CN105703712A - 高精度的rc振荡器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高精度的RC振荡器，该RC振荡器包括基准电压产生电路、充放电电路、比较器CMP、延时电路、分频电路；所述基准电压产生电路与比较器CMP的正相端连接，所述充放电电路一路与比较器CMP的负相端连接，所述比较器CMP之后依次连接延时电路、分频电路；所述充放电电路的另一路连接在延时电路、分频电路之间。本发明仅采用单个比较器且仅采用单个基准电压，使得电路更简单，功耗更小；同时基准电压与充电电流均与电源电压相关，从而使RC振荡器的周期可以与电源电压及温度无关，使RC振荡器的精度可以做到很高；由于加入了分频电路，使得本RC振荡器的输出时钟为严格的50％占空比，更加适合某些数字电路的应用场合。

Description

高精度的RC振荡器

技术领域

本发明属于集成电路技术领域，具体涉及一种高精度的RC振荡器。

背景技术

RC振荡器通常是利用电流在电阻电容上充放电的时间作为周期，来产生相应的振荡频率。RC振荡器的充放电的时间受充放电电流及参考电压的影响，因此RC振荡器的频率容易受电源电压及温度的影响。为了尽量减小电源电压及温度的变化对RC振荡频率的影响，许多设计和发明提出了高精度的RC振荡器，如图1所示。图1所示的是目前常用的带双比较器的高精度RC振荡器的结构图，图中包括充放电控制电路，基准电压产生电路，比较器C_mp1和C_mp2，RS触发器以及充放电电容。充放电控制电路根据两路比较器的输出值，控制电流对电容的充放电，该电流设计成与电源电压和温度无关，同时基准电压也不受电源电压与温度的影响。

上述RC振荡器减小了充放电电流和充放电电压对电源电压及温度的依赖性，因此其输出频率不受电源电压及温度的影响。由于上述结构中采用了双比较器，双基准电压，使得设计更复杂且功耗更大；同时双比较器之间输入失配电压的差异也会导致输出频率仍然与温度相关；上述RC振荡器的输出占空比并非严格的50％，在某些数字电路应用场合可能不适用。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种高精度的RC振荡器。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种高精度的RC振荡器，其特征在于，该RC振荡器包括基准电压产生

电路、充放电电路、比较器CMP、延时电路、分频电路；其中，

所述基准电压产生电路，用于产生一路基准电压V_REF并且发送到比较器CMP；

所述充放电电路，用于接收延时电路反馈的反馈信号V_C2以及产生输出电压V_CTL并输出到比较器CMP；

所述比较器CMP，用于将充放电电路产生的输出电压V_CTL与基准电压产生电路产生的基准电压V_REF进行比较，产生比较信号V_C1并且送到延时电路；

所述延时电路，用于对比较信号V_C1进行延时及反相而获得反馈信号V_C2，产生的反馈信号V_C2送到分频电路和充放电电路；

所述分频电路，用于将反馈信号V_C2的频率减半后输出。

本发明实施例提供一种高精度的RC振荡器，该RC振荡器包括基准电压产生电路、充放电电路、比较器CMP、延时电路、分频电路；所述基准电压产生电路与比较器CMP的正相端连接，所述充放电电路一路与比较器CMP的负相端连接，所述比较器CMP之后依次连接延时电路、分频电路；所述充放电电路的另一路连接在延时电路、分频电路之间。

上述方案中，所述基准电压产生电路由串联的电阻R₁、电阻R₂构成，其中，电源电压V_DD输入至所述电阻R₁的正端，所述电阻R₁的负端输出基准电压V_REF；所述基准电压V_REF一路输出到所述比较器CMP的正相端，另一路输出到所述电阻R₂的正端，所述电阻R₂的负端接地。

