CN102361439A - 芯片内建rc振荡器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种芯片内建RC振荡器，包括：恒定电压产生电路，用于产生恒定电压；多个电阻，彼此并联、串联或者混合连接形成电阻网络，电阻网络的一端与恒定电压产生电路相连接；以及电容，与电阻网络的另一端相连接；其中，电阻网络的等效阻值的温度系数配置为所需值。本发明通过配置RC振荡器电阻网络中的各个电阻的阻值，采用不同温度系数电阻相互补偿，大大减小RC振荡器的输出频率随温度的变异，使其在-40℃～85℃的工作温度范围内，制程内不同材质的电阻温度系数补偿匹配较好，可以使输出频率变异小于±0.5％，满足各种计时、通讯等领域对频率要求较高应用。

Description

芯片内建RC振荡器

技术领域

本发明涉及模拟集成电路设计、MCU通信和计时技术领域，具体来说，本发明涉及一种芯片内建RC振荡器。

背景技术

当前微处理器(MCU)芯片内部集成的RC振荡器的构成元件主要包括：BIAS电流产生电路(包含电阻)、电容、比较器，产生频率，提供给MCU系统时钟，用于通用异步接收/发送装置(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，简称UART)通讯。

现有技术中的一个RC振荡器中电流产生的原理可以如图1所示。恒定电压产生电路连接到具有温度系数TC的电阻R，再连接到电容C，在线路中产生电流I。其中，I*t＝C*ΔV，t是振荡周期，ΔV是由恒定电压产生电路所提供的偏置电压的大小。另外，由于电流

该电流I对电容C充放电，从而产生频率f。

由此可得上述RC振荡器产生的频率f的表达式为(假设上述RC振荡器处于25℃的室温环境，并且电容C的温度系数很小，可以忽略不计)：

$f=\frac{1}{t}=\frac{1}{\mathrm{RC}}=\frac{1}{R_0*(1+(T-25)*\mathrm{TC}+{(T-25)}^2*{\mathrm{TC}}^{\′})*C}$

$\≈\frac{1}{R_{0}C}*\frac{1}{1+(T-25)\mathrm{TC}}$

上述表达式中假设了电阻R的二阶温度系数TC’很小，可以忽略。其中，R₀为电阻R不带温度系数TC时的电阻值，T为本RC振荡器的工作温度。在此假设工作温度范围为-40℃～85℃，TC＝-5×10^-4(1/℃)，那么在此温度范围内电阻阻值随工作温度的变异为-3％～3.25％，输出频率f随工作温度的变异为-3.25％～3％。

从上面的表达式中可以看出，在实际工艺中，如果不能找到一阶温度系数TC很小的电阻材质，则会导致芯片内建RC振荡器的输出频率f随工作温度T的变异很大，在-40℃～85℃的工作温度范围内超过±2％，这容易导致UART通讯出错，从而造成MCU系统工作出错，同时不能满足精确计时模块的需求。

另外，如果芯片内建RC振荡器的输出频率f随工作温度T的变异较大，则MCU系统为了保证UART正常通讯，需要外接晶振提供系统时钟，这需要应用额外的花费，同时还需要占用芯片两个针脚，增加设计成本。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种芯片内建RC振荡器，能够在正常工作温度范围内，减小输出频率受工作温度影响而产生的变异。

为解决上述技术问题，本发明提供一种芯片内建RC振荡器，包括：

恒定电压产生电路，用于产生恒定电压；

多个电阻，彼此并联、串联或者混合连接形成电阻网络，所述电阻网络的一端与所述恒定电压产生电路相连接；以及

电容，与所述电阻网络的另一端相连接；

其中，所述电阻网络的等效阻值的温度系数配置为所需值。

可选地，所述电阻网络包括彼此串联的第一电阻和第二电阻，所述第一电阻和所述第二电阻的阻值配置成符合下述关系：

$R_1=\frac{\mathrm{TC}2}{\mathrm{TC}2-\mathrm{TC}1}{R}_0,$ $R_2=\frac{\mathrm{TC}1}{\mathrm{TC}1-\mathrm{TC}2}{R}_0$

其中，R₁和R₂分别为所述第一电阻和所述第二电阻的阻值，TC1和TC2分别为所述第一电阻和所述第二电阻的温度系数，R₀为一参考电阻的阻值。

可选地，所述电阻网络包括彼此并联的第一电阻和第二电阻，所述电阻网络的等效阻值配置成符合下述关系：

其中，R₁和R₂分别为所述第一电阻和所述第二电阻的阻值，R₀为一参考电阻的阻值，K1和K2为可调常数并被调节为优化所述电阻网络的温度系数的所需值，T为所述RC振荡器的工作温度，TC1和TC2分别为所述第一电阻和所述第二电阻的温度系数，R_等效为所述电阻网络的等效阻值。

