CN107896092A

CN107896092A - 一种用于张弛振荡器的可实现精确调频的电路

Info

Publication number: CN107896092A
Application number: CN201711363007.XA
Authority: CN
Inventors: 王志鹏
Original assignee: CHANGSHA JINGJIA MICROELECTRONIC Co Ltd
Current assignee: CHANGSHA JINGJIA MICROELECTRONIC Co Ltd
Priority date: 2017-12-18
Filing date: 2017-12-18
Publication date: 2018-04-10
Anticipated expiration: 2037-12-18
Also published as: CN107896092B

Abstract

本发明公开了一种用于张弛振荡器的可实现精确调频的电路，相对于传统的张弛结构振荡器的调频方式，本发明利用多路反馈电压引入的误差巧妙解决了张弛振荡器结构难以实现精确调频的问题，使得张弛结构的振荡器甚至可以取代晶振用于一些对频率精度要求相对苛刻的电路中。

Description

一种用于张弛振荡器的可实现精确调频的电路

技术领域

本发明用于集成电路设计领域，具体涉及一种用于张弛振荡器的可实现精确调频的电路。

背景技术

提到便携式电子产品中的时钟源，最先想到的便是晶振电路。的确，晶振电路以其良好的频率精确性和稳定性在消费类芯片中的发展和应用取得了巨大成功。然而，晶振电路仍然存在两个致命的弊端：首先，起振时间较长。虽然近年来国内外采用了多种技术手段来减小晶振的起振时间，但是，因其晶体固有特性制约，几百微秒甚至毫秒级别的起振时间仍是在许多应用条件下无法接受的；第二，晶体的使用必然带来成本的开销。一方面晶体的价格甚至比一些芯片价格还要贵，另一方面，还会带来PCB板的开销，在一些便携式产品的应用中越来越受制约。因此，时钟源的片上集成化已成为近年来消费类芯片设计研究的一个重要方向。

张弛振荡器以其功耗低便于集成的特点而备受推崇，然而张弛振荡器输出频率易受工艺和温度的影响而产生较大偏差，另一方面，振荡频率受其固有结构的制约难以实现精确调节。图1是一个较为典型的张弛结构振荡器，主要包括调频模块和振荡模块。调频模块的工作原理类似于一个LDO，可通过改变可变电阻Rx的大小改变电流I，进而改变镜像到振荡模块的充电电流的大小。振荡模块的工作原理简单来说主要是利用调频模块为振荡模块提供偏置电流，在初始时刻电容C1被下拉到地，偏置电流流过C2给其充电至Vc1，当Vc1电压高于比较器的参考电压Vref2时至比较器翻转，比较器翻转输出经RS触发器后再控制充放电电容开关导致电容C2被下拉到地，偏置电流流过C1给其充电，就这样此过程交替进行从而产生时钟输出。在调频模块中，可通过调节可变电阻Rx进而调节充电电流的大小弥补由于器件工艺偏差导致的不同芯片之间或不同晶圆之间的频率偏差，可通过温度补偿电路弥补由于温度变化导致的频率偏差。然而，Rx的变化并不是一个线性过程，这就导致振荡器输出只能是按照频点变化，而可变电阻Rx的精度直接决定了振荡器输出的可调精度，然而单纯的改变Rx的大小又很难满足张弛振荡器在某些应用中的需求。下面通过一些数据来说明，例如，在USB传输应用中，根据USB的传输协议需要时钟源产生一个48MHz的时钟且频率偏差需在48MHz±120KHz范围内，对于图1所示的结构，假设调频模块反馈点电压Ve=1V，偏置电流按照三倍的关系镜像到振荡模块，振荡模块中比较器的参考电压为0.9V，同时，假设在接下来的计算过程中忽略比较器的传输延时，那么，电流对电容充电满足如下关系式，

