CN102394565A - 振荡电路及振荡系统 - Google Patents
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Abstract
一种振荡电路，包括一阈值电压提取模块、一正温度系数电压产生模块、一加法模块、一共源放大模块、一充放电模块及一时钟输出模块，所述共源放大模块包括一第一场效应管及第二场效应管，所述加法模块包括一第一运算放大器、一第二运算放大器、一第三场效应管、一第四场效应管、一第五场效应管、一第六场效应管、一第一电阻、一第二电阻及一第三电阻，所述充放电模块包括一第七场效应管、一第八场效应管、一充放电场效应管、一第一开关、一第二开关、一第一比较器、一第二比较器、一第一或非门及一第二或非门。本发明还提供一种振荡系统。本发明结构简单、且易于实现。
Description
技术领域
本发明涉及一种振荡电路及振荡系统，尤指一种能够产生高精度时钟的振荡电路及振荡系统。
背景技术
振荡器是用来产生重复电子讯号（通常是正弦波或方波）的电子元件，其构成的电路叫振荡电路，振荡电路是能将直流电转换为具有一定频率交流电信号输出的电子电路或装置。
在一般工艺条件下通过振荡电路产生高精度的时钟是一件很困难的事情，因为振荡电路中的器件特性会随工艺角以及温度而变化，而这些变化往往会引起振荡电路输出的时钟的频率偏差达到±20%。因此有必要提供一种能够产生高精度时钟的振荡电路及振荡系统。
发明内容
鉴于以上内容，有必要提供一种能够产生高精度时钟的振荡电路及振荡系统。
一种振荡电路，所述振荡电路包括一阈值电压提取模块、一正温度系数电压产生模块、一与所述阈值电压提取模块及所述正温度系数电压产生模块相连的加法模块、一与所述加法模块相连的共源放大模块、一与所述共源放大模块相连的充放电模块及一与所述充放电模块相连的时钟输出模块，所述共源放大模块包括一第一场效应管及一与所述第一场效应管相连的第二场效应管，所述加法模块包括一与所述阈值电压提取模块相连的第一运算放大器、一与所述正温度系数电压产生模块相连的第二运算放大器、一与所述第一运算放大器相连的第三场效应管、一与所述第一运算放大器相连的第四场效应管、一与所述第二运算放大器相连的第五场效应管、一与所述第二运算放大器相连的第六场效应管、一与所述第三场效应管相连的第一电阻、一与所述第五场效应管相连的第二电阻及一与所述第六场效应管相连的第三电阻，所述充放电模块包括一与所述第一场效应管相连的第七场效应管、一与所述第二场效应管相连的第八场效应管、一用于充放电的充放电场效应管、一连接于所述第七场效应管与所述充放电场效应管之间的第一开关、一连接于所述第七场效应管与所述第八场效应管之间的第二开关、一与所述第一开关相连的第一比较器、一与所述第一比较器相连的第二比较器、一与所述第一比较器相连的第一或非门及一与所述第二比较器相连的第二或非门。
一种振荡系统，所述振荡系统包括一用于提取一个与一阈值电压相关的电压的阈值电压提取模块、一用于产生一个正温电压的正温度系数电压产生模块、一与所述阈值电压提取模块及所述正温度系数电压产生模块相连的加法模块、一与所述加法模块相连用于产生一个与温度无关而与栅氧电容相关的电流的共源放大模块、一与所述共源放大模块相连用于给一充放电电容进行充电与放电的充放电模块及一与所述充放电模块相连的时钟输出模块，所述共源放大模块包括一第一场效应管及一与所述第一场效应管相连的第二场效应管。
相对现有技术，本发明振荡电路及振荡系统能够产生一个时钟频率与温度、工艺角及电源电压均无关的高精度时钟，结构简单、且易于实现。
附图说明
