CN102931913B - 高精度振荡器 - Google Patents
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Abstract
一种高精度振荡器，包括：基准电压源、电阻分压电路、运算放大器、比较器、状态寄存器、第一反相器、第二反相器、第三反相器、第四反相器、第五反相器、积分器电容C1、第一切换电容C2、第二切换电容C3、RST（复位）信号控制的开关单元S1、SEL信号控制的开关单元S2、SELB信号控制的开关单元S3、SELB信号控制的开关单元S4、SEL信号控制的开关单元S5、RSTB信号控制的开关单元S6及充电电阻R4。本发明的有益效果在于：1，当外部工作环境温度从-40°C到125°C变化时，其输出频率变化<0.5%。2，在外部工作电压发生变化时（如2.2v到3.6v），本发明的高精度振荡器依然可以输出精准稳定的频率（频率变化<0.2%）而只需要消耗较少的工作电流。
Description
技术领域
本发明涉及电子电路技术领域，具体涉及一种振荡电路或振荡器。
背景技术
如今，在很多精密控制领域或高精电子设备中，需要用到精度更高、稳定性更好的振荡器，作为参考频率产生电路的关键部分。
现有技术存在有多种多样的片上集成RC振荡器电路结构。它们有的具有较为宽广的工作电压，有的具有比较好的温漂系数。对于的输出频率的温漂系数达到±1%的RC振荡器（-40°C到125°C），它是达到了精准的要求。但往往需要消耗很大的工作电流。因此对于现有的片上集成RC振荡器，要么它的工作电压范围很宽，但是温漂系数不够好；要么它的温漂系数好，但功耗较大。
在一些要求更高的应用场合，具有±1%温漂系数的片上集成RC振荡器（-40°C到125°C）依然无法胜任。它们不但要求更好的温漂系数（比如<0.5%,在-40°C到125°C温度范围），同时也要求具有宽广的工作电压和较低的功耗。
发明内容
本发明的目的是提供一种高精度振荡器，能够提供更精准稳定的频率，具有极低的温漂系数和宽广的工作电压，同时具有较低的功耗。
本发明目的可以由以下技术方案实现：
一种高精度振荡器，其特征在于，包括：基准电压源、电阻分压电路、运算放大器、比较器、状态寄存器、第一反相器、第二反相器、第三反相器、第四反相器、第五反相器、积分器电容C1、第一切换电容C2、第二切换电容C3、RST（复位）信号控制的开关单元S1、SEL信号控制的开关单元S2、SELB信号控制的开关单元S3、SELB信号控制的开关单元S4、SEL信号控制的开关单元S5、RSTB信号控制的开关单元S6及充电电阻R4；
第一切换电容C2与SELB信号控制的开关单元S4并联后与SEL信号控制的开关单元S2串联，构成第一切换电容充放电电路；第二切换电容C3与SEL信号控制的开关单元S5并联后与SELB信号控制的开关单元S3串联，构成第二切换电容充放电电路；第一切换电容充放电电路、第二切换电容充放电电路及RSTB信号控制的开关单元S6并联后一端接地，另一端分别经电阻R5后连接运算放大器的“-”输入端、比较器的“-”输入端，该另一端还经充电电阻R4、RST信号控制的开关单元S1后连接基准电压源的输出端；
运算放大器的“+”输入端接电阻分压电路的输出端，运算放大器的输出端连接比较器的“+”输入端；运算放大器的输出端与“-”输入端间串接积分器电容C1；
状态寄存器是带异步复位的D触发器，比较器的输出端连接D触发器的“CK”端，D触发器的“Q”端和“D”端之间串接第一反相器，D触发器的“RN”端连接第二反相器，D触发器的“Q”端顺序连接第三反相器、第四反相器、第五反相器；D触发器的“RN”端为系统复位信号RST，第二反相器输出端为RST的反相信号RSTB，第三反相器输出端为SEL信号，第四反相器输出端为SELB信号，第五反相器输出端为CLK信号。
作为具体的技术方案，所述电阻分压电路由顺序串联在基准电压源输出端与地之间的第一分压电阻R1、第二分压电阻R2、第三分压可调电阻R3构成，第一分压电阻R1和第二分压电阻R2的节点为分压后参考电压Vr的输出端。
作为进一步的技术方案，所述第一分压电阻R1和第二分压电阻R2是同种温度系数的电阻，第三分压可调电阻R3为与R1，R2相反温度系数的电阻。
作为进一步的技术方案，所述运算放大器的“-”输入端经一积分器电阻R5接第一切换电容充放电电路、第二切换电容充放电电路的并联端；
作为可替换的技术方案，所述积分器电阻R5、运算放大器和积分器电容C1共同构成的一阶积分器电路由一有源反相低通滤波器代替。
