CN103248320A - 带有开关电容频率控制和频率设置电阻的精密振荡器电路和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一个提供周期性波形的精密振荡电路。通过一个集成运放电路与电容频率控制回路和一个用户输入耦合到频率设置电阻的使用，一个精密振荡电路就形成了。周期波形的频率由开关电容和电阻的值决定。振荡电路有一个排列，最大限度地减小了运算放大电路的偏置电压的作用。用户输入是通过可控电流源偏置运算放大器电路使用，保持对用户介绍阻止电容。线性度校正电路还提供了正确的非理想的运放电路。

Description

带有开关电容频率控制和频率设置电阻的精密振荡器电路和方法

技术领域

有可用于产生一个周期性波形的一些普及的方法。低成本的RC(电阻电容)振荡器可以使用分立元件，如比较器，电阻，电容或使用简单的集成电路构成，如行业标准的555定时器与几个离散元件结合。这些解决方案是烦重的且不准确的，特别是在频率大于几百千赫时。

另一方面，精确的振荡器可以使用陶瓷谐振器或晶体作为一个稳定的频率元件。然而，这些电路的体积大且往往比RC振荡器贵。改变其频率是困难的或不可能的，因为他们通常仅在预定频率工作。在增加成本时，一个锁相环电路可产生一定范围的频率。电路需要陶瓷谐振器的频率稳定与低成本，灵活性相结合，和易于使用的RC振荡器，然而需要较少的空间比。

一个简单的RC振荡器电路将受初始精度、供应稳定性和温度的影响。此外，当操作在一个大的范围，这些电路通常有较差的线性，例如在10∶1频率范围。

有两种方法来提高准确性。开环技术涉及使用非常快的比较器、精确的电压参考和线性校正电路，以试图预测和校正基本电路固有的非线性。这样的电路的性能基本上受电路元件的数量限制，对振荡频率来说，每一种都有一定量的误差。

闭合回路，或反馈回路，技术的基本振荡器电路包含在一个高增益反馈回路，以抑制振荡器的错误。精度基本上是通过反馈路径确定，其中可能包括较少的设备。反馈技术，通常使用运算放大器是普及的，因为根据设计师的选择，他们从电路的一部分改变关键部件到另一部分。在一个RC振荡器下，基本振荡器电路的精度是可以忽略的。反馈和输入电路的合理设计将使一个整体的设计更准确，结果稳定，线性可能比使用开环技术更好。

反馈电路必须转换频率到另一种信号，以与准确的相比较。开关电容器是用于反馈电路的一个很好的候选，因为当

时，它可当作频率控制电阻。提供给开关电容一个可控电压(参考电压)，以产生一个电流，该电流与频率(参考频率)相对应。这种电流可以从参考电流中减去(参考电流)，以产生误差电流。通过改变输入(无论电压或电流)，这个误差电流用来调控振荡器频率。如果反馈回路控制误差电流为零，那么频率将等于

产生误差电流的方法之一是：让它流过一个第二电容，产生一个电压，该电压可以用作振荡器的输入。在开关电容电路中，将集成电路与运算放大器相结合是很普遍的，通过将第二电容器放置一个负反馈回路，该负反馈回路在运算放大器的输出和它的负输入之间。因为一个运算放大器控制其输入之间的电压接近零，根据运算放大器正输入的正确电压，电路允许开关电容的电压重新设置。

开关电容电流是不连续的，但每个时钟周期内将电荷反相转移。而它的平均电流是I_FREQ＝f×C×参考电压，电荷转移发生在离散的时间点，不同于一个真正的电阻。因此，在运算放大器的输出电压将是一个锯齿波形，每个时钟周期电压的跳变，和由于参考电流，产生一个连续的斜坡。

一个开关电容反馈回路被运用在一个集成放大电路，图1显示了开关电容频率控制回路的结构。一个振荡器电路100包括一个电压参考130，其130提供一个电流，该电流从电阻112流到放大电路120的反相输入。放大电路120包括一个反相反馈回路和一个电容116，当作集成器工作。

一个两相时钟发生器124提供时钟信号126和时钟信号128，两者有180度的相位差。当时钟信号126变高时，开关104和106关闭；当时钟信号126变低时，开关104和106打开。开关126和128的整体效应是交替的，且将放大电路120的开关电容108和电压参考130解耦。

