CN102347728A

CN102347728A - 高电源抑制比低温飘振荡器

Info

Publication number: CN102347728A
Application number: CN2011102620607A
Authority: CN
Inventors: 沈克愈
Original assignee: WUXI HAIWEI SEMICONDUCTOR TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: WUXI HAIWEI SEMICONDUCTOR TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2011-09-06
Filing date: 2011-09-06
Publication date: 2012-02-08
Anticipated expiration: 2031-09-06
Also published as: CN102347728B

Abstract

本发明公开一种高电源抑制比低温飘振荡器，采用CMOS加工工艺制造，由恒流恒压产生模块和振荡模块两部分组成，本发明除电源、地和一个可选的复位信号外不需外加任何信号和元件，就可以产生一个频率稳定、占空比为50%的脉冲信号，并且该信号的频率可以通过改变电路内部元器件的参数来进行调整。除了一些对频率精度要求极高的场合外，本发明在一定程度上可以替代晶体振荡器，可以方便的集成到其他电路内部使用，而不需要额外增加管脚。

Description

高电源抑制比低温飘振荡器

技术领域

本发明涉及集成电路，特别涉及集成振荡电路。

背景技术

振荡电路也称信号发生电路，是很多电子电路中经常使用的电路。例如为数字电路提供时钟的就是这种电路，将无线电波等各种信号传送到远方的载波信号也是由振荡电路产生的。振荡电路产生的波形有很多种，如正弦波、方波、三角波、斜波等。振荡频率为恒定的振荡电路称为数字电路或系统的时钟发生器，其输出波形一般为方波。

晶体振荡电路是目前使用最广泛的高精度、高稳定度的振荡电路。晶体振荡器是利用晶体的压电效应制成的一种谐振器件。若在晶体的两个电极上加一电场，晶片就会产生机械变形；反之，若在晶片的两侧施加机械压力，则在晶片相应的方向上将产生电场，这种物理现象称为压电效应。如果在晶片的两极上加交变电压，晶片就会产生机械振动，同时晶片的机械振动又会产生交变电场。在一般情况下，晶片机械振动的振幅和交变电场的振幅非常微小，但当外加交变电压的频率为某一特定值时，振幅明显加大，比其他频率下的振幅大得多，这种现象称为压电谐振。晶片本身的谐振频率基本上只与晶片的切割方式、几何形状、尺寸有关，而且可以做得很精确，因此晶体振荡电路可获得很高的频率精度和稳定度。但也正是因为晶体振荡电路本身的性质，使得其在可集成化方面存在巨大缺陷，无法和现有的集成电路加工制造工艺兼容，必须外接。使用晶振的电路必须提供两个引脚连接晶振的两端，除此以外还需要外接两个瓷片电容，这样就十分不利于减少电路板的尺寸，无法降低加工制造成本。

RC振荡器也是目前使用广泛的一种振荡电路，其具有结构简单，便于集成的特点。最基本的RC振荡电路如图1所示，由电容C、电阻R、由反向器I₁~I_n（n为偶数）实现的延时单元以及放电管N₁组成。假设初始时电容C上极板的电压为0，电路的输出信号OUT也为0；电容C通过电阻R充电，当电容上的电压超过I₁的翻转点时，I₁的输出变为低电平，经过n个反向器的延时后，输出信号OUT变为高电平，同时放电管N₁打开，给电容C放电，当电容上的电压低于I₁的翻转点时OUT变为低电平，放电管关断，如此周而复始实现振荡。从RC振荡电路的结构和其工作原理可以看出，输出信号OUT的频率不仅受到加工工艺的影响，而且还随电源电压、环境温度的变化而变化，因此其频率的精度和稳定度较差，仅能用于对频率精度要求不高的场合。

因此，电容充放电电流在电源电压和环境温度变化的情况下如何保持恒定，如何保证比较器阈值电压不随电源电压和环境温度波动，以及如何通过结构优化降低集成电路加工制造过程中工艺波动对振荡器频率的影响，成为了摆在振荡电路设计者们眼前的急需解决的难题。

发明内容

针对目前的振荡电路不管是采用晶体振荡电路实现，或是采用RC振荡器实现均存在缺陷的问题，申请人经过研究改进，现提供一种高电源抑制比低温飘振荡器，在一定程度上可以替代晶体振荡器，且具有一般RC振荡器无法提供的频率精度和稳定度，可以有效降低系统的加工制造成本，增加系统的可靠性。

本发明的技术方案如下：

一种高电源抑制比低温飘振荡器，由恒流恒压产生模块和振荡模块连接构成；

所述恒流恒压产生模块包括带隙基准电路、跟随器以及电流镜；所述带隙基准电路的输出端与跟随器的输入端连接，所述跟随器的输出端与电流镜的输入端连接；所述带隙基准电路的输出端通过电阻分压作为振荡模块中比较器的翻转电平；所述电流镜的输出作为振荡模块中产生恒定电容充电电流的电压偏置；

