CN103873048B - 具有频率自校准功能的片上rc振荡器及频率自校准方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种具有频率自校准功能的片上RC振荡器，包括电流产生模块、OSC输出模块、可变电容阵列、可变电阻阵列以及频率校准模块。它利用一个作为参考的系统时钟信号驱动频率校准模块来调整可变电阻阵列以改变电压产生模块的输出电流大小，以及改变可变电容阵列的电容值，这样达到了校准RC振荡器输出频率值的目的，以便于消除因为制造工艺参数、供电电压、及温度的变化引起RC振荡器输出频率值的变化。其校准精度决定于可变电阻和可变电容的比特数之和。

Description

具有频率自校准功能的片上RC振荡器及频率自校准方法

技术领域

本发明涉及半导体集成电路，尤其是一种具有频率自校准功能的片上RC振荡器，用于低功耗高性能微控制器、DSP及无线收发机SoC中。

背景技术

RC振荡器的原理是一个稳定电流对一个电容充电，电容上下极板电压之差(实际上电容下极板接地，所以上下极板电压差就是上极板的电压)与两个标准电压进行比较，所以上极板的电压在时间参数上表现为一组三角波，三角波的波峰波谷值分别为两个标准电压，所以三角波的上升时间就可以表示为

$t_r=A\frac{\mathrm{\Δ}VC}{I}$

这里，A是一个比例值，与充电的线性度有关，ΔV是两个标准电压之差，C是充电电容值，I是充放电电流。

三角波的下降时间就可以表示为

t_f＝BCΔV/I

B是一个比例值，与放电的线性度有关。

三角波的频率也就是RC振荡器的频率值为

F_out＝I/[(A+B)CΔV]＝αI/ΔVC＝αV/RCΔV∝1/RC

α＝1/(A+B)

通过上述的推导，可以看出，RC振荡器的输出频率只与充电电流的电阻以及充电电容的乘积成反相关。因此本发明即是通过频率校准模块来调整充电电流的电阻和充电电容来校准RC振荡器的输出频率。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有频率自校准功能的片上RC振荡器，它利用一个作为参考的系统时钟信号驱动频率校准模块来调整可变电阻阵列以改变电流产生模块的输出电流大小，以及改变可变电容阵列的电容值，这样达到了校准RC振荡器输出频率值的目的，以便于消除因为制造工艺参数、供电电压、及温度的变化引起RC振荡器输出频率值的变化。其校准精度决定于可变电阻和可变电容的比特数之和。用于实现不易受环境温度、工艺偏差、电源电压变化(PVT)等因素影响的收发器、发射器、片上单芯片系统等芯片。本发明采用的技术方案是：

一种具有频率自校准功能的片上RC振荡器，包括电流产生模块、OSC输出模块、可变电容、可变电阻以及频率校准模块；所述电流产生模块用于与可变电阻共同协作产生充放电电流对可变电容进行充放电，以产生一个交变的电压VB，输入到OSC输出模块；所述OSC输出模块利用上述输入的电压VB，产生RC振荡器输出信号的同相信号Q和反相信号QN，并反馈控制电流产生模块对可变电容的充放电；所述频率校准模块用于校准可变电阻和可变电容，以使RC振荡器获得精准的输出频率值。

进一步地，电流产生模块包括启动电路、电流产生及偏置电路以及电流充放电电路。启动电路包括PMOS管M1p、M2p，NMOS管M0n、M1n、M2n；电流产生及偏置电路包括PMOS管M3p、M4p、M5p、M6p、M7p、M8p、M9p、M10p和NMOS管M3n、M4n、M5n、M6n、M7n、M8n、M9n；电流充放电电路包括PMOS管M11p、M12p、M13p、M14p和NMOS管M10n、M11n、M13n、M14n。

M1p的源极接正电源，栅极接自身漏极以及M2p的源极；M2p的栅极接自身漏极、M0n栅极以及M1n的漏极和栅极；M1n的源极接M2n的栅极和漏极；M2n源极接地；M0n的漏极接正电源；M3p和M5p的源极接正电源，栅极对接；M3p的漏极接M4p的源极，M5p的漏极接自身栅极和M6p的源极；M4p和M6p的栅极对接；M4p的漏极接M0n的源极、M3n的漏极和栅极；M6p的漏极接自身栅极、M5n的漏极；M3n和M5n的栅极对接；M3n的源极接M4n的漏极和栅极，M5n的源极接M6n的漏极；M4n和M6n的栅极对接；M4n的源极接地；M7p和M9p的源极接正电源，栅极对接；M7p的漏极接自身栅极和M8p源极，M9p的漏极接M10p的源极；M8p和M10p的栅极对接；M8p的漏极接自身栅极和M7n的漏极，M7n的栅极接M5n的栅极，M7n的源极接M8n的漏极；M8n的栅极接M6n的栅极，M8n的源极接M6n的源极；M10p的漏极接M9n的漏极和栅极，M9n的源极接地；M8n的源极和M6n的源极连接的节点用于连接一端接地的可变电阻的另一端；M11p和M12p的源极接正电源，栅极对接；M11p的漏极接自身栅极和M10n漏极，M10n的栅极接M9n的栅极，M10n的源极接地；M12p的漏极接M13n的漏极和M14p的源极；M11n的栅极接M10n的栅极，M11n的源极接地，M11n的漏极接M13p的漏极和M14n的源极；M13n源极、M14p漏极、M13p源极、M14n漏极接在一起并连接一端接地的可变电容的另一端，输出充放电电流对可变电容进行充放电，产生一个电压VB；M14p栅极和M13n栅极分别受控于RC振荡器输出信号的同相信号Q和反相信号QN；M14n栅极和M13p栅极分别受控于RC振荡器输出信号的同相信号Q和反相信号QN。