图1为本发明振荡系统较佳实施方式的系统架构图。
图2为本发明振荡系统较佳实施方式中共源放大模块的电路图。
图3为本发明振荡电路较佳实施方式的电路图。
具体实施方式
请参阅图1，本发明振荡系统较佳实施方式包括一阈值电压提取模块、一正温度系数电压产生模块、一与该阈值电压提取模块及该正温度系数电压产生模块相连的加法模块、一与该加法模块相连的共源放大模块、一与该共源放大模块相连的充放电模块及一与该充放电模块相连的时钟输出模块。
该阈值电压提取模块用于提取一个与一阈值电压相关的电压VTH；该正温度系数电压产生模块用于产生一个正温电压VPTAT；该加法模块将该阈值电压提取模块输出的电压VTH与该正温度系数电压产生模块输出的正温电压VPTAT相加所得到的电压作用于该共源放大模块；该共源放大模块用于产生一个与温度无关而与栅氧电容相关的电流；该充放电模块用于给一充放电电容进行充电与放电；该时钟输出模块用于输出一个与温度、工艺角及电源电压无关的时钟频率。
请同时参阅图2，图2为本发明振荡系统较佳实施方式中共源放大模块的电路图。该共源放大模块包括一第一场效应管M1及一与该第一场效应管M1相连的第二场效应管M2。该第一场效应管M1的栅极、漏极与该第二场效应管M2的漏极相连，该第一场效应管M1的源级与一电源端VDD相连，该第二场效应管M2的栅极用于接收该加法模块输出的电压VTH与正温电压VPTAT相加之和，该第二场效应管M2的源级与一接地端GND相连。
本发明振荡系统较佳实施方式的工作原理如下：该阈值电压提取模块产生与阈值电压相关的电压VTH，该正温度系数电压产生模块产生正温电压VPTAT，电压VTH与正温电压VPTAT通过加法模块相加所得到的电压VPTAT+VTH作用于该共源放大模块，可以得到与温度无关而与栅氧电容相关的电流I。根据场效应管的饱和电流公式可得：
I=0.5*(W/L) *COX*μ*(Vgs(M2)-VTH)
（1）
上式中(W/L)是该第二场效应管M2的宽长比，COX为栅氧电容，其与工艺角有关，μ为迁移率，其温度系数为负，Vgs(M2) 为该第二场效应管M2的栅源电压，Vgs(M2)=VPTAT+VTH。将Vgs(M2)=VPTAT+VTH代入表达式（1）可得：
I=0.5*(W/L)
*COX*μ*(VPTAT)
（2）
表达式（2）中仅留下与工艺角相关的栅氧电容COX，而温度系数为负的μ与正温系数的(VPTAT)
相乘能够得到与温度无关的电流I。利用I对充放电电容Cmos周期地充电至一第一基准电压VH，然后放电到一第二基准电压VL，则可以得到输出时钟的频率：
F=I/(Cmos*(VH-VL)) （3）
在表达式（3）中，VH和VL都是与温度、工艺角和电源电压无关的基准电压，而Cmos为充放电电容，其值为：
Cmos≈(W*L)Cmos*COX （4）
其中，(W*L)Cmos为充放电电容Cmos的尺寸，将表达式（2）、（4）代入表达式（3）中便得到了与温度、工艺角以及电源电压无关的时钟频率：
F=0.5*(W/L)M2*μ*(VPTAT)
/((VH-VL)*(W*L)Cmos) （5）
由此可见，本发明振荡系统较佳实施方式能够产生高精度时钟，即产生的时钟的频率与温度、工艺角及电源电压均无关。
