CN106788266A - 一种高振荡频率的rc振荡器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高振荡频率的RC振荡器，其特征在于，包括运算放大器AMP1、电阻控制单元、第一NMOS管NM1、第二NMOS管NM2、第三NMOS管NM3、第四NMOS管NM4、第五NMOS管NM5、第一PMOS管PM1、第二PMOS管PM2、第三PMOS管PM3、第四PMOS管PM4、第五PMOS管PM5、第六PMOS管PM6、第一非门NG1、第二非门NG2、第三非门NG3、第四非门NG4、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3和RS触发器。与现有技术相比较，本发明的技术方案采用MOS管和反相器的结构替代现有技术中通过比较器来控制RC充放电，由于MOS管开关速度能达到1ns以内，从而大大减少了电路延迟，使振荡频率得到显著提高。
Description
技术领域
本发明属于RC振荡器领域，尤其涉及一种高振荡频率的RC振荡器。
背景技术
时钟信号是大规模数字集成电路的重要组成部分。RC振荡器因其结构简单、成本低、易于集成等优点，广泛应用于片上时钟产生电路。然而，现有技术中，RC振荡器大多数应用于20MHz以内的低频时钟源，对于超过50MHz的高频率高稳定度的RC振荡器鲜有成熟技术方案。随着数字处理速度的不断提高，高频RC振荡器的应用需求非常大，然而传统RC振荡器的输出频率受电路延时、工艺、电源及温度的影响，提高振荡频率将大大增加频率误差范围，从而很难有实用价值。为了解决上述技术问题，国外学者对RC振荡器也作了大量的研究工作。比如，文献[1](参见说明书附录中的参考文献)提出了一种利用电压反馈控制的RC振荡器，其通过采样自身输出信号的脉冲宽度，将其转换为电压信号，并与一个参考电压比较，纠正了由温度变化及电路延迟产生的频率误差；文献[2]提出了一种数字可调RC振荡器，其通过仿真确定了振荡器频率在工艺、温度及电压变化时的误差，使用多晶硅可调电阻阵列消除了电源及工艺变化引起的误差。文献[3]通过对并联电流镜进行控制，改变振荡器的工作电流，实现对频率的修调。通过双比较器对称结构的设计，消除了比较器延迟带来的误差。由上述文献可知，现有技术通过设置更多的修调位数或者增加其他部件(比如设置压控振荡器和多个运放，甚至专门设计比较器)来提高RC振荡器精度，这些技术手段在一定程度上会增加了芯片的占用面积，同时，也无法显著提升RC振荡频率。
故，针对目前现有技术中存在的上述缺陷，实有必要进行研究，以提供一种方案，解决现有技术中存在的缺陷。
发明内容
有鉴于此，确有必要提供一种高振荡频率、高精度的数字可调RC振荡器，输出频率范围可以达到300MHz，能够满足各种时钟控制的应用需求。
为了克服现有技术的缺陷，本发明的技术方案为：
一种高振荡频率的RC振荡器，包括运算放大器AMP1、电阻控制单元、第一NMOS管NM1、第二NMOS管NM2、第三NMOS管NM3、第四NMOS管NM4、第五NMOS管NM5、第一PMOS管PM1、第二PMOS管PM2、第三PMOS管PM3、第四PMOS管PM4、第五PMOS管PM5、第六PMOS管PM6、第一非门NG1、第二非门NG2、第三非门NG3、第四非门NG4、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3和RS触发器，其中，所述运算放大器AMP1的正向输入端与基准电压Vref端相连接，所述运算放大器AMP1的反向输入端与所述第一NMOS管NM1的源极和电阻控制单元的res端相连接，所述运算放大器AMP1的VOUT输出端与所述第一NMOS管NM1的栅极相连接，所述第一NMOS管NM1的漏极与所述第一PMOS管PM1的漏极及栅极、所述第二PMOS管PM2的栅极、所述第三PMOS管PM3的栅极、所述第四PMOS管PM4的栅极和所述第三电容C3的一端相连接，并作为偏置biasp端为所述运算放大器AMP1提供偏置电压；所述第一PMOS管PM1的源极、第二PMOS管PM2的源极、第三PMOS管PM3的源极、第四PMOS管PM4的源极和所述第三电容C3的另一端共同与电源输入VDD端相连接；所述第二PMOS管PM2的漏极与所述第二NMOS管NM2的漏极和所述第一非门NG1的输入端相连接，所述第一非门NG1的输出端与所述第三NMOS管NM3的栅极和所述RS触发器的输入S端相连接；所述第三PMOS管PM3的漏极与