每一个时钟周期，开关电容108的耦合和解耦消除了放大电路120反相输入的电荷。组合电流流过电阻112，且开关电容108的周期转换在放大电路120的输出端提供了一个信号，该信号类似锯齿波形。根据

给定的频率，在相同的时间下，开关电容在一个信号周期去除的电容数量等于由电阻累积的电荷。如果开关电容在那个频率下工作，运算放大器输出的锯齿波形的平均值不随时间变化。在更高的频率下，平均开关电容电流更大且运放输出的平均值上升。同样，在较低的频率下，该运算放大器的输出电压的平均值下降。

图1还显示了一个环路滤波器122，该滤波器耦合到放大电路120和一个合适的电压控制振荡器118之间。环路滤波器122取积分放大器的平均输出作为电压控制振荡器118的输入。通过平均输出，环路滤波器122决定周期性波形的电压控制振荡器118产生的频率。在电压控制振荡器输出的基础上，两个相位时钟发生器124产生开关电容时钟126和128。这就完成了反馈回路，开关电容电流是由电压控制振荡器的频率确定的。

图2显示了一个振荡器200，它包含一个放大器电路208，该放大电路由一个反相放大器和电容器206构成。一个电压参考202(V₂)通过电阻204，耦合到放大器电路208(R)的反相输入。

在振荡电路中，通过运算放大器的失调误差电压，介绍了误差。此外，在运算放大器锯齿波输出的斜坡部分，一个小的电压必须在运算放大器的输入端形成，创造一个“有效”的失调电压。这个电压的大小取决于运算放大器的增益带宽积和斜坡率，随较小的频率设置电阻值的增加而增加。这个电压差也会使输出频率产生误差。

需要提供一个可变频率振荡电路，该电路通过利用一个开关电容反馈回路来减少振荡电路的错误。

它还需要提供输入到振荡器电路，用户可以将一个电阻耦合到振荡器电路。电阻值将由振荡电路的输出频率精确度决定。这个输入应该是用来阻止电容的，从而使电路简单易用。

最后，需要提供一个单片集成电路实现的振荡器电路，在广泛的应用中，减小电路尺寸且使它更实用。

背景技术

在电子电路设计中，往往要得到周期性波形信号，包括时钟控制计数器和控制电路，通信电路需要脉冲，测试和测量电路。本发明涉及一种电路，该电路提供周期波形的信号。特别是，本发明涉及使用一个开关电容反馈回路偏置一个可变振荡器，因此它产生一个准确的和稳定的周期性波形。

发明内容

本发明的目的是提供一个单片集成电路，该电路利用一个开关电容反馈电路来减少振荡器的错误。

本发明的另一个目的是给振荡器电路提供一个输入，用户可以将一个电阻耦合到振荡器电路。电阻值将由振荡电路的输出频率精确度决定。这个输入应该是用来阻止电容的，从而使电路简单易用。

最后，本发明的一个目的是提供一个单片集成电路实现的振荡器电路，在广泛的应用中，减小电路尺寸且使它更实用。

本发明的技术解决方案：

振荡器电路，它提供了一个振荡输出信号与集成放大电路。放大器电路耦合到开关电容器以及用户输入，适于耦合到一个电压，该电压是电源通过一个频率设置电阻产生的。放大器电路提供一个输出波形，在许多合适方法下，该波形可转换成振荡输出信号。

频率设置电阻更适合设置输出波形的频率和振荡信号。波形和振荡信号彼此是成比例的。开关被耦合到开关电容器，用来控制的开关电容耦合到放大器电路。开关是由振荡输出信号控制的。

振荡器电路包括一个可控电流，例如，一个精密电流镜，该电流镜用来复制输入电阻电流到放大电路的输入。振荡器电路还包括一个合适的电压控制振荡器，基于输出波形，用于提供振荡信号。VCO可能由一个样本保持电路的输出控制，该样本保持电路耦合来接收输出波形。

