CN108173520B - 一种温度补偿的振荡器电路及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种温度补偿的振荡器电路及方法，其属于集成电路技术领域的技术，包括：电流源模块，用于产生第一电流和第二电流；充电控制模块，所述充电控制模块与所述电流源模块相连，用于产生所述振荡器电路的充电时间常数t₁；放电控制模块，以产生所述振荡器电路的放电时间常数t₂；整形驱动模块，所述整形驱动模块与所述放电控制模块相连，所述整形驱动模块根据所述充电时间常数t₁和所述放电时间常数t₂产生一固定频率f₁的方波信号，其中：所述固定频率

N为自然数。该技术方案的有益效果是：本发明使用了较少的器件，有效地补偿了由温度变化引起的振荡频率变化，从而实现了面积较小并且不随温度变化的精确频率输出。

Description

一种温度补偿的振荡器电路及方法

技术领域

本发明涉及的是一种集成电路技术领域，具体涉及一种温度补偿的振荡器电路及方法。

背景技术

振荡器(OSC)是用来产生重复电子讯号，通常是正弦波或方波，的电子元件。其构成的电路叫振荡电路。能将直流电转换为具有一定频率交流电信号输出的电子电路或装置。种类很多，按振荡激励方式可分为自激振荡器、他激振荡器；按电路结构可分为阻容振荡器、电感电容振荡器、晶体振荡器、音叉振荡器等；按输出波形可分为正弦波、方波、锯齿波等振荡器。广泛用于电子工业、医疗、科学研究等方面。

在集成电路中，所用器件受温度变化的影响较大，比如低功耗应用中大量使用的高阻值多晶硅电阻随温度的变化可达40％，那么由这些器件构成的振荡器的振荡频率随温度的变化范围就会非常大，而在实际应用中，尤其高精度应用中，要求振荡器的频率精度在1％以内。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种温度补偿的振荡器电路及方法。本发明使用了较少的器件，有效地补偿了由温度变化引起的振荡频率变化，从而实现了面积较小并且不随温度变化的精确频率输出。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明涉及一种温度补偿的振荡器电路，其中，包括：

电流源模块，用于产生一参考电流，并根据所述参考电流产生一第一电流和一第二电流；

充电控制模块，所述充电控制模块与所述电流源模块相连，用于产生所述振荡器电路的充电时间常数t₁，所述充电控制模块根据所述第一电流和所述第二电流对一电容进行充电形成一充电电压，所述充电电压超过一阈值电压时，输出一控制信号；

放电控制模块，所述放电控制模块与所述充电控制模块相连，所述放电控制模块根据所述控制信号对所述电容放电，以产生所述振荡器电路的放电时间常数t₂；

整形驱动模块，所述整形驱动模块与所述放电控制模块相连，所述整形驱动模块根据所述充电时间常数t₁和所述放电时间常数t₂产生一固定频率f₁的方波信号，其中：所述固定频率

N为自然数。

优选的，该温度补偿的振荡器电路，其中，所述电流源模块包括：

参考电流电路，所述参考电流电路包括一输出端，所述参考电流电路用于产生所述参考电流I_ref并将所述参考电流I_ref由所述参考电流电路的所述输出端输出；

电流镜，所述电流镜包括输入端、第一输出端和第二输出端，所述电流镜的所述输入端与所述参考电流电路的所述输出端相连，所述电流镜的所述第一输出端输出所述第一电流I₁，所述电流镜的所述第二输出端输出所述第二电流I₂。

优选的，该温度补偿的振荡器电路，其中，所述参考电流电路包括：

第一电阻，所述第一电阻的一端连有一电源；

第一晶体管，所述第一晶体管的集电极与所述第一电阻的另一端相连，所述第一晶体管的发射极接地；

第二晶体管，所述第二晶体管的发射极与所述第一晶体管的基极相连，所述第二晶体管的基极与所述第一晶体管的集电极相连，所述第二晶体管的集电极作为所述参考电流电路的所述输出端；