所述第五PMOS管PM5的源极和所述第六PMOS管PM6的源极相连接，所述第五PMOS管PM5的漏极与所述第二NMOS管NM2的栅极、第三NMOS管NM3的漏极和所述第一电容C1的一端相连接，所述第六PMOS管PM6的漏极与所述第四NMOS管NM4的漏极、第五NMOS管NM5的栅极和第二电容C2的一端相连接；所述第四PMOS管PM4的漏极与所述第二非门NG2的输入端和第五NMOS管NM5的漏极，所述第二非门NG2的输出端与所述第四NMOS管NM4的栅极和所述RS触发器的输入R端相连接，所述RS触发器的输出Q1端与所述第五PMOS管PM5的栅极和所述第三非门NG3的输入端相连接，所述第三非门NG3的输出端与所述第六PMOS管PM6的栅极相连接，所述RS触发器的输出Q2端与所述第四非门NG4的输入端相连接，所述第四非门NG4的输出端作为所述高振荡频率的RC振荡器输出OUT端，所述第二NMOS管NM2的源极、第三NMOS管NM3的源极、第四NMOS管NM4的源极、第五NMOS管NM5的源极、所述第一电容C1的另一端、所述第二电容C2的另一端共同与GND端相连接。
优选地，所述电阻控制单元包括第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第十五NMOS管NM15、第十六NMOS管NM16和第十七NMOS管NM17，其中，所述第四电阻R4的一端与res端相连接，所述第四电阻R4的另一端与所述第十七NMOS管NM17的源极和所述第三电阻R3的一端相连接，所述第三电阻R3的另一端与所述第十七NMOS管NM17的漏极、第十六NMOS管NM16的源极和所述第二电阻R2的一端相连接，所述第二电阻R2的另一端与所述第十六NMOS管NM16的漏极、第十五NMOS管NM15的源极和所述第一电阻R1的一端相连接，所述第一电阻R1的另一端和所述第十五NMOS管NM15的漏极共同与GND端相连接；所述第十五NMOS管NM15的栅极与第一频率控制信号freq1端相连接，所述第十六NMOS管NM16的栅极与第二频率控制信号freq2端相连接，所述第十七NMOS管NM17的栅极与第三频率控制信号freq3端相连接。
优选地，所述电阻控制单元还包括第五非门NG5、第十八NMOS管NM18和第十九NMOS管NM19相连接，所述第五非门NG5的输入端和电阻选择信号rint_en端相连接，所述第五非门NG5的输出端与所述第十九NMOS管NM19的栅极相连接，所述第十九NMOS管NM19的源极与res端相连接，所述第十九NMOS管NM19的漏极与外部电阻输入rext端相连接；所述第十八NMOS管NM18的栅极与电阻选择信号rint_en端相连接，所述第十八NMOS管NM18的源极与所述第一电阻R1的另一端和所述第十五NMOS管NM15的漏极相连接，所述第十八NMOS管NM18的漏极接地。
优选地，所述运算放大器AMP1进一步包括第六NMOS管NM6、第七NMOS管NM7、第八NMOS管NM8、第九NMOS管NM9、第十NMOS管NM10、第十一NMOS管NM11、第十二NMOS管NM12、第十三NMOS管NM13、第十四NMOS管NM14、第七PMOS管PM7、第八PMOS管PM8、第九PMOS管PM9、第十PMOS管PM10、第十一PMOS管PM11、第十二PMOS管PM12、第十三PMOS管PM13、第十四PMOS管PM14、第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7和第八电阻R8，其中，所述第七PMOS管PM7的栅极与偏置biasp端相连接，所述第七PMOS管PM7的源极、第八PMOS管PM8的源极、第九PMOS管PM9的源极、第十一PMOS管PM11的源极、第十三PMOS管PM13的源极、第六NMOS管NM6的漏极和所述第八电阻R8的一端共同与电源输入VDD端相连接，所述第七PMOS管PM7的漏极与第六NMOS管NM6的源极、第七NMOS管NM7的栅极、第八NMOS管NM8的栅极及漏极、第九NMOS管NM9的栅极、第十NMOS管NM10的栅极和第十一NMOS管NM11的栅极相连接并共同与基准电压Vref端连接；所述第八电阻R8的另一端与第六NMOS管NM6的栅极和第七NMOS管NM7的漏极相连接，所述第九NMOS管NM9的漏极与第八PMOS管PM8的漏极及栅极、第十PMOS管PM10的栅极、第十二PMOS管PM12的栅极和第十四PMOS管PM14的栅极相连接，所述第九NMOS管NM