上述方案中，所述电阻R₁，电阻R₂温度系数相同。产生的基准电压V_REF与电源电压V_DD是线性关系。

上述方案中，所述充放电电路由开关管S₁、开关管S₂、电阻R₃、电容C₁组成；所述开关管S₁、开关管S₂的控制端接反馈信号V_C2，所述开关管S₁的正端接电源电压V_DD，负端接电阻R₃的正端，所述电阻R₃的负端接电容C₁的正端和开关管S₂的正端，同时所述电阻R₃的负端为充放电电路102的输出端，所述电容C₁的负端与开关管S₂的负端接地。

上述方案中，所述延时电路由延时单元D₁与二输入与非门A₁组成，所述二输入与非门A₁的一个输入端接比较信号V_C1，另一个输入端接比较信号V_C1经过延时单元D₁之后的信号V_M，所述二输入与非门A的输出端输出反馈信号V_C2。

上述方案中，所述分频电路由一个D触发器D_FF1组成，所述D触发器D_FF1的输入D端接D触发器的反相输出端，所述反馈信号V_C2送入D触发器D_FF1，所述D触发器D_FF1的正相输出端Q即为RC振荡器的输出端。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

本发明仅采用单个比较器且仅采用单个基准电压，使得电路更简单，功耗更小；同时基准电压与充电电流均与电源电压相关，从而使RC振荡器的周期可以与电源电压及温度无关，使RC振荡器的精度可以做到很高；由于加入了分频电路，使得本RC振荡器的输出时钟为严格的50％占空比，更加适合某些数字电路的应用场合。

附图说明

图1为现有的采用双比较器的高精度RC振荡器的结构示意图。

图2为本发明的RC振荡器结构示意图。

图3为本发明中基准电压产生电路的结构示意图。

图4为本发明中充放电电路的结构示意图。

图5为本发明中延时电路的结构示意图。

图6为本发明中分频电路的结构示意图。

图7为本发明中部分信号的波形示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明实施例提供一种高精度的RC振荡器，如图2所示，该RC振荡器包括基准电压产生电路101、充放电电路102、比较器CMP、延时电路103、分频电路104；其中，

所述基准电压产生电路101，用于产生一路基准电压V_REF并且送到比较器CMP；

所述充放电电路102，用于接收延时电路103反馈的反馈信号V_C2以及产生输出电压V_CTL并输出到比较器CMP；

所述比较器CMP，用于将充放电电路102产生的输出输出电压V_CTL与基准电压产生电路101产生的基准电压V_REF进行比较，产生比较信号V_C1并且发送到延时电路103和分频电路104；

所述延时电路103，用于对比较信号V_C1进行延时及反相后获得的反馈信号V_C2发送到分频电路104和充放电电路102；

所述分频电路104，用于将反馈信号V_C2的频率减半后输出。

如图3所示，所述基准电压产生电路101由串联的电阻R₁、电阻R₂构成，其中，电源电压V_DD输入至所述电阻R₁的正端，所述电阻R₁的负端输出基准电压V_REF；所述基准电压V_REF一路输出到所述比较器CMP的正相端，另一路输出到所述电阻R₂的正端，所述电阻R₂的负端接地。

所述的电阻可由相类似的方案产生，基本原则是保持两个电阻的温度系数相同即可。本实施例中所述电阻R₁＝电阻R₂，产生的基准电压V_REF等于V_DD/2。

如图4所示，所述充放电电路102由开关管S₁、开关管S₂、电阻R₃、电容C₁组成；所述开关管S₁、开关管S₂的控制端接反馈信号V_C2，所述开关管S₁的正端接电源电压V_DD，负端接电阻R₃的正端，所述电阻R₃的负端接电容C₁的正端和开关管S₂的正端，同时所述电阻R₃的负端为充放电电路102的输出端，所述电容C₁的负端与开关管S₂的负端接地。上述充放电电路中开关可以由相类似的器件产生，基本原则是采用一个高电压导通，低电压断开的开关作为S₂，采用一个高电压断开，低电压导通的开关作为S₁。本实施例中，S₁采用了P沟道MOS管，S₂采用了N沟道MOS管。

