CN102882471B - 基于cmos工艺实现的高精度片上时钟振荡器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于CMOS工艺实现的高精度片上时钟振荡器，包括频率电压转换电路、积分电路、压控振荡器、电流自动修条电路、温度系数可调电流源及带隙基准电路，所述频率电压转换电路、所述积分电路和所述压控振荡器依次连接形成一闭环结构；本发明利用频率电压转换电路、积分电路和压控振荡器，形成闭环回路控制的振荡器电路，从而保证了该振荡电路输出频率受整个闭环回路控制不受MOS管的工艺偏差影响。由于采用闭环回路所以振荡电路具有很好的噪声性能，而且整个环路采用了温度补偿电流源和电流自动修条电路，保证了该振荡电路具有良好的温度和工艺稳定性，同时该振荡器电路简单，时钟精度高，可替换电子系统的外部石英晶体振荡器。

Description

基于CMOS工艺实现的高精度片上时钟振荡器

技术领域

本发明涉及电学领域，具体涉及一种时钟振荡电路，尤其涉及一种基于CMOS工艺的高精度片上时钟振荡器。

背景技术

在各种电子系统中，晶体振荡器(XTAL)是一种必不可少的时钟参考信号。广泛应用于计算机、遥控器和自动控制电路中。它在通信系统中，主要被用在频率发生器中，为数据处理设备产生时钟信号以保持信号传输的同步性。晶体振荡器虽然可以产生精准的时钟信号，但由晶体振荡器产生的时钟信号，存在自身成本较高，系统功耗高，而且不能集成到芯片内部的缺点，没有办法实现电子系统的低成本、低功耗和小型化的要求，特别是在生物医学芯片和物联网芯片应用方面。

随着集成电路的发展，国内外有很多研究论文，都提出了一些用有源电路来实现晶体振器的方法和结构。例如采用片上微机电系统(MEMS)实现片上晶体振荡器，但是MEMS实现存在功耗高，成本高而且不能用标准CMOS工艺实现的缺点，限制了它的应用和发展。尽管国外有些振荡器结构，可以取得很好的频率稳定性，但需要外部无源器件，而且频率的温度和电压系数都不是很好。本申请正是针对目前有源振荡器的缺点，提出了一种采用闭环结构的片上有源振荡电路。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的以上问题，提供一种基于CMOS工艺实现的高精度片上时钟振荡器，该电路具有闭环回路控制的振荡器，从而具有良好的温度特性和噪声性能。

为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现：

一种基于CMOS工艺实现的高精度片上时钟振荡器，包括频率电压转换电路、积分电路、压控振荡器、电流自动修条电路、温度系数可调电流源及带隙基准电路，所述频率电压转换电路、所述积分电路和所述压控振荡器依次连接形成一闭环结构；所述频率电压转换电路连接所述温度系数可调电流源，所述电流自动修条电路及所述带隙基准电路分别连接所述温度系数可调电流源，所述带隙基准电路还连接所述积分电路；所述频率电压转换电路将所述压控振荡器输出频率转化成和频率相关的电压量；所述积分电路将所述带隙基准电路的电压和所述频率电压转换电路的输出电压进行比较产生压控振荡器的输入电压；所述压控振荡器根据控制电压大小产生相应的时钟信号；所述电流自动修条电路用以控制所述温度系数可调电流源的输出大小；所述温度系数可调电流源给所述频率电压转换电路提供电流；所述带隙基准电路给所述温度系数可调电流源及所述积分电路提供和温度无关的基准电压；

所述温度系数可调电流源包括第一沟道场效应管和第二沟道场效应管，所述第一沟道场效应管和所述第二沟道场效应管的栅极输入端分别接电源电压和带隙基准电压，所述第一沟道场效应管工作在深线性区，给所述第二沟道场效应管提供反馈；第一偏置电流通过第一沟道场效应管镜像给第二沟道场效应管，所述第二沟道场效应管通过多组场效应管及所述电流自动修条电路产生的控制信号，控制第二偏置电流的电流大小，所述第二偏置电流通过电流镜镜像给所述频率电压转换电路，作为充放电电容的充电电流。

进一步的，所述频率电压转换电路由充放电电容、采样电容组成，充放电电流源通过第三控制信号开关与所述充放电电容相连，所述采样电容通过第二控制信号开关与所述第三控制信号开关相连，所述第三控制信号开关还连接有第一控制信号开关；所述充放电电流源由所述温度系数可调电流源产生，所述第一控制信号开关、所述第二控制信号开关及所述第三控制信号开关由所述压控振荡器通过逻辑控制电路产生；所述频率电压转换电路电压输出的大小和所述第一控制信号开关、所述第二控制信号开关、所述第三控制信号开关的频率大小成线性关系。