第二电阻，所述第二电阻的一端与所述第一晶体管的基极相连，所述第二电阻的另一端接地。

优选的，该温度补偿的振荡器电路，其中，所述充电控制模块包括：

第三晶体管，所述第三晶体管的集电极与所述电流镜的所述第一输出端相连；

第四晶体管，所述第四晶体管的集电极与所述电流镜的所述第二输出端相连，所述第三晶体管的基极和所述第四晶体管的基极相连，所述第四晶体管的集电极和所述第四晶体管的基极短接；

第五晶体管，所述第五晶体管的集电极与所述第三晶体管的发射极相连，所述第五晶体管的发射极接地，所述第五晶体管的集电极和所述第五晶体管的基极短接；

所述电容，所述电容一端与所述第四晶体管的发射极，所述电容的另一端接地。

优选的，该温度补偿的振荡器电路，其中，所述放电控制模块包括：

施密特触发器，所述施密特触发器包括一输入端和一输出端，所述施密特触发器的所述输入端与所述电流镜的所述第一输出端相连；

反相器，所述反相器的输入端与所述施密特触发器的所述输出端相连；

下拉单元，所述下拉单元包括一输入端、一输入端和一控制端，所述下拉单元的所述输入端与所述第四晶体管的发射极相连，所述下拉单元的所述控制端与所述反相器的输出端相连，所述下拉单元的所述输出端接地。

优选的，该温度补偿的振荡器电路，其中，所述整形驱动模块包括一D触发器，所述D触发器时钟输入端与所述反相器的输出端相连，以产生所述方波信号。

优选的，该温度补偿的振荡器电路，其中，所述D触发器连有缓冲单元，所述缓冲单元接收所述方波信号并经放大后输出。

优选的，该温度补偿的振荡器电路，其中，所述充电时间常数

其中：V_be1为所述第一晶体管的基极与发射极之间的电压，V_be3为所述第四晶体管的基极与发射极电压，V_be4为所述第三晶体管的基极与发射极之间的电压，V_be5为所述第五晶体管的基极与发射极之间的电压，R₂为所述第二电阻的电阻值，C₁为所述电容的电容值；

所述放电时间常数t₂＝R₃₀₃×C₁，其中：R₃₀₃为所述下拉单元的下拉阻抗。

优选的，该温度补偿的振荡器电路，其中，所述充电控制模块还包括m₁个第一附加晶体管，每一所述第一附加晶体管的集电极、基极以及发射极分别与所述第三晶体管的集电极、基极以及发射极相连；

m₂个第二附加晶体管，每一所述第二附加晶体管的集电极、基极以及发射极分别与所述第四晶体管的集电极、基极以及发射极相连，m₁和m₂满足

其中：k为玻尔兹曼常数，q为电子电荷量，T开氏温度。

本发明涉及一种温度补偿的振荡器电路的工作方法，包括以下步骤：

步骤S1，通过所述电流源模块产生所述第一电流和所述第二电流；

步骤S2，通过所述充电控制模块产生所述充电时间常数，所述充电控制模块根据所述第一电流和所述第二电流对所述电容充电形成所述充电电压，所述充电电压超过所述阈值电压时，输出所述控制信号；

步骤S3，所述放电控制模块根据所述控制信号对所述电容放电，以产生放电时间常数；

步骤S4，所述整形驱动模块根据所述充电时间常数和所述放电时间常数产生所述固定频率的所述方波信号。

上述技术方案的有益效果是：本发明使用了较少的器件，有效地补偿了由温度变化引起的振荡频率变化，从而实现了面积较小并且不随温度变化的精确频率输出。

附图说明

图1为本发明的较佳的实施例中，一种温度补偿的振荡器电路的示意图；

图2为本发明的较佳的实施例中，一种温度补偿的振荡器电路温度补偿的振荡器电路的电路示意图；

图3为本发明的较佳的实施例中，一种温度补偿的振荡器电路的工作方法的流程示意图；

图中：100电流源模块、200充电控制模块、300放电控制模块、400整形驱动模块、101第一电阻、102第一晶体管、103第二电阻、104第二晶体管、105电流镜、106参考电流电路、201第三晶体管、202第四晶体管、203第五晶体管、204电容、301施密特触发器、302反相器、303下拉单元、401D触发器、402缓冲单元。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。

