CN105071785A - 片上精准振荡器及其温度系数与频率的校准方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种片上精准振荡器及其温度系数与频率的校准方法，所述振荡器包括基准电压源、运算放大器(OPAMP)、P型场效应管M1、固定电阻R1、可调电阻R2、存储器103、电流型数模转换器(IDAC)、第一比较器(COMP1)、第二比较器(COMP2)、RS锁存器、第一开关S1、第二开关S2、第三开关S3、第四开关S4、第一电容C1以及第二电容C2。本发明的有益效果在于：消除了振荡器的温度效应以及工艺误差，振荡频率误差可以控制在1％以内。

Description

片上精准振荡器及其温度系数与频率的校准方法

技术领域

本发明涉及电子电路技术领域，具体涉及一种片上精准振荡器及其温度系数与频率的校准方法。

背景技术

电子设备中常常需要具有一定精度的时钟，以保证通信的安全可靠，例如，UART(UniversalAsynchronousReceiver/Transmitter，通用异步收发传输器)的波特率误差一般要求在2％以内。这些设备一般采用外挂晶振的方式来保证时钟的精准度，如果在芯片内部集成精准的振荡器，则能相应的降低电子设备的成本。

在常规的片上振荡器中，由一定电流对电容进行充电，当电容电压达到预设的基准电压后转而对电容放电，放电结束后再对电容充电，周而复始产生振荡信号。振荡频率的精准度取决于充电电流、电容和基准电压的精度，然而，芯片内产生的电流的绝对精度只能达到+/-10％左右，温度漂移可能达到1000ppm/℃左右，电容的绝对精度只能达到+/-15％左右，温度系数可以忽略，因此，常温下，振荡频率的误差可能达到+/-25％，100℃的温度变化导致的频率误差可能达到10％。

公告号为CN101977035B的发明专利公开了一种温度补偿失调消除的RC振荡器及其实现方法，该振荡器由一个零温度系数的电压基准VREF1、一个负温度系数的电压基准VREF2、一个正温度系数的电阻R、两个运算放大器以及两个场效应管产生零温度系数的电流基准IREF，由该电流基准IREF产生电流相等的电流源IP和电流沉IN，电流源IP和电流沉IN对电容C充放电产生振荡信号。由于电压基准VREF2的温度系数与电阻R的温度系数都强烈依赖于工艺生产，具有很大的不确定性，该振荡器的温度补偿效果难以保证，另外，电容C的大小、电流源IP和电流沉IN的大小都随工艺而变化，同一温度下，不同批次或者同一批次不同振荡器个体的实际频率也具有一定的差异。

公开号为CN103701411A的发明专利公开了一种具有温度和工艺自补偿特性的CMOS松弛振荡器，该振荡器由一个基准源产生基准电流Iref和基准电压Vref，分别用作电容C1、C2的充电电流和电容充放电的基准电压，由于所产生的Iref近似与温度无关而正比于工艺参数Cox，Vref既与温度无关也与工艺无关，电容C1、C2正比于工艺参数Cox，因此该振荡器具有温度和工艺自补偿特性。但Vref大小为两个同为N型MOS管的Vth之差，数值一般不超过100mV，相应的振荡器幅度也就不到100mV，振荡频率很容易受到噪声以及比较器失调电压的影响。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种片上精准振荡器，可以修正工艺偏差和温度误差，使振荡频率误差可以控制在1％以内。本发明的上述目的由以下技术方案实现：

一种片上精准振荡器，其特征在于，包括：基准电压源、运算放大器(OPAMP)、P型场效应管M1、固定电阻R1、可调电阻R2、存储器103、电流型数模转换器(IDAC)、第一比较器(COMP1)、第二比较器(COMP2)、RS锁存器、第一开关S1、第二开关S2、第三开关S3、第四开关S4、第一电容C1以及第二电容C2；

运算放大器(OPAMP)的正输入端接基准电压源所产生的基准电压VREF，负输入端接固定电阻R1的一端以及场效应管M1的漏极，固定电阻R1的另一端接可调电阻R2的一端，可调电阻R2的另一端接地，运算放大器(OPAMP)的输出接P型场效应管M1的栅极以及电流型数模转换器(IDAC)，M1的源极接电源VDD，存储器分别与可调电阻R2的控制端及电流型数模转换器(IDAC)的控制端相接，为可调电阻R2提供电阻控制字N，为电流型数模转换器(IDAC)提供电流控制字M；

第一开关S1的一端接电流型数模转换器(IDAC)所产生的电流ICHP，另一端接电容C1的一端以及第二开关S2的一端，电容C1的另一端以及第二开关S2的另一端都接地；第三开关S3的一端接电流型数模转换器(IDAC)所产生的电流ICHP，另一端接电容C2的一端以及第四开关S4的一端，电容C2的另一端以及第四开关S4的另一端都接地；

