CN104518757B - 弛豫振荡器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种弛豫振荡器，包括：两个比较器，反相器，逻辑单元和开关组合电路；第二比较器的输出端连接反相器，第一比较器和反相器的输出端连接到逻辑单元，逻辑单元根据输入信号进行输出并将输出信息输入到开关组合电路并实现对开关组合电路的控制；第一比较器的第一输入端连接第一充放电路径、第二输入端连接参考电压，第二比较器的第二输入端连接第二充放电路径、第一输入端连接参考电压；开关组合电路分别控制两个充放电路径的充放电并形成振荡信号；通过两个比较器的两个输入端的连接结构使得两个比较器的失调电压对振荡信号的频率的影响正好相反并实现在振荡信号的一个周期内抵消。本发明能提高频率精度，几乎不额外消耗面积功耗。
Description
技术领域
本发明涉及一种半导体集成电路，特别是涉及一种弛豫振荡器(Relaxationoscillator)。
背景技术
硅振荡器是一种完全集成的振荡元件，是最简单的时钟源。和晶体和陶瓷谐振器不同，硅振荡器并不依赖于机械共振特性来获得振荡频率，而是基于一个内部的RC时间常数。这样的设计使硅器件对于外部机械作用不敏感。硅振荡器(silicon oscillator)在智能卡(smart card)，MCU等产品中广泛用于电荷泵(PUMP)驱动，逻辑(LOGIC)时钟等。
硅振荡器的弛豫振荡器中需要采用比较器来实现，比较器是振荡器中的关键模拟模块；比较器的延时限制了工作频率，比较器的失调电压为频率精度不可控部分的主要贡献。
在频率不高比如32KHz的弛豫振荡器中会经常使用比较器失调电压消除方法。
在占空比要求比较高的弛豫振荡器中需要使用两个比较器和两个充电电容。比较器的失调电压对应的充电时间为周期组成中的非理想因素，该非理想因素在一个周期中出现两次。
如图1所示，是现有弛豫振荡器的电路图；现有弛豫振荡器使用了比较器101和102，比较器101的输出端连接到RS触发器103的S端，比较器102的输出端连接到RS触发器103的R端，比较器101和102的负输入端都连接参考电压VREF，比较器101和102的正输入端分别连接一个充放电路径，两个充放电路径的充放电是分别通过电容C101和C102在电流源ICHARGE和地之间切换实现，其中电流源ICHARGE和直流电压DC连接。通过开关S2和S3实现电容C101在电流源ICHARGE和地之间切换，通过开关S1和S4实现电容C102在电流源ICHARGE和地之间切换。开关S1和S3的控制信号为RS触发器103的Q端输出信号，开关S2和S4的控制信号为RS触发器103的Q非端输出信号。
如图2所示，是图1所示的现有弛豫振荡器输出的振荡信号曲线；信号CAPP为比较器101的正输入端输入的充电信号，信号CAPN为比较器102的正输入端输入的充电信号。可以看出，图2中的A点对应于理想状态下的比较器101或102的触发点，B点对应于实际上叠加了比较器101或102本身的失调电压(offset)后的触发点，C点对应于实际上在B点的基础上再叠加了开关电路的失调电压和RS触发器的延迟后的触发点，也即点A到点B之间对应于比较器101或102本身的失调电压的影响，点B到点C之间对应于开关电路的失调电压和RS触发器的延迟的影响。由图2可以看出，在一个周期的两个阶段中，即信号CAPN和CAPP的充电阶段都比较器101或102本身的失调电压的影响出现了两次，这降低了振荡信号的频率精度。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种弛豫振荡器，能提高频率精度，几乎不额外消耗面积功耗。
为解决上述技术问题，本发明提供的弛豫振荡器包括：两个比较器，反相器，逻辑单元和开关组合电路。