（1）

其中，I=3I₀，t_r为电容充到Vc1点电压的上升时间，C为其中一个电容的容值，

（2）

其中，Vb=1V，R_tot=Rx+R₀，因为两个电容各充放电一次为一个时钟周期，因此，时钟周期的表达式为，

（3）

其中，时钟周期T已知为20.083ns，假设充电电容C=300fF，电容的值太小，工艺上很难制作的精确，电容值太大，则电阻R_tot太小，又很难覆盖完全频率随工艺的变化范围，因此，可计算R_tot≈116Kohm，对于电阻来说阻值随工艺变化范围约为20%~30%，因此，假定R0=80Kohm，Rx的可调范围为0~72Kohm可调，可调步长为1Kohm，那么，Rx每变化1Kohm，振荡器频率将变化188KHz，根据USB的传输协议要求，时钟源时钟频率范围需在48MHz±120KHz，虽然188KHz的调频步长在240KHz的范围内，但是，如果Rx的可调电阻之间存在不匹配的情况，就很难保证步长的一致性且很容易超出240KHz的范围。这就需要一种手段，当出现Rx无法将振荡器频率调节至48MHz±120KHz范围内时，可以对当前频率进行进一步的调节。最直接的办法是将可变电阻的步长进一步的减小，例如将1Kohm的电阻三等分，每个电阻333ohm，这种方法并不是不可以，但是太理想化，因为可变电阻的调节需要开关切换，而MOS管做开关时的导通电阻是不可忽略的一个因素，因此，这样的调频方式很难实现频率的精确调节。

发明内容

本发明要解决的问题在于：针对常规的张弛振荡器电路难以实现输出频率精确调节的问题，提出了一种用于张弛振荡器的可实现精确调频的电路，本发明的主要特征在于：

所述的电路包括误差放大器、电流源、可编程电阻网络、固定电阻、可编程反馈网络组成；其中，所述的误差放大器、电流源均接直流电压VDD，误差放大器的正端接参考电压VREF，误差放大器的负端接可编程反馈网络的输出端，误差放大器的输出端接电流源输入端用于调节电流源的电流大小，电流源的输出端接可编程电阻网络的一端，可编程电阻网络的另一端接固定电阻的一端，固定电阻的另一端接地，可编程电阻网络的第三端接可编程反馈网络的输入端。

本发明的主要特点在于：

1.结构简单：本发明仅在常规张弛结构振荡器的调频模块中，巧妙的增加了可编程反馈开关，利用反馈电压的误差实现精确调节充放电电流的大小，从而实现精确调频的目的；

2.性能优良：没有采用电阻进行精确调频，避开了阻值较小的电阻匹配精度难的问题；

应用广泛：本电路可广泛的应用于各种张弛结构的振荡器模块中，且无需过多的成本开销。

附图说明

图1 常规的张弛振荡器电路结构框图；

图2 本发明提出的用于张弛振荡器的可实现精确调频的电路结构图；

图3 本发明提出的误差放大器结构图；

图4 本发明提出的可控电阻模块电路结构图；

图5 本发明提出的可编程反馈网络电路结构图；

图6 本发明提出的可实现精确调频的电路结构工作过程简图；

图7 本发明提出的“工作状态1”电压反馈路径；

图8本发明提出的“工作状态2”电压反馈路径；

图9本发明提出的“工作状态3”电压反馈路径；

图10本发明提出的“工作状态4”电压反馈路径。

具体实施方式

以下结合附图对本发明做进一步详细描述。

本发明提出的一种用于张弛振荡器的可实现精确调频的电路，其结构如图2所示，其特征在于：包括误差放大器、电流源、可编程电阻网络、固定电阻、可编程反馈网络及温度补偿电路；其中，所述的误差放大器、电流源均接直流电压VDD，误差放大器的正端接参考电压VREF，误差放大器的负端接可编程反馈网络的输出端，误差放大器的输出端接电流源输入端用于调节电流源的电流大小，电流源的输出端接可编程电阻网络的一端，可编程电阻网络的另一端接固定电阻的一端，固定电阻的另一端接地，电流源的输出端还接到温度补偿电路的输入端，可编程电阻网络的第三端接可编程反馈网络的输入端。