当V_C2＝0时，即比较器的输出为高，此时比较器的正端输入电压高于负端输入电压，即充放电电路输出电压V_CTL的电压低于基准电压V_REF，使得开关S₁闭合，S₂断开，即对V_CTL进行充电，使得V_CTL的电压升高。

当V_C2＝1时，即比较器的输出为低，此时比较器的正端输入电压低于负端输入电压，即V_CTL的电压高于基准电压V_REF，使得开关S₁断开，S₂闭合，即V_CTL对地进行放电，使得V_CTL的电压下降。

如图5所示，所述延时电路103由延时单元D₁与二输入与非门A₁组成，所述二输入与非门A₁的一个输入端接比较信号V_C1，另一个输入端接比较信号V_C1经过延时单元D₁之后的信号V_M，所述二输入与非门A的输出端输出反馈信号V_C2。

所述延时电路103也可以由其他类似的方法或电路实现，基本理论是检测输入信号的下降沿，使每一个下降沿均产生一个脉冲宽度相同的电平。

如图6所示，所述分频电路104由一个D触发器D_FF1组成，所述D触发器D_FF1的输入D端接D触发器反相输出端，所述反馈信号V_C2送入D触发器D_FF1，所述D触发器D_FF1的正相输出端Q即为RC振荡器的输出端。

所述分频电路104也可以由其他类似的方法或者电路实现，基本理论是将输入信号进行二分频。

本发明实施例所示的RC振荡器，具体工作过程如下。

1、基准电压产生电路101产生一个与温度无关，与电源电压成线性关系的基准电压V_REF。

2、V_REF为电路中的比较器CMP提供正相端电压。比较器CMP的翻转电平为V_REF，即为V_DD/2。

3、当电路上电时，V_CTL＝0，此时比较器的输出为1，V_C2为低电压，开关S₁闭合，S₂断开，充放电电路开始对电容进行充电，V_CTL的电压由0开始逐渐上升，由于V_REF电压为V_DD/2，比较器CMP无迟滞，因此比较器CMP的翻转电压始终为V_DD/2。

4、当V_CTL充电到V_DD/2时，比较器的输出翻转，由1变成0，V_C2为高电压，此时开关S₁断开，S₂闭合，充放电电路开始将电容对地进行放电。由于放电通路上无电阻，开关S₂的电阻可以忽略，因此放电的速度非常快，放电时间相对于充电时间可以忽略。当V_CTL的电压低于V_DD/2时，比较器的输出翻转，输出电平又由0变成1，开始下一轮对V_CTL的充电过程。

V_CTL由0V充电到V_DD/2，然后被放电至0V，再被充电，如此循环。下面计算V_CTL由0V充电到V_DD/2的时间T₂。

5、在t＝0时刻，V_CTL＝0V，比较器输出为1，此时开关S₁闭合，S₂断开，电路对电容进行充电，V_CTL的表达式为

$V_{CTL}\left(t\right)=V_{DD}(1-e^{-\frac{t}{R_3\·C_1}})$

可求得V_CTL(t)＝V_DD/2的时刻T₁，得到

T_1＝(ln2)*R₃*C₁

则V_CTL由0V充电到V_DD/2的时间T₂为

T₂＝T₁-0＝(ln2)*R₃*C₁

为了保证电路能够正常运行且V_CTL的周期与T₂严格相等，必须保证V_CTL的低电压每次均放电到0V，因此引入了延时电路，使得V_C2有足够长时间的高电压，从而保证放电时间足够长，使V_CTL的电压在各种情况下均能被放电到地。假设T_delay为延时电路引入的固定的电平宽度。如图7所示，本实施例中重要的节点的波形均在该图中，其中也包括周期T_delay。