进一步地，电流产生模块的另一种电路结构包括启动电路、电流产生及偏置电路以及电流充放电电路。启动电路包括PMOS管M1p、M2p，NMOS管M0n、M1n、M2n；电流产生及偏置电路包括PMOS管M3p、M4p、M5p、M6p、M7p、M8p、M9p、M10p和NMOS管M3n、M5n、M7n、M9n，以及PNP三极管Q1和Q2；电流充放电电路包括PMOS管M11p、M12p、M13p、M14p和NMOS管M10n、M11n、M13n、M14n。

M1p的源极接正电源，栅极接自身漏极以及M2p的源极；M2p的栅极接自身漏极、M0n栅极以及M1n的漏极和栅极；M1n的源极接M2n的栅极和漏极；M2n源极接地；M0n的漏极接正电源；M3p和M5p的源极接正电源，栅极对接；M3p的漏极接M4p的源极，M5p的漏极接自身栅极和M6p的源极；M4p和M6p的栅极对接；M4p的漏极接M0n的源极、M3n的漏极和栅极；M6p的漏极接自身栅极、M5n的漏极；M3n和M5n的栅极对接；M3n的源极接Q1的集电极，Q1的基极和发射极接地；M7p和M9p的源极接正电源，栅极对接；M7p的漏极接自身栅极和M8p源极，M9p的漏极接M10p的源极；M8p和M10p的栅极对接；M8p的漏极接自身栅极和M7n的漏极，M7n的栅极接M5n的栅极，M7n的源极接M5n的源极；M10p的漏极接M9n的漏极和栅极，M9n的源极接地；Q2的基极和发射极接地；M7n的源极和M5n的源极连接的节点用于连接可变电阻的一端，Q2的集电极用于连接可变电阻的另一端；M11p和M12p的源极接正电源，栅极对接；M11p的漏极接自身栅极和M10n漏极，M10n的栅极接M9n的栅极，M10n的源极接地；M12p的漏极接M13n的漏极和M14p的源极；M11n的栅极接M10n的栅极，M11n的源极接地，M11n的漏极接M13p的漏极和M14n的源极；M13n源极、M14p漏极、M13p源极、M14n漏极接在一起并连接一端接地的可变电容的另一端，输出充放电电流对可变电容进行充放电，产生一个电压VB；M14p栅极和M13n栅极分别受控于RC振荡器输出信号的同相信号Q和反相信号QN；M14n栅极和M13p栅极分别受控于RC振荡器输出信号的同相信号Q和反相信号QN。

进一步地，OSC输出模块包括两个比较器U1和U2以及一个RS触发器U3；比较器U1的同相输入端接参考电压VREF1，反相输入端接电压VB；比较器U2的反相输入端接参考电压VREF2，同相输入端接电压VB；VREF2大于VREF1；比较器U1的输出端接U3的S端，比较器U2的输出端接U3的R端，U3的Q端和端分别输出RC振荡器输出信号的同相信号Q和反相信号QN。

进一步地，可变电容采用由控制字C[m:0]控制电容值的可变电容阵列；可变电阻采用由控制字R[n:0]控制电阻值的可变电阻阵列。

进一步地，频率校准模块校准可变电阻和可变电容具体包括：

当获得一个校准信号后，利用输入的参考时钟信号Fref启动频率校准模块，频率校准模块加载控制可变电容阵列和可变电阻阵列的控制字默认值，之后进入粗校准流程：

Fref在OSC输出模块输出的一个时钟周期内计数，然后与预先设定的第一阈值范围进行比较，如果计数值在第一阈值范围内，说明控制可变电容阵列的控制字C[m:0]高位C[m]的默认值是符合要求的，就可以确定控制可变电容阵列的控制字C[m:0]高位C[m]，否则就需要改变C[m]的默认值，以使得计数值在第一阈值范围内；依次逐步缩小第一阈值范围，对应地，采用相同的方法依次确定C[m-1]，……，C[1]，C[0]，频率粗校准过程结束；在粗校准过程结束之后，进入精细校准过程，如下所述：

Fref在OSC输出模块输出的2^m+1个时钟周期内计数，然后与预先设定的第二阈值范围进行比较，如果计数值在第二阈值范围内，说明控制可变电阻阵列的控制字R[n:0]高位R[n]的默认值是符合要求的，就可以确定控制可变电容阵列的控制字R[n:0]高位R[n]，否则就需要改变R[n]的默认值，以使得计数值在第二阈值范围内；依次逐步缩小第二阈值范围，对应地，采用相同的方法依次确定R[n-1]，……，R[1]，R[0]，频率精细校准过程结束。