所述的误差放大器其电路结构如图3所示，包括偏置电流源，偏置电压源，10个NMOS管N0、N1_A、N1_B、N1_C、N2_A、N2_B、N2_C、N3_A、N3_B、N3_C，5个PMOS管P0、P1、P2、P3、P4及1个电阻R0；偏置电流源的输出端接N0的栅极和漏极，N0的源极接地，N0的栅极分别接N1_C的栅极、N2_C的栅极及N4_C的栅极，N1_C的源极、N2_C的源极及N3_C的源极均接地，N1_C的漏极接N1_A的源极和N1_B的源极，N1_A的栅极接参考电压Vref，N1_B的栅极接第一反馈端口X，N2_C的漏极接N2_A的源极和N2_B的源极，N2_A的栅极接参考电压Vref，N2_B的栅极接第二反馈端口Y，N3_C的漏极接N3_A的源极和N3_B的源极，N3_A的栅极接参考电压Vref，N3_B的栅极接第三反馈端口Z，N1_B的漏极、N2_B的漏极及N4_B的漏极均连接到PMOS管P1的漏极，同时还连接到P3的栅极和P4的栅极，P1的栅极接P2的栅极，同时一并接到偏置电压源的输出端，P1的源极接P3的漏极，P3的源极接电源VDD，N1_A的漏极、N2_A的漏极及N3_A的漏极均接到P2的漏极，P2的源极接P4的漏极，P4的源极接电源VDD，P2的漏接还要连到电阻R0的一端，电阻R0的另一端接P0的栅极，P0的漏极和源极均接电源VDD，同时，P2的漏极还要漏极到输出端口OUT，此外，偏置电压源还有一个输出端口Vb。

所述的电流源包括PMOS管P5和PMOS管P6；其中，P5的栅极接误差放大器的输出端OUT，P5的源极接电源VDD，P5的漏极接P6的源极，P6的栅极接偏置电压源的输出端Vb，P6的漏极接输出端口VM连接到可编程电阻网络的一端；

所述的可编程电阻网络包括若干个相同的可控电阻模块组成，分别为：RC1、RC2、RC3、…、RCN，每个可控电阻模块有七个端口，分别为SH1、SH2、INOUT1、INOUT2、INOUT3、INOUT4和INOUT5，将RC1、RC2、RC3、…、RCN的INOUT1相接并接到电流源的输出端口VM，将RC1的INOUT3端与RC2的INOUT2端相接，将RC2的INOUT3端与RC3的INOUT2端相接，一直接到RCN的INOUT2端，RCN的INOUT3端接地，RC1的INOUT2端悬空，将RC1、RC2、RC3、…、RCN的INOUT4相接并接到可编程反馈网络的输入端，将RC1、RC2、RC3、…、RCN的INOUT5相接并接到反馈网络的另一个输入端；将RC1的端口SH1接外接控制端口CH1_A，将RC1的端口SH2接外接控制端口CH1_B，将RC2的端口SH1接外接控制端口CH2_A，将RC2的端口SH2接外接控制端口CH2_B，将RC3的端口SH1接外接控制端口CH3_A，将RC3的端口SH2接外接控制端口CH3_B，……，将RCN的端口SH1接外接控制端口CHN_A，将RCN的端口SH2接外接控制端口CHN_B。

所述的可控电阻模块其电路结构如图4所示，由6个NMOS管和2个电阻组成，6个NMOS管分别为NT1、NT2、NT3、NT4、NT5和NT6，2个电阻分别为RT1和RT2，其中，NT1的漏极与NT2的漏极相接并一同连接到端口INOUT1，NT1的源极接NT3的漏极并与RT1的一端相接，同时还接到端口INOUT2，NT2的源极接NT4的漏极和NT5的漏极并与RT1的另一端相接，同时还连接到RT2的一段，RT2的另一端接NT6的漏极并接到端口INOUT3，NT3的源极和NT4的源极相接并接到端口INOUT4，NT5的源极和NT6的源极相接并接到端口INOUT5，NT1的栅极、NT3的栅极和NT5的栅极接端口SH1，NT2的栅极、NT4的栅极和NT6的栅极接端口SH2；

