CN104506165A - Rc振荡器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种RC振荡器，包括：基准电压产生电路、电压电流产生电路、电压斜坡保持电路、比较器、电荷泵、压控振荡器和分频逻辑电路；电压斜坡保持电路的控制端连接输出振荡信号的4n和8n分频信号，n大于等于1，通过8n分频信号控制第一电容的放电以及通过4n分频信号控制第一电容的充电来调节保持电压的大小；比较器对保持电压和基准电压进行比较并输出第一输出信号到电荷泵的控制端；电荷泵的控制端还连接输出振荡信号的分频信号逻辑组合形成的泵控制信号，在泵控制信号的脉冲电平处，通过第一输出信号控制第二电容的充放电并调节泵电压大小；压控振荡器在泵电压的控制下形成输出振荡信号。本发明电路结构简单且输出频率精度高。

Description

RC振荡器

技术领域

本发明涉及一种半导体集成电路，特别是涉及一种RC振荡器(oscillator)。

背景技术

在许多系统芯片(system on chip，SOC)应用中，振荡器是一个非常重要的模块。振荡器分为阻容振荡器即RC振荡器、电感电容振荡器、晶体振荡器、音叉振荡器等。RC振荡器是通过对电容进行充电和放电实现振荡信号的输出，通过调节电阻或电容的值能够调节振荡信号的频率。相对于于其它各种类型的振荡器，RC振荡器具有结构简单，精度较高的优点，所以在一些SOC芯片中，例如单片机(Micro ControlUnit，MCU)中,RC振荡器非常常见。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种RC振荡器，电路结构简单且输出频率精度高。

为解决上述技术问题，本发明提供的RC振荡器包括：基准电压产生电路、电压电流产生电路、电压斜坡保持电路、比较器、电荷泵、压控振荡器和分频逻辑电路；

所述基准电压产生电路输出基准电压，所述电压电流产生电路将所述基准电压转化为第一电流源提供给所述电压斜坡保持电路。

所述电压斜坡保持电路的控制端连接保持控制频率信号和初始化频率信号，所述保持控制频率信号为所述分频逻辑电路对所述压控振荡器输出的输出振荡信号进行分频的4×n分频信号，其中n大于等于1；所述初始化频率信号为所述输出振荡信号的8×n分频信号；所述第一电容的第一端连接所述电压斜坡保持电路、所述第一电容的第二端接地，所述第一电容的第一端输出保持电压，通过所述初始化频率信号控制所述第一电容的放电以及通过所述保持控制频率信号控制所述第一电容的充电来调节所述保持电压的大小，所述第一电容的充电电流和所述第一电流源成比例。

所述比较器对所述保持电压和所述基准电压进行比较并输出第一输出信号到所述电荷泵的控制端。

所述电荷泵的控制端还连接所述输出振荡信号的分频信号逻辑组合形成的泵控制信号，所述泵控制信号为所述输出振荡信号的2×n分频信号、所述保持控制频率信号和所述初始化频率信号做逻辑或运算后的信号。

在所述电荷泵的输出端和地之间连接有第二电容，在所述泵控制信号的脉冲电平处，通过所述第一输出信号控制所述第二电容的充放电并调节所述电荷泵的输出端输出的泵电压大小，所述第二电容的充放电电流和所述第一电流源成比例。

所述压控振荡器在所述泵电压的控制下形成所述输出振荡信号。

当RC振荡器开始工作时所述保持电压小于所述基准电压，则所述第一输出信号控制所述第二电容放电使所述泵电压降低并降低所述输出振荡信号的频率，所述输出振荡信号的所述保持控制频率信号反馈到所述电压斜坡保持电路并使所述第一电容的充电时间增加从而增加所述保持电压的值直到所述保持电压等于所述基准电压并使所述输出振荡信号的频率稳定。

当RC振荡器开始工作时所述保持电压大于所述基准电压，则所述第一输出信号控制所述第二电容充电使所述泵电压升高并升高所述输出振荡信号的频率，所述输出振荡信号的所述保持控制频率信号反馈到所述电压斜坡保持电路并使所述第一电容的充电时间减少从而降低所述保持电压的值直到所述保持电压等于所述基准电压并使所述输出振荡信号的频率稳定。