请参阅图3，图3为本发明振荡电路较佳实施方式的电路图。其中，该阈值电压提取模块为任意一个可以产生与阈值电压相关的电压VTH的电路；该正温度系数电压产生模块为任意一个可以产生正温电压VPTAT的电路；该加法模块包括一第一运算放大器OP1、一第二运算放大器OP2、一第三场效应管M3、一第四场效应管M4、一第五场效应管M5、一第六场效应管M6、一第一电阻R1、一第二电阻R2及一第三电阻R3；该共源放大模块包括该第一场效应管M1及该第二场效应管M2；该充放电模块包括一第七场效应管M7、一第八场效应管M8、一充放电场效应管MNCAP、一第一开关S1、一第二开关S2、一第一比较器CMP1、一第二比较器CMP2、一第一或非门NOR1及一第二或非门NOR2；该时钟输出模块为一时钟输出端CLK。
本发明振荡电路较佳实施方式的连接关系如下：该阈值电压提取电路的输出端与该第一运算放大器OP1的一正相输入端相连，并输入与阈值电压相关的电压VTH至该第一运算放大器OP1的正相输入端，该第一运算放大器OP1的一反相输入端与该第三场效应管M3的漏极及该第一电阻R1的一端相连，该第一运算放大器OP1的一输出端与该第三场效应管M3的栅极及该第四场效应管M4的栅极相连。该正温度系数电压产生模块的输出端与该第二运算放大器OP2的一正相输入端相连，并输入正温电压VPTAT至该第二运算放大器OP2的正相输入端，该第二运算放大器OP2的一反相输入端与该第五场效应管M5的漏极及该第二电阻R2的一端相连，该第二运算放大器OP2的一输出端与该第五场效应管M5的栅极及该第六场效应管M6的栅极相连。该第四场效应管M4的漏极与该第六场效应管M6的漏极、该第三电阻R3的一端、该第二场效应管M2的栅极及该第八场效应管M8的栅极相连。该第一场效应管M1的栅极与漏极、该第二场效应管M2的漏极与该第七场效应管M7的栅极相连。该第七场效应管M7的漏极与该第一开关S1的一端相连，该第一开关S1的另一端与该第二开关S2的一端、该充放电场效应管MNCAP的栅极、该第一比较器CMP1的一正相输入端及该第二比较器CMP2的一反相输入端相连。该第二开关S2的另一端与该第八场效应管M8的漏极相连。该第一比较器CMP1的一反相输入端用于接收该第一基准电压VH，该第一比较器CMP1的一输出端与该第一或非门NOR1的一第一输入端相连。该第二比较器CMP2的一正相输入端用于接收该第二基准电压VL，该第二比较器CMP2的一输出端与该第二或非门NOR2的一第二输入端相连。该第一或非门NOR1的一第二输入端与该第二或非门NOR2的一输出端相连，该第二或非门NOR2的一第一输入端与该第一或非门NOR1的一输出端共同连接该时钟输出端CLK。该第三场效应管M3的源级、该第四场效应管M4的源级、该第一场效应管M1的源级、该第七场效应管M7的源级、该第五场效应管M5的源级、该第六场效应管M6的源级、该第一比较器CMP1的供电端及该第二比较器CMP2的供电端共同连接该电源端VDD；该第一电阻R1的另一端、该第二电阻R2的另一端、该第三电阻R3的另一端、该第二场效应管M2的源级、该第八场效应管M8的源级、该充放电场效应管MNCAP的源级与漏极、该第一比较器CMP1的地端及该第二比较器CMP2的地端共同连接该接地端GND。
本发明振荡电路的工作原理如下：
该阈值电压提取模块提取与阈值电压相关的电压VTH，该电压VTH通过该第一运算放大器OP1、该第三场效应管M3与该第一电阻R1产生一电流，并通过该第四场效应管M4将该电流镜像为电流I1流过该第三电阻R3，其中：
I1=VTH/R1 （6）
该正温度系数电压产生模块产生正温电压VPTAT，该正温电压VPTAT为流过相同电流而发射极面积不一样的两个三极管的基极与射极电压之差值，其为正温系数的电压，与工艺角无关。该正温电压VPTAT通过该第二运算放大器OP2、该第五场效应管M5与该第二电阻R2产生一电流，并通过该第六场效应管M6将该电流镜像为电流I2流过该第三电阻R3，其中：
I2=VPTAT/R2 （7）