对比文献，发明专利：振荡器电路，申请号：200810190374.9

对比文献，发明专利：多模式频率控制器及开关电源频率控制方法，申请号：201010186664.3

附图说明：

在下面详细描述中，本发明的目的及优点将是显而易见的，结合附图，其中部分器件的参考数字贯穿始终：

图1是一个传统的开关电容的频率控制回路；

图2是另一个传统的开关电容的频率控制回路；

图3是根据本发明的一个振荡器电路；

图4是根据本发明的一个振荡器电路。

本发明的详细描述

根据本发明原理，一个精密振荡器电路具有一个可调频率。频率可调振荡器电路对电子电路设计者来说是有用的，因为一个精密振荡器电路作为一个组成部分，可以在大多数电路设计中重新使用，需要不同频率的振荡器。精密振荡器可以设置一定范围的频率，该频率具有准确性和精细性。

本发明采用一个开关电容频率控制回路结合一个运放电路提供一个周期性锯齿波形。运放电路最好与积分放大器的电路结构结合。运算放大器电路更适合耦合到一个恒流源。这种电路给运算放大器电路的输出提供了一个斜坡波形。

开关电容的频率控制回路采用开关电容来定期泵电荷或将运算放大器电路的电荷移除，防止引起运放电路输出端的电压的离散跳跃或下降。斜坡波形和离散跳跃或下降的电压的结合，导致运算放大器电路的输出电压是锯齿波形。

锯齿波形的频率可能只依赖于耦合到运放电路的开关电容的电流源的值、开关电容的大小和开关电容电压的变化。一个电流源可能是通过外部，产生电流，可能是用户提供的电阻。在一个给定的范围，可以提供任何电阻值的电阻是一种有效的频率设置电阻。振荡器可以提供适合于连接电阻的用户输入。

在本发明中，开关电容和频率设置电阻分离。例如，开关电容耦合到运放电路的一个输入，然而频率设置电阻耦合到运放电路的另一个输入。这个分离阻止了电压的离散跳跃，该电压受开关电容干扰电流流过电阻的影响。

开关电容和频率设置电阻的分离，使得从电阻到电容的电流复制的正确性。通过电流镜，电阻电流更适合耦合到运放电路的输入。

电阻电流和平均开关电容电流的不同提供了一个误差信号，该误差信号用来调节振荡频率。反馈回路使得从电阻到开关电容的电流相等，误差信号基本上为零。在这样情况下，输出波形是设定的频率。

锯齿波形可以由一个环路滤波器或采样保持电路，或任何其他合适的电路，该电路衰减不需要的谐波波形，过滤。滤波后的信号可用来偏置可变振荡器产生一个恒定频率的周期性波形。由此产生的波形可能是一个50％占空比的平方的输出波形，该波形对数字电子电路设计人员很有用。

该输出波形用来控制开关电容到运放电路输入的耦合和解耦，开关组用来控制开关电容的耦合。

当输出波形的半封闭循环(A)时，一个开关，或开关组关闭，且开关将开关电容耦合到运放电路。当输出波形的另一个半封闭循环(B)时，开关或开关组打开，且开关将开关电容解耦到运放电路。当输出波形的另一个半封闭循环(B)时，另一个开关或开关组关闭，且开关将开关电容耦合到一个参考电压。该参考电压可能规定在零伏。当输出波形的半封闭循环(A)时，该开关或开关组打开，且开关将开关电容解耦到参考电压。当开关电容耦合到运放电路时，开关电容的压差导致开关电容产生电荷转移。

本发明使用一个运算放大器电路，提供了一种精密振荡器。运放电路偏移电压的影响，用两种方法中的一种可能会减轻，该影响可能会降低振荡器电路频率的准确性。一种方法是保持运算放大器电路的输入电压基本恒定。振荡频率与比率成比例，该比率是电阻上的电压与当开关电容耦合到运放器时开关电容上的电压比值。通过调整电路，使运算放大器的输入端保持恒定电压，任何偏置电压产生的电压比有恒定的误差。此误差可以由电路一次性修剪消除。