可选地，所述电阻网络包括第一电阻、第二电阻和第三电阻，所述第二电阻和所述第三电阻并联，再与所述第一电阻串联，所述电阻网络的等效阻值配置成符合下述关系：

其中，R₁、R₂和R₃分别为所述第一电阻、所述第二电阻和所述第三电阻的阻值，R₀为一参考电阻的阻值，K1、K2和K3为可调常数并被调节为优化所述电阻网络的温度系数的所需值，K1+K2+K3＝1，T为所述RC振荡器的工作温度，TC1、TC2、TC3分别为所述第一电阻、所述第二电阻和所述第三电阻的温度系数，R_等效为所述电阻网络的等效阻值。

可选地，所述电阻网络包括第一电阻、第二电阻、第三电阻和第四电阻，所述第一电阻和所述第二电阻串联，再与并联的所述第三电阻和所述第四电阻串联，所述电阻网络的等效阻值配置成符合下述关系：

其中，R₁、R₂、R₃和R₄分别为所述第一电阻、所述第二电阻、所述第三电阻和所述第四电阻的阻值，R₀为一参考电阻的阻值，K1、K2、K3和K4为可调常数并被调节为优化所述电阻网络的温度系数的所需值，K1+K2+K3+K4＝1，T为所述RC振荡器的工作温度，TC1、TC2、TC3和TC4分别为所述第一电阻、所述第二电阻、所述第三电阻和所述第四电阻的温度系数，R_等效为所述电阻网络的等效阻值。

可选地，所述RC振荡器的工作温度范围为-40℃～85℃。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明通过配置RC振荡器电阻网络中的各个电阻的阻值，采用不同温度系数电阻相互补偿，大大减小RC振荡器的输出频率随温度的变异，使其在-40℃～85℃的工作温度范围内，制程内不同材质的电阻温度系数补偿匹配较好，可以使输出频率变异小于±0.5％，满足各种计时、通讯等领域对频率要求较高应用。

本发明提高了芯片内建RC振荡器的精度，为计时和通讯系统保证正常通信，无需外接晶振提供系统时钟，同时为芯片节省两个针脚，降低设计成本，提高产品竞争力。本发明对于通讯系统和计时单元模块有着十分重要的意义。

附图说明

本发明的上述的以及其他的特征、性质和优势将通过下面结合附图和实施例的描述而变得更加明显，其中：

图1为现有技术中的一个RC振荡器中电流产生的原理示意图；

图2为本发明一个实施例的芯片内建RC振荡器的电流产生的原理示意图；

图3为本发明另一个实施例的芯片内建RC振荡器的电流产生的原理示意图；

图4为本发明又一个实施例的芯片内建RC振荡器的电流产生的原理示意图；

图5为本发明再一个实施例的芯片内建RC振荡器的电流产生的原理示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步说明，在以下的描述中阐述了更多的细节以便于充分理解本发明，但是本发明显然能够以多种不同于此描述地其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下根据实际应用情况作类似推广、演绎，因此不应以此具体实施例的内容限制本发明的保护范围。

图2为本发明一个实施例的芯片内建RC振荡器的电流产生的原理示意图。如图所示，该芯片内建RC振荡器可以包括恒定电压产生电路、第一电阻R₁、第二电阻R₂以及电容C。在本实施例中，标号R₁、R₂既代表第一电阻、第二电阻本身，同时又代表第一电阻、第二电阻的阻值。

其中，恒定电压产生电路用于产生恒定电压。第一电阻R₁、第二电阻R₂彼此串联形成电阻网络，电阻网络的一端与恒定电压产生电路相连接。电容C与电阻网络的另一端相连接。

如图2所示，假设R₁＝K*R₀，R₂＝(1-K)*R₀，那么该电阻网络的等效阻值(考虑温度系数)应该为：

R_等效＝R₀·[1+(T-25)(K·TC1+(1-K)·TC2)]

如果希望电阻网络的温度系数为0，则可以令K·TC1+(1-K)·TC2＝0，由此可得

那么第一电阻R₁和第二电阻R₂的阻值配置成符合下述关系：

$R_1=\frac{\mathrm{TC}2}{\mathrm{TC}2-\mathrm{TC}1}{R}_0,$ $R_2=\frac{\mathrm{TC}1}{\mathrm{TC}1-\mathrm{TC}2}{R}_0$

