CN103051286A

CN103051286A - 一种可修调的高精度弛张振荡器

Info

Publication number: CN103051286A
Application number: CN2013100133297A
Authority: CN
Inventors: 朱翔; 陈新; 胡杨川
Original assignee: CHENGDU SANLINGJIA MICROELECTRONIC Co Ltd
Current assignee: CHENGDU SANLINGJIA MICROELECTRONIC Co Ltd
Priority date: 2013-01-15
Filing date: 2013-01-15
Publication date: 2013-04-17
Anticipated expiration: 2033-01-15
Also published as: CN103051286B

Abstract

本发明公开了一种可修调的高精度弛张振荡器，包括振荡发生器、高精度电流偏置产生器、电压调整器和驱动及输出部分，其中：高精度电流偏置产生器为振荡发生器中的恒定电流源提供偏置，电压调整器为振荡发生器中的比较器生成两个阈值电平；振荡发生器利用电容充放电产生振荡波形提供给驱动及输出部分。本发明的积极效果是：通过高精度偏置电流的实现和比较阈值电平的寄存器修调，可以减小工艺偏差、电源电压或环境温度发生变化时振荡器的频率变化，使频率修正后的值满足设计的精度要求。

Description

一种可修调的高精度弛张振荡器

技术领域

本发明涉及集成电路领域，尤其涉及一种可修调的高精度弛张振荡器，可应用于SOC片上系统的基准时钟。

背景技术

振荡器是许多电子系统的重要组成部分。弛张振荡器又称充放电振荡器，是通过对电容在电路内已经设定的两个阈值电平间交替充放电来进行工作。按照这种方式，电路先弛张一个准稳状态直至其达到某阈值电平位置；而后，电路切换并弛张到另一个准稳状态直至其达到另一个阈值再切换回第一个准稳状态。该过程按此形式不断延续下去。

弛张振荡器的基本拓扑结构如图1所示。其中S1代表控制开关，COMP代表包含两个比较阈值电平的比较器。当开关S1断开时，电容C1充电，比较器输入电压升高；当到达一个阈值电压后，输出改变状态，开关S1闭合，电容开始放电，电容电压减小，直至比较器另一个阈值电压。振荡器的输出频率大小由R1、R2、C1和比较器阈值电平共同决定。

在图1基本结构的基础上有多种电路实现方式，比如可以通过电阻对电容充电，也可以通过恒流源对电容进行充电；COMP可以由两个比较器实现，也可以由一个比较器实现。而不管哪种实现方式，弛张振荡器的频率受器件特性影响很大，因此面临一个问题，即在工艺偏差、电源电压和环境温度发生变化时，振荡器的输出频率值有可能会发生较大的偏离。对于要求频率精确应用的场合，则必须要进行高精度的设计抑制PVT引起的变化，必要时加上修调的方式进行调整。

发明内容

为了克服现有技术的上述缺点，本发明提供了一种可修调的高精度弛张振荡器，采用恒流源对电容充放电的方式，同时恒流源采用高精度的变化很小的偏置电流；比较器的两个阈值电压由电压调整器提供，在电路中设置了电阻的修调，用于调节比较器的阈值电压从而调整振荡器频率，即使出现参数变化较大的情况，也可以通过修调调节到设计值；在修调方式上采用了寄存器配置修调的方式。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种可修调的高精度弛张振荡器，包括振荡发生器、高精度电流偏置产生器、电压调整器和驱动及输出部分，其中：高精度电流偏置产生器为振荡发生器中的恒定电流源提供偏置，电压调整器为振荡发生器中的比较器生成两个阈值电平；振荡发生器利用电容充放电产生振荡波形提供给驱动及输出部分。