进一步的改进是，所述电压电流产生电路包括运算放大器、第一NMOS管和第一电阻，所述运算放大器的正相输入端连接所述基准电压，所述运算放大器的反相输入端连接所述第一NMOS管的源极，所述运算放大器的输出端连接所述第一NMOS管的栅极，所述第一NMOS管的漏极连接所述电压斜坡保持电路，所述第一电阻连接在所述第一NMOS管的源极和地之间，所述第一电流源的大小为所述基准电压除以所述第一电阻的电阻值。

进一步的改进是，通过调节所述第一电流源和所述第一电容的大小调节所述输出振荡信号的频率稳定值。

进一步的改进是，所述电压斜坡保持电路包括第一PMOS管、第二PMOS管和第二NMOS管，所述第一PMOS管的源极和所述第二PMOS管的源极都连接第二电流源，所述第二电流源为所述第一电流源的镜像电流，所述第一PMOS管的漏极接地，所述第一PMOS管的栅极连接所述输出振荡信号的4分频信号的反相信号；所述第二PMOS管的漏极连接所述第一电容的第一端以及所述第二NMOS管的漏极，所述第二PMOS管的栅极连接所述输出振荡信号的保持控制频率信号；所述第二NMOS管的源极接地，所述第二NMOS管的栅极连接所述输出振荡信号的初始化频率信号。

进一步的改进是，所述第一输出信号由互为反相的第一正相输出信号和第一反相输出信号组成，所述第一正相输出信号通过所述比较器正相输出端输出，所述第一反相输出信号通过所述比较器反相输出端输出。

进一步的改进是，所述电荷泵包括第三PMOS管、第四PMOS管、第五PMOS管、第六PMOS管、第三NMOS管和第四NMOS管。

所述第三PMOS管的源极和所述第四PMOS管的源极都连接第三电流源，所述第三电流源为所述第一电流源的镜像电流；所述第三PMOS管的漏极接地，所述第三PMOS管的栅极连接所述泵控制信号的反相信号；所述第四PMOS管的栅极连接所述泵控制信号。

所述第四PMOS管的漏极连接所述第五PMOS管的源极和所述第六PMOS管的源极，所述第五PMOS管的栅极连接所述第一正相输出信号，所述第六PMOS管的栅极连接所述第一反相输出信号。

所述第三NMOS管的漏极和栅极、所述第五PMOS管的漏极和所述第四NMOS管的栅极连接在一起，所述第三NMOS管的源极和所述第四NMOS管的源极都接地；所述第四NMOS管的漏极和所述第六NMOS管的漏极连接在一起并作为所述电荷泵的输出端。

本发明RC振荡器具有如下有益效果：

1、本发明电路采用了1个电阻和2个电容，其它部分都由NMOS管或PMOS管组成，都能采用CMOS工艺实现，所以本发明结构简单且容易集成在同一芯片上，能够很好的在SOC芯片上得到应用。

2、本发明通过调节第一电流源和所述第一电容的大小来调节输出振荡信号的频率稳定值，而第一电流源的大小通过基准电压转化而来如通过基准电压和电阻相除得到，所以输出振荡信号具有较高的精度且频率调节方便。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：

图1是本发明实施例电路图；

图2是本发明较佳实施例电路图；

图3是本发明实施例中各信号随时间变化曲线；

图4A是本发明较佳实施例在第一种条件下的各信号仿真曲线；

图4B是本发明较佳实施例在第二种条件下的各信号仿真曲线。

具体实施方式

如图1所示，是本发明实施例电路图；本发明实施例RC振荡器包括：基准电压(VREF)产生电路1、电压电流产生电路2、电压斜坡保持电路(RAMP_HOLD)3、比较器(CMP)4、电荷泵(CHARGE_PUMP)5、压控振荡器(VCO)6和分频逻辑电路(DEC_LOGIC)7。