将频率设置电阻耦合到一个低输入阻抗，导致流过频率设置电阻的电流随着不同的电阻而变化。低输入阻抗在输入端产生电压，电阻耦合到该电压来保持不变。如果用户提供一个恒定的电流给外部电阻，而不是恒定电压，外部电阻的电压和运放器的输入将会随着电阻的不同而不同。在这样的情况下，运放器的偏置误差电压将产生一个百分比频率误差，该误差随着电阻的不同而不同。这个误差可以由一个线性校正电路校正，该电路对恒定电压的输入也是有用的，因为，由于带宽是有限制的，它还可以修正运算放大器的错误。

在开关电容器已经转移电荷给运算放大电路后，运算放大电路的继续输出斜坡波形。当开关电容还耦合到运算放大电路，由于运放电路的有限增益，导致运放电路的输出产生附加的电压。附加的电压改变开关电容的电压，因此，所有电荷被开关电容转移。这附加的电压影响放大电路输出信号的频率。

通过一个线性校正电路到运放电路的输入的耦合，由运放电路的有限增益引入的附加的误差电压可以得到校正，该线性校正电路包括一个第二开关电容和电流流过频率设置电阻所产生的电压，该运放电路的输入耦合到第一开关电容。如果用户输入的是恒定电流(高阻抗)，由于运放的偏置电压，这个电路会校正错误。

每个半周期(A)，开关电容耦合到运放电路的输入，一个附加的开关或开关组可能将第二开关电容耦合到运放电路。第二开关电容转移大量的电荷，这些电荷正比于由运放电路的有限增益带宽或运算放大器电路的偏置电压产生的电荷。每个另一半周期(B)，第二开关电容不耦合到运算放大器电路，而是耦合到偏置电压。

通过复制或镜像的外部电阻电流通过第二电阻，产生了一个偏置电压。每个时钟周期内，偏置电压控制由第二开关电容转移的电荷数量。不管实际的周期或频率值，适当的偏置电压将导致振荡周期一定时间内的减少。这导致了频率的非线性调整，可能会校正由运放电路局限性产生的错误。

如图3所示，本发明的一个实例，一个振荡电路300。本发明的一个特征是：规定一个输入引脚328耦合到一个频率设置电阻304，该电阻最好与一个开关电容314分离。电阻304的值控制节点328的电压，该电阻耦合到电源输入302和节点328之间，该节点328由运放器322复制到开关电容。

现有技术电路表明：频率设置电阻和开关电容都耦合到一个集成运算放大电路的输入。本发明将频率设置电阻304和开关电容314分离，因此，将用户输入328与开关电容314分离。当开关电容314耦合到运算放大电路322时，用户输入328和开关电容314的分离阻止用户输入328电压的突变。这确保了电阻304的电压不受干扰。

集成放大器的输出驱动可变振荡器330。这个振荡器产生用户输出和时钟波形，用来控制开关电容的耦合。振荡电路300还包含电流源326和306。这些电流相互耦合来提供电流，这些电流相互成比例。在本实例中，由于随机的运算放大器的偏置电压和有限的带宽产生的频率误差可能由线性校正电路抑制。线性校正电路332的操作在下面图4元件438中解释。基本上，线性校正电路可能耦合到电流源326和306。

振荡器电路300的稳态频率f，由方程决定，其中R是电阻304，C是电容314。振荡器电路300还显示电流源326和306的使用，这两个电流源基本上是相互耦合的，在放大器电路322反相输入和非反相输入设置电流大小。

如图4所示，本发明的另一个实例。一个振荡电路400包括一个输入424，该输入424用于耦合到一个用户提供的电阻404。电阻404耦合到集成放大电路442的一个非反相输入和一个电源输入402之间。

当开关412和416关闭时开关418和422打开，一个开关电容414耦合到放大电路442的反相输入。流过开关电容414的附加电流改变放大电路442的输出电压。放大电路442的输出电压显示了一个瞬时变化。这是由于开关电容414的电荷转移。

在一个集成运算放大器中，放大电路442耦合到一个电容414。当开关412和416打开时，开关418和422关闭，大多数来自电容444的电流由于晶体管446分流。电流流动导致了放大电路442的输出电压产生一个正向斜坡。正向斜坡的斜率与电容444的值成反比。