所述振荡发生器包括由四个PMOS管（110、111、112、113）构成的共源共栅电流镜结构、由四个NMOS管（120、121、122、123）构成的共源共栅电流镜结构、一个电容、三个MOS管开关（140、141、142）和一个比较器；其中：PMOS管（112、113）构成恒定电流源，PMOS管（110、111）为NMOS管提供电流偏置；NMOS管（121、123）构成恒定电流沉，NMOS管（120、122）提供偏置；所述恒定电流源和恒定电流沉在振荡波形产生过程中对电容进行充放电；MOS管开关（140）接在NMOS管（120、122）提供的偏置（125）和地之间，控制恒定电流沉的打开和关断；MOS管开关（141）接在高阈值电平和比较器正端之间，MOS管开关（142）接在低阈值电平和比较器负端之间，用于控制振荡器工作时电容在高、低两个阈值电平间切换。

所述高精度电流偏置产生器由自偏置运算放大器和高精度电流产生部分组成，其中：自偏置运算放大器包括一级PMOS管输入运放结构和共源级放大结构，所述共源级放大结构输出电压对高精度电流产生部分进行钳位，同时为栅极提供电压偏置，该电压偏置同时也是高精度电流偏置产生器的输出；高精度电流产生部分包括共源共栅电流镜，PNP管（261）、PNP管（262）和电阻（271）通过运放正负输入端钳位，生成与温度成正比的PTAT电流；电阻（281）和电阻（282）取相同阻值，接在运放正负输入端，在支路上生成与温度成反比的CTAT电流。

所述高精度电流产生部分还包括PNP管（263）、电阻（291）和电阻（292）。

所述电压调整器包括带隙基准电路、运算放大器、输出驱动管和修调电阻开关网络，其中：所述运算放大器通过钳位使运放正端电压等于运放负端的基准电路输出电压；输出驱动管用于提供电流；修调电阻开关网络输出振荡发生器所需要的高阈值电平和低阈值电平。

所述高阈值电平和低阈值电平通过外部寄存器配置开关进行改变。

所述驱动及输出部分通过反相器（410和412）级联，用于提高已经生成的振荡波形的驱动能力。

与现有技术相比，本发明的积极效果是：通过高精度偏置电流的实现和比较阈值电平的寄存器修调，可以减小工艺偏差、电源电压或环境温度发生变化时振荡器的频率变化，使频率修正后的值满足设计的精度要求。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1是弛张振荡器现有技术的示意图；

图2是本发明的电路结构示意图；

图3是本发明中高精度电流偏置产生器的结构示意图；

图4是本发明中带修调的电压调整器的结构示意图；

图5是本发明中部分波形的时序图。

具体实施方式

一种可修调的高精度弛张振荡器，如图2所示，包括振荡发生器100，高精度电流偏置产生器200，电压调整器300，驱动及输出部分400。其中：振荡发生器100利用电容充放电产生振荡波形，高精度电流偏置产生器200为振荡发生器中的恒定电流源提供偏置，电压调整器300生成比较器的两个阈值电平，寄存器配置修调也包括在该部分里边，驱动及输出部分400通过反相器链提高振荡器波形的驱动能力并输出波形。

振荡发生器100包括四个PMOS管110、111、112、113（即M1、M2、M3、M4）；四个NMOS管120、121、122、123（即M5、M6、M7、M8）；一个充放电电容130（即C1）；三个MOS管开关140、141、142（即S1、S2、S3）；一个比较器150（即COMP）；一个反相器160。

四个PMOS管110、111、112、113构成了PMOS管的共源共栅电流镜结构，它们的栅极分别接高精度电流偏置产生器200输出的偏置231（即pbias1）和偏置232（即pbias2）。其中PMOS管112（M3）和113（M4）构成恒定电流源，PMOS管110（M1）和111（M2）为NMOS管提供电流偏置。

四个NMOS管120、121、122、123构成了NMOS管的共源共栅电流镜结构，其中NMOS管120（M5）和122（M6）提供偏置，NMOS管121（M7）和123（M8）构成恒定电流沉。恒定电流源和恒定电流沉在振荡波形产生过程中对电容C1进行充放电。恒定电流源和恒定电流沉电流的绝对值大小可影响振荡器输出频率的大小；电流相对值的大小则可决定输出波形的占空比。在电流沉电流是电流源电流两倍的情况下，占空比刚好是50%。