由于电流I1与电流I2同时流过该第三电阻R3，可得到电压：
V2=R3*（VTH/R1+VPTAT/R2） （8）
该电压V2作用于该第一场效应管M1与该第二场效应管M2构成的共源放大模块，并产生电流：
I4=0.5*(W/L)
*COX*μ*(R3*（VTH/R1+ VPTAT /R2）-VTH)
（9）
取R3=R1，则表达式（9）变为：
I4=0.5*(W/L)
*COX*μ*(R3* VPTAT /R2)
（10）
该第七场效应管M7镜像流过该第一场效应管M1的电流，得到I4=I3，该第八场效应管M8镜像流过该第二场效应管M2的电流，得到I4=I5。电流I3对充放电场效应管MNCAP充电至电压V1，使得电压V1等于该第一基准电压VH，而电流I5则将充放电场效应管MNCAP的电压从该第一基准电压VH放电至电压V1，使得电压V1等于该第二基准电压VL，此过程将通过该第一比较器CMP1、该第二比较器CMP2、该第一或非门NOR1及该第二或非门NOR2的控制产生一时钟，并通过该时钟输出端CLK输出该时钟，而该时钟输出端CLK输出的时钟将会反馈回来控制该第一开关S1与该第二开关S2，从而实现控制电流I3与电流I5对该充放电场效应管MNCAP进行充放电。该时钟输出端CLK输出的时钟的频率：
F=0.5*(W/L)
*μ*(R3* VPTAT /R2)
/((VH-VL)*(W*L)
) （11）
表达式（11）中第一基准电压VH与第二基准电压VL都是与温度、工艺角和电源电压无关的基准电压，第二电阻R2与第三电阻R3为相同种类的电阻，其比值为常数，(W*L)
为充放电场效应管MNCAP的尺寸，由此可见，表达式（11）中消除了所有与温度、工艺角及电源电压相关的参数，实现了温度补偿。
本发明振荡电路及振荡系统能够产生一个时钟频率与温度、工艺角及电源电压均无关的高精度时钟，结构简单、且易于实现。
Claims (10)
1. 一种振荡电路，其特征在于：所述振荡电路包括一阈值电压提取模块、一正温度系数电压产生模块、一与所述阈值电压提取模块及所述正温度系数电压产生模块相连的加法模块、一与所述加法模块相连的共源放大模块、一与所述共源放大模块相连的充放电模块及一与所述充放电模块相连的时钟输出模块，所述共源放大模块包括一第一场效应管及一与所述第一场效应管相连的第二场效应管，所述加法模块包括一与所述阈值电压提取模块相连的第一运算放大器、一与所述正温度系数电压产生模块相连的第二运算放大器、一与所述第一运算放大器相连的第三场效应管、一与所述第一运算放大器相连的第四场效应管、一与所述第二运算放大器相连的第五场效应管、一与所述第二运算放大器相连的第六场效应管、一与所述第三场效应管相连的第一电阻、一与所述第五场效应管相连的第二电阻及一与所述第六场效应管相连的第三电阻，所述充放电模块包括一与所述第一场效应管相连的第七场效应管、一与所述第二场效应管相连的第八场效应管、一用于充放电的充放电场效应管、一连接于所述第七场效应管与所述充放电场效应管之间的第一开关、一连接于所述第七场效应管与所述第八场效应管之间的第二开关、一与所述第一开关相连的第一比较器、一与所述第一比较器相连的第二比较器、一与所述第一比较器相连的第一或非门及一与所述第二比较器相连的第二或非门。
2. 如权利要求1所述的振荡电路，其特征在于：所述第一场效应管的栅极、漏极与所述第二场效应管的漏极相连，所述第一场效应管的源级与一电源端相连，所述第二场效应管的栅极与所述加法模块相连，所述第二场效应管的源级与一接地端相连。