9的源极与第五电阻R5的一端相连接；所述第九PMOS管PM9的漏极与第十PMOS管PM10的源极相连接；所述第九PMOS管PM9的栅极与第十一PMOS管PM11的栅极、第十三PMOS管PM13的栅极、第十PMOS管PM10的漏极和第十NMOS管NM10的漏极相连接，所述第十NMOS管NM10的源极与第六电阻R6的一端相连接；所述第十一PMOS管PM11的漏极与第十二PMOS管PM12的源极和第十一NMOS管NM11的漏极相连接；所述第十一NMOS管NM11的源极与第十二NMOS管NM12的源极和第七电阻R7的一端相连接；所述第十三PMOS管PM13的漏极与第十四PMOS管PM14的源极和第十二NMOS管NM12的漏极相连接，所述第十二NMOS管NM12的栅极与运算放大器反向输入端V-相连接；所述第十二PMOS管PM12的漏极与第十四NMOS管NM14的栅极和第十三NMOS管NM13的栅极及漏极相连接，所述第十四NMOS管NM14的漏极与第十四PMOS管PM14的漏极相连接作为运算放大器输出VOUT端；所述第七NMOS管NM7的源极、第八NMOS管NM8的源极、第十三NMOS管NM13的源极、第十四NMOS管NM14的源极、第五电阻R5的另一端、第六电阻R6的另一端和第七电阻R7的另一端共同与GND端相连接。
优选地，所述第一电容C1和第二电容C2采用MOS电容。
与现有技术相比较，本发明的技术方案采用MOS管和反相器的结构替代现有技术中通过比较器来控制RC充放电，由于MOS管开关速度能达到1ns以内，从而大大减少了电路延迟，使振荡频率得到显著提高；采用MOS电容实现一个容值很小且精度高的小电容，从而能够确保产生稳定的高频率；运算放大器的偏置电流直接由RC振荡器偏置biasp端提供，避免了使用带隙电压源为电路提供参考电压，从而使RC振荡器能够产生稳定的bisap偏置电压，从而确保充电电流Ic的稳定。
附图说明
图1为本发明高振荡频率的RC振荡器的电路原理图。
图2为本发明中电阻控制单元的一种实施方式的电路原理图。
图3为本发明中电阻控制单元的另一种实施方式的电路原理图。
图4为本发明中运算放大器的电路原理图。
图5为本发明测试环境示意图。
图6为本发明仿真及测试结果示意图。
如下具体实施例将结合上述附图进一步说明本发明。
具体实施方式
以下将结合附图对本发明提供的一种高振荡频率的RC振荡器作进一步说明。
为了克服现有技术的缺陷，申请人对现有技术中各种RC振荡器结构进行了深入的研究，申请人发现，RC振荡器频率主要由电阻R、电容C、电容充电电流Ic以及充电控制时延等参数决定，而这些参数易受电源电压、工艺等因素的影响，正是这些参数的不准确导致频率产生误差，进而导致RC振荡器输出频率较低。具体原因如下：
1、现有技术采用比较器控制RC充放电，比较器延迟加入到RC时间常数，电容充放电超出阈值的部分引入RC时间常数，使周期增大，导致频率无法进一步提高。
2、运放工作电压不稳定引起电容充电电流Ic的变化。
3、电容精度不高，使周期产生偏差。
在上述研究的基础，为了克服上述技术缺陷，本发明提出了改进的技术方案。参见图1，所示为本发明高振荡频率的RC振荡器的电路原理图，包括运算放大器AMP1、电阻控制单元、第一NMOS管NM1、第二NMOS管NM2、第三NMOS管NM3、第四NMOS管NM4、第五NMOS管NM5、第一PMOS管PM1、第二PMOS管PM2、第三PMOS管PM3、第四PMOS管PM4、第五PMOS管PM5、第六PMOS管PM6、第一非门NG1、第二非门NG2、第三非门NG3、第四非门NG4、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3和RS触发器，其中，运算放大器AMP1的正向输入端与基准电压Vref端相连接，运算放大器AMP1的反向输入端与第一NMOS管NM1的源极和电阻控制单元的res端相连接，运算放大器AMP1的VOUT输出端与第一NMOS管NM1的栅极相连接，第一NMOS管NM1的漏极与第一PMOS管PM1的漏极及栅极、第二PMOS管PM2的栅极、第三PMOS管PM3的栅极、第四PMOS管PM4的栅极和第三电容C3的一端相连接，并作为偏置biasp端为运算放大器AMP1提供偏置电压；第一PMOS管PM1的源极、第二PMOS管PM2的源极、第三PMOS管PM3的源极、第四PMOS管PM4的源极和第三电容C3的另一端共同与电源输入VDD端相连接；第二PMOS管PM2的漏极与第二NMOS管NM2的漏极和第一非门