MOS管开关140（S1）接在NMOS管120和122产生的偏置125（nbias1）和地之间，控制恒定电流沉的打开和关断；MOS管开关141（S2）接在高阈值电平341（VH）和比较器正端151之间，MOS管开关142（S3）接在低阈值电平342（VL）和比较器负端152之间，控制振荡器工作时电容在两个阈值电平间切换，高阈值电平VH和低阈值电平VL由电压调整器300产生。

充放电电容130（C1）连接了P管恒定电流源、N管恒定电流沉和比较器负端152，进行电荷的充放电。

振荡发生器的具体工作过程描述如下：当电容130还未充电时，比较器150输出为高电平，通过控制开关142使接入比较器正端的是高阈值电平VH，同时开关140导通，从而关断了N管恒定电流沉的电流，此时以P管恒定电流源的电流I对电容130进行充电；当电容上电压超过VH时，比较器输出变为低电平，开关140关断，N管恒定电流沉工作，若电流沉电流为2I，则电容130将以电流I放电，同时接入比较器正端的也变为了低阈值电平VL，直到电容电压值降低到VL以下时再次发生偏转。

该振荡器的频率取决于电容值大小、充放电电流和高低阈值电平之差。因此设计了高精度的电流偏置，以减小电源电压和温度对频率的影响，电流偏置结构见图3；对于工艺等的偏差，则通过在电压调整器中修调高低阈值电平的方式将频率值调整拉回至设计值，结构见图4。

图3是高精度电流偏置产生器200的电路结构图，由自偏置运算放大器210和高精度电流产生部分250组成。

自偏置运算放大器210中，MOS管211、212、213、214、219和220构成了技术人员熟知的一级PMOS管输入运放结构；MOS管215、216、217和218组成的共源级放大结构生成了电压偏置231（pbias1）和电压偏置232（pbias2），此两个电压偏置起到了对高精度电流产生部分250进行钳位的作用，同时为栅极提供电压偏置，电压偏置231（pbias1）和电压偏置232（pbias2）同时也是高精度电流偏置产生器200的输出。

高精度电流产生部分250中，PMOS管251到256构成了共源共栅电流镜，可减小偏置电流的失配，同时抑制电源电压变化对电流的影响。PNP管261（Q1）、PNP管262（Q2）和电阻271（R1）通过运放正负输入端钳位，生成了技术人员熟知的与温度成正比的PTAT电流，电流值等于△VBE除以R1的电阻值。电阻281（R3）和电阻282（R2）取相同阻值，同样接在运放正负输入端，在支路上生成了与温度成反比的CTAT电流，电流值等于VBE除以R2或R3的电阻值。通过设置适当的电阻值，将PTAT电流和CTAT电流相加，可以得到经过一次补偿的随温度系数变化很小的电流。为了进一步减小温度系数，引入了非线性补偿， PNP管263（Q3）、电阻291（R4）和电阻292（R5）即起到了减小非线性项的作用。

通过电压偏置231（pbias1）和电压偏置232（pbias2），高精度电流偏置发生器200可输出随电源电压和温度变化很小的偏置电流。由于电流绝对值与电阻值直接相关，在电阻工艺角偏差时，偏置电流仍然会有一定变化，从而影响输出频率的变化。因此通过修调高低阈值电平来修正频率影响，修调部分在电压调整器300中，电路结构如图4所示。

图4是电压调整器300的电路结构示意图，包括带隙基准电路310、运算放大器320、输出驱动管330和修调电阻开关网络340。

运算放大器320通过钳位使运放正端电压322等于运放负端的基准电路输出电压321，输出驱动管330提供足够的电流。其中带隙基准电路310和运算放大器320的电路结构在此不再详细说明。