第一比较器(COMP1)的正输入端接基准电压源的输出VREF，负输入端接第一电容C1与第一开关S1、第二开关S2的公共端，输出端接RS锁存器的R端；第二比较器(COMP2)的正输入端接基准电压源的输出VREF，负输入端接第二电容C2与第三开关S3、第四开关S4的公共端，输出端接RS锁存器的S端；RS锁存器的输出端Q接第二开关S2与第三开关S3的控制端，输出端QN接第一开关S1与第四开关S4的控制端。

作为具体的技术方案：所述固定电阻R1与可调电阻R2的温度系数相反。

作为具体的技术方案：所述存储器为EFUSE阵列。

作为具体的技术方案：所述存储器为PROM。

本发明的又一目的是基于上述片上精准振荡器，提供一种该振荡器的温度系数与频率的校准方法，该又一目的由以下技术方案实现：

一种基于权利要求1所述的片上精准振荡器的温度系数与频率的校准方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)先后测量低温与高温两种条件下，片上精准振荡器的频率；

(2)调节电阻控制字N，使得低温与高温两种条件下，振荡器的频率相等；

(3)将电阻控制字N固定在存储器中；

(4)调节电流控制字M，使得振荡器的频率达到目标频率；

(5)将电流控制字M固定在存储器中。

本发明的有益效果在于：消除了振荡器的温度效应以及工艺误差，振荡频率误差可以控制在1％以内。

附图说明

图1为本发明实施例一提供的片上精准振荡器的电路原理图。

图2为图1所示片上精准振荡器的温度系数与频率的校准流程图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明。

实施例一：

如图1所示，本实施例提供的片上精准振荡器主要包括基准电压源、电流产生模块与时钟产生模块。

电流产生模块包括运算放大器OPAMP、P型场效应管M1、固定电阻R1、可调电阻R2、存储器以及电流型数模转换器IDAC；运算放大器OPAMP的正输入端接基准电压源产生的基准电压VREF，负输入端接R1的一端以及P型场效应管M1的漏极，电阻R1的另一端接可调电阻R2的一端，可调电阻R2的另一端接地，可调电阻R2的阻值由存储器里存储的电阻控制字N控制，运算放大器OPAMP的输出接P型场效应管M1的栅极以及电流型数模转换器IDAC，M1的源极接电源VDD，存储器与可调电阻R2以及电流型数模转换器IDAC相接，电流型数模转换器IDAC所产生的电流ICHP正比于M1的电流IREF，具体比例大小由存储器存储的电流控制字M控制。

时钟产生模块包括第一比较器COMP1、第二比较器COMP2、第一充放电电路、第二充放电电路以及RS锁存器。

具体地，第一充放电电路包括第一开关S1、第二开关S2以及第一电容C1，第一开关S1的一端接电流型数模转换器IDAC所产生的电流ICHP，另一端接电容C1的一端以及第二开关S2的一端，电容C1的另一端以及第二开关S2的另一端都接地。第二充放电电路包括第三开关S3、第四开关S4以及第二电容C2，第三开关S3的一端接电流型数模转换器IDAC所产生的电流ICHP，另一端接电容C2的一端以及第四开关S4的一端，电容C2的另一端以及第四开关S4的另一端都接地。

第一比较器COMP1的正输入端接基准电压源的输出VREF，负输入端接第一电容C1与第一开关S1、第二开关S2的公共端，输出端接RS锁存器的R端。第二比较器COMP2的正输入端接基准电压源的输出VREF，负输入端接第二电容C2与第三开关S3、第四开关S4的公共端，输出端接RS锁存器的S端。RS锁存器的输出端Q接第二开关S2与第三开关S3的控制端，输出端QN接第一开关S1与第四开关S4的控制端。

其中，R1与R2的温度系数相反，分别设为TC1与TC2，R2受控于存储器中电阻控制字N，设R2＝N*RU2，RU2表示R2的单位电阻，常温下R1、RU2的大小记为R10、RU20，那么，由基准电压源、运算放大器(OPAMP)、P型场效应管M1、固定电阻R1、可调电阻R2构成的反馈环路所产生的基准电流IREF可表示为：

$\begin{array}{c}IREF\left(T\right)=\frac{VREF}{R1+R2}\\ =\frac{VREF}{R1+N*RU2}\\ =\frac{VREF}{R10*(1+TC1*T)+N*RU20*(1+TC2*T)}\end{array}$