NG1的输入端相连接，第一非门NG1的输出端与第三NMOS管NM3的栅极和RS触发器的输入S端相连接；第三PMOS管PM3的漏极与第五PMOS管PM5的源极和第六PMOS管PM6的源极相连接，第五PMOS管PM5的漏极与第二NMOS管NM2的栅极、第三NMOS管NM3的漏极和第一电容C1的一端相连接，第六PMOS管PM6的漏极与第四NMOS管NM4的漏极、第五NMOS管NM5的栅极和第二电容C2的一端相连接；第四PMOS管PM4的漏极与第二非门NG2的输入端和第五NMOS管NM5的漏极，第二非门NG2的输出端与第四NMOS管NM4的栅极和RS触发器的输入R端相连接，RS触发器的输出Q1端与第五PMOS管PM5的栅极和第三非门NG3的输入端相连接，第三非门NG3的输出端与第六PMOS管PM6的栅极相连接，RS触发器的输出Q2端与第四非门NG4的输入端相连接，第四非门NG4的输出端作为高振荡频率的RC振荡器输出OUT端，第二NMOS管NM2的源极、第三NMOS管NM3的源极、第四NMOS管NM4的源极、第五NMOS管NM5的源极、第一电容C1的另一端、第二电容C2的另一端共同与GND端相连接。
上述电路的工作原理如下，运算放大器AMP1、NMOS管NM1和电阻控制单元R组成电压-电流转换电路。运放的正向输入端接参考电压Vref，输出端直接连到NM1的栅极，NM1的源极反馈到运放反向输入端。这样，电阻控制单元上端的电压就被钳制为Vref，使流过R的电流与R的大小成反比。
PM1、PM3组成基本电流镜，基准电流为Iref。流过PM3的电流Ic为Iref的一个精确复制，其大小为：
恒定电流Ic为电容C1，C2充电。PM5、PM6、NM3、NM4为电容充放电的控制开关。当CTL信号为低电平时，开关管PM5导通，PM6关断，电流Ic全部流过PM5对电容C1充电。随着C1电压升高，CMP1电压逐渐降低。CMP1通过反相器接到开关管NM3栅极，NM3的栅极电压升高，最后使NM3导通，电容C1通过NM3放电。C1放电结束，CTL信号变为高电平，开关管PM5关断，PM6导通，电流Ic全部流过PM6对C2充电，充放电过程同C1。随着电流Ic轮流为C1、C2充电，RS触发器的输出端产生周期性的脉冲方波。C1、C2的充电周期分别为：
Vc为电容充电使反相器发生翻转所需达到的电压。
因此，脉冲方波的振荡周期为：
本发明采用MOS管和反相器的结构替代现有技术中通过比较器来控制RC充放电，由于MOS管开关速度能达到1ns以内，从而大大减少了电路延迟，使振荡频率得到显著提高；本发明电路中无需使用差分输入的比较器，避免使用带隙电压源做参考电压，从而大大提升了电路稳定性；反相器保证了电容放电控制开关、异或门的输入信号更加稳定。同时，这种电路结构简单，使RC振荡器能够在低电压(1.2V)以下工作。
在一种优选实施方式中，第一电容C1和第二电容C2均采用MOS电容，使用MOS管做电容能够实现一个容值很小且精度高的小电容，且不会产生寄生电容，不受工艺、温度等变化影响，从而能够产生稳定的高频率。
参见图2，所示为本发明中电阻控制单元的一种实施方式的电路原理图，电阻控制单元包括第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第十五NMOS管NM15、第十六NMOS管NM16和第十七NMOS管NM17，其中，第四电阻R4的一端与res端相连接，第四电阻R4的另一端与第十七NMOS管NM17的源极和第三电阻R3的一端相连接，第三电阻R3的另一端与第十七NMOS管NM17的漏极、第十六NMOS管NM16的源极和第二电阻R2的一端相连接，第二电阻R2的另一端与第十六NMOS管NM16的漏极、第十五NMOS管NM15的源极和第一电阻R1的一端相连接，第一电阻R1的另一端和第十五NMOS管NM15的漏极共同与GND端相连接；第十五NMOS管NM15的栅极与第一频率控制信号freq1端相连接，第十六NMOS管NM16的栅极与第二频率控制信号freq2端相连接，第十七NMOS管NM17的栅极与第三频率控制信号freq3端相连接。
从公式(1)、(2)、(5)可知，RC振荡器的输出频率受电阻R控制。当电阻R增大时，电容充电电流Ic减小，振荡周期增大，频率减小。通过信号freq0、freq1、freq2控制开关管NM15、NM16和NM17，起到调节电阻的作用。从而实现振荡器输出频率数字可调。