修调电阻开关网络340输出振荡发生器100所需要的高阈值电平341和低阈值电平342，且可以通过外部寄存器配置开关改变阈值电平的值。在图4中，高阈值电平电压值341固定，而低阈值电平电压值342可通过开关配置。也可根据需要固定低阈值电平，配置高阈值电平；或者两个阈值电平分别进行配置。配置的位数和开关个数取决于修调范围、所需精度及占用资源考虑等。图4中采用16位配置， OSCTRIM[15:0]16位控制线345分别连接到开关S0至S15的栅极，在外部寄存器控制下，有且仅有一个开关导通，从而为低阈值电平342配置一个需要的电压值。从R3到R17的电阻值相等，因此电压的配置是等步长变化的。

为减小输出端口数， OSCTRIM[15:0]控制线345前可接4线-16线译码器译码，将端口数缩减为4，实现过程具体不再详细说明。

如图2所示，驱动及输出部分400通过反相器410和412级联，提高已经生成的振荡波形的驱动能力，输出为430（CLK）。

图5反映了部分波形的时序图，包括比较器150正端151和负端152的波形，以及振荡器输出430的波形。

Claims

1.一种可修调的高精度弛张振荡器，其特征在于：包括振荡发生器、高精度电流偏置产生器、电压调整器和驱动及输出部分，其中：高精度电流偏置产生器为振荡发生器中的恒定电流源提供偏置，电压调整器为振荡发生器中的比较器生成两个阈值电平；振荡发生器利用电容充放电产生振荡波形提供给驱动及输出部分。

2.根据权利要求1所述的一种可修调的高精度弛张振荡器，其特征在于：所述振荡发生器包括由四个PMOS管（110、111、112、113）构成的共源共栅电流镜结构、由四个NMOS管（120、121、122、123）构成的共源共栅电流镜结构、一个电容、三个MOS管开关（140、141、142）和一个比较器；其中：PMOS管（112、113）构成恒定电流源，PMOS管（110、111）为NMOS管提供电流偏置；NMOS管（121、123）构成恒定电流沉，NMOS管（120、122）提供偏置；所述恒定电流源和恒定电流沉在振荡波形产生过程中对电容进行充放电；MOS管开关（140）接在NMOS管（120、122）提供的偏置（125）和地之间，控制恒定电流沉的打开和关断；MOS管开关（141）接在高阈值电平和比较器正端之间，MOS管开关（142）接在低阈值电平和比较器负端之间，用于控制振荡器工作时电容在高、低两个阈值电平间切换。

3.根据权利要求1所述的一种可修调的高精度弛张振荡器，其特征在于：所述高精度电流偏置产生器由自偏置运算放大器和高精度电流产生部分组成，其中：自偏置运算放大器包括一级PMOS管输入运放结构和共源级放大结构，所述共源级放大结构生成电压偏置对高精度电流产生部分进行钳位，同时为栅极提供电压偏置，电压偏置同时也是高精度电流偏置产生器的输出；高精度电流产生部分包括共源共栅电流镜，PNP管（261）、PNP管（262）和电阻（271）通过运放正负输入端钳位，生成与温度成正比的PTAT电流；电阻（281）和电阻（282）取相同阻值，接在运放正负输入端，在支路上生成与温度成反比的CTAT电流。

4.根据权利要求3所述的一种可修调的高精度弛张振荡器，其特征在于：所述高精度电流产生部分还包括PNP管（263）、电阻（291）和电阻（292）。

5.根据权利要求1所述的一种可修调的高精度弛张振荡器，其特征在于：所述电压调整器包括带隙基准电路、运算放大器、输出驱动管和修调电阻开关网络，其中：所述运算放大器通过钳位使运放正端电压等于运放负端的基准电路输出电压；输出驱动管用于提供电流；修调电阻开关网络输出振荡发生器所需要的高阈值电平和低阈值电平。

6.根据权利要求5所述的一种可修调的高精度弛张振荡器，其特征在于：所述高阈值电平和低阈值电平通过外部寄存器配置开关进行改变。

7.根据权利要求1所述的一种可修调的高精度弛张振荡器，其特征在于：所述驱动及输出部分通过反相器（410和412）级联，用于提高已经生成的振荡波形的驱动能力。