所述的可编程反馈网络其电路结构如图5所示，由6个NMOS管和3个反相器组成，6个NMOS管分别为：NG1、NG2、NG3、NG4、NG5和NG6，3个反相器分别为INV1、INV2和INV3，其中，INV1的输入端与NG1的栅极相连并接到端口TG1，INV1的输出端接NG2的栅极，NG1的漏极接端口TA，NG2的漏极接端口TB，NG1的源极和NG2的源极相接并接到端口T_X，INV2的输入端与NG3的栅极相连并接到端口TG2，INV2的输出端接NG4的栅极，NG3的漏极接端口TA，NG4的漏极接端口TB，NG3的源极和NG4的源极相接并接到端口T_Y，INV3的输入端与NG5的栅极相连并接到端口TG3，INV3的输出端接NG6的栅极，NG5的漏极接端口TA，NG6的漏极接端口TB，NG5的源极和NG6的源极相接并接到端口T_Z，可编程反馈网络的端口T_X、T_Y和T_Z分别与误差放大器的第一反馈端口X、第二反馈端口Y和第三反馈端口Z相连。

下面结合一个具体应用实例来说明一种用于张弛振荡器的可实现精确调频的电路的工作过程：

工作状态1：假设某一情况下仅需调节可控电阻模块RC1，RC2、RC3、…、RCN的内部开关均不导通，那么，可控电阻模块RC2、RC3、…、RCN是电阻串联的关系，设串联电阻的大小为R_X-2，且可控电阻模块RC2、RC3、…、RCN还与固定电阻R0串联，那么，出了可控电阻模块RC1，剩余串联电阻的大小为R_M= R_X-2+R0，因此，可将图2简化为图6的形式。对于可控电阻模块RC1，其控制端口SH1和SH2是互斥关系，当SH1为高电平时，SH2为低电平，开关NT1、NT3及NT5导通，开关NT2、NT4及NT6关闭。再假设可编程反馈网络控制端口TG1、TG2及TG3端均为高电平，那么，可编程反馈网络开关NG1、NG3及NG5导通，NG2、NG4及NG6关闭。继续假设当可控电阻模块RC1的端口SH1为高电平控制时，相应的RC1的端口SH2为低电平，此时，可控电阻模块中的电阻RT1与RT2串联并可控电阻模块RC2、RC3、…、RCN及固定电阻R0串联，此时，从电流源输出VM到误差放大器输入端的反馈通路如图7所示，假设RT1与RT2的电阻大小相等且等于R_N，那么，电流源所在通路的电流大小I₁为：

（4）

假设当前电流I₁镜像到振荡模块输出的频率为47.87MHz，目标频率为48MHz±120KHz，说明调频电路产生的电流偏小一点，需要通过调节可编程电阻网络的可控电阻模块中的电阻RT1达到增大电流，其调节方式如工作状态2所述；

工作状态2：假设可控电阻其控制端口SH1和SH2电平不变，仍为SH1高电平，SH2低电平，那么，开关NT1、NT3及NT5导通，开关NT2、NT4及NT6关闭。但是，可编程反馈网络控制端口TG1、TG2及TG3端由“工作状态1”的高电平变为低电平，那么，可编程反馈网络开关NG1、NG3及NG5关闭，NG2、NG4及NG6导通。此时，从电流源输出VM到误差放大器输入端的反馈通路如图8所示，误差放大器的反馈电压由VM变为VN，VN电压是VM电压所在通路上的电阻分压，VM>VN=Vref，那么，电流源所在通路的电流大小I₂为：

（5）

假设当前电流I₂镜像到振荡模块输出的频率为48.13MHz，也就是说，改变单位电阻频率跳变了260KHz，那么，如果不采取技术手段，该振荡器将永远无法调节到48MHz±120KHz范围内。下面将具体说明可编程反馈网络在精确调频电路中所起的作用。

工作状态3：可编程反馈网络和误差放大器之间存在三条反馈路径，意味着误差放大器有三对输入对管，三对输入对管之间的宽长比满足1：1：1的关系，实际上，无论是反馈路径的条数，还是输入对管之间的宽长比均可以根据需要灵活选择，这里列举三条反馈路径以及将三对输入对管之间的宽长比设定为1：1：1的关系主要是为了便于说明。假设可控电阻其控制端口SH1和SH2电平不变，仍为SH1高电平，SH2低电平，那么，开关NT1、NT3及NT5导通，开关NT2、NT4及NT6关闭。但是，可编程反馈网络控制端口TG1、TG2为高电平，TG3为低电平，那么，NG1、NG3及NG6导通，此时，从电流源输出VM到误差放大器输入端的反馈通路如图9所示，误差放大器的三对输入对管的反馈电压分别是VM、VM、VN且VM>VN，这意味着该误差放大器此时处于一个不平衡状态，误差放大器为了达到一个新的平衡态，根据反馈的作用会将VM电压变为VMa，相应的VN电压变为VNa，来满足下面一个表达式：