两个所述比较器分别为第一比较器和第二比较器，所述第二比较器的输出端连接所述反相器，所述第一比较器和所述反相器的输出端连接到所述逻辑单元，所述逻辑单元根据输入信号进行输出，所述逻辑单元的输出信息输入到所述开关组合电路并实现对所述开关组合电路的控制。
所述第一比较器的第一输入端和所述第二比较器的第一输入端都为对应的比较器的正输入端或负输入端中的一个，所述第一比较器的第二输入端和所述第二比较器的第二输入端都为对应的比较器的正输入端或负输入端中的另一个；所述第一比较器的第一输入端连接第一充放电路径、第二输入端连接参考电压，所述第二比较器的第二输入端连接第二充放电路径、第一输入端连接参考电压。
所述开关组合电路分别控制所述第一充放电路径和所述第二充放电路径的充放电使所述第一充放电路径和所述第二充放电路径的充放电交替进行并形成振荡信号；通过所述第一比较器和所述第二比较器的两个输入端的连接结构使得所述第一比较器的失调电压和所述第二比较器的失调电压对所述振荡信号的频率的影响正好相反并实现在所述振荡信号的一个周期内抵消。
进一步的改进是，所述第一充放电路径包括第一电容和第一电流源，所述第一电容的第一端接地，所述第一电容的第二端连接所述第一比较器的第一输入端；所述第一电容的第二端通过所述开关组合电路在所述第一电流源和地之间切换实现所述第一电容的充放电。
进一步的改进是，所述开关组合电路用于控制所述第一电容的充放电的部分包括第一开关和第二开关，所述第一开关连接在所述第一电容的第二端和所述第一电流源之间，所述第二开关连接在所述第一电容的第二端和地之间。
进一步的改进是，所述第二充放电路径包括第二电容和第一电流源，所述第二电容的第一端接地，所述第二电容的第二端连接所述第二比较器的第二输入端；所述第二电容的第二端通过所述开关组合电路在所述第一电流源和地之间切换实现所述第二电容的充放电。
进一步的改进是，所述开关组合电路用于控制所述第二电容的充放电的部分包括第三开关和第四开关，所述第三开关连接在所述第二电容的第二端和所述第一电流源之间，所述第四开关连接在所述第二电容的第二端和地之间。
进一步的改进是，所述逻辑单元为RS触发器，所述RS触发器的R端和S端分别连接所述第一比较器和所述反相器的输出端中的一个，所述RS触发器的Q端和Q非端分别作为输出信息输入到所述开关组合电路并实现对所述开关组合电路的控制。
本发明通过将弛豫振荡器的两个比较器的正负输入端所加的参考信号和充放电路径信号正好相反并在其中一个比较器的输出端增加一个反相器后输入到后续的逻辑单元中，使得两个比较器的失调电压对振荡信号的频率的影响正好相反从而能实现在振荡信号的一个周期内将两个比较器的失调电压对振荡信号的频率的影响抵消，从而能提高频率精度。
另外，本发明的电路结构仅是对比较器的输入信号的连接关系进行更改以及增加一个反相器即可，几乎不额外消耗面积功耗。
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是现有弛豫振荡器的电路图；
图2是图1所示的现有弛豫振荡器输出的振荡信号曲线；
图3是本发明实施例弛豫振荡器的电路框图；
图4是本发明较佳实施例弛豫振荡器的电路图；
图5是图4所示的本发明较佳实施例弛豫振荡器输出的振荡信号曲线。
具体实施方式
如图3所示，是本发明实施例弛豫振荡器的电路框图；本发明实施例弛豫振荡器包括：两个比较器1和2，反相器3，逻辑单元4和开关组合电路7。
两个所述比较器分别为第一比较器1和第二比较器2，所述第二比较器2的输出端连接所述反相器3，所述第一比较器1和所述反相器3的输出端连接到所述逻辑单元4，所述逻辑单元4根据输入信号进行输出，所述逻辑单元4的输出信息即out端的输出信号输入到所述开关组合电路7并实现对所述开关组合电路7的控制。