所述基准电压产生电路1输出基准电压VREF，所述电压电流产生电路2将所述基准电压VREF转化为第一电流源提供给所述电压斜坡保持电路3。较佳选择为，所述电压电流产生电路2包括运算放大器(AMP)8、第一NMOS管MN1和第一电阻R1，所述运算放大器8的正相输入端连接所述基准电压VREF，所述运算放大器8的反相输入端连接所述第一NMOS管MN1的源极，所述运算放大器8的输出端连接所述第一NMOS管MN1的栅极，所述第一NMOS管MN1的漏极连接所述电压斜坡保持电路3，所述第一电阻R1连接在所述第一NMOS管MN1的源极和地之间，所述第一电流源的大小为所述基准电压VREF除以所述第一电阻R1的电阻值。

所述分频逻辑电路7将输出振荡信号FOUT进行分频并输出保持控制频率信号HOLD及其反相信号HOLDF，初始化频率信号INIT，泵控制信号PUMPF和其反相信号PUMPT；其中所述保持控制频率信号HOLD为所述输出振荡信号FOUT的4×n分频信号，其中n大于等于1；所述初始化频率信号为所述输出振荡信号的8×n分频信号；所述泵控制信号PUMPF为所述输出振荡信号FOUT的2×n分频信号、所述保持控制频率信号HOLD和所述初始化频率信号INIT做逻辑或运算后的信号。

所述电压斜坡保持电路3的控制端连接所述分频逻辑电路7对所述压控振荡器6输出的输出振荡信号FOUT的保持控制频率信号HOLD和初始化频率信号INIT，所述第一电容C1的第一端连接所述电压斜坡保持电路3、所述第一电容C1的第二端接地，所述第一电容C1的第一端输出保持电压VHOLD，通过所述初始化频率信号INIT控制所述第一电容C1的放电以及通过所述保持控制频率信号HOLD控制所述第一电容C1的充电来调节所述保持电压VHOLD的大小，所述第一电容C1的充电电流和所述第一电流源成比例。

所述比较器4对所述保持电压VHOLD和所述基准电压VREF进行比较并输出第一输出信号VOUT到所述电荷泵5的控制端。

所述电荷泵5的控制端还连接所述输出振荡信号FOUT的分频信号逻辑组合形成的泵控制信号PUMPF。

在所述电荷泵5的输出端和地之间连接有第二电容CPUMP，在所述泵控制信号PUMPF的脉冲电平处，通过所述第一输出信号VOUT控制所述第二电容CPUMP的充放电并调节所述电荷泵5的输出端输出的泵电压VPUMP大小，所述第二电容CPUMP的充放电电流和所述第一电流源成比例。

所述压控振荡器6在所述泵电压VPUMP的控制下形成所述输出振荡信号FOUT。

当RC振荡器开始工作时所述保持电压VHOLD小于所述基准电压VREF，则所述第一输出信号VOUT控制所述第二电容CPUMP放电使所述泵电压VPUMP降低并降低所述输出振荡信号FOUT的频率，所述输出振荡信号FOUT的所述保持控制频率信号HOLD反馈到所述电压斜坡保持电路3并使所述第一电容C1的充电时间增加从而增加所述保持电压VHOLD的值直到所述保持电压VHOLD等于所述基准电压VREF并使所述输出振荡信号FOUT的频率稳定。

当RC振荡器开始工作时所述保持电压VHOLD大于所述基准电压VREF，则所述第一输出信号VOUT控制所述第二电容CPUMP充电使所述泵电压VPUMP升高并升高所述输出振荡信号FOUT的频率，所述输出振荡信号FOUT的所述保持控制频率信号HOLD反馈到所述电压斜坡保持电路3并使所述第一电容C1的充电时间减少从而降低所述保持电压VHOLD的值直到所述保持电压VHOLD等于所述基准电压VREF并使所述输出振荡信号FOUT的频率稳定。