进一步地，频率校准模块校准可变电阻和可变电容的另一种方法具体包括：

当获得一个校准信号后，利用输入的参考时钟信号Fref启动频率校准模块，频率校准模块加载控制可变电容阵列和可变电阻阵列的控制字默认值，之后进入粗校准流程：

Fref在OSC输出模块输出的一个时钟周期内计数，然后与预先设定的第三阈值范围进行比较，如果计数值在第三阈值范围内，说明控制可变电阻阵列的控制字R[n:0]高位R[n]的默认值是符合要求的，就可以确定控制可变电阻阵列的控制字R[n:0]高位R[n]，否则就需要改变R[n]的默认值，以使得计数值在第三阈值范围内；依次逐步缩小第三阈值范围，对应地，采用相同的方法依次确定R[n-1]，……，R[1]，R[0]，频率粗校准过程结束；在粗校准过程结束之后，进入精细校准过程，如下所述：

Fref在OSC输出模块输出的2ⁿ⁺¹个时钟周期内计数，然后与预先设定的第四阈值范围进行比较，如果计数值在第四阈值范围内，说明控制可变电容阵列的控制字C[m:0]高位C[m]的默认值是符合要求的，就可以确定控制可变电容阵列的控制字C[m:0]高位C[m]，否则就需要改变C[m]的默认值，以使得计数值在第四阈值范围内；依次逐步缩小第四阈值范围，对应地，采用相同的方法依次确定C[m-1]，……，C[1]，C[0]，频率精细校准过程结束。

本发明的优点在于：

1.本发明采用一个作为参考的系统时钟信号驱动频率校准模块，根据固定参考时钟信号校准具有频率自校准功能的片上RC振荡器，系统时钟信号驱动频率校准模块经过一系列的运算，得出了用来控制可变中电阻阵列和可变电容阵列的值的控制字，不同的控制字代表不同的电阻电容值。通过调整可变电阻阵列以改变电流产生模块的输出电流大小，以及改变可变电容阵列的电容值，这样达到了校准RC振荡器输出频率值的目的，以便于消除因为制造工艺参数、供电电压、及温度的变化引起振荡器输出频率值的变化，从而增强了系统的稳定性。具有频率自校准功能的片上RC振荡器的精度决定于可变电阻和可变电容的比特数之和。

2.能够消除因为制造工艺参数、供电电压、及温度的变化引起振荡器输出频率的变化，从而增强芯片的稳定性，从而使得其性能不受工艺偏差、温度漂移或电源波动等因素的影响。

3.相比于传统的结构简单而实用，而且可以与通信系统其它模块集成在同一款芯片中，提高了集成度并降低了系统成本。它适用于射频无线通信收发器、发射器、片上单芯片系统等，适用于CMOS工艺，BiCMOS工艺，甚至Bipolar工艺，SiGe、AsGa，InPGa等工艺。

附图说明

图1为本发明的原理图。

图2a为本发明的电流产生模块之一的结构示意图。

图2b为本发明的电流产生模块之二的结构示意图。

图3为本发明的OSC输出模块的结构示意图。

图4为本发明的可变电容阵列示意图。

图5为本发明的可变电阻阵列示意图。

图6a为本发明的频率校准流程图之一。

图6b为本发明的频率校准流程图之二。

具体实施方式

下面结合具体附图和实施例对本发明作进一步说明。

本发明所提出的具有频率自校准功能的片上RC振荡器，如图1所示，包括电流产生模块11、OSC输出模块12、可变电容13、可变电阻14以及频率校准模块15；所述电流产生模块11用于与可变电阻14共同协作产生充放电电流对可变电容13进行充放电，以产生一个交变的电压VB，输入到OSC输出模块；所述OSC输出模块利用上述输入的电压VB，产生RC振荡器输出信号的同相信号Q和反相信号QN，并反馈控制电流产生模块11对可变电容13的充放电；所述频率校准模块15用于校准可变电阻14和可变电容13，以使RC振荡器获得精准的输出频率值。

电流产生模块11与可变电阻14共同协作产生对可变电容进行充放电的电流，通过改变可变电阻14就能得到充放电电流值，改变充放电电流值和可变电容值即可改变RC振荡器输出频率值。

实施例一。

此例中的具有频率自校准功能的片上RC振荡器包括电流产生模块11＇、OSC输出模块12、可变电容13、可变电阻14以及频率校准模块15＇。

本实施例中的电流产生模块11＇的电路结构如图2a所示，包括启动电路111＇、电流产生及偏置电路112＇以及电流充放电电路113＇。

启动电路111＇包括PMOS管M1p、M2p，NMOS管M0n、M1n、M2n；电流产生及偏置电路112＇包括PMOS管M3p、M4p、M5p、M6p、M7p、M8p、M9p、M10p和NMOS管M3n、M4n、M5n、M6n、M7n、M8n、M9n；电流充放电电路113＇包括PMOS管M11p、M12p、M13p、M14p和NMOS管M10n、M11n、M13n、M14n。