如图1所示，本实施例涉及一种温度补偿的振荡器电路，包括：

电流源模块100，用于产生一参考电流，并根据参考电流产生一第一电流和一第二电流。

充电控制模块200，所述充电控制模块200与电流源模块100相连，用于产生振荡器电路的充电时间常数t₁，充电控制模块200根据第一电流和第二电流对一电容204进行充电形成一充电电压，充电电压超过一阈值电压时，输出一控制信号。

放电控制模块300，放电控制模块300与充电控制模块200相连，放电控制模块300根据控制信号对电容204放电，以产生振荡器电路的放电时间常数t₂。

整形驱动模块400，整形驱动模块400与放电控制模块300相连，整形驱动模块400根据充电时间常数t₁和放电时间常数t₂产生一固定频率f₁的方波信号，其中：固定频率

N为自然数。

如图2所示，电流源模块100包括：

参考电流电路106，参考电流电路106包括一输出端，参考电流电路106用于产生参考电流I_ref并将参考电流I_ref由参考电流电路106的输出端输出；

电流镜105，电流镜105包括输入端、第一输出端和第二输出端，电流镜105的输入端与参考电流电路106的输出端相连，电流镜105的第一输出端和电流镜105的第二输出端分别输出电流I₁和电流I₂。

参考电流电路106包括：

第一电阻101，第一电阻101的一端连有电流源；

第一晶体管102，第一晶体管102的集电极与第一电阻101的另一端相连，第一晶体管102的发射极接地；

第二晶体管104，第二晶体管104的发射极与第一晶体管102的基极相连，第二晶体管104的基极与第一晶体管102的集电极相连，第二晶体管104的集电极作为参考电流电路106的输出端；

第二电阻103，第二电阻103的一端与第一晶体管102的基极相连，第二电阻103的另一端接地。

充电控制模块200包括：

第三晶体管201，第三晶体管201的集电极与电流镜105的第一输出端相连；

第四晶体管202，第四晶体管202的集电极与电流镜105的第二输出端相连，第三晶体管201的基极和第四晶体管202的基极相连，第四晶体管202的集电极和基极短接；

第五晶体管203，第五晶体管203的集电极与第三晶体管201的发射极相连，第五晶体管203的发射极接地，第五晶体管203的集电极和基极短接；

电容204，电容204一端与第四晶体管202的发射极，电容204的另一端接地。

放电控制模块300包括：

施密特触发器301，施密特触发器301包括一输入端和一输出端，施密特触发器301的输入端与电流镜105的第一输出端相连，对输入的信号进行滤波输出，可以防止控制信号的抖动对后续电路的影响。

反相器302，反相器302的输入端与施密特触发器301的输出端相连；

下拉单元303，下拉单元303包括一输入端、一输入端和一控制端，下拉单元303的输入端与第四晶体管202的发射极相连，下拉单元303的控制端与反相器302的输出端相连，下拉单元303的输出端接地。

整形驱动模块400包括一D触发器401，D触发器401时钟输入端与反相器302的输出端相连，以产生方波信号。

D触发器401连有缓冲单元402，缓冲单元402接收方波信号并经放大后输出。

充电时间常数

其中：V_be1为第一晶体管102的基极与发射极之间的电压，V_be3为第四晶体管202的基极与发射极电压，V_be4为第三晶体管201的基极与发射极之间的电压，V_be5为第五晶体管203的基极与发射极之间的电压，R₂为第二电阻103的电阻值，C₁为电容204的电容值；

所述放电时间常数t₂＝R₃₀₃×C₁，其中：R₃₀₃为所述下拉单元303导通打开时的下拉阻抗。

充电控制模块200，还包括m₁个第一附加晶体管，每一第一附加晶体管的集电极、基极以及发射极分别与第三晶体管201的集电极、基极以及发射极相连；m₂个第二附加晶体管，每一第二附加晶体管的集电极、基极以及发射极分别与第四晶体管202的集电极、基极以及发射极相连，m₁和m₂满足