通过调节所述第一电流源和所述第一电容C1的大小调节所述输出振荡信号FOUT的频率稳定值。由于通过调节所述第一电阻R1就能添加所述第一电流源的大小，所以本发明实施例通过调节所述第一电阻R1和所述第一电容C1的大小调节所述输出振荡信号FOUT的频率稳定值。

如图3所示，是本发明实施例中各信号随时间变化曲线；所述输出振荡信号FOUT为所述RC振荡器输出的频率，信号HOLD、HOLDF、INIT、PUMPF和PUMPT都由所述分频逻辑电路7输出，图3中以n＝1为例来说明本发明实施例各分频信号，即信号HOLD为4分频信号，信号INIT为8分频信号。

本发明实施例RC振荡器的工作原理为：

按照信号的逻辑关系图，给第一电容C1充电的信号是信号HOLD，每个周期内给C1充电时间为2倍的输出振荡信号FOUT的周期，如：假定设定信号HOLD为低电平时给第一电容C1充电，则信号HOLD为低电平的时间为输出振荡信号FOUT的2周期时间即2TOUT。而给电荷泵5的所述第二电容CPUMP充放电的时间为1个输出信号周期，如图3中所述泵控制信号PUMPF的脉冲电平处即低电平脉冲处为1个输出振荡信号FOUT的周期。信号INIT是给第一电容C1放电的信号。而在RAMP_HOLD电路3中，给第一电容C1的充电电流为VREF/R1,所以，当VHOLD＝VREF时，T＝RC1＝2TOUT。而电路由于反馈的作用，最终使得VHOLD＝VREF，所以，输出振荡信号FOUT的频率值即FOUT＝2/RC1，所以本发明实施例能通过调节所述第一电阻R1和所述第一电容C1的大小调节所述输出振荡信号FOUT的频率稳定值。

如图2所示，是本发明较佳实施例电路图；在如图1所示的本发明实施例的基础上，本发明较佳实施例还包括：

所述电压斜坡保持电路3包括第一PMOS管MP1、第二PMOS管MP2和第二NMOS管MN2，所述第一PMOS管MP1的源极和所述第二PMOS管MP2的源极都连接第二电流源，所述第二电流源为所述第一电流源的镜像电流。本发明较佳实施例中，所述第一电流源通过第七PMOS管MP7和第八PMOS管MP8镜像得到所述第二电流源。所述第七PMOS管MP7和所述第八PMOS管MP8的源极都连接电源电压VCC，栅极都连接在一起，漏极输出对应的电流源。

所述第一PMOS管MP1的漏极接地，所述第一PMOS管MP1的栅极连接所述输出振荡信号FOUT的保持控制频率信号HOLD的反相信号HOLDF；所述第二PMOS管MP2的漏极连接所述第一电容C1的第一端以及所述第二NMOS管MN2的漏极，所述第二PMOS管MP2的栅极连接所述输出振荡信号FOUT的保持控制频率信号HOLD；所述第二NMOS管MN2的源极接地，所述第二NMOS管MN2的栅极连接所述输出振荡信号FOUT的初始化频率信号INIT。

所述第一输出信号VOUT由互为反相的第一正相输出信号VOUT1和第一反相输出信号VOUT2组成，所述第一正相输出信号VOUT1通过所述比较器4正相输出端输出，所述第一反相输出信号VOUT2通过所述比较器4反相输出端输出。

所述电荷泵5包括第三PMOS管MP3、第四PMOS管MP4、第五PMOS管MP5、第六PMOS管MP6、第三NMOS管MN3和第四NMOS管MN4。

所述第三PMOS管MP3的源极和所述第四PMOS管MP4的源极都连接第三电流源，所述第三电流源为所述第一电流源的镜像电流；本发明较佳实施例中，所述第一电流源通过第七PMOS管MP7和第九PMOS管MP9镜像得到所述第三电流源。所述第七PMOS管MP7和所述第九PMOS管MP9的源极都连接电源电压VCC，栅极都连接在一起，漏极输出对应的电流源。

所述第三PMOS管MP3的漏极接地，所述第三PMOS管MP3的栅极连接所述泵控制信号PUMPF的反相信号PUMPT；所述第四PMOS管MP4的栅极连接所述泵控制信号PUMPF。