IREF的温度系数计算为：

$\begin{array}{c}\frac{\∂IREF\left(T\right)}{\∂T}=-\frac{VREF}{{\[R10*(1+TC1*T)+N*RU20*(1+TC2*T)\]}^2}*(R10*TC1+N*RU20*TC2)\\ \≈-\frac{VREF}{{(R10+N*RU20)}^2}*(R10*TC1+N*RU20*TC2)\end{array}$

因此，只要取

$N=-\frac{R10*TC1}{RU20*TC2}$

即可使得IREF的温度系数近似达到0：

$IREF\left(T\right)=\frac{VREF}{R10+N*RU20}$

也就消除了上述实施例中振荡器的温度系数。

电容C1和C2的容值相等，设C1＝C2＝C，那么，上述实施例中振荡器的频率可以表示为：

$\begin{array}{c}f=\frac{M*IREF}{2*C*VREF}\\ =\frac{M}{2*C*(R10+N*RU20)}\end{array}$

一旦确定电阻控制字N之后，对于R10、RU20以及C的工艺偏差，可以通过调节电流控制字M来纠正，从而将振荡频率校准到所需要的数值，从而实现精准的片上振荡器。

实施例二：

实施例二与实施例一的区别在于：存储器为EFUSE阵列。

实施例三：

实施例三与实施例一的区别在于：存储器为PROM。

请参阅图2，上述各实施例提供的片上精准振荡器的温度系数与频率的校准方法，包括以下步骤：

(1)先后测量低温与高温两种条件下，振荡器的频率；

(2)调节电阻控制字N，使得低温与高温两种条件下，振荡器的频率相等；

(3)将电阻控制字N固定在存储器中；

(4)调节电流控制字M，使得振荡器的频率达到目标频率。

(5)将电流控制字M固定在存储器中。

综上所述，本发明上述各实施例的片上精准振荡器，可以达到以下有益效果：消除振荡器的温度效应以及工艺误差，振荡频率误差可以控制在1％以内。

上述仅对本发明中的具体实施例加以说明，并不能作为本发明的保护范围，凡是依据本发明中的创新主旨、未经创造性劳动的技术特征等效替换或增减，均应属于本发明揭露的范围。

Claims (5)

1.一种片上精准振荡器，其特征在于，包括：基准电压源、运算放大器(OPAMP)、P型场效应管M1、固定电阻R1、可调电阻R2、存储器103、电流型数模转换器(IDAC)、第一比较器(COMP1)、第二比较器(COMP2)、RS锁存器、第一开关S1、第二开关S2、第三开关S3、第四开关S4、第一电容C1以及第二电容C2；

运算放大器(OPAMP)的正输入端接基准电压源所产生的基准电压VREF，负输入端接固定电阻R1的一端以及场效应管M1的漏极，固定电阻R1的另一端接可调电阻R2的一端，可调电阻R2的另一端接地，运算放大器(OPAMP)的输出接P型场效应管M1的栅极以及电流型数模转换器(IDAC)，M1的源极接电源VDD，存储器分别与可调电阻R2的控制端及电流型数模转换器(IDAC)的控制端相接，为可调电阻R2提供电阻控制字N，为电流型数模转换器(IDAC)提供电流控制字M；

第一开关S1的一端接电流型数模转换器(IDAC)所产生的电流ICHP，另一端接电容C1的一端以及第二开关S2的一端，电容C1的另一端以及第二开关S2的另一端都接地；第三开关S3的一端接电流型数模转换器(IDAC)所产生的电流ICHP，另一端接电容C2的一端以及第四开关S4的一端，电容C2的另一端以及第四开关S4的另一端都接地；

第一比较器(COMP1)的正输入端接基准电压源的输出VREF，负输入端接第一电容C1与第一开关S1、第二开关S2的公共端，输出端接RS锁存器的R端；第二比较器(COMP2)的正输入端接基准电压源的输出VREF，负输入端接第二电容C2与第三开关S3、第四开关S4的公共端，输出端接RS锁存器的S端；RS锁存器的输出端Q接第二开关S2与第三开关S3的控制端，输出端QN接第一开关S1与第四开关S4的控制端。

2.根据权利要求1所述的片上精准振荡器，其特征在于：所述固定电阻R1与可调电阻R2的温度系数相反。

3.根据权利要求1所述的片上精准振荡器，其特征在于：所述存储器为EFUSE阵列。

4.根据权利要求1所述的片上精准振荡器，其特征在于：所述存储器为PROM。

5.一种基于权利要求1所述的片上精准振荡器的温度系数与频率校准方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)先后测量低温与高温两种条件下，片上精准振荡器的频率；

(2)调节电阻控制字N，使得低温与高温两种条件下，振荡器的频率相等；

(3)将电阻控制字N固定在存储器中；

(4)调节电流控制字M，使得振荡器的频率达到目标频率；

(5)将电流控制字M固定在存储器中。