参见图3，所示为本发明中电阻控制单元的另一种实施方式的电路原理图，电阻控制单元还包括第五非门NG5、第十八NMOS管NM18和第十九NMOS管NM19相连接，第五非门NG5的输入端和电阻选择信号rint_en端相连接，第五非门NG5的输出端与第十九NMOS管NM19的栅极相连接，第十九NMOS管NM19的源极与res端相连接，第十九NMOS管NM19的漏极与外部电阻输入rext端相连接；第十八NMOS管NM18的栅极与电阻选择信号rint_en端相连接，第十八NMOS管NM18的源极与第一电阻R1的另一端和第十五NMOS管NM15的漏极相连接，第十八NMOS管NM18的漏极接地。
上述电路结构中，rint_en为内部电阻使能信号，当rint_en信号为高电平时，NM19关断，NM18导通。RC振荡器使用内部多晶硅电阻控制电容的充电电流，通过信号freq0、freq1、freq2控制开关管NM15、NM16和NM17，起到调节电阻的作用。当rint_en信号为低电平时，开关管NM19导通，NM18关断，RC振荡器使用外部电阻控制电容的充电电流。此时，可通过选择适当的外部电阻，微调振荡器输出时钟的频率。
参见图4，所示为为本发明中运算放大器的电路原理图，运算放大器AMP1进一步包括第六NMOS管NM6、第七NMOS管NM7、第八NMOS管NM8、第九NMOS管NM9、第十NMOS管NM10、第十一NMOS管NM11、第十二NMOS管NM12、第十三NMOS管NM13、第十四NMOS管NM14、第七PMOS管PM7、第八PMOS管PM8、第九PMOS管PM9、第十PMOS管PM10、第十一PMOS管PM11、第十二PMOS管PM12、第十三PMOS管PM13、第十四PMOS管PM14、第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7和第八电阻R8，其中，第七PMOS管PM7的栅极与偏置biasp端相连接，第七PMOS管PM7的源极、第八PMOS管PM8的源极、第九PMOS管PM9的源极、第十一PMOS管PM11的源极、第十三PMOS管PM13的源极、第六NMOS管NM6的漏极和第八电阻R8的一端共同与电源输入VDD端相连接，第七PMOS管PM7的漏极与第六NMOS管NM6的源极、第七NMOS管NM7的栅极、第八NMOS管NM8的栅极及漏极、第九NMOS管NM9的栅极、第十NMOS管NM10的栅极和第十一NMOS管NM11的栅极相连接并共同与基准电压Vref端连接；第八电阻R8的另一端与第六NMOS管NM6的栅极和第七NMOS管NM7的漏极相连接，第九NMOS管NM9的漏极与第八PMOS管PM8的漏极及栅极、第十PMOS管PM10的栅极、第十二PMOS管PM12的栅极和第十四PMOS管PM14的栅极相连接，第九NMOS管NM9的源极与第五电阻R5的一端相连接；第九PMOS管PM9的漏极与第十PMOS管PM10的源极相连接；第九PMOS管PM9的栅极与第十一PMOS管PM11的栅极、第十三PMOS管PM13的栅极、第十PMOS管PM10的漏极和第十NMOS管NM10的漏极相连接，第十NMOS管NM10的源极与第六电阻R6的一端相连接；第十一PMOS管PM11的漏极与第十二PMOS管PM12的源极和第十一NMOS管NM11的漏极相连接；第十一NMOS管NM11的源极与第十二NMOS管NM12的源极和第七电阻R7的一端相连接；第十三PMOS管PM13的漏极与第十四PMOS管PM14的源极和第十二NMOS管NM12的漏极相连接，第十二NMOS管NM12的栅极与运算放大器反向输入端V-相连接；第十二PMOS管PM12的漏极与第十四NMOS管NM14的栅极和第十三NMOS管NM13的栅极及漏极相连接，第十四NMOS管NM14的漏极与第十四PMOS管PM14的漏极相连接作为运算放大器输出VOUT端；第七NMOS管NM7的源极、第八NMOS管NM8的源极、第十三NMOS管NM13的源极、第十四NMOS管NM14的源极、第五电阻R5的另一端、第六电阻R6的另一端和第七电阻R7的另一端共同与GND端相连接。
上述运算放大器电路中，运放采用折叠式共源共栅结构，由两级放大器构成。NM11和NM12构成输入差分对，是放大器的共源级，电阻R7为差分对提供尾电流。PM12和PM14构成电路的共栅增益级，PM11和PM13构成恒流源既作为第一级的有源负载同时也为第二级电路提供电流源，NM13和NM14为镜像电流源，作为电路的有源负载同时也起到双端转单端的作用。