因此，V_C2的周期T₃为

T₃＝T₂+T_delay

经过分频电路后，RC振荡器的输出周期T为

T＝2*T₃＝2*(T₂+T_delay)＝2*[(ln2)*R₃*C₁+T_delay]

由于放电速度非常快，因此T_delay要远远小于R₃与C₁乘积的时间常数，因此，由上式可以得出，RC振荡器的振荡频率只与充放电电阻R₃，充放电电容C₁有关，而与电源电压及温度无关。

本发明将常规RC振荡器设计中的比较器个数以及参考电压的个数由两个均简化为一个，简化了电路，同时降低了功耗。同时，通过产生与温度无关，与电源电压成线性关系的基准电压及RC充放电电路，使得RC振荡器的频率与电源电压和温度均无关，从而获得高精度的RC振荡器；最后，本RC振荡器的输出时钟是50％占空比的，在某些场合更加实用。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的某些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种高精度的RC振荡器，其特征在于，该RC振荡器包括基准电压产生电路、充放电电路、比较器CMP、延时电路、分频电路；其中，

所述基准电压产生电路，用于产生一路基准电压V_REF并且送到比较器CMP；

所述充放电电路，用于接收延时电路反馈的反馈信号V_C2以及产生输出电压V_CTL并输出到比较器CMP；

所述比较器CMP，用于将充放电电路产生的输出电压V_CTL与基准电压产生电路产生的基准电压V_REF进行比较，产生比较信号V_C1并且送到延时电路；

所述延时电路，用于对比较信号V_C1进行延时及反相后获得的反馈信号V_C2。获得的反馈信号V_C2送到分频电路和充放电电路；

所述分频电路，用于将反馈信号V_C2的频率减半后输出。

2.一种高精度的RC振荡器，其特征在于，该RC振荡器包括基准电压产生电路、充放电电路、比较器CMP、延时电路、分频电路；所述基准电压产生电路与比较器CMP的正相端连接，所述充放电电路一路与比较器CMP的负相端连接，所述比较器CMP之后依次连接延时电路、分频电路；所述充放电电路的另一路连接在延时电路、分频电路之间。

3.根据权利要求2所述的高精度的RC振荡器，其特征在于：所述基准电压产生电路由串联的电阻R₁、电阻R₂构成，其中，电源电压V_DD输入至所述电阻R₁的正端，所述电阻R₁的负端输出基准电压V_REF；所述基准电压V_REF一路输出到所述比较器CMP的正相端，另一路输出到所述电阻R₂的正端，所述电阻R₂的负端接地。

4.根据权利要求3所述的高精度的RC振荡器，其特征在于：所述电阻R_1、电阻R₂的温度系数相同，所产生的基准电压V_REF与电源电压成线性关系。

5.根据权利要求2所述的高精度的RC振荡器，其特征在于：所述充放电电路由开关管S₁、开关管S₂、电阻R₃、电容C₁组成；所述开关管S₁、开关管S₂的控制端接反馈信号V_C2，所述开关管S₁的正端接电源电压V_DD，开关管S₁的负端接电阻R₃的正端，所述电阻R₃的负端接电容C₁的正端和开关管S₂的正端，同时所述电阻R₃的负端为充放电电路102的输出端，所述电容C₁的负端与开关管S₂的负端接地。

6.根据权利要求2所述的高精度的RC振荡器，其特征在于：所述延时电路由延时单元D₁与二输入与非门A₁组成，所述二输入与非门A₁的一个输入端接比较信号V_C1，另一个输入端接比较信号V_C1经过延时单元D₁之后的信号V_M，所述二输入与非门A的输出端输出反馈信号V_C2。

7.根据权利要求2所述的高精度的RC振荡器，其特征在于：所述分频电路由一个D触发器D_FF1组成，所述D触发器D_FF1的输入D端接D触发器的反相输出端，所述反馈信号V_C2送入D触发器D_FF1，所述D触发器D_FF1的正相输出端Q即为RC振荡器的输出端。