其中：k为玻尔兹曼常数，q为电容104的电量，T开氏温度。根据整个电路运行时的温度T，计算出m₁和m₂以调整V_be4-V_be3，从而以抵消第二电阻103随温度的变化影响，实现内置温度补偿。

当电路启动后，第一晶体管102的基极端口电压为V_b1和其发射极端口电压V_e1的电压差V_be1＝V_b1-V_e1，第二电阻103的阻值为R₂，则流过第二电阻103的电流为参考电流I_ref＝V_be1/R₂，电流镜105根据参考电流I_ref产生恒定输出电流I₁和I₂，其中：I_ref＝I₁＝I₂。

当电流I₂经过第四晶体管202流入电容204时，产生一个斜坡上升电压V_ramp，第三晶体管201的基极电压V_b4＝V_be3+V_ramp，第三晶体管201的发射极电压V_e4等于V_be5。当斜坡上升电压V_ramp较低时，第三晶体管201的基极电压V_b4也比较低。V_b4低于第三晶体管201的阈值电压时，第三晶体管201断开状态，这时施密特触发器301接收的控制信号为高电平。相反的，当斜坡上升电压V_ramp较高时，第三晶体管201的集电极和发射极接通，这时时施密特触发器301接收的控制信号为低电平。

当施密特触发器301的输入的为高电平时，方向器输出的为高电平，即下拉单元303的控制端输入的为低电平，下拉单元303关闭，电容204充电。随着电容204充电达到一定电压时，施密特触发器301的输入的变为低电平时，方向器输出的为高电平，即下拉单元303的控制端输入的为高电平，下拉单元303打开，电容204放电，重新将电容204拉到低电平。这样，反相器302输出的一定频率的电信号作为D触发器401由时钟输入端输入的时钟控制信号。

D触发器401对时钟控制信号频率进行二分频，即方波信号的固定频率

产生占空比为50％的方波信号。缓冲单元402接收方波信号并经放大后输出，以增强方波信号的驱动能力。

第二电阻103为负温度系数电阻，选择指定的第三晶体管201和第四晶体管202，调整

的值以抵消第二电阻103随温度的变化影响，从而到达温度补偿的作用，即使得t₁和t₂不变，从而使得方波信号的频率不变。

如图3所示，本实施例涉及一种温度补偿的振荡器电路的工作方法，包括以下步骤：

步骤S1，通过电流源模块100产生第一电流和第二电流；

步骤S2，通过充电控制模块200产生充电时间常数，充电控制模块200根据第一电流和第二电流对电容204充电形成充电电压，充电电压超过阈值电压时，输出控制信号；

步骤S3，放电控制模块300根据控制信号对电容204放电，以产生放电时间常数；

步骤S4，整形驱动模块400根据充电时间常数和放电时间常数产生固定频率的方波信号。

本发明的温度补偿的振荡器电路，与现有技术相比：本发明使用了较少的器件，有效地补偿了由温度变化引起的振荡频率变化，从而实现了面积较小并且不随温度变化的精确频率输出。

以上所述仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书及图示内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种温度补偿的振荡器电路，其特征在于，包括：

电流源模块，用于产生一参考电流I_ref，并根据所述参考电流产生一第一电流I₁和一第二电流；

充电控制模块，所述充电控制模块与所述电流源模块相连，用于产生所述振荡器电路的充电时间常数t₁，所述充电控制模块根据所述第一电流和所述第二电流对一电容进行充电形成一充电电压，所述充电电压超过一阈值电压时，输出一控制信号；

放电控制模块，所述放电控制模块与所述充电控制模块相连，所述放电控制模块根据所述控制信号对所述电容放电，以产生所述振荡器电路的放电时间常数t₂；

整形驱动模块，所述整形驱动模块与所述放电控制模块相连，所述整形驱动模块根据所述充电时间常数t₁和所述放电时间常数t₂产生一固定频率f₁的方波信号，其中：所述固定频率