开关412，416，418和422的操作如下。当开关428和422同时关闭和打开时，开关412和416同时关闭或同时打开。开关412和416由时钟发生器468的时钟信号控制，当时钟信号464是高电平时，开关412和416关闭，当时钟信号464是低电平时，开关打开。时钟信号466用来控制开关418和422，该时钟信号与时钟信号464有180度相位差。当时钟信号466是高电平时，开关418和422关闭，当时钟信号466是低电平时，开关打开。

开关电容器414的端口电压差是固定的，开关412和416的关闭剩余持续期间，开关电容没有转移更多的电荷。因此，放大电路442的输出电压保持正向斜坡。

放大电路442的输出电压的瞬时下降幅度与开关电容414端口电压变化成比例。电压变化优选实现，因此它与频率设置电阻404的压差成比例。开关电容414端口的电压差决定开关电容414转移的电容。另外，放大电路442将开关电容电压和电阻电压相匹配。

放大电路442的非反相输入耦合到一个连接成二极管的晶体管408。连接成二极管的晶体管408给电流提供一个分流，该电流流过电阻404。晶体管406将电阻输入耦合到晶体管408，保持输入端424(放大电路442的非反相输入)的电压是一个恒定的值。输入424的电压由晶体管406的门电压决定，该电压偏置来维持规定的电阻404的参考电压。

连接成二极管的晶体管408耦合到镜像电流晶体管446、440和454。与晶体管408匹配的镜像电流晶体管可能用于提供电流源，这些电流源的值相互相等。

一个第一镜像电流晶体管446耦合到放大电路442的反相输入，因此将电阻404的电流复制到放大电路442的反相输入。

将镜像电流晶体管446与用户输入424分离，然后频率设置电阻404与放大电路442反相输入分离。因此，镜像电流晶体管446还使得频率设置电阻404与开关电容414分离。

一个非零压差可能在放大电路442的非反相和反相输入之间产生。这是因为放大电路442是一个非理想的电路而且它有不受限制的增益。每个时钟周期内，压差的形成改变开关电容414转移的电荷，在放大电路442的输出产生错误的振荡信号。

线性校正电路438与图3中的线性校正电路相似，通过将开关430和432耦合到一个开关电容来校正电压误差，且一个偏置电压来补偿非零压差。当开关418和422关闭时，开关430关闭，开关432打开，从而将开关电容426与偏置电压分离。当开关电容414转移电荷时，开关430打开，开关432关闭。这导致了开关电容去除电荷，校正了放大电路442限制增益引入的误差。

一个第二镜像电流晶体管440耦合到线性校正电路438，将频率设置电阻的电流复制到电阻436。这导致开关电容426产生一个偏置电压，该电压与输入电流成正比，或与电阻404成反比。另外，使用镜像电流晶体管440来确定电阻436的值，且开关电容426依赖于放大电路442带宽的限制。

放大电路442的输出控制一个电压控制振荡器456。电压控制振荡器456可以提供用户一个具有特点的输出波形，例如，一个50％占空比方波。电压控制振荡器456的输入波形电压决定电压控制振荡器456输出波形的频率。

放大电路442的输出包含不同成分的频率，电压控制振荡器456的输出可能并不需要。因此一个样本保持电路458耦合到放大电路442来减少放大电路442锯齿波形的频率成分。样本保持电路458使放大电路442的输出频率与样本保持时钟464和466一样。开关电容在这个频率下引入不需要的成分。通过相同频率的采样，这些不需要成分影响将被消除。

一个第三镜像电流晶体管454用来偏置电压控制振荡器，因此它的中心频率接近需要的频率。然后输入电压微调频率到一个需要的值，以获得一个低电压频率增益。通过减少电路噪声增益，一个低电压控制振荡器增益减小抖动。另外，因为镜像电流偏置在反馈回路外，电路将很快做出反应，在输入电阻处发生改变。

通过增加频率范围，一个时钟分频器460提供给用户灵活性，该频率由振荡电路400提供。一个用户输出470被提供来获得电压控制振荡器456输出的方波。

一个时钟分频器462降低时钟发生器468的时钟信号频率，用来控制振荡电路400的开关电容414和426。这降低了整体功耗，提高了振荡电路400的正确性。

根据本发明原则，人们会发现，它还可以被应用于其他的电路，为说明起见，本发明不受限制，只受本发明的权利要求所限制。

Claims (4)