所述第一比较器1的第一输入端in1和所述第二比较器2的第一输入端in1都为对应的比较器的正输入端或负输入端中的一个，所述第一比较器1的第二输入端in2和所述第二比较器2的第二输入端in2都为对应的比较器的正输入端或负输入端中的另一个；所述第一比较器1的第一输入端in1连接第一充放电路径5、第二输入端in2连接参考电压VREF，所述第二比较器2的第二输入端in2连接第二充放电路径6、第一输入端in1连接参考电压VREF。
所述开关组合电路7分别控制所述第一充放电路径5和所述第二充放电路径6的充放电使所述第一充放电路径5和所述第二充放电路径6的充放电交替进行并形成振荡信号；通过所述第一比较器1和所述第二比较器2的两个输入端的连接结构使得所述第一比较器1的失调电压和所述第二比较器2的失调电压对所述振荡信号的频率的影响正好相反并实现在所述振荡信号的一个周期内抵消。
如图4所示，是本发明较佳实施例弛豫振荡器的电路图；在本发明较佳实施例中，弛豫振荡器包括：两个比较器1a和2a，反相器3a，由RS触发器4a组成的逻辑单元和开关组合电路。
两个所述比较器分别为第一比较器1a和第二比较器2a，所述第二比较器2a的输出端连接所述反相器3a；所述RS触发器4a的S端连接所述第一比较器1a的输出端，所述RS触发器4a的R端连接所述第二比较器2a的输出端，所述RS触发器4a的Q端和Q非端分别作为输出信息输入到所述开关组合电路并实现对所述开关组合电路的控制。
所述第一比较器1a的正输入端连接第一充放电路径、负输入端连接参考电压VREF，所述第二比较器2a的负输入端连接第二充放电路径、正输入端连接参考电压VREF。
所述开关组合电路分别控制所述第一充放电路径和所述第二充放电路径的充放电使所述第一充放电路径和所述第二充放电路径的充放电交替进行并形成振荡信号；通过所述第一比较器1a和所述第二比较器2a的两个输入端的连接结构使得所述第一比较器1a的失调电压和所述第二比较器2a的失调电压对所述振荡信号的频率的影响正好相反并实现在所述振荡信号的一个周期内抵消。
所述第一充放电路径5包括第一电容C1和第一电流源ICHARGE，第一电流源ICHARGE和直流电压DC连接。所述第一电容C1的第一端接地，所述第一电容C1的第二端连接所述第一比较器1a的正输入端；所述第一电容C1的第二端通过所述开关组合电路在所述第一电流源ICHARGE和地之间切换实现所述第一电容C1的充放电。
所述开关组合电路用于控制所述第一电容C1的充放电的部分包括第一开关S1和第二开关S2，所述第一开关S1连接在所述第一电容C1的第二端和所述第一电流源ICHARGE之间，所述第二开关S2连接在所述第一电容C1的第二端和地之间。
所述第二充放电路径6包括第二电容C2和第一电流源ICHARGE，所述第二电容C2的第一端接地，所述第二电容C2的第二端连接所述第二比较器2a的第二输入端；所述第二电容C2的第二端通过所述开关组合电路在所述第一电流源ICHARGE和地之间切换实现所述第二电容C2的充放电。
所述开关组合电路用于控制所述第二电容C2的充放电的部分包括第三开关S3和第四开关S4，所述第三开关S3连接在所述第二电容C2的第二端和所述第一电流源ICHARGE之间，所述第四开关S4连接在所述第二电容C2的第二端和地之间。
由上可知，本发明较佳实施例的所述开关组合电路由所述第一开关S1、所述第二开关S2、所述第三开关S3和所述第四开关S4组成，其中所述RS触发器4a的Q端输入到所述第一开关S1和所述第四开关S4的控制端实现对这两个开关的控制，所述RS触发器4a的Q非端输入到所述第二开关S2和所述第三开关S3的控制端实现对这两个开关的控制，实现所述第一开关S1和所述第四开关S4同时打开关闭、所述第二开关S2和所述第三开关S3同时关闭打开。