由于运算放大器的偏置电路直接镜像Iref作为偏置电流，避免了使用带隙电压源为电路提供参考电压，从而使RC振荡器能够产生稳定的bisap偏置电压，从而确保充电电流Ic的稳定。
在一种优选实施方式中，本发明电路中主要参数的优选值如下表1所示：
表1 RC振荡器主要参数优选值
| 参数 | 值 |
| Ic | 160uA |
| Iref | 80uA |
| C1、C2 | W＝20um，L＝2um |
| R0 | 0.63KΩ |
| R1 | 1.27KΩ |
| R2 | 2.51KΩ |
| R3 | 3.77KΩ |
| NM11、NM12 | W＝10um，L＝2um |
| NM13、NM14 | W＝4um，L＝4um |
| PM11、PM13 | W＝40um，L＝2um |
| PM12、PM14 | W＝20um，L＝1um |
| R7 | 24KΩ |
本发明设计的RC振荡器电路基于SMIC 0.13umCMOS工艺绘制版图，同时能够采用SMIC 0.13umCMOS工艺流片为RC振荡器芯片。为了验证本发明RC振荡器的技术效果，通过电路仿真和实际电路测试两个途径来获得实验数据。
将本发明技术方案应用于基于SMIC 0.13umCMOS工艺的SD/MMC控制器芯片，SD/MMC控制器芯片封装了本发明的RC振荡器电路结构，流片后对实际芯片进行测试，参见图5，所示为本发明测试环境示意图。当主机对测试版进行数据读写时，SD/MMC控制器产生一个时钟信号CLK_Out(只在测试模式下输出)。CLK_Out即为RC振荡器的输出时钟CK经过2分频后的输出，用于观察和测试，即CK频率是测量到的CLK_Out频率的2倍。用示波器(LeCroyHDO4054)测量得到时钟信号CLK_Out的频率。
在电路仿真时，利用Cadence软件下的spectre仿真器进行仿真。设定各个内部电阻大小为：R0＝0.63KΩ，R1＝1.27KΩ，R2＝2.51KΩ，R3＝3.77KΩ；设置电源电压为1.2V，仿真温度T＝20℃，在不同数字修调值下对RC振荡器的输出频率CK进行仿真。实际测试时，设定高低温试验箱的温度为20℃。在固件中，设定rint_en为高电平，使能内部电阻调节频率。
参见图6，所示为本发明仿真及测试结果示意图，从图6可以看出，该振荡器的输出频率范围可以达到300MHz，能够满足SD/MMC控制器芯片对存储介质提供时钟信号的控制需求。数字修调能够有效调节RC振荡器的输出频率，频率变化在227.74～356.33MHz之间。加上后续分频电路的设计，RC振荡器的输出频率能够满足各种时钟信号频率的要求。
为了进一步验证本发明的技术效果，将本发明与附录中三篇对比文献进行比较。参见表2，所示为不同振荡器之间性能比较的仿真数据。这些文献中只有[3]是实际芯片结果，其余都只是仿真结果(实际效果未知)。均是低频率下的振荡器，而没有超过20MHz的高可靠RC振荡器(时钟源)设计。由表2可知，本发明设计的RC振荡器输出频率较大，达到了306MHz左右，而且稳定性在同一数量级。采用高频时钟源也可以产生等效的低频时钟，如果把本发明306MHz进行30分频，则可以得到文献[1]等效的10MHz，而时钟精度可以达到±0.42％，高于文献[1]时钟精度。
表2振荡器性能比较的仿真数据
| 参数 | 文献[1] | 文献[2] | 文献[3] | 本发明 |
| 工艺(um) | 0.18 | 0.18 | 0.13 | 0.13 |
| 频率(MHz) | 10 | 1.289 | 16 | 306 |
| 精度(％) | ﹢0.6～-0.77 | ±2.5 | ±2 | ±0.42 |
以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本发明中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本发明所示的这些实施例，而是要符合与本发明所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
附录
[1]SATO H,TAKAGI S.Frequency-to-voltage converter for temperaturecompensation of CMOS RC relaxation oscillator[C]//Circuits and Systems(APCCAS),2014IEEE Asia Pacific Conference on.Ishigaki:IEEE,2014:41-44.