所述第四PMOS管MP4的漏极连接所述第五PMOS管MP5的源极和所述第六PMOS管MP6的源极，所述第五PMOS管MP5的栅极连接所述第一正相输出信号VOUT1，所述第六PMOS管MP6的栅极连接所述第一反相输出信号VOUT2。

所述第三NMOS管MN3的漏极和栅极、所述第五PMOS管MP5的漏极和所述第四NMOS管MN4的栅极连接在一起，所述第三NMOS管MN3的源极和所述第四NMOS管MN4的源极都接地；所述第四NMOS管MN4的漏极和所述第六NMOS管的漏极连接在一起并作为所述电荷泵5的输出端。

对于如图2所示的本发明较佳实施例RC oscillator，工作原理如下：若刚开始，保持电压VHOLD低于基准电压VREF,则VOUT1＝0；VOUT2＝high,从而使得电荷泵5对第二电容CPUMP放电，则VCO6输出振荡信号FOUT的周期变长，从而，保持控制频率信号HOLD的低电平时间变长，对第一电容C1充电时间变长，则保持电压VHOLD变高，这个循环过程一直持续到VHOLD＝VREF为止，这时候第二电容CPUMP不再变化，VCO6输出频率保持恒定。

相反，若刚开始，保持电压VHOLD高于基准电压VREF,则VOUT1＝high；VOUT2＝0,从而使得电荷泵5对第二电容CPUMP充电，则VCO6输出振荡信号FOUT周期变短，从而，保持控制频率信号HOLD的低电平时间变短，对第一电容C1充电时间变短，则保持电压VHOLD变低，这个循环过程一直持续到VHOLD＝VREF为止，这时候第二电容CPUMP不再变化，VCO6输出频率保持恒定。

如图4A所示，是本发明较佳实施例在第一种条件下的各信号仿真曲线；第一种条件为电源电压为1.6V，温度为-40℃，最后得到的输出频率信号FOUT的频率为1.6MHZ，周期为627ns。如图4B所示，是本发明较佳实施例在第二种条件下的各信号仿真曲线；第二种条件为电源电压为2.0V，温度为125℃，最后得到的输出频率信号FOUT的频率为1.65MHZ，周期为605ns。比较图4A和图4B的仿真结果可知，电压+温度偏差约+-1.5％，若对电路参数进行优化调整，电压在1.6V至2V，温度-40℃至125℃范围内变化时最大误差能缩小为1％。

以上通过具体实施例对本发明进行了详细的说明，但这些并非构成对本发明的限制。在不脱离本发明原理的情况下，本领域的技术人员还可做出许多变形和改进，这些也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种RC振荡器，其特征在于，包括：基准电压产生电路、电压电流产生电路、电压斜坡保持电路、比较器、电荷泵、压控振荡器和分频逻辑电路；

所述基准电压产生电路输出基准电压，所述电压电流产生电路将所述基准电压转化为第一电流源提供给所述电压斜坡保持电路；

所述电压斜坡保持电路的控制端连接保持控制频率信号和初始化频率信号，所述保持控制频率信号为所述分频逻辑电路对所述压控振荡器输出的输出振荡信号进行分频的4×n分频信号，其中n大于等于1；所述初始化频率信号为所述输出振荡信号的8×n分频信号；所述第一电容的第一端连接所述电压斜坡保持电路、所述第一电容的第二端接地，所述第一电容的第一端输出保持电压，通过所述初始化频率信号控制所述第一电容的放电以及通过所述保持控制频率信号控制所述第一电容的充电来调节所述保持电压的大小，所述第一电容的充电电流和所述第一电流源成比例；

所述比较器对所述保持电压和所述基准电压进行比较并输出第一输出信号到所述电荷泵的控制端；

所述电荷泵的控制端还连接所述输出振荡信号的分频信号逻辑组合形成的泵控制信号，所述泵控制信号为所述输出振荡信号的2×n分频信号、所述保持控制频率信号和所述初始化频率信号做逻辑或运算后的信号；