作为可替换的技术方案，所述充电电阻R4由一电流源替代。
本发明目的还可以由以下技术方案实现：
一种高精度振荡器，其特征在于，包括：基准电压源、电阻分压电路、比较器、状态寄存器、第一反相器、第二反相器、第三反相器、第四反相器、第五反相器、第一切换电容C2、第二切换电容C3、RST信号控制的开关单元S1、SEL信号控制的开关单元S2、SELB信号控制的开关单元S3、SELB信号控制的开关单元S4、SEL信号控制的开关单元S5、RSTB信号控制的开关单元S6及充电电阻R4；
第一切换电容C2与SELB信号控制的开关单元S4并联后与SEL信号控制的开关单元S2串联，构成第一切换电容充放电电路；第二切换电容C3与SEL信号控制的开关单元S5并联后与SELB信号控制的开关单元S3串联，构成第二切换电容充放电电路；第一切换电容充放电电路、第二切换电容充放电电路及RSTB信号控制的开关单元S6并联后一端接地，另一端连接比较器的“-”输入端，该另一端还经充电电阻R4、RST信号控制的开关单元S1后连接基准电压源的输出端；
比较器的“+”输入端接电阻分压电路的输出端；状态寄存器是带异步复位的D触发器，比较器的输出端连接D触发器的“CK”端，D触发器的“Q”端和“D”端之间串接第一反相器，D触发器的“RN”端连接第二反相器，D触发器的“Q”端顺序连接第三反相器、第四反相器、第五反相器；D触发器的“RN”端为系统复位信号RST，第二反相器输出端为RST的反相信号RSTB，第三反相器输出端为SEL信号，第四反相器输出端为SELB信号，第五反相器输出端为CLK信号。
本发明的有益效果在于：1，当外部工作环境温度从-40°C到125°C变化时，其输出频率变化<0.5%。2，在外部工作电压发生变化时（如2.2v到3.6v），本发明的高精度振荡器依然可以输出精准稳定的频率（频率变化<0.2%）而只需要消耗较少的工作电流。
附图说明
图1为实施例一提供的一种高精度振荡器的电路原理图。
图2为图1电路原理图的工作时序图。
图3为实施例四提供的一种简化的低功耗振荡器电路原理图。
图4为图3电路原理图的工作时序图。
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
具体实施方式
实施例一：
结合图1及图2所示，本实施例提供的高精度振荡器包括：基准电压源100、运算放大器（OPA）101、比较器（CMP）102、第一反相器103、状态寄存器104、第二反相器105、第三反相器106、第四反相器107、第五反相器108、积分器电容C1、第一切换电容C2、第二切换电容C3、RST信号控制的开关单元S1、SEL信号控制的开关单元S2、SELB信号控制的开关单元S3、SELB信号控制的开关单元S4、SEL信号控制的开关单元S5、RSTB信号控制的开关单元S6、第一分压电阻R1、第二分压电阻R2、第三分压可调电阻R3、充电电阻R4及积分器电阻R5。
第一分压电阻R1、第二分压电阻R2、第三分压可调电阻R3顺序地串联在基准电压源100的输出端与地之间，构成电阻分压电路。基准电压源105产生的基准电压源输出电压VREF通过电阻分压电路R1，R2，R3进行分压，第一分压电阻R1和第二分压电阻R2的节点为分压后参考电压Vr的输出端。
其中，R1和R2是同种温度系数的电阻，而R3为与R1，R2相反温度系数的电阻。基于此，可以通过R3来调整个振荡器的频率对温度的敏感系数。
第一切换电容C2与SELB信号控制的开关单元S4并联后与SEL信号控制的开关单元S2串联，构成第一切换电容充放电电路；第二切换电容C3与SEL信号控制的开关单元S5并联后与SELB信号控制的开关单元S3串联，构成第二切换电容充放电电路。第一切换电容充放电电路、第二切换电容充放电电路及RSTB信号控制的开关单元S6并联后一端接地，另一端分别连接运算放大器101的“-”输入端、比较器102的“-”输入端，该另一端还经充电电阻R4、RST信号控制的开关单元S1后连接基准电压源100的输出端。
运算放大器101的“+”输入端接电阻分压电路的输出端，即接入分压后的参考电压Vr；“-”输入端经积分器电阻R5接第一切换电容C2和第二切换电容C3的并联端，即接入第一、第二切换电容充放电信号Vosc。运算放大器101的输出端连接比较器102的“+”输入端；运算放大器101的输出端与“-”输入端间串接积分器电容C1。积分器电阻R5、运算放大器101和积分器电容C1共同构成了一阶积分器电路200，通过一阶积分器电路200比较Vr和Vosc电压的差别来调整比较器102的比较基准电压Vb，并输出Vb信号给比较器102。