M1p的源极接正电源，栅极接自身漏极以及M2p的源极；M2p的栅极接自身漏极、M0n栅极以及M1n的漏极和栅极；M1n的源极接M2n的栅极和漏极；M2n源极接地；M0n的漏极接正电源。M3p和M5p的源极接正电源，栅极对接；M3p的漏极接M4p的源极，M5p的漏极接自身栅极和M6p的源极；M4p和M6p的栅极对接；M4p的漏极接M0n的源极、M3n的漏极和栅极；M6p的漏极接自身栅极、M5n的漏极；M3n和M5n的栅极对接；M3n的源极接M4n的漏极和栅极，M5n的源极接M6n的漏极；M4n和M6n的栅极对接；M4n的源极接地。M7p和M9p的源极接正电源，栅极对接；M7p的漏极接自身栅极和M8p源极，M9p的漏极接M10p的源极；M8p和M10p的栅极对接；M8p的漏极接自身栅极和M7n的漏极，M7n的栅极接M5n的栅极，M7n的源极接M8n的漏极；M8n的栅极接M6n的栅极，M8n的源极接M6n的源极；M10p的漏极接M9n的漏极和栅极，M9n的源极接地。M8n的源极和M6n的源极连接的节点用于连接一端接地的可变电阻14的另一端。M11p和M12p的源极接正电源，栅极对接；M11p的漏极接自身栅极和M10n漏极，M10n的栅极接M9n的栅极，M10n的源极接地；M12p的漏极接M13n的漏极和M14p的源极；M11n的栅极接M10n的栅极，M11n的源极接地，M11n的漏极接M13p的漏极和M14n的源极；M13n源极、M14p漏极、M13p源极、M14n漏极接在一起并连接一端接地的可变电容13的另一端，输出充放电电流对可变电容13进行充放电，产生一个电压VB。M14p栅极和M13n栅极分别受控于RC振荡器输出信号的同相信号Q和反相信号QN；M14n栅极和M13p栅极分别受控于RC振荡器输出信号的同相信号Q和反相信号QN。

上述电路的核心是电流产生及偏置电路112＇，它的主要作用是产生两个工作于亚阈值区的MOS管栅源级电压的差值，这个差值会远远小于MOS管工作于饱和区或者线性区的差值，有效地降低RC振荡器的功耗。图2a中，M4n的栅源极电压比M6n和M8n的栅源极电压大。电流充放电电路113＇中M10n和M11p均为镜像电流源，而M11n和M12p则是作为电荷泵放电电流沉和充电电流源。Q与QN分别是RC振荡器输出信号的同相信号和反相信号。充电开关是由M13n和M14p组成的充电差分对，放电开关是由M13p和M14n组成的放电差分对，这里充放电开关都是PMOS与NMOS对，分别由Q和QN控制，可以减小开、关电流的不匹配，提高了输出频率的稳定性，降低了噪声。电流产生模块11＇与可变电阻14共同协作产生对可变电容进行充放电的电流，通过改变可变电阻14就能得到充放电电流值，改变充放电电流值和可变电容值即可改变RC振荡器输出频率值。产生的充放电电流对可变电容13进行充放电，产生了一个电压VB值，输入到OSC输出模块12。

OSC输出模块12，如图3所示，包括两个比较器U1和U2以及一个RS触发器U3；比较器U1的同相输入端接参考电压VREF1，反相输入端接电压VB；比较器U2的反相输入端接参考电压VREF2，同相输入端接电压VB；VREF2大于VREF1；比较器U1的输出端接U3的S端，比较器U2的输出端接U3的R端，U3的Q端和端分别输出RC振荡器输出信号的同相信号Q和反相信号QN。

OSC输出模块12的工作原理为，两个比较器的输入分别为两个预先设定的参考标准，VREF1和VREF2，VB与这两个预先设定的参考标准进行比较：当充电电流对可变电容13进行充电，VB一直在升高，当VB升高至VREF2，RS触发器U3被触发，Q和QN打开电流产生模块11＇中放电差分对，放电电流对可变电容13放电，VB下降，当VB下降到VREF1，RS触发器U3被触发，Q和QN打开电流产生模块11’中充电差分对，充电电流对可变电容阵列13充电，VB上升，这样一个完整的RC振荡器震荡周期就完成了。这两个预先设定的参考标准的数值决定了RC振荡器充放电时间的长短，采用比较器而非迟滞器的好处就在于前者可以获得更高的增益，而且受工艺等参数影响小。OSC输出模块12采用RS触发器对两个比较器的输出进行逻辑操作，使得输出信号的正负两路信号更接近于两相信号，减小了对电流产生模块11中充放电开关MOS对的控制信号之间延迟。

可变电容13作为充电电容C，其采用可变电容阵列，电容值由控制字C[m:0]所控制。可变电容13的一种结构如图4所示。

可变电阻14采用可变电阻阵列，电阻值由控制字R[n:0]所控制。可变电阻14的一种结构如图5所示。

频率校准模块15＇对本发明的RC振荡器进行频率自校正的过程如图6a所示。频率校准可以分为两个校准过程：首先是粗校准，然后再进行精细校准。粗校准调整可变电容阵列达到调整电容值，精细调准调整可变电阻阵列达到调整电阻值。其校准过程如下所述：

当获得系统给出的一个校准信号后，利用输入的参考时钟信号Fref启动频率校准模块15＇，频率校准模块加载控制可变电容阵列和可变电阻阵列的控制字默认值，之后进入粗校准流程：

Fref在OSC输出模块输出的一个时钟周期内计数，然后与预先设定的第一阈值范围进行比较，如果计数值在第一阈值范围内，说明控制可变电容阵列的控制字C[m:0]高位C[m]的默认值是符合要求的，就可以确定控制可变电容阵列的控制字C[m:0]高位C[m]，否则就需要改变C[m]的默认值，也就是要改变C[m]控制的电容值大小来控制OSC输出模块的输出频率值，以使得计数值在第一阈值范围内；第一阈值范围的初始值是依次逐步缩小第一阈值范围(比如每次可以将范围缩小一半)，对应地，采用相同的方法依次确定C[m-1]，……，C[1]，C[0]，频率粗校准过程结束；在粗校准过程结束之后，进入精细校准过程，如下所述：