进一步的，所述压控振荡器由电压电流转换电路和电流控制振荡器组成，所述电压电流转换电路与所述电流控制振荡器相连接；所述压控振荡器的输出信号一路作为时钟振荡器电路输出频率，另一路产生相应的控制信号反馈回所述频率电压转换电路。

本发明的有益效果是：

本发明通过利用频率电压转换电路、积分电路和压控振荡器，提供一种具有闭环回路控制的振荡器电路，从而保证了该振荡电路输出频率受整个闭环回路控制不受MOS管的工艺偏差影响。同时由于采用闭环回路所以振荡电路具有很好的噪声性能，而且整个环路采用了温度补偿电流源和电流自动修条电路，保证了该振荡电路具有良好的温度和工艺稳定性，同时该振荡器电路简单，时钟精度高，可替换电子系统的外部石英晶体振荡器。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。本发明的具体实施方式由以下实施例及其附图详细给出。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明高精度片上时钟振荡电路总体原理框图；

图2为本发明频率电压转换电路原理框图；

图3为本发明压控振荡器电路图；

图4为本发明温度系数可调电流源电路原理图；

图5为本发明积分电路框图。

图中标号说明：1、频率电压转换电路，2、积分电路，3、压控振荡器，4、电流自动修条电路，5、温度系数可调电流源，6、带隙基准电路，A0-A7、第一组场效应管，B0-B7、第二组场效应管，C1、充放电电容，C2、采样电容，clkp1、所述第一控制信号开关，clkp2、第二控制信号开关，clkn、第三控制信号开关，Ibias1、第一偏置电流，Ibias2、第二偏置电流，ICO、电流控制振荡器，Icp、充放电电流源，P0、第一P沟道场效应管，P1、第二P沟道场效应管，N0、第一N沟道场效应管，N1、第二N沟道场效应管，TRD0-TRD7、第一组控制信号，TRU0-TRU7、第二组控制信号，VDD、电源电压，Vbg、带隙基准电压。

具体实施方式

下面将参考附图并结合实施例，来详细说明本发明。

参照图1所示，一种基于CMOS工艺实现的高精度片上时钟振荡器，包括频率电压转换电路1、积分电路2、压控振荡器3、电流自动修条电路4、温度系数可调电流源5及带隙基准电路6，所述频率电压转换电路1、所述积分电路2和所述压控振荡器3依次连接形成一闭环结构；所述频率电压转换电路1连接所述温度系数可调电流源5，所述电流自动修条电路4及所述带隙基准电路6分别连接所述温度系数可调电流源5，所述带隙基准电路6还连接所述积分电路2；所述频率电压转换电路1将所述压控振荡器3输出频率转化成和频率相关的电压量；所述积分电路2将所述带隙基准电路6的电压和所述频率电压转换电路1的输出电压进行比较产生压控振荡器3的输入电压；所述压控振荡器3根据控制电压大小产生相应的时钟信号；所述电流自动修条电路4用以控制所述温度系数可调电流源5的输出大小；所述温度系数可调电流源5给所述频率电压转换电路1提供电流；所述带隙基准电路6给所述温度系数可调电流源5及所述积分电路2提供和温度无关的基准电压。

参照图2所示，进一步的，所述频率电压转换电路1由充放电电容C1、采样电容C2组成，充放电电流源Icp通过第三控制信号开关clkn与所述充放电电容C1相连，所述采样电容C2通过第二控制信号开关clkp2与所述第三控制信号开关clkn相连，所述第三控制信号开关clkn还连接有第一控制信号开关clkp1；所述充放电电流源Icp由所述温度系数可调电流源5产生，所述第一控制信号开关clkp1、所述第二控制信号开关clkp2及所述第三控制信号开关clkn由所述压控振荡器3通过逻辑控制电路产生；所述频率电压转换电路1电压输出的大小和所述第一控制信号开关clkp1、所述第二控制信号开关clkp2、所述第三控制信号开关clkn的频率大小成线性关系。

参照图3所示，进一步的，所述压控振荡器3由电压电流转换电路和电流控制振荡器ICO组成，所述电压电流转换电路与所述电流控制振荡器ICO相连接；所述压控振荡器3的输出信号一路作为所述时钟振荡器电路输出频率，另一路产生相应的控制信号反馈回所述频率电压转换电路1。