3. 如权利要求1所述的振荡电路，其特征在于：所述阈值电压提取电路与所述第一运算放大器的一正相输入端相连，所述第一运算放大器的一反相输入端与所述第三场效应管的漏极及所述第一电阻的一端相连，所述第一运算放大器的一输出端与所述第三场效应管的栅极及所述第四场效应管的栅极相连，所述正温度系数电压产生模块与所述第二运算放大器的一正相输入端相连，所述第二运算放大器的一反相输入端与所述第五场效应管的漏极及所述第二电阻的一端相连，所述第二运算放大器的一输出端与所述第五场效应管的栅极及所述第六场效应管的栅极相连。
4. 如权利要求3所述的振荡电路，其特征在于：所述第四场效应管的漏极与所述第六场效应管的漏极、所述第三电阻的一端、所述第二场效应管的栅极及所述第八场效应管的栅极相连，所述第一场效应管的栅极、漏极、所述第二场效应管的漏极与所述第七场效应管的栅极相连。
5. 如权利要求4所述的振荡电路，其特征在于：所述第七场效应管的漏极与所述第一开关的一端相连，所述第一开关的另一端与所述第二开关的一端、所述充放电场效应管的栅极、所述第一比较器的一正相输入端及所述第二比较器的一反相输入端相连，所述第二开关的另一端与所述第八场效应管的漏极相连，所述第一比较器的一反相输入端接收一第一基准电压，所述第一比较器的一输出端与所述第一或非门的一第一输入端相连。
6. 如权利要求5所述的振荡电路，其特征在于：所述第二比较器的一正相输入端接收一第二基准电压，所述第二比较器的一输出端与所述第二或非门的一第二输入端相连，所述第一或非门的一第二输入端与所述第二或非门的一输出端相连，所述第二或非门的一第一输入端与所述第一或非门的一输出端共同连接所述时钟输出模块。
7. 一种振荡系统，其特征在于：所述振荡系统包括一用于提取一个与一阈值电压相关的电压的阈值电压提取模块、一用于产生一个正温电压的正温度系数电压产生模块、一与所述阈值电压提取模块及所述正温度系数电压产生模块相连的加法模块、一与所述加法模块相连用于产生一个与温度无关而与栅氧电容相关的电流的共源放大模块、一与所述共源放大模块相连用于给一充放电电容进行充电与放电的充放电模块及一与所述充放电模块相连的时钟输出模块，所述共源放大模块包括一第一场效应管及一与所述第一场效应管相连的第二场效应管。
8. 如权利要求7所述的振荡系统，其特征在于：所述第一场效应管的栅极、漏极与所述第二场效应管的漏极相连，所述第一场效应管的源级与一电源端相连，所述第二场效应管的栅极用于接收所述加法模块输出的电压，所述第二场效应管的源级与一接地端相连。
9. 如权利要求7所述的振荡系统，其特征在于：所述加法模块包括一与所述阈值电压提取模块相连的第一运算放大器、一与所述正温度系数电压产生模块相连的第二运算放大器、一与所述第一运算放大器相连的第三场效应管、一与所述第一运算放大器相连的第四场效应管、一与所述第二运算放大器相连的第五场效应管、一与所述第二运算放大器相连的第六场效应管、一与所述第三场效应管相连的第一电阻、一与所述第五场效应管相连的第二电阻及一与所述第六场效应管相连的第三电阻。
10. 如权利要求7所述的振荡系统，其特征在于：所述充放电模块包括一与所述第一场效应管相连的第七场效应管、一与所述第二场效应管相连的第八场效应管、一用于充放电的充放电场效应管、一连接于所述第七场效应管与所述充放电场效应管之间的第一开关、一连接于所述第七场效应管与所述第八场效应管之间的第二开关、一与所述第一开关相连的第一比较器、一与所述第一比较器相连的第二比较器、一与所述第一比较器相连的第一或非门及一与所述第二比较器相连的第二或非门。
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