如图5所示，是图4所示的本发明较佳实施例弛豫振荡器输出的振荡信号曲线。和图2类似，信号CAPP为比较器1a的正输入端输入的充电信号，信号CAPN为比较器2a的正输入端输入的充电信号。A点对应于理想状态下的比较器1a或2a的触发点，B点对应于实际上叠加了比较器1a或2a本身的失调电压后的触发点，C点对应于实际上在B点的基础上再叠加了开关电路的失调电压和RS触发器的延迟后的触发点。由一周期中可以看出，信号CAPP的B点是叠加在A点之后，而信号CAPN的B点是叠加在A点之前，信号CAPP需要从A点上升到B点然后再上升到C点后才触发；而信号CAPN是先到达B点然后再上升到C点后触发，也即信号CAPN在到达A点之前已经触发，可知在一个周期中信号CAPP的点A到点B之间的时间正好被信号CAPP的点B到点A之间的时间抵消，也即消除了比较器1a或2a本身的失调电压的影响，这提高了振荡信号的频率精度。
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)
1.一种弛豫振荡器，其特征在于，包括：两个比较器，反相器，逻辑单元和开关组合电路；
两个所述比较器分别为第一比较器和第二比较器，所述第二比较器的输出端连接所述反相器，所述第一比较器和所述反相器的输出端连接到所述逻辑单元，所述逻辑单元根据输入信号进行输出，所述逻辑单元的输出信息输入到所述开关组合电路并实现对所述开关组合电路的控制；
所述第一比较器的第一输入端和所述第二比较器的第一输入端都为对应的比较器的正输入端或负输入端中的一个，所述第一比较器的第二输入端和所述第二比较器的第二输入端都为对应的比较器的正输入端或负输入端中的另一个；所述第一比较器的第一输入端连接第一充放电路径、第二输入端连接参考电压，所述第二比较器的第二输入端连接第二充放电路径、第一输入端连接参考电压；
所述开关组合电路分别控制所述第一充放电路径和所述第二充放电路径的充放电使所述第一充放电路径和所述第二充放电路径的充放电交替进行并形成振荡信号；通过所述第一比较器和所述第二比较器的两个输入端的连接结构使得所述第一比较器的失调电压和所述第二比较器的失调电压对所述振荡信号的频率的影响正好相反并实现在所述振荡信号的一个周期内抵消。
2.如权利要求1所述的弛豫振荡器，其特征在于：所述第一充放电路径包括第一电容和第一电流源，所述第一电容的第一端接地，所述第一电容的第二端连接所述第一比较器的第一输入端；所述第一电容的第二端通过所述开关组合电路在所述第一电流源和地之间切换实现所述第一电容的充放电。
3.如权利要求2所述的弛豫振荡器，其特征在于：所述开关组合电路用于控制所述第一电容的充放电的部分包括第一开关和第二开关，所述第一开关连接在所述第一电容的第二端和所述第一电流源之间，所述第二开关连接在所述第一电容的第二端和地之间。
4.如权利要求1所述的弛豫振荡器，其特征在于：所述第二充放电路径包括第二电容和第一电流源，所述第二电容的第一端接地，所述第二电容的第二端连接所述第二比较器的第二输入端；所述第二电容的第二端通过所述开关组合电路在所述第一电流源和地之间切换实现所述第二电容的充放电。
5.如权利要求4所述的弛豫振荡器，其特征在于：所述开关组合电路用于控制所述第二电容的充放电的部分包括第三开关和第四开关，所述第三开关连接在所述第二电容的第二端和所述第一电流源之间，所述第四开关连接在所述第二电容的第二端和地之间。
6.如权利要求1所述的弛豫振荡器，其特征在于：所述逻辑单元为RS触发器，所述RS触发器的R端和S端分别连接所述第一比较器和所述反相器的输出端中的一个，所述RS触发器的Q端和Q非端分别作为输出信息输入到所述开关组合电路并实现对所述开关组合电路的控制。
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