其中，R₁和R₂分别为第一电阻和第二电阻的阻值，TC1和TC2分别为第一电阻R₁和第二电阻R₂的温度系数，R₀为一参考电阻的阻值。

可见，根据电路需求，将电阻网络的等效阻值的温度系数TC1和TC2配置为所需值，即最大程度的抵消RC振荡器输出频率受工作温度的影响。

图3为本发明另一个实施例的芯片内建RC振荡器的电流产生的原理示意图。如图所示，该芯片内建RC振荡器可以包括恒定电压产生电路、第一电阻R₁、第二电阻R₂以及电容C。在本实施例中，标号R₁、R₂既代表第一电阻、第二电阻本身，同时又代表第一电阻、第二电阻的阻值。

其中，恒定电压产生电路用于产生恒定电压。第一电阻R₁、第二电阻R₂彼此并联形成电阻网络，电阻网络的一端与恒定电压产生电路相连接。电容C与电阻网络的另一端相连接。

如图3所示，假设R₁＝K1*R₀，R₂＝K2*R₀，那么该电阻网络的等效阻值(考虑温度系数)应该为：

其中，R₁和R₂分别为第一电阻和第二电阻的阻值，R₀为一参考电阻的阻值，K1和K2为可调常数并被调节为优化电阻网络的温度系数的所需值，T为RC振荡器的工作温度，TC1和TC2分别为第一电阻和第二电阻的温度系数，R_等效为电阻网络的等效阻值。

可见，根据电路需求，选择合适的K1和K2的值优化电阻网络的温度系数，即可最大程度的抵消RC振荡器输出频率受工作温度的影响。

图4为本发明又一个实施例的芯片内建RC振荡器的电流产生的原理示意图。如图所示，该芯片内建RC振荡器可以包括恒定电压产生电路、第一电阻R₁、第二电阻R₂、第三电阻R₃以及电容C。在本实施例中，标号R₁、R₂、R₃既代表第一电阻、第二电阻、第三电阻本身，同时又代表第一电阻、第二电阻、第三电阻的阻值。

其中，恒定电压产生电路用于产生恒定电压。第二电阻R₂和第三电阻R₃并联，再与第一电阻串联R₁，形成电阻网络。电阻网络的一端与恒定电压产生电路相连接，电容C与电阻网络的另一端相连接。

如图4所示，假设R₁＝K1*R₀，R₂＝K2*R₀，R₃＝K3*R₀，K1+K2+K3＝1，那么该电阻网络的等效阻值(考虑温度系数)应该为：

其中，R₁、R₂和R₃分别为第一电阻、第二电阻和第三电阻的阻值，R₀为一参考电阻的阻值，K1、K2和K3为可调常数并被调节为优化电阻网络的温度系数的所需值，T为RC振荡器的工作温度，TC1、TC2、TC3分别为第一电阻、第二电阻和第三电阻的温度系数，R_等效为电阻网络的等效阻值。

可见，根据电路需求，选择合适的K1、K2和K3的值优化电阻网络的温度系数，即可最大程度的抵消RC振荡器输出频率受工作温度的影响。

图5为本发明再一个实施例的芯片内建RC振荡器的电流产生的原理示意图。如图所示，该芯片内建RC振荡器可以包括恒定电压产生电路、第一电阻R₁、第二电阻R₂、第三电阻R₃、第四电阻R₄以及电容C。在本实施例中，标号R₁、R₂、R₃、R₄既代表第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻本身，同时又代表第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻的阻值。

其中，恒定电压产生电路用于产生恒定电压。第一电阻R₁和第二电阻R₂串联，再与并联的第三电阻R₃和第四电阻R₄串联，形成电阻网络。电阻网络的一端与恒定电压产生电路相连接，电容C与电阻网络的另一端相连接。

如图5所示，假设R₁＝K1*R₀，R₂＝K2*R₀，R₃＝K3*R₀，R₄＝K4*R₀，K1+K2+K3+K4＝1，那么该电阻网络的等效阻值(考虑温度系数)应该为：

其中，R₁、R₂、R₃和R₄分别为第一电阻、第二电阻、第三电阻和第四电阻的阻值，R₀为一参考电阻的阻值，K1、K2、K3和K4为可调常数并被调节为优化电阻网络的温度系数的所需值，T为RC振荡器的工作温度，TC1、TC2、TC3和TC4分别为第一电阻、第二电阻、第三电阻和第四电阻的温度系数，R_等效为电阻网络的等效阻值。