Fref在OSC输出模块输出的2^m+1个时钟周期内计数，然后与预先设定的第二阈值范围进行比较，如果计数值在第二阈值范围内，说明控制可变电阻阵列的控制字R[n:0]高位R[n]的默认值是符合要求的，就可以确定控制可变电容阵列的控制字R[n:0]高位R[n]，否则就需要改变R[n]的默认值，也就是要改变R[n]控制的电阻值大小来控制OSC输出模块的输出频率值，以使得计数值在第二阈值范围内；第二阈值范围的初始值是依次逐步缩小第二阈值范围，对应地，采用相同的方法依次确定R[n-1]，……，R[1]，R[0]，频率精细校准过程结束。

这里要说明的是，预先设定的第一阈值范围和第二阈值范围是变动的，这样一来，从C[m]～C[0]，R[n]～R[0]，每一个比特对应的阈值区间也是逐渐减小的，可以保证更精准的校准。图6a中所画的只是一个阈值范围的初始值。

实施例二。

此例中的具有频率自校准功能的片上RC振荡器包括电流产生模块11＇＇、OSC输出模块12、可变电容13、可变电阻14以及频率校准模块15＇。

本实施例中的电流产生模块11＇＇的电路结构如图2b所示，包括启动电路111＇＇、电流产生及偏置电路112＇＇以及电流充放电电路113＇＇。

启动电路111＇＇包括PMOS管M1p、M2p，NMOS管M0n、M1n、M2n；电流产生及偏置电路112＇＇包括PMOS管M3p、M4p、M5p、M6p、M7p、M8p、M9p、M10p和NMOS管M3n、M5n、M7n、M9n，以及PNP三极管Q1和Q2；电流充放电电路113＇＇包括PMOS管M11p、M12p、M13p、M14p和NMOS管M10n、M11n、M13n、M14n；

M1p的源极接正电源，栅极接自身漏极以及M2p的源极；M2p的栅极接自身漏极、M0n栅极以及M1n的漏极和栅极；M1n的源极接M2n的栅极和漏极；M2n源极接地；M0n的漏极接正电源；

M3p和M5p的源极接正电源，栅极对接；M3p的漏极接M4p的源极，M5p的漏极接自身栅极和M6p的源极；M4p和M6p的栅极对接；M4p的漏极接M0n的源极、M3n的漏极和栅极；M6p的漏极接自身栅极、M5n的漏极；M3n和M5n的栅极对接；M3n的源极接Q1的集电极，Q1的基极和发射极接地；

M7p和M9p的源极接正电源，栅极对接；M7p的漏极接自身栅极和M8p源极，M9p的漏极接M10p的源极；M8p和M10p的栅极对接；M8p的漏极接自身栅极和M7n的漏极，M7n的栅极接M5n的栅极，M7n的源极接M5n的源极；M10p的漏极接M9n的漏极和栅极，M9n的源极接地；Q2的基极和发射极接地；

M7n的源极和M5n的源极连接的节点用于连接可变电阻14的一端，Q2的集电极用于连接可变电阻14的另一端；

M11p和M12p的源极接正电源，栅极对接；M11p的漏极接自身栅极和M10n漏极，M10n的栅极接M9n的栅极，M10n的源极接地；M12p的漏极接M13n的漏极和M14p的源极；M11n的栅极接M10n的栅极，M11n的源极接地，M11n的漏极接M13p的漏极和M14n的源极；M13n源极、M14p漏极、M13p源极、M14n漏极接在一起并连接一端接地的可变电容13的另一端，输出充放电电流对可变电容13进行充放电，产生一个电压VB；

M14p栅极和M13n栅极分别受控于RC振荡器输出信号的同相信号Q和反相信号QN；M14n栅极和M13p栅极分别受控于RC振荡器输出信号的同相信号Q和反相信号QN。

上述电路的核心是电流产生及偏置电路112＇＇，它的主要作用是产生两个三极管基极-发射极电压差值，这个差值只与KT(K为伯尔曼常数，T为开尔文温度)以及发射极面积比例的对数值有关，合理设置发射极面积比例可以有效地降低RC振荡器的功耗。电流充放电电路113＇＇中M10n和M11p均为镜像电流源，而M11n和M12p则是作为电荷泵放电电流沉和充电电流源。Q与QN分别是RC振荡器输出信号的同相信号和反相信号。充电开关是由M13n和M14p组成的充电差分对，放电开关是由M13p和M14n组成的放电差分对，这里充放电开关都是PMOS与NMOS对，分别由Q和QN控制，可以减小开、关电流的不匹配，提高了输出频率的稳定性，降低了噪声。电流产生模块11＇＇与可变电阻14共同协作产生对可变电容进行充放电的电流，通过改变可变电阻14就能得到充放电电流值，改变充放电电流值和可变电容值即可改变RC振荡器输出频率值。产生的充放电电流对可变电容13进行充放电，产生了一个电压VB值，输入到OSC输出模块12。