参照图4所示，进一步的，所述温度系数可调电流源5包括第一N沟道场效应管N0和第二N沟道场效应管N1，所述第一N沟道场效应管N0和所述第二N沟道场效应管N1的栅极输入端分别接电源电压VDD和带隙基准电压Vbg，所述第一N沟道场效应管N0工作在深线性区，给所述第二N沟道场效应管N1提供反馈；通过调整所述第一N沟道场效应管N0和所述第二N沟道场效应管N1的宽长比可以调整第一偏置电流Ibias1的温度系数；所述第一偏置电流Ibias1通过第一P沟道场效应管P0镜像给第二P沟道场效应管P1，所述第二P沟道场效应管P1通过第一组场效应管A0-A7、第二组场效应管B0-B7，及所述电流自动修条电路4产生的第一组控制信号TRD0-TRD7、第二组控制信号TRU0-TRU7，控制第二偏置电流Ibias2的电流大小，所述第二偏置电流Ibias2通过电流镜镜像给所述频率电压转换电路1，作为所述充放电电容C1的充电电流。

参照图5所示，该积分电路2输入信号分别为频率电压转换电路1和带隙基准电路6的输出信号，通过对输入信号的差分信号进行放大，产生和输入差分信号幅度相关的输出信号，该输出信号控制压控振荡器3输出频率的大小。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于CMOS工艺实现的高精度片上时钟振荡器，其特征在于：包括频率电压转换电路(1)、积分电路(2)、压控振荡器(3)、电流自动修条电路(4)、温度系数可调电流源(5)及带隙基准电路(6)，所述频率电压转换电路(1)、所述积分电路(2)和所述压控振荡器(3)依次连接形成一闭环结构；所述频率电压转换电路(1)连接所述温度系数可调电流源(5)，所述电流自动修条电路(4)及所述带隙基准电路(6)分别连接所述温度系数可调电流源(5)，所述带隙基准电路(6)还连接所述积分电路(2)；

所述频率电压转换电路(1)将所述压控振荡器(3)输出频率转化成和频率相关的电压量；

所述积分电路(2)将所述带隙基准电路(6)的电压和所述频率电压转换电路(1)的输出电压进行比较产生压控振荡器(3)的输入电压；

所述压控振荡器(3)根据控制电压大小产生相应的时钟信号；

所述电流自动修条电路(4)用以控制所述温度系数可调电流源(5)的输出大小；

所述温度系数可调电流源(5)给所述频率电压转换电路(1)提供电流；

所述带隙基准电路(6)给所述温度系数可调电流源(5)及所述积分电路(2)提供和温度无关的基准电压；

所述温度系数可调电流源(5)包括第一N沟道场效应管(N0)和第二N沟道场效应管(N1)，所述第一N沟道场效应管(N0)和所述第二N沟道场效应管(N1)的栅极输入端分别接电源电压(VDD)和带隙基准电压(Vbg)，所述第一N沟道场效应管(N0)工作在深线性区，给所述第二N沟道场效应管(N1)提供反馈；

第一偏置电流(Ibias1)通过第一P沟道场效应管(P0)镜像给第二P沟道场效应管(P1)，所述第二P沟道场效应管(P1)通过多组场效应管及所述电流自动修条电路(4)产生的控制信号，控制第二偏置电流(Ibias2)的电流大小，所述第二偏置电流(Ibias2)通过电流镜镜像给所述频率电压转换电路(1)，作为充放电电容(C1)的充电电流。

2.根据权利要求1所述的基于CMOS工艺实现的高精度片上时钟振荡器，其特征在于：所述频率电压转换电路(1)由充放电电容(C1)、采样电容(C2)组成，充放电电流源(Icp)通过第三控制信号开关(clkn)与所述充放电电容(C1)相连，所述采样电容(C2)通过第二控制信号开关(clkp2)与所述第三控制信号开关(clkn)相连，所述第三控制信号开关(clkn)还连接有第一控制信号开关(clkp1)；所述充放电电流源(Icp)由所述温度系数可调电流源(5)产生，所述第一控制信号开关(clkp1)、所述第二控制信号开关(clkp2)及所述第三控制信号开关(clkn)由所述压控振荡器(3)通过逻辑控制电路产生；所述频率电压转换电路(1)电压输出的大小和所述第一控制信号开关(clkp1)、所述第二控制信号开关(clkp2)、所述第三控制信号开关(clkn)的频率大小成线性关系。

3.根据权利要求1所述的基于CMOS工艺实现的高精度片上时钟振荡器，其特征在于：所述压控振荡器(3)由电压电流转换电路和电流控制振荡器(ICO)组成，所述电压电流转换电路与所述电流控制振荡器(ICO)相连接；所述压控振荡器(3)的输出信号一路作为时钟振荡器电路输出频率，另一路产生相应的控制信号反馈回所述频率电压转换电路(1)。