可见，根据电路需求，选择合适的K1、K2、K3和K4的值优化电阻网络的温度系数，即可最大程度的抵消RC振荡器输出频率受工作温度的影响。

本发明通过配置RC振荡器电阻网络中的各个电阻的阻值，采用不同温度系数电阻相互补偿，大大减小RC振荡器的输出频率随温度的变异，使其在-40℃～85℃的工作温度范围内，制程内不同材质的电阻温度系数补偿匹配较好，可以使输出频率变异小于±0.5％，满足各种计时、通讯等领域对频率要求较高应用。

本发明提高了芯片内建RC振荡器的精度，为计时和通讯系统保证正常通信，无需外接晶振提供系统时钟，同时为芯片节省两个针脚，降低设计成本，提高产品竞争力。本发明对于通讯系统和计时单元模块有着十分重要的意义。

本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何修改、等同变化及修饰，均落入本发明权利要求所界定的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种芯片内建RC振荡器，包括：

恒定电压产生电路，用于产生恒定电压；

多个电阻，彼此并联、串联或者混合连接形成电阻网络，所述电阻网络的一端与所述恒定电压产生电路相连接；以及

电容，与所述电阻网络的另一端相连接；

其中，所述电阻网络的等效阻值的温度系数配置为所需值。

2.根据权利要求1所述的芯片内建RC振荡器，其特征在于，所述电阻网络包括彼此串联的第一电阻和第二电阻，所述第一电阻和所述第二电阻的阻值配置成符合下述关系：

$R_1=\frac{\mathrm{TC}2}{\mathrm{TC}2-\mathrm{TC}1}{R}_0,$ $R_2=\frac{\mathrm{TC}1}{\mathrm{TC}1-\mathrm{TC}2}{R}_0$

其中，R₁和R₂分别为所述第一电阻和所述第二电阻的阻值，TC1和TC2分别为所述第一电阻和所述第二电阻的温度系数，R₀为一参考电阻的阻值。

3.根据权利要求1所述的芯片内建RC振荡器，其特征在于，所述电阻网络包括彼此并联的第一电阻和第二电阻，所述电阻网络的等效阻值配置成符合下述关系：

其中，R₁和R₂分别为所述第一电阻和所述第二电阻的阻值，R₀为一参考电阻的阻值，K1和K2为可调常数并被调节为优化所述电阻网络的温度系数的所需值，T为所述RC振荡器的工作温度，TC1和TC2分别为所述第一电阻和所述第二电阻的温度系数，R_等效为所述电阻网络的等效阻值。

4.根据权利要求1所述的芯片内建RC振荡器，其特征在于，所述电阻网络包括第一电阻、第二电阻和第三电阻，所述第二电阻和所述第三电阻并联，再与所述第一电阻串联，所述电阻网络的等效阻值配置成符合下述关系：

其中，R₁、R₂和R₃分别为所述第一电阻、所述第二电阻和所述第三电阻的阻值，R₀为一参考电阻的阻值，K1、K2和K3为可调常数并被调节为优化所述电阻网络的温度系数的所需值，K1+K2+K3＝1，T为所述RC振荡器的工作温度，TC1、TC2、TC3分别为所述第一电阻、所述第二电阻和所述第三电阻的温度系数，R_等效为所述电阻网络的等效阻值。

5.根据权利要求1所述的芯片内建RC振荡器，其特征在于，所述电阻网络包括第一电阻、第二电阻、第三电阻和第四电阻，所述第一电阻和所述第二电阻串联，再与并联的所述第三电阻和所述第四电阻串联，所述电阻网络的等效阻值配置成符合下述关系：

其中，R₁、R₂、R₃和R₄分别为所述第一电阻、所述第二电阻、所述第三电阻和所述第四电阻的阻值，R₀为一参考电阻的阻值，K1、K2、K3和K4为可调常数并被调节为优化所述电阻网络的温度系数的所需值，K1+K2+K3+K4＝1，T为所述RC振荡器的工作温度，TC1、TC2、TC3和TC4分别为所述第一电阻、所述第二电阻、所述第三电阻和所述第四电阻的温度系数，R_等效为所述电阻网络的等效阻值。

6.根据权利要求2至4中任一项所述的芯片内建RC振荡器，其特征在于，所述RC振荡器的工作温度范围为-40℃～85℃。

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