继续参见图1，状态寄存器104是带异步复位的D触发器，在这里用做比较器输出的状态寄存器。比较器102的输出端连接D触发器的“CK”端，D触发器的“Q”端和“D”端之间串接第一反相器103，D触发器的“Q”端还顺序连接第三反相器106、第四反相器107、第五反相器108。D触发器的“RN”端连接第二反相器105。图中，RST是系统复位信号，RSTB是RST的反相信号，SEL是D触发器输出的反相信号，SELB是SEL的反相信号，CLK是SELB的反相信号。
本实施例提供的振荡器，通过一阶积分器电路200比较Vr和Vosc电压的差别来调整比较器102的比较基准电压Vb，达到动态补偿因温度引起的比较器102延迟时间不同而导致的频率对温度的敏感系数变差的问题。本实施例提供的振荡器可以在非常低功耗的情况下实现-40°C到125°C，其输出频率变化<0.5%，远好于普通精度振荡器±1%的水平，可以应用在一些要求更高的场合。状态寄存器104是用来捕捉比较器102的上升沿输出，每次比较器输出一个上升沿，状态寄存器104的输出翻转一次。因此它的输出时钟占空比非常接近50%。初始状态控制单元S1和S6在复位信号RST的控制下，把Vosc的初始电压设置到低电平。当复位信号RST变为高电平以后，振荡器开始正常工作，CLK输出振荡频率。
本实施例提供的振荡器的具体工作过程如下：
1、在复位信号RST为低电平时，状态寄存器104的输出端Q的在状态为低电平，通过反相器106获得信号SEL。SEL再通过反相器107获得信号SELB。状态寄存器的输出Q通过反相器103和D端连接。此时比较器102的输出为低电平，开关单元S1断开，开关单元S6闭合，Vosc的电压被拉到低电平；开关单元S2闭合，开关单元S4断开；开关单元S3断开，开关单元S5闭合，电容C3两端被连接到低电平点。
2、当复位信号RST为高电平时，振荡器开始正常工作。开关单元S1闭合。开关单元S6断开。VREF开始通过电阻R4向C2充电。Vosc的电压开始上升，当Vosc的电压高于Vb电压时，比较器102从原来的低电平上升为高电平。触发状态寄存器104，把状态寄存器的输出Q设置为高电平。同时，CLK、SEL、SELB三个信号发生翻转。开关单元S2断开，开关单元S4闭合，对C2进行放电同时把C2的两端连接到低电平。开关单元S3闭合，开关单元S5断开，VREF开始通过电阻R4向C3充电。Vosc的电压开始从低电平开始上升。与此同时，比较器102输出为低电平，触发状态寄存器104的输出状态不发生改变。当Vosc的电压高于Vb电压时，比较器102从低电平上升为高电平。触发状态寄存器104，把状态寄存器的输出Q设置为低电平。同时，CLK、SEL、SELB三个信号发生翻转，一个时钟周期完成。系统开始重复上面的步骤。
实施例二：
实施例二与实施例一的区别在于：充电电阻R4由电流源替换。
实施例三：
实施例三与实施例一的区别在于：一阶积分器电路200由有源反相低通滤波器代替。
上述各实施例的重点是对输出时钟的周期（体现在Vosc电压上，周期越大，Vosc能过够达到的电压越高，周期越小，Vosc能够达到的电压就越小）通过一阶积分器电路200或有源反相低通滤波器的处理，动态的调整比较器102的比较参考电压。有效的降低输出时钟频率对温度的敏感性同时可以大幅度的降低比较器102的功耗。
但是，在要求工作电流更低，而对频率对温度的敏感系数要求不高的情况下，上述实施例也可以由以下实施例四来实现，以达到更低的功耗。
实施例四：
参见图3及图4，实施例四与实施例一、实施例二的区别在于：不再设置一阶积分器电路200，VREF通过电阻R1、R2、R3分压得到的参考电压Vr直接提供给比较器102。
Claims (6)
1.一种高精度振荡器，其特征在于，包括：基准电压源、电阻分压电路、运算放大器、比较器、状态寄存器、第一反相器、第二反相器、第三反相器、第四反相器、第五反相器、积分器电容C1、第一切换电容C2、第二切换电容C3、RST信号控制的开关单元S1、SEL信号控制的开关单元S2、SELB信号控制的开关单元S3、SELB信号控制的开关单元S4、SEL信号控制的开关单元S5、RSTB信号控制的开关单元S6及充电电阻R4；