N为自然数；

所述电流源模块包括：

参考电流电路，所述参考电流电路包括一输出端，所述参考电流电路用于产生所述参考电流I_ref并将所述参考电流I_ref由所述参考电流电路的所述输出端输出；

电流镜，所述电流镜包括输入端、第一输出端和第二输出端，所述电流镜的所述输入端与所述参考电流电路的所述输出端相连，所述电流镜的所述第一输出端输出所述第一电流I₁，所述电流镜的所述第二输出端输出所述第二电流；

所述参考电流电路包括：

第一电阻，所述第一电阻的一端连有一电源；

第一晶体管，所述第一晶体管的集电极与所述第一电阻的另一端相连，所述第一晶体管的发射极接地；

第二晶体管，所述第二晶体管的发射极与所述第一晶体管的基极相连，所述第二晶体管的基极与所述第一晶体管的集电极相连，所述第二晶体管的集电极作为所述参考电流电路的所述输出端；

第二电阻，所述第二电阻的一端与所述第一晶体管的基极相连，所述第二电阻的另一端接地；

所述充电控制模块包括：

第三晶体管，所述第三晶体管的集电极与所述电流镜的所述第一输出端相连；

第四晶体管，所述第四晶体管的集电极与所述电流镜的所述第二输出端相连，所述第三晶体管的基极和所述第四晶体管的基极相连，所述第四晶体管的集电极和所述第四晶体管的基极短接；

第五晶体管，所述第五晶体管的集电极与所述第三晶体管的发射极相连，所述第五晶体管的发射极接地，所述第五晶体管的集电极和所述第五晶体管的基极短接；

所述电容，所述电容一端与所述第四晶体管的发射极，所述电容的另一端接地；

所述放电控制模块包括：

施密特触发器，所述施密特触发器包括一输入端和一输出端，所述施密特触发器的所述输入端与所述电流镜的所述第一输出端相连；

反相器，所述反相器的输入端与所述施密特触发器的所述输出端相连；

下拉单元，所述下拉单元包括一输入端、一输入端和一控制端，所述下拉单元的所述输入端与所述第四晶体管的发射极相连，所述下拉单元的所述控制端与所述反相器的输出端相连，所述下拉单元的所述输出端接地 ；

所述充电时间常数

其中：V_be1为所述第一晶体管的基极与发射极之间的电压，V_be3为所述第四晶体管的基极与发射极电压，V_be4为所述第三晶体管的基极与发射极之间的电压，V_be5为所述第五晶体管的基极与发射极之间的电压，R₂为所述第二电阻的电阻值，C₁为所述电容的电容值；

所述放电时间常数t₂＝R₃₀₃×C₁，其中：R₃₀₃为所述下拉单元的下拉阻抗。

2.根据权利要求1所述的温度补偿的振荡器电路，其特征是，所述整形驱动模块包括一D触发器，所述D触发器的时钟输入端与所述反相器的输出端相连，以产生所述方波信号。

3.根据权利要求2所述的温度补偿的振荡器电路，其特征是，所述D触发器连有缓冲单元，所述缓冲单元接收所述方波信号并经放大后输出。

4.根据权利要求1所述的温度补偿的振荡器电路，其特征是，

所述充电控制模块还包括m₁个第一附加晶体管，每一所述第一附加晶体管的集电极、基极以及发射极分别与所述第三晶体管的集电极、基极以及发射极相连；

m₂个第二附加晶体管，每一所述第二附加晶体管的集电极、基极以及发射极分别与所述第四晶体管的集电极、基极以及发射极相连，m₁和m₂满足

其中：k为玻尔兹曼常数，q为电子电荷量，T 开氏温度。

5.一种温度补偿的振荡器电路的工作方法，其特征在于，应用于权利要求1～4中任意一项所述振荡器电路，还包括以下步骤：

步骤S1，通过所述电流源模块产生所述第一电流和所述第二电流；

步骤S2，通过所述充电控制模块产生所述充电时间常数，所述充电控制模块根据所述第一电流和所述第二电流对所述电容充电形成所述充电电压，所述充电电压超过所述阈值电压时，输出所述控制信号；

步骤S3，所述放电控制模块根据所述控制信号对所述电容放电，以产生放电时间常数；

步骤S4，所述整形驱动模块根据所述充电时间常数和所述放电时间常数产生所述固定频率的所述方波信号。

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