路见附图2，由可修调的比较器参考电压和可修调的恒流源充电电流组成。因为比较器参考电压对振荡频率影响较大，作为一级修调用，目的是把振荡器的输出频率范围修调到恒流源电流可修调的范围之内。恒流源在修调位数较少时(一般不大于7位128级)，具有良好的匹配性和较低的实现成本，能够实现高精度修调振荡器频率的目的，作为二级修调使用。两级修调相结合的方式，即兼顾了可修调的频率范围，又兼顾了修调精度，对集成电路工艺参数变化不敏感，同时电路实现成本也较小，特别适合于集成电路的内部设计采用。

为实现上述目的，设计上需要根据工艺模型设计两级修调的电路，确定参考电压可修调的频率范围和恒流源可修调的频率精度，两者需要相互匹配。因为参考电压对频率影响很大，因此设计修调的级数不需要很多，一般1到2个位即可满足大范围修调的要求，附图2中采用1位两级修调方式。恒流源的电流修调级数设计主要是根据频率精度的要求，同时受到实现成本和匹配性的限制，附图2中选择7位128级修调。修调办法如下：

1、实际测试未经过修调的RC振荡器输出频率值，与设计值进行比较。

2、如果输出频率值与设计值相差较小，落入恒流源可修调范围之内，则无需修调比较器参考电压，直接进入恒流源电流的修调。

3、如果输出频率值与设计值相差较多，需要根据设计仿真时的计算办法，修调比较器参考电压，因为比较器参考电压的改变对输出频率影响较大，只要把输出频率修调到恒流源可修调范围之内即可。

4、根据第一级修调后的频率误差值，修调恒流源的充电电流，利用恒流源的匹配性特点，7位即128级修调，通过计算选择合适的充电电流，能够满足输出频率的精度要求。

5、考虑到128级恒流源的非线性因素，实际操作中可采用计算结合实际测试的逐次逼近办法，直到满足精度要求。

附图2的两级修调电路中间，比较器参考电压的产生和充电电流的恒流源设计，都基于带隙基准源，这样设计的优点是参考电压和充电电流的温度系数都很小，使RC振荡器具有低温度漂移的优点。

使用两级修调设计的RC振荡器，克服原有结构中因为集成电路工艺参数的变化，可能导致功能失效的缺点，同时两级修调的方法具备可操作性，便于实际操作。

附图说明

参照下面的详细说明和附图，可以更好的理解本发明的有关结构和实现方法以及其目的、特征和优势。附图中的结构仅仅作为本发明的一个设计实例。

图1为支持本发明的RC振荡器电路图。

如图1所示，支持本发明的RC振荡器采用完全对称的结构设计，上下两部分电路交替工作，这样设计的优点是能够产生接近50％占空比的输出时钟信号。恒流源对电容充电，当电容上的电压达到比较器参考电压之后，比较器的输出翻转。比较器的输出接RS触发器的设计，确保在同一时间，只有一个电容处于充电状态，另外一个的电容处于完全放电的状态。根据充电和比较、放电的原理，RC振荡器的输出频率，受电容C、充电电流和比较器参考电压的3个因素的影响。本发明设计的两级修调电路选择对充电电流和比较器参考电压进行修调，保持电容C的不变。

图2为本发明的两级修调电路原理图。比较器参考电压的修调采用1比特2级修调，因为比较参考电压的调整对RC振荡的输出频率影响很大，具体修调的范围需要结合充电电流的修调范围，通过工艺仿真确定。充电电流的修调采用7位128级的修调，主要是保证RC振荡输出频率的精度要求，同时电路实现成本相对又较小。

具体实施方式

在以下的详细说明中，描述了特定的细节以便提供对本发明全面的理解。然而本专业的技术人员会认识到，本发明也可以用其它相类似的细节实施。

附图1为支持本发明的RC振荡器电路图，采用完全对称的结构设计，上下两部分电路交替工作，这样设计的优点是能够产生接近50％占空比的输出时钟信号。恒流源对电容充电，当电容上的电压达到比较器参考电压之后，比较器的输出翻转。比较器的输出接RS触发器的设计，确保在同一时间，只有一个电容处于充电状态，另外一个的电容处于完全放电的状态。根据充电和比较、放电的原理，RC振荡器的输出频率，受电容C、充电电流和比较器参考电压的3个因素的影响。本发明设计的两级修调电路选择对充电电流和比较器参考电压进行修调，保持电容C的不变。

附图1所示的RC振荡器电路图，设计输出频率可从几十K赫兹到几十M赫兹，输出频率范围很大，对于各种不同应用的集成电路具有普遍的适用性。

附图2是本发明所述的两级修调电路的一种实现。如图2所示，比较器参考电压的修调采用1比特2级修调，因为比较参考电压的调整对RC振荡的输出频率影响很大，具体修调的范围需要结合充电电流的修调范围，通过工艺模型的仿真确定。充电电流的修调采用7位128级的修调，主要是保证RC振荡输出频率的精度要求，同时电路实现成本相对又较小。

附图2的设计需要结合附图1的电路使用，实现一种高精度、低温漂的RC振荡器。本发明的优点是对集成电路工艺参数不敏感，实现成本较低，且可修调精度高，温度系数小。本设计输出频率范围大，对于各种不同应用的集成电路具有普遍的适用性

虽然此处说明描述了本发明的某此特征及一种实现方法，但是对于本专业的技术人员来说，将会出现许多修改、替换、变化和等效代换。因此，本发明的保护范围由所附的权利要求的范围为准。

Claims

1.一种高精度的RC振荡器电路，该电路采用两级修调方式：第一级修调是比较器参考电压的修调，目标是使振荡器的输出频率修调到第二级修调的范围内；第二级修调是充电电流的修调，目标是使振荡器的输出频率精度符合设计要求。

2.比较器参考电压的产生电路和充电电流产生的恒流源电路，基于带隙基准源设计，保证RC振荡器的输出频率具有低温漂的特点。