[2]ZHANG J H,WANG B,PENG Y,et al.A 800nW high-accuracy RC oscillatorwith resistor calibration for RFID[C]//ASIC(ASICON),2013IEEE 10thInternational Conference on.Shenzhen:IEEE,2013:1-4.
[3]WANG B,KO M L,YAN Q.A high-accuracy CMOS on-chip RC oscillator[C]//Solid-State and Integrated Circuit Technology(ICSICT),2010 10th IEEEInternational Conference on.Shanghai:IEEE,2010:400-402.
Claims (5)
1.一种高振荡频率的RC振荡器，其特征在于，包括运算放大器AMP1、电阻控制单元、第一NMOS管NM1、第二NMOS管NM2、第三NMOS管NM3、第四NMOS管NM4、第五NMOS管NM5、第一PMOS管PM1、第二PMOS管PM2、第三PMOS管PM3、第四PMOS管PM4、第五PMOS管PM5、第六PMOS管PM6、第一非门NG1、第二非门NG2、第三非门NG3、第四非门NG4、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3和RS触发器，其中，所述运算放大器AMP1的正向输入端与基准电压Vref端相连接，所述运算放大器AMP1的反向输入端与所述第一NMOS管NM1的源极和电阻控制单元的res端相连接，所述运算放大器AMP1的VOUT输出端与所述第一NMOS管NM1的栅极相连接，所述第一NMOS管NM1的漏极与所述第一PMOS管PM1的漏极及栅极、所述第二PMOS管PM2的栅极、所述第三PMOS管PM3的栅极、所述第四PMOS管PM4的栅极和所述第三电容C3的一端相连接，并作为偏置biasp端为所述运算放大器AMP1提供偏置电流源；所述第一PMOS管PM1的源极、第二PMOS管PM2的源极、第三PMOS管PM3的源极、第四PMOS管PM4的源极和所述第三电容C3的另一端共同与电源输入VDD端相连接；所述第二PMOS管PM2的漏极与所述第二NMOS管NM2的漏极和所述第一非门NG1的输入端相连接，所述第一非门NG1的输出端与所述第三NMOS管NM3的栅极和所述RS触发器的输入S端相连接；所述第三PMOS管PM3的漏极与所述第五PMOS管PM5的源极和所述第六PMOS管PM6的源极相连接，所述第五PMOS管PM5的漏极与所述第二NMOS管NM2的栅极、第三NMOS管NM3的漏极和所述第一电容C1的一端相连接，所述第六PMOS管PM6的漏极与所述第四NMOS管NM4的漏极、第五NMOS管NM5的栅极和第二电容C2的一端相连接；所述第四PMOS管PM4的漏极与所述第二非门NG2的输入端和第五NMOS管NM5的漏极，所述第二非门NG2的输出端与所述第四NMOS管NM4的栅极和所述RS触发器的输入R端相连接，所述RS触发器的输出Q1端与所述第五PMOS管PM5的栅极和所述第三非门NG3的输入端相连接，所述第三非门NG3的输出端与所述第六PMOS管PM6的栅极相连接，所述RS触发器的输出Q2端与所述第四非门NG4的输入端相连接，所述第四非门NG4的输出端作为所述高振荡频率的RC振荡器输出OUT端，所述第二NMOS管NM2的源极、第三NMOS管NM3的源极、第四NMOS管NM4的源极、第五NMOS管NM5的源极、所述第一电容C1的另一端、所述第二电容C2的另一端共同与GND端相连接。
2.根据权利要求1所述的高振荡频率的RC振荡器，其特征在于，所述电阻控制单元包括第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第十五NMOS管NM15、第十六NMOS管NM16和第十七NMOS管NM17，其中，所述第四电阻R4的一端与res端相连接，所述第四电阻R4的另一端与所述第十七NMOS管NM17的源极和所述第三电阻R3的一端相连接，所述第三电阻R3的另一端与所述第十七NMOS管NM17的漏极、第十六NMOS管NM16的源极和所述第二电阻R2的一端相连接，所述第二电阻R2的另一端与所述第十六NMOS管NM16的漏极、第十五NMOS管NM15的源极和所述第一电阻R1的一端相连接，所述第一电阻R1的另一端和所述第十五NMOS管NM15的漏极共同与GND端相连接；所述第十五NMOS管NM15的栅极与第一频率控制信号freq1端相连接，所述第十六NMOS管NM16的栅极与第二频率控制信号freq2端相连接，所述第十七NMOS管NM17的栅极与第三频率控制信号freq3端相连接。