所述振荡模块包括电容、R-S触发器以及两个电压比较器；所述电流镜的输出对所述电容充电并连接所述电压比较器的反向端，带隙基准电路输出端的所述翻转电平连接电压比较器的同向端，所述两个电压比较器的输出被送到所述R-S触发器，所述R-S触发器输出振荡波形。

其进一步的技术方案为：所述恒流恒压产生模块还包括偏置电路，所述偏置电路的偏置点连接所述带隙基准电路和跟随器中运放的可调端，为所述带隙基准电路和跟随器分别提供工作点。

其进一步的技术方案为：所述恒流恒压产生模块还包括复位电路，分别连接带隙基准电路、跟随器以及电流镜中MOS管的基极或运放的可调端，用于控制恒流恒压产生模块中的各部分是否工作。

其进一步的技术方案为：所述振荡模块还包括多级反相器，分别连接在R-S触发器的输入端和输出端。

本发明的有益技术效果是：

一、本发明通过振荡器的结构设计，使振荡器的振荡频率与电容的放电电流无关；再采用带隙基准制造出和电源电压、环境温度无关的电流源，给电容充电，就可以保证电容充电电流恒定。频率精度和稳定度高，振荡频率随电路工作电压和周围环境温度变化微小。

二、进行比较的单元选用比较器，而不是反向器，其翻转点是通过正负输入端设定的不随电源电压和环境温度变化。

三、电路中的电阻基本上都是使用比例值，电阻绝对值的变化对电路的影响很小；电容选用稳定的PIP电容，将工艺对电路的影响降到最低。

四、采用CMOS加工工艺，易于集成；不需外加任何引脚和控制信号（可选的复位信号除外，该信号可以将本模块关断，以降低功耗），电路上电后即可产生频率精度和稳定度远超传统RC振荡电路的脉冲波；在多数场合可以替代晶体振荡电路，可以有效降低整机系统的加工制造成本，提高系统的可靠性。

附图说明

图1是传统RC振荡电路的原理示意图。

图2是本发明的原理框图。

图3是本发明中恒流恒压产生模块的电路图。

图4是图3中运放X310的电路图。

图5是图3中运放X307的电路图。

图6是恒流源偏置电压的仿真波形图。

图7是本发明中振荡模块的电路图。

图8是振荡频率随电源电压变化的仿真波形图。

图9是振荡频率随环境温度变化的仿真波形图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明。

本发明的设计思路是产生一个和电源、温度都无关的电流源I_REF，以及一个和电源、温度都无关的电压V_REF，通过电流I_REF对电容充电，与V_REF的分压进行比较，由于充电电流I_REF和比较电压都和电源以及温度无关，因此产生的振荡频率也和电源、环境温度无关。具体见下面的详细描述。

如图2所示，本发明由恒流恒压产生模块和振荡模块两部分组成。

如图3所示，恒流恒压产生模块主要包括带隙基准电路、跟随器以及电流镜。带隙基准电路的输出端与跟随器的输入端连接，跟随器的输出端与电流镜的输入端连接。带隙基准电路的输出端通过电阻分压作为振荡模块中比较器的翻转电平。电流镜的输出作为振荡模块中产生恒定电容充电电流的电压偏置。还包括偏置电路和复位电路，偏置电路的偏置点连接带隙基准电路和跟随器中运放的可调端，分别为带隙基准电路和跟随器提供工作点；复位电路分别连接带隙基准电路、跟随器以及电流镜中MOS管的基极或运放的可调端，用于控制恒流恒压产生模块中的各部分是否工作。

一、恒压的产生

下面结合图3、图4以及图5说明本发明电路中恒流和恒压信号的产生。众所周知，带隙基准是电路中常用的不随电压和温度变化的结构。根据带隙基准的原理结合图3的电路图可知，运放X307的输出电压为：

Figure 2011102620607100002DEST_PATH_IMAGE001

，其中

Figure 2011102620607100002DEST_PATH_IMAGE002

，n为三极管Q306和三极管Q305发射极的面积比。为了得到零温度系数，必须使得，在本实施例中取n等于8，电阻R303等于36K，电阻R304等于4.95K，此时

Figure 2011102620607100002DEST_PATH_IMAGE004

。V_ref通过电阻R308和电阻R309的分压，就可以得到电压V_inp，该电压和V_ref一样具有良好的温度和电源特性，可以用来作为振荡模块比较器的翻转电平。