本实施例中，OSC输出模块12、可变电容13、可变电阻14同实施例一，介绍从略。

本实施例中，频率校准模块15＇以及频率自校正的过程同实施例一，介绍从略。

实施例三。

此例中的具有频率自校准功能的片上RC振荡器包括电流产生模块11＇、OSC输出模块12、可变电容13、可变电阻14以及频率校准模块15＇＇。

本实施例中，电流产生模块11＇、OSC输出模块12、可变电容13、可变电阻14同实施例一，介绍从略。

频率校准模块15＇＇对本发明的RC振荡器进行频率自校正的过程如图6b所示。频率校准可以分为两个校准过程：首先是粗校准，然后再进行精细校准。粗校准调整可变电阻阵列达到调整电阻值，精细调准调整可变电容阵列达到调整电容值。其校准过程如下所述：

当获得系统给出的一个校准信号后，利用输入的参考时钟信号Fref启动频率校准模块15＇＇，频率校准模块加载控制可变电容阵列和可变电阻阵列的控制字默认值，之后进入粗校准流程：

Fref在OSC输出模块输出的一个时钟周期内计数，然后与预先设定的第三阈值范围进行比较，如果计数值在第三阈值范围内，说明控制可变电阻阵列的控制字R[n:0]高位R[n]的默认值是符合要求的，就可以确定控制可变电阻阵列的控制字R[n:0]高位R[n]，否则就需要改变R[n]的默认值，也就是要改变R[n]控制的电阻值大小来控制OSC输出模块的输出频率值，以使得计数值在第三阈值范围内；第三阈值范围的初始值是依次逐步缩小第三阈值范围(比如每次可以将范围缩小一半)，对应地，采用相同的方法依次确定R[n-1]，……，R[1]，R[0]，频率粗校准过程结束；在粗校准过程结束之后，进入精细校准过程，如下所述：

Fref在OSC输出模块输出的2ⁿ⁺¹个时钟周期内计数，然后与预先设定的第四阈值范围进行比较，如果计数值在第四阈值范围内，说明控制可变电容阵列的控制字C[m:0]高位C[m]的默认值是符合要求的，就可以确定控制可变电容阵列的控制字C[m:0]高位C[m]，否则就需要改变C[m]的默认值，也就是要改变C[m]控制的电容值大小来控制OSC输出模块的输出频率值，以使得计数值在第四阈值范围内；第四阈值范围的初始值是依次逐步缩小第四阈值范围，对应地，采用相同的方法依次确定C[m-1]，……，C[1]，C[0]，频率精细校准过程结束。

这里要说明的是，预先设定的第三阈值范围和第四阈值范围是变动的，这样一来，从C[m]～C[0]，R[n]～R[0]，每一个比特对应的阈值区间也是逐渐减小的，可以保证更精准的校准。图6b中所画的只是一个阈值范围的初始值。

实施例四。

此例中的具有频率自校准功能的片上RC振荡器包括电流产生模块11＇＇、OSC输出模块12、可变电容13、可变电阻14以及频率校准模块15＇＇。

本实施例中，电流产生模块11＇＇、OSC输出模块12、可变电容13、可变电阻14同实施例二。

频率校准模块15＇＇以及频率自校正的过程同实施例三。

本领域技术人员可以理解，在不背离本发明广义范围的前提下，对上述实施例作出若干改动。因而，本发明并不仅限于所公开的特定实施例。其范围应当涵盖所附权利要求书限定的本发明核心及保护范围内的所有变化。

Claims (5)

1.一种具有频率自校准功能的片上RC振荡器，包括电流产生模块(11)、OSC输出模块(12)、可变电容(13)、可变电阻(14)以及频率校准模块(15)；

所述电流产生模块(11)用于与可变电阻(14)共同协作产生充放电电流对可变电容(13)进行充放电，以产生一个交变的电压VB，输入到OSC输出模块；

所述OSC输出模块利用上述输入的电压VB，产生RC振荡器输出信号的同相信号Q和反相信号QN，并反馈控制电流产生模块(11)对可变电容(13)的充放电；

所述频率校准模块(15)用于校准可变电阻(14)和可变电容(13)，以使RC振荡器获得精准的输出频率值；

其特征在于：电流产生模块(11)包括启动电路、电流产生及偏置电路以及电流充放电电路；

启动电路包括PMOS管M1p、M2p，NMOS管M0n、M1n、M2n；电流产生及偏置电路包括PMOS管M3p、M4p、M5p、M6p、M7p、M8p、M9p、M10p和NMOS管M3n、M4n、M5n、M6n、M7n、M8n、M9n；电流充放电电路包括PMOS管M11p、M12p、M13p、M14p和NMOS管M10n、M11n、M13n、M14n；

M1p的源极接正电源，栅极接自身漏极以及M2p的源极；M2p的栅极接自身漏极、M0n栅极以及M1n的漏极和栅极；M1n的源极接M2n的栅极和漏极；M2n源极接地；M0n的漏极接正电源；

M3p和M5p的源极接正电源，栅极对接；M3p的漏极接M4p的源极，M5p的漏极接自身栅极和M6p的源极；M4p和M6p的栅极对接；M4p的漏极接M0n的源极、M3n的漏极和栅极；M6p的漏极接自身栅极、M5n的漏极；M3n和M5n的栅极对接；M3n的源极接M4n的漏极和栅极，M5n的源极接M6n的漏极；M4n和M6n的栅极对接；M4n的源极接地；