3.根据权利要求2所述的高振荡频率的RC振荡器，其特征在于，所述电阻控制单元还包括第五非门NG5、第十八NMOS管NM18和第十九NMOS管NM19相连接，所述第五非门NG5的输入端和电阻选择信号rint_en端相连接，所述第五非门NG5的输出端与所述第十九NMOS管NM19的栅极相连接，所述第十九NMOS管NM19的源极与res端相连接，所述第十九NMOS管NM19的漏极与外部电阻输入rext端相连接；所述第十八NMOS管NM18的栅极与电阻选择信号rint_en端相连接，所述第十八NMOS管NM18的源极与所述第一电阻R1的另一端和所述第十五NMOS管NM15的漏极相连接，所述第十八NMOS管NM18的漏极接地。
4.根据权利要求1所述的高振荡频率的RC振荡器，其特征在于，所述运算放大器AMP1进一步包括第六NMOS管NM6、第七NMOS管NM7、第八NMOS管NM8、第九NMOS管NM9、第十NMOS管NM10、第十一NMOS管NM11、第十二NMOS管NM12、第十三NMOS管NM13、第十四NMOS管NM14、第七PMOS管PM7、第八PMOS管PM8、第九PMOS管PM9、第十PMOS管PM10、第十一PMOS管PM11、第十二PMOS管PM12、第十三PMOS管PM13、第十四PMOS管PM14、第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7和第八电阻R8，其中，所述第七PMOS管PM7的栅极与偏置biasp端相连接，所述第七PMOS管PM7的源极、第八PMOS管PM8的源极、第九PMOS管PM9的源极、第十一PMOS管PM11的源极、第十三PMOS管PM13的源极、第六NMOS管NM6的漏极和所述第八电阻R8的一端共同与电源输入VDD端相连接，所述第七PMOS管PM7的漏极与第六NMOS管NM6的源极、第七NMOS管NM7的栅极、第八NMOS管NM8的栅极及漏极、第九NMOS管NM9的栅极、第十NMOS管NM10的栅极和第十一NMOS管NM11的栅极相连接并共同与基准电压Vref端连接；所述第八电阻R8的另一端与第六NMOS管NM6的栅极和第七NMOS管NM7的漏极相连接，所述第九NMOS管NM9的漏极与第八PMOS管PM8的漏极及栅极、第十PMOS管PM10的栅极、第十二PMOS管PM12的栅极和第十四PMOS管PM14的栅极相连接，所述第九NMOS管NM9的源极与第五电阻R5的一端相连接；所述第九PMOS管PM9的漏极与第十PMOS管PM10的源极相连接；所述第九PMOS管PM9的栅极与第十一PMOS管PM11的栅极、第十三PMOS管PM13的栅极、第十PMOS管PM10的漏极和第十NMOS管NM10的漏极相连接，所述第十NMOS管NM10的源极与第六电阻R6的一端相连接；所述第十一PMOS管PM11的漏极与第十二PMOS管PM12的源极和第十一NMOS管NM11的漏极相连接；所述第十一NMOS管NM11的源极与第十二NMOS管NM12的源极和第七电阻R7的一端相连接；所述第十三PMOS管PM13的漏极与第十四PMOS管PM14的源极和第十二NMOS管NM12的漏极相连接，所述第十二NMOS管NM12的栅极与运算放大器反向输入端V-相连接；所述第十二PMOS管PM12的漏极与第十四NMOS管NM14的栅极和第十三NMOS管NM13的栅极及漏极相连接，所述第十四NMOS管NM14的漏极与第十四PMOS管PM14的漏极相连接作为运算放大器输出VOUT端；所述第七NMOS管NM7的源极、第八NMOS管NM8的源极、第十三NMOS管NM13的源极、第十四NMOS管NM14的源极、第五电阻R5的另一端、第六电阻R6的另一端和第七电阻R7的另一端共同与GND端相连接。
5.根据权利要求1所述的高振荡频率的RC振荡器，其特征在于，所述第一电容C1和第二电容C2采用MOS电容。
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