第一切换电容C2与SELB信号控制的开关单元S4并联后与SEL信号控制的开关单元S2串联，构成第一切换电容充放电电路；第二切换电容C3与SEL信号控制的开关单元S5并联后与SELB信号控制的开关单元S3串联，构成第二切换电容充放电电路；第一切换电容充放电电路、第二切换电容充放电电路及RSTB信号控制的开关单元S6并联后一端接地，另一端分别连接运算放大器的“-”输入端、比较器的“-”输入端，该另一端还经充电电阻R4、RST信号控制的开关单元S1后连接基准电压源的输出端；
电阻分压电路由第一分压电阻R1、第二分压电阻R2、第三分压可调电阻R3构成，第一分压电阻R1、第二分压电阻R2、第三分压可调电阻R3顺序地串联在基准电压源100的输出端与地之间，第一分压电阻R1和第二分压电阻R2的节点为电阻分压电路的输出端；运算放大器的“+”输入端接电阻分压电路的输出端，运算放大器的输出端连接比较器的“+”输入端；运算放大器的输出端与“-”输入端间串接积分器电容C1；
状态寄存器是带异步复位的D触发器，比较器的输出端连接D触发器的“CK”端，D触发器的“Q”端和“D”端之间串接第一反相器，D触发器的“RN”端连接第二反相器，D触发器的“Q”端顺序连接第三反相器、第四反相器、第五反相器；D触发器的“RN”端为系统复位信号RST，第二反相器输出端为RST的反相信号RSTB，第三反相器输出端为SEL信号，第四反相器输出端为SELB信号，第五反相器输出端为CLK信号。
2.根据权利要求1所述的高精度振荡器，其特征在于：所述电阻分压电路由顺序串联在基准电压源输出端与地之间的第一分压电阻R1、第二分压电阻R2、第三分压可调电阻R3构成，第一分压电阻R1和第二分压电阻R2的节点为分压后参考电压Vr的输出端。
3.根据权利要求2所述的高精度振荡器，其特征在于：所述第一分压电阻R1和第二分压电阻R2是同种温度系数的电阻，第三分压可调电阻R3为与R1，R2相反温度系数的电阻。
4.根据权利要求1所述的高精度振荡器，其特征在于：所述运算放大器的“-”输入端经一积分器电阻R5接第一切换电容充放电电路、第二切换电容充放电电路的并联端；所述积分器电阻R5、运算放大器和积分器电容C1共同构成的一阶积分器电路由一有源反相低通滤波器代替。
5.根据权利要求1所述的高精度振荡器，其特征在于：所述充电电阻R4由一电流源替代。
6.一种高精度振荡器，其特征在于，包括：基准电压源、电阻分压电路、比较器、状态寄存器、第一反相器、第二反相器、第三反相器、第四反相器、第五反相器、第一切换电容C2、第二切换电容C3、RST信号控制的开关单元S1、SEL信号控制的开关单元S2、SELB信号控制的开关单元S3、SELB信号控制的开关单元S4、SEL信号控制的开关单元S5、RSTB信号控制的开关单元S6及充电电阻R4；
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| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| C56 | Change in the name or address of the patentee | ||
| CP03 | Change of name, title or address |
Address after: 519085 Guangdong city of Zhuhai province Jida West Road No. 107 Building 9 Building (1-4) Patentee after: Zhuhai jelee Polytron Technologies Inc Address before: 519015 Guangdong province Zhuhai City Jiuzhou Road No. 2069 2 floor Patentee before: Zhuhai Jieli Technology Co., Ltd. |
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| IW01 | Full invalidation of patent right | ||
| IW01 | Full invalidation of patent right |
Decision date of declaring invalidation: 20190419 Decision number of declaring invalidation: 39855 Granted publication date: 20150218 |