M7p和M9p的源极接正电源，栅极对接；M7p的漏极接自身栅极和M8p源极，M9p的漏极接M10p的源极；M8p和M10p的栅极对接；M8p的漏极接自身栅极和M7n的漏极，M7n的栅极接M5n的栅极，M7n的源极接M8n的漏极；M8n的栅极接M6n的栅极，M8n的源极接M6n的源极；M10p的漏极接M9n的漏极和栅极，M9n的源极接地；

M8n的源极和M6n的源极连接的节点用于连接一端接地的可变电阻(14)的另一端；

M11p和M12p的源极接正电源，栅极对接；M11p的漏极接自身栅极和M10n漏极，M10n的栅极接M9n的栅极，M10n的源极接地；M12p的漏极接M13n的漏极和M14p的源极；M11n的栅极接M10n的栅极，M11n的源极接地，M11n的漏极接M13p的漏极和M14n的源极；M13n源极、M14p漏极、M13p源极、M14n漏极接在一起并连接一端接地的可变电容(13)的另一端，输出充放电电流对可变电容(13)进行充放电，产生一个电压VB；

M14p栅极和M13n栅极分别受控于RC振荡器输出信号的同相信号Q和反相信号QN；M14n栅极和M13p栅极分别受控于RC振荡器输出信号的同相信号Q和反相信号QN；

OSC输出模块(12)包括两个比较器U1和U2以及一个RS触发器U3；比较器U1的同相输入端接参考电压VREF1，反相输入端接电压VB；比较器U2的反相输入端接参考电压VREF2，同相输入端接电压VB；VREF2大于VREF1；比较器U1的输出端接U3的S端，比较器U2的输出端接U3的R端，U3的Q端和Q端分别输出RC振荡器输出信号的同相信号Q和反相信号QN；

可变电容(13)采用由控制字C[m:0]控制电容值的可变电容阵列；可变电阻(14)采用由控制字R[n:0]控制电阻值的可变电阻阵列；

频率校准模块(15)校准可变电阻(14)和可变电容(13)具体包括：

当获得一个校准信号后，利用输入的参考时钟信号Fref启动频率校准模块，频率校准模块加载控制可变电容阵列和可变电阻阵列的控制字默认值，之后进入粗校准流程：

Fref在OSC输出模块输出的一个时钟周期内计数，然后与预先设定的第一阈值范围进行比较，如果计数值在第一阈值范围内，说明控制可变电容阵列的控制字C[m:0]高位C[m]的默认值是符合要求的，就可以确定控制可变电容阵列的控制字C[m:0]高位C[m]，否则就需要改变C[m]的默认值，以使得计数值在第一阈值范围内；依次逐步缩小第一阈值范围，对应地，采用相同的方法依次确定C[m-1]，……，C[1]，C[0]，频率粗校准过程结束；在粗校准过程结束之后，进入精细校准过程，如下所述：

Fref在OSC输出模块输出的2^m+1个时钟周期内计数，然后与预先设定的第二阈值范围进行比较，如果计数值在第二阈值范围内，说明控制可变电阻阵列的控制字R[n:0]高位R[n]的默认值是符合要求的，就可以确定控制可变电容阵列的控制字R[n:0]高位R[n]，否则就需要改变R[n]的默认值，以使得计数值在第二阈值范围内；依次逐步缩小第二阈值范围，对应地，采用相同的方法依次确定R[n-1]，……，R[1]，R[0]，频率精细校准过程结束。

2.如权利要求1所述的具有频率自校准功能的片上RC振荡器，其特征在于：

电流产生模块(11)包括启动电路、电流产生及偏置电路以及电流充放电电路；

启动电路包括PMOS管M1p、M2p，NMOS管M0n、M1n、M2n；电流产生及偏置电路包括PMOS管M3p、M4p、M5p、M6p、M7p、M8p、M9p、M10p和NMOS管M3n、M5n、M7n、M9n，以及PNP三极管Q1和Q2；电流充放电电路包括PMOS管M11p、M12p、M13p、M14p和NMOS管M10n、M11n、M13n、M14n；

M1p的源极接正电源，栅极接自身漏极以及M2p的源极；M2p的栅极接自身漏极、M0n栅极以及M1n的漏极和栅极；M1n的源极接M2n的栅极和漏极；M2n源极接地；M0n的漏极接正电源；

M3p和M5p的源极接正电源，栅极对接；M3p的漏极接M4p的源极，M5p的漏极接自身栅极和M6p的源极；M4p和M6p的栅极对接；M4p的漏极接M0n的源极、M3n的漏极和栅极；M6p的漏极接自身栅极、M5n的漏极；M3n和M5n的栅极对接；M3n的源极接Q1的集电极，Q1的基极和发射极接地；

M7p和M9p的源极接正电源，栅极对接；M7p的漏极接自身栅极和M8p源极，M9p的漏极接M10p的源极；M8p和M10p的栅极对接；M8p的漏极接自身栅极和M7n的漏极，M7n的栅极接M5n的栅极，M7n的源极接M5n的源极；M10p的漏极接M9n的漏极和栅极，M9n的源极接地；Q2的基极和发射极接地；