（6）

也就是说误差放大器的三对输入对管的输入电压和的平均值一定是相等的且等同于Vref，误差放大器才能达到一个新的平衡态，此时，电流源所在通路的电流大小I3为：

（7）

（8）

将式（8）代入式（7）可得，

（9）

进一步可得，电流源所在通路的电流大小I₃为：

（10）

工作状态4：同样道理，假设可控电阻其控制端口SH1和SH2电平不变，仍为SH1高电平，SH2低电平，那么，开关NT1、NT3及NT5导通，开关NT2、NT4及NT6关闭。但是，可编程反馈网络控制端口TG1为高电平，TG2、TG3为低电平，那么，NG1、NG4及NG6导通，此时，从电流源输出VM到误差放大器输入端的反馈通路如图10所示，

此时，电流源所在通路的电流大小I₄为：

（11）

对比工作状态1、工作状态2、工作状态3以及工作状态4可以不难发现，可编程反馈网络的引入将原本工作状态1与工作状态2之间的电流源所在通路的电流差进一步的细分，将原本用于调频的单位电阻RT1的阻值进一步的实现了三等分，利用细分后的电流镜像到振荡模块后很容易将振荡器的频率重新精确调节到48MHz±120KHz以内，进而满足应用需求。

最后，需要强调的时，可编程反馈网络的引入巧妙的实现了张弛振荡器的精确调频且无需考虑电阻的额外匹配以及MOS管作开关的等效电阻对调频精度的影响等等，可编程反馈网络的反馈路径的数量不限于三条，误差放大器的输入对管之间的宽长比也不限于是1:1:1的关系，反馈路径的条数和输入对管之间的宽长比可以根据需要灵活选择，但都在本专利的保护范围内。

Claims

1.一种用于张弛振荡器的可实现精确调频的电路，其特征在于：包括误差放大器、电流源、可编程电阻网络、固定电阻、可编程反馈网络；其中，所述的误差放大器、电流源均接直流电压VDD，误差放大器的正端接参考电压Vref，误差放大器的负端接可编程反馈网络的输出端，误差放大器的输出端接电流源输入端用于调节电流源的电流大小，电流源的输出端接可编程电阻网络的一端，可编程电阻网络的另一端接固定电阻的一端，固定电阻的另一端接地，可编程电阻网络的第三端接可编程反馈网络的输入端。

2.根据权利要求1所述的一种用于张弛振荡器的可实现精确调频的电路，其特征在于：所述的误差放大器包括：偏置电流源，偏置电压源，10个NMOS管N0、N1_A、N1_B、N1_C、N2_A、N2_B、N2_C、N3_A、N3_B、N3_C，5个PMOS管P0、P1、P2、P3、P4及1个电阻R0；偏置电流源的输出端接N0的栅极和漏极，N0的源极接地，N0的栅极分别接N1_C的栅极、N2_C的栅极及N4_C的栅极，N1_C的源极、N2_C的源极及N3_C的源极均接地，N1_C的漏极接N1_A的源极和N1_B的源极，N1_A的栅极接参考电压Vref，N1_B的栅极接第一反馈端口X，N2_C的漏极接N2_A的源极和N2_B的源极，N2_A的栅极接参考电压Vref，N2_B的栅极接第二反馈端口Y，N3_C的漏极接N3_A的源极和N3_B的源极，N3_A的栅极接参考电压Vref，N3_B的栅极接第三反馈端口Z，N1_B的漏极、N2_B的漏极及N4_B的漏极均连接到PMOS管P1的漏极，同时还连接到P3的栅极和P4的栅极，P1的栅极接P2的栅极，同时一并接到偏置电压源的输出端，P1的源极接P3的漏极，P3的源极接电源VDD，N1_A的漏极、N2_A的漏极及N3_A的漏极均接到P2的漏极，P2的源极接P4的漏极，P4的源极接电源VDD，P2的漏接还要连到电阻R0的一端，电阻R0的另一端接P0的栅极，P0的漏极和源极均接电源VDD，同时，P2的漏极还要漏极到输出端口OUT，此外，偏置电压源还有一个输出端口Vb。