1.一种带有开关电容频率控制和频率设置电阻的精密振荡器电路和方法，其特征是：利用集成放大器电路产生高精度的周期性振荡波形的方法和装置，该放大电路有第一输入耦合一个频率设置电阻，方法包括：通过频率设置电阻，产生一个电流；频率设置电阻上的电压耦合到积分放大电路的一个第一输入；通过使用一个控制电流源，将电流耦合到集成放大电路的一个第二输入；基于集成放大电路的第二输入的电流，形成一个斜坡输出波形；通过使用一个耦合到集成放大电路第二输入的第一开关电容，产生离散变化的斜坡输出波形，基于第一开关电容和频率设置电阻的值，提供振荡波形的频率，在一个特定的频率下，振荡波形有一个大幅恒定的平均值；通过使用开关，控制开关电容耦合到积分放大电路，该开关由振荡波形控制；通过使用采样保持电路，使集成放大电路的输出平滑；基于输出波形，控制振荡器电压提供振荡波形；通过复制频率设置电阻的电流来控制振荡器的操作，该振荡器由电压控制；通过区分电压控制振荡器振荡波形的一个频率，提供一个分裂的输出波形，分裂的输出波形用来控制开关电容电路的操作。

2.根据权利要求1所述的一种带有开关电容频率控制和频率设置电阻的精密振荡器电路和方法，其特征是：通过利用第开关电容的集成放大器的第二输入电荷转移，校正频率误差；基于流过频率设置电阻的电流，给第二开关电容的端口提供一个电压，以用来校正振荡波形的频率误差；在集成放大电路的输入端提供一个大幅恒定电压；一个振荡电路包含一个集成放大电路，该放大电路提供一个输出波形，放大电路的一个第一输入适用于耦合到电源通过的频率设置电阻；一个第一开关电容耦合到放大电路的一个第二输入；多个开关耦合到第一开关电容，以用来控制第一开关电容耦合到集成放大电路，且开关的数量由输出波形控制；一个第一可控电流源耦合到频率设置电阻和开关电容电路，电流源提供一个电流给第二输入，该电流与通过频率设置电阻的电流成比例。

3.根据权利要求2所述一种带有开关电容频率控制和频率设置电阻的精密振荡器电路和方法，其特征是：一个采样保持电路耦合到集成放大电路的输出；一个振荡电压用于将输出波形转变成一个振荡输出信号；一个时钟分频电路耦合到电压控制振荡器的输出，时钟分频电路还耦合到多个开关；一个线性校正电路耦合到集成放大电路的第二输入，用来校正输出波形的频率误差；线性校正电路还包含一个第二开关电容，该电容耦合到第一开关电容和一个电压，该电压由电流流过频率设置电阻时产生；第一控制电流源包含一个基于双极型晶体管的镜像电流；通过开关电容电路的电流与通过频率设置电阻的电流成1∶5；一个电压控制振荡器耦合到集成放大器的输出，其频率设置电阻的电流被复制到电压控制振荡器，以用来设置振荡器获得的电压。

4.根据权利要求1所述一种带有开关电容频率控制和频率设置电阻的精密振荡器电路和方法，其特征是：利用集成放大器电路产生高精度的周期性振荡波形的方法，该放大电路有一个第一输入，这个第一输入耦合到一个频率设置电阻，其方法包括：产生一个电流以流过频率设置电阻；将频率设置电阻上电压耦合到集成放大电路的第一输入；通过一个可控电流源，产生一个第二电流以流过集成放大电路的输入，第二电流与第一电流成比例；基于集成放大电路第二输入的电流，产生一个斜坡输出波形；通过将一个第一开关电容耦合到集成放大电路的第二输入，在斜坡输入波形产生离散变化，基于第一开关电容和频率设置电容的值，提供给振荡波形一个频率，在一个特定的频率下，振荡波形有一个大幅的恒定的平均值；通过集成放大电路，基于振荡波形控制的开关，控制开关电容的耦合；使用一个采样保持电路来提供一个采样和保持输出，从而来转换输出波形；基于采样和保持输出，控制一个电压，该电压用来控制振荡器提供振荡波形。

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