M7n的源极和M5n的源极连接的节点用于连接可变电阻(14)的一端，Q2的集电极用于连接可变电阻(14)的另一端；

M11p和M12p的源极接正电源，栅极对接；M11p的漏极接自身栅极和M10n漏极，M10n的栅极接M9n的栅极，M10n的源极接地；M12p的漏极接M13n的漏极和M14p的源极；M11n的栅极接M10n的栅极，M11n的源极接地，M11n的漏极接M13p的漏极和M14n的源极；M13n源极、M14p漏极、M13p源极、M14n漏极接在一起并连接一端接地的可变电容(13)的另一端，输出充放电电流对可变电容(13)进行充放电，产生一个电压VB；

M14p栅极和M13n栅极分别受控于RC振荡器输出信号的同相信号Q和反相信号QN；M14n栅极和M13p栅极分别受控于RC振荡器输出信号的同相信号Q和反相信号QN。

3.如权利要求1所述的具有频率自校准功能的片上RC振荡器，其特征在于：

频率校准模块(15)校准可变电阻(14)和可变电容(13)具体包括：

当获得一个校准信号后，利用输入的参考时钟信号Fref启动频率校准模块，频率校准模块加载控制可变电容阵列和可变电阻阵列的控制字默认值，之后进入粗校准流程：

Fref在OSC输出模块输出的一个时钟周期内计数，然后与预先设定的第三阈值范围进行比较，如果计数值在第三阈值范围内，说明控制可变电阻阵列的控制字R[n:0]高位R[n]的默认值是符合要求的，就可以确定控制可变电阻阵列的控制字R[n:0]高位R[n]，否则就需要改变R[n]的默认值，以使得计数值在第三阈值范围内；依次逐步缩小第三阈值范围，对应地，采用相同的方法依次确定R[n-1]，……，R[1]，R[0]，频率粗校准过程结束；在粗校准过程结束之后，进入精细校准过程，如下所述：

Fref在OSC输出模块输出的2ⁿ⁺¹个时钟周期内计数，然后与预先设定的第四阈值范围进行比较，如果计数值在第四阈值范围内，说明控制可变电容阵列的控制字C[m:0]高位C[m]的默认值是符合要求的，就可以确定控制可变电容阵列的控制字C[m:0]高位C[m]，否则就需要改变C[m]的默认值，以使得计数值在第四阈值范围内；依次逐步缩小第四阈值范围，对应地，采用相同的方法依次确定C[m-1]，……，C[1]，C[0]，频率精细校准过程结束。

4.一种频率自校准方法，其特征在于，包括下述步骤：

当获得一个校准信号后，利用输入的参考时钟信号Fref启动频率校准模块，频率校准模块加载控制可变电容阵列和可变电阻阵列的控制字默认值，之后进入粗校准流程：

Fref在OSC输出模块输出的一个时钟周期内计数，然后与预先设定的第一阈值范围进行比较，如果计数值在第一阈值范围内，说明控制可变电容阵列的控制字C[m:0]高位C[m]的默认值是符合要求的，就可以确定控制可变电容阵列的控制字C[m:0]高位C[m]，否则就需要改变C[m]的默认值，以使得计数值在第一阈值范围内；依次逐步缩小第一阈值范围，对应地，采用相同的方法依次确定C[m-1]，……，C[1]，C[0]，频率粗校准过程结束；在粗校准过程结束之后，进入精细校准过程，如下所述：

Fref在OSC输出模块输出的2^m+1个时钟周期内计数，然后与预先设定的第二阈值范围进行比较，如果计数值在第二阈值范围内，说明控制可变电阻阵列的控制字R[n:0]高位R[n]的默认值是符合要求的，就可以确定控制可变电容阵列的控制字R[n:0]高位R[n]，否则就需要改变R[n]的默认值，以使得计数值在第二阈值范围内；依次逐步缩小第二阈值范围，对应地，采用相同的方法依次确定R[n-1]，……，R[1]，R[0]，频率精细校准过程结束。

5.一种频率自校准方法，其特征在于，包括下述步骤：

当获得一个校准信号后，利用输入的参考时钟信号Fref启动频率校准模块，频率校准模块加载控制可变电容阵列和可变电阻阵列的控制字默认值，之后进入粗校准流程：

Fref在OSC输出模块输出的一个时钟周期内计数，然后与预先设定的第三阈值范围进行比较，如果计数值在第三阈值范围内，说明控制可变电阻阵列的控制字R[n:0]高位R[n]的默认值是符合要求的，就可以确定控制可变电阻阵列的控制字R[n:0]高位R[n]，否则就需要改变R[n]的默认值，以使得计数值在第三阈值范围内；依次逐步缩小第三阈值范围，对应地，采用相同的方法依次确定R[n-1]，……，R[1]，R[0]，频率粗校准过程结束；在粗校准过程结束之后，进入精细校准过程，如下所述：

Fref在OSC输出模块输出的2ⁿ⁺¹个时钟周期内计数，然后与预先设定的第四阈值范围进行比较，如果计数值在第四阈值范围内，说明控制可变电容阵列的控制字C[m:0]高位C[m]的默认值是符合要求的，就可以确定控制可变电容阵列的控制字C[m:0]高位C[m]，否则就需要改变C[m]的默认值，以使得计数值在第四阈值范围内；依次逐步缩小第四阈值范围，对应地，采用相同的方法依次确定C[m-1]，……，C[1]，C[0]，频率精细校准过程结束。