在所述电荷泵的输出端和地之间连接有第二电容，在所述泵控制信号的脉冲电平处，通过所述第一输出信号控制所述第二电容的充放电并调节所述电荷泵的输出端输出的泵电压大小，所述第二电容的充放电电流和所述第一电流源成比例；

所述压控振荡器在所述泵电压的控制下形成所述输出振荡信号；

当RC振荡器开始工作时所述保持电压小于所述基准电压，则所述第一输出信号控制所述第二电容放电使所述泵电压降低并降低所述输出振荡信号的频率，所述输出振荡信号的所述保持控制频率信号反馈到所述电压斜坡保持电路并使所述第一电容的充电时间增加从而增加所述保持电压的值直到所述保持电压等于所述基准电压并使所述输出振荡信号的频率稳定；

当RC振荡器开始工作时所述保持电压大于所述基准电压，则所述第一输出信号控制所述第二电容充电使所述泵电压升高并升高所述输出振荡信号的频率，所述输出振荡信号的所述保持控制频率信号反馈到所述电压斜坡保持电路并使所述第一电容的充电时间减少从而降低所述保持电压的值直到所述保持电压等于所述基准电压并使所述输出振荡信号的频率稳定。

2.如权利要求1所述的RC振荡器，其特征在于：所述电压电流产生电路包括运算放大器、第一NMOS管和第一电阻，所述运算放大器的正相输入端连接所述基准电压，所述运算放大器的反相输入端连接所述第一NMOS管的源极，所述运算放大器的输出端连接所述第一NMOS管的栅极，所述第一NMOS管的漏极连接所述电压斜坡保持电路，所述第一电阻连接在所述第一NMOS管的源极和地之间，所述第一电流源的大小为所述基准电压除以所述第一电阻的电阻值。

3.如权利要求1或2所述的RC振荡器，其特征在于：通过调节所述第一电流源和所述第一电容的大小调节所述输出振荡信号的频率稳定值。

4.如权利要求1所述的RC振荡器，其特征在于：所述电压斜坡保持电路包括第一PMOS管、第二PMOS管和第二NMOS管，所述第一PMOS管的源极和所述第二PMOS管的源极都连接第二电流源，所述第二电流源为所述第一电流源的镜像电流，所述第一PMOS管的漏极接地，所述第一PMOS管的栅极连接所述输出振荡信号的4分频信号的反相信号；所述第二PMOS管的漏极连接所述第一电容的第一端以及所述第二NMOS管的漏极，所述第二PMOS管的栅极连接所述输出振荡信号的保持控制频率信号；所述第二NMOS管的源极接地，所述第二NMOS管的栅极连接所述输出振荡信号的初始化频率信号。

5.如权利要求1所述的RC振荡器，其特征在于：所述第一输出信号由互为反相的第一正相输出信号和第一反相输出信号组成，所述第一正相输出信号通过所述比较器正相输出端输出，所述第一反相输出信号通过所述比较器反相输出端输出。

6.如权利要求5所述的RC振荡器，其特征在于：所述电荷泵包括第三PMOS管、第四PMOS管、第五PMOS管、第六PMOS管、第三NMOS管和第四NMOS管；

所述第三PMOS管的源极和所述第四PMOS管的源极都连接第三电流源，所述第三电流源为所述第一电流源的镜像电流；所述第三PMOS管的漏极接地，所述第三PMOS管的栅极连接所述泵控制信号的反相信号；所述第四PMOS管的栅极连接所述泵控制信号；

所述第四PMOS管的漏极连接所述第五PMOS管的源极和所述第六PMOS管的源极，所述第五PMOS管的栅极连接所述第一正相输出信号，所述第六PMOS管的栅极连接所述第一反相输出信号；

所述第三NMOS管的漏极和栅极、所述第五PMOS管的漏极和所述第四NMOS管的栅极连接在一起，所述第三NMOS管的源极和所述第四NMOS管的源极都接地；所述第四NMOS管的漏极和所述第六NMOS管的漏极连接在一起并作为所述电荷泵的输出端。