3.根据权利要求1所述的一种用于张弛振荡器的可实现精确调频的电路，根据权利要求2所述的误差放大器电路结构，其特征在于：所述的电流源包括PMOS管P5和PMOS管P6；其中，P5的栅极接误差放大器的输出端OUT，P5的源极接电源VDD，P5的漏极接P6的源极，P6的栅极接所述的误差放大器中的偏置电压源的输出端Vb，P6的漏极接输出端口VM连接到可编程电阻网络的一端。

4.根据权利要求1所述的一种用于张弛振荡器的可实现精确调频的电路，根据权利要求2所述的误差放大器电路结构，根据权利要求3所述的电流源结构，其特征在于：所述的可编程电阻网络包括若干个相同的可控电阻模块组成，分别为：RC1、RC2、RC3、…、RCN，每个可控电阻模块有七个端口，分别为SH1、SH2、INOUT1、INOUT2、INOUT3、INOUT4和INOUT5，将RC1、RC2、RC3、…、RCN的INOUT1相接并接到电流源的输出端口VM，将RC1的INOUT3端与RC2的INOUT2端相接，将RC2的INOUT3端与RC3的INOUT2端相接，一直接到RCN的INOUT2端，RCN的INOUT3端接地，RC1的INOUT2端悬空，将RC1、RC2、RC3、…、RCN的INOUT4相接并接到可编程反馈网络的输入端，将RC1、RC2、RC3、…、RCN的INOUT5相接并接到反馈网络的另一个输入端；将RC1的端口SH1接外接控制端口CH1_A，将RC1的端口SH2接外接控制端口CH1_B，将RC2的端口SH1接外接控制端口CH2_A，将RC2的端口SH2接外接控制端口CH2_B，将RC3的端口SH1接外接控制端口CH3_A，将RC3的端口SH2接外接控制端口CH3_B，……，将RCN的端口SH1接外接控制端口CHN_A，将RCN的端口SH2接外接控制端口CHN_B。

5.根据权利要求4所述的可控电阻模块，其特征在于：由6个NMOS管和2个电阻组成，6个NMOS管分别为NT1、NT2、NT3、NT4、NT5和NT6，2个电阻分别为RT1和RT2，其中，NT1的漏极与NT2的漏极相接并一同连接到端口INOUT1，NT1的源极接NT3的漏极并与RT1的一端相接，同时还接到端口INOUT2，NT2的源极接NT4的漏极和NT5的漏极并与RT1的另一端相接，同时还连接到RT2的一段，RT2的另一端接NT6的漏极并接到端口INOUT3，NT3的源极和NT4的源极相接并接到端口INOUT4，NT5的源极和NT6的源极相接并接到端口INOUT5，NT1的栅极、NT3的栅极和NT5的栅极接端口SH1，NT2的栅极、NT4的栅极和NT6的栅极接端口SH2。

6.根据权利要求1所述的一种用于张弛振荡器的可实现精确调频的电路，根据权利要求2所述的误差放大器电路结构，根据权利要求3所述的电流源结构，根据权利要求4所述的可控电阻模块结构，其特征在于：所述的可编程反馈网络由6个NMOS管和3个反相器组成，6个NMOS管分别为：NG1、NG2、NG3、NG4、NG5和NG6，3个反相器分别为INV1、INV2和INV3，其中，INV1的输入端与NG1的栅极相连并接到端口TG1，INV1的输出端接NG2的栅极，NG1的漏极接端口TA，NG2的漏极接端口TB，NG1的源极和NG2的源极相接并接到端口T_X，INV2的输入端与NG3的栅极相连并接到端口TG2，INV2的输出端接NG4的栅极，NG3的漏极接端口TA，NG4的漏极接端口TB，NG3的源极和NG4的源极相接并接到端口T_Y，INV3的输入端与NG5的栅极相连并接到端口TG3，INV3的输出端接NG6的栅极，NG5的漏极接端口TA，NG6的漏极接端口TB，NG5的源极和NG6的源极相接并接到端口T_Z，可编程反馈网络的端口T_X、T_Y和T_Z分别与误差放大器的第一反馈端口X、第二反馈端口Y和第三反馈端口Z相连。