二、恒流源偏置电压的产生

对于一个PMOS管来讲，当电源电压变化时，只要保证其V_D和V_G的差值恒定，这个PMOS管的漏端电流就恒定。为保证管子工作的稳定性，和不受栅电压绝对值的影响，还要使管子工作在饱和区，即满足V_DS>V_GS-V_TH。在图3中，运算放大器X310是作为跟随器使用的，其输出OUT1等于V_ref。通过图4中运放X310的电路图可以看到，当电源电压变化时，PMOS管MP404满足V_D和V_G的差值恒定、V_DS>V_GS-V_TH两个条件，能够提供一个恒定的电流，落在电阻R409上的电压OUT1不随电压变化；运算放大器的差分输入能够抵消温度的影响，因此OUT1具有和V_ref相同的温度电压特性，OUT2可以作为产生恒定电流的电压偏置。在本实施例中使用由PMOS管MP311、PMOS管MP312、NMOS管MN314、NMOS管MN315组成的电流镜产生的BIA1，作为振荡模块中产生恒定电容充电电流的电压偏置。图6是本实施例中恒流源电压偏置的仿真波形图，采用的是ASMC公司0.35umCMOS工艺模型。从波形图中可以看到，当电源电压从2V变到5V范围内，V_D和V_G的差值（delta）始终是1.19V。

三、振荡模块

如图7所示，振荡模块包括电容、R-S触发器以及两个电压比较器。电流镜的输出对电容充电并连接电压比较器的反向端，带隙基准电路的输出作为翻转电平连接电压比较器的同向端，两个电压比较器的输出被送到R-S触发器最终输出振荡波形。还包括多级反相器，多级反相器分别连接在R-S触发器的输入端和输出端。

从图3和图7的电路图中可以看到，当电路的复位信号RES为低电平时，整个电路处于休眠状态，此时BIA1=1。下面结合图7说明振荡模块是如何工作的。初始时BIA1为高电平，电容C607和电容C620的充电通路关断，加之复位信号RESN为1，NMOS管MN608和NMOS管MN621打开，使得Vinm1、Vinm2被拉到低电平，两个电容上都没有电压；此时X626Y为1，X613Y和CLK为0。当电路的复位信号RES变为高电平后，恒压信号Vinp产生，恒流偏置电压BIA1建立起来，由于X613Y为0，电容C620的充电通路打开，开始给电容C620充电。当电容C620上的电压Vinm2超过Vinp时，比较器X622的输出X622Y由高电平变为低电平，X627A变为低电平，X627Y变为高电平，加上RES和X626A都为高电平，则X626Y变为低电平，X613Y和CLK变为高电平，电容C620充电通路关断，放电通路打开；X627Y变为高电平的同时电容C607的充电通路打开，开始充电，当电容C607上的电压超过Vinp时，比较器X609的输出翻转，X626Y变为高电平，X613Y和CLK变为低电平，电容C607充电通路关断，放电通路打开，如此周而复始实现振荡。从电路的结构能够看出，只要电容C607和电容C620的放电时间小于充电时间，振荡频率就和电容的放电时间无关，仅由电容的充电时间决定的。由于振荡器的两路完全一样，采用的充电电流、比较器的翻转电压又和电源和温度无关，因此最终可以得到频率不随温度和电源电压变化且占空比为50%的方波。

图8是振荡频率随电源电压变化的仿真波形图。其具体值如下表（温度为25°C）：

Figure 2011102620607100002DEST_PATH_IMAGE005

从图8和上表可知，当电源电压从2V变到5V时，振荡器频率仅变化了2.78%。

图9是振荡频率随环境温度变化的仿真波形图。其具体值如下表（电源电压为3V）：

Figure 2011102620607100002DEST_PATH_IMAGE006

从图9和上表可知，当温度从85°C变化到-40°C时，振荡频率变化仅为183ppm/°C。

上述实施例中的电路结构以及附图中所涉及到的晶体管、电阻电容等电路元件取值的说明是为了使本发明更容易理解，并非是对本发明的限定。在不脱离本发明宗旨下可以进行变更、改良，当然本发明也包括其等价物。本领域技术人员在不脱离本发明的基本构思的前提下直接导出或联想到的其他改进和变化，均应认为包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种高电源抑制比低温飘振荡器，其特征在于：由恒流恒压产生模块和振荡模块连接构成；

2.根据权利要求1所述高电源抑制比低温飘振荡器，其特征在于：所述恒流恒压产生模块还包括偏置电路，所述偏置电路的偏置点连接所述带隙基准电路和跟随器中运放的可调端，为所述带隙基准电路和跟随器分别提供工作点。

3.根据权利要求1所述高电源抑制比低温飘振荡器，其特征在于：所述恒流恒压产生模块还包括复位电路，分别连接带隙基准电路、跟随器以及电流镜中MOS管的基极或运放的可调端，用于控制恒流恒压产生模块中的各部分是否工作。

4.根据权利要求1所述高电源抑制比低温飘振荡器，其特征在于：所述振荡模块还包括多级反相器，分别连接在R-S触发器的输入端和输出端。