CN108365844B - 一种可单片集成的负温度系数补偿振荡器电路 - Google Patents
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Abstract
一种可单片集成的负温度系数补偿振荡器电路包括启动电路、偏置电路、温度补偿电路和振荡器电路；振荡器电路中的充放电电容为PIP电容，其电容值具有正温度特性，即随着温度的上升，电容值增大，为补偿该电容的正温度特性，本发明采用负温度系数的偏置电路和温度补偿电路，选用负温度系数的电阻组合对电容的充放电电流进行温度补偿，以抵消电容的正温度特性，实现振荡器时钟频率的精确输出。
Description
技术领域
本发明涉及一种补偿振荡器电路，特别提供一种可单片集成的负温度系数补偿振荡器电路。
背景技术
传统振荡器电路一般采用片外晶体振荡器来得到时钟信号，晶体振荡器和锁相环结合能得到稳定的时钟，但需要芯片提供单独的引脚，不利于集成和产品的小型化，并增加了应用成本。而可片内集成的振荡器电路，一般通过对电容的充放电实现，其结构简单，但振荡频率易受生产工艺和应用温度的影响，产品的一致性较差。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的目的是提供了一种实现振荡器时钟频率的精确输出的可单片集成的负温度系数补偿振荡器电路。
为达到上述目的，本发明的技术方案如下：一种可单片集成的负温度系数补偿振荡器电路包括启动电路、偏置电路、温度补偿电路和振荡器电路；
所述启动电路包括P型场效应管MP1、MP2，N型场效应管MN1、MN2和电容C1；所述P型场效应管MP1的栅极与P型场效应管MP2的栅极连接后接地，漏极和P型场效应管MP2的漏极连接电源，源极连接N型场效应管MN1的漏极；所述N型场效应管MN1的漏极与栅极两端相连，栅极连接N型场效应管MN2的栅极，源极接地；所述N型场效应管MN2的漏极连接P型场效应管MP2的源极和电容C1的一端，源极连接电容C1另一端；
所述偏置电路包括P型场效应管MP3、MP4、MP5，三极管Q1、Q2和电阻R1、R2；所述P型场效应管MP3、MP4、MP5的漏极连接电源；所述P型场效应管MP3的栅极和源极两端相连，栅极连接P型场效应管MP4的栅极，源极连接三极管Q1的集电极；所述P型场效应管MP4的源极连接在所述启动电路中的N型场效应管MN2和电容C1之间，同时连接三极管Q1的基极和三极管Q2的集电极；所述P型场效应管MP5的栅极接于P型场效应管MP3和P型场效应管MP4之间，源极通过电阻R2接地；所述三极管Q1的发射极通过电阻R1接地；所述三极管Q2的基极接于三极管Q1和电阻R1之间，发射极接地；
所述温度补偿电路包括电阻R3、R4，修调电阻阵列Rtrim，PNP型三极管Q3，NPN型三极管Q4和P型场效应管MP6；所述电阻R3的一端和P型场效应管MP6的漏极接电源，所述电阻R3的另一端连接三极管Q3的发射极；所述P型场效应管MP6的栅极和源极两端相连，源极连接三极管Q4的集电极；所述三极管Q4的发射极通过修调电阻阵列Rtrim接地，基极接于电阻R3和三极管Q3之间；所述三极管Q3的基极接于偏置电路中的P型场效应管MP5和电阻R2之间，集电极通过电阻R4接地；
所述振荡器电路包括电容C2、P型场效应管MP7、MP8、MP9、MP10、MP11、MP12、MP13、MP14，N型场效应管MN3、MN4、MN5、MN6、MN7、MN8、MN9、MN10和振荡器OSC；所述P型场效应管MP7、MP8、MP10、MP11、MP12、MP13、MP14的漏极接电源；所述P型场效应管MP7、MP8、MP10、MP11的栅极与温度补偿电路中的P型场效应管MP6的栅极连接；所述P型场效应管MP7的源极连接N型场效应管MN3的漏极；所述N型场效应管MN3的漏极和栅极两端相连，栅极连接N型场效应管MN4的栅极，源极和N型场效应管MN4的源极连接，接地；所述N型场效应管MN4的漏极连接N型场效应管MN5的源极；所述N型场效应管MN5的漏极通过电容C2接地，栅极连接P型场效应管MP9的栅极；所述P型场效应管MP9的源极连接N型场效应管MN5的漏极，漏极连接P型场效应管MP8的源极；所述N型场效应管MN6、MN7、MN8、MN9、MN10的源极接地；所述N型场效应管MN6的栅极接于N型场效应管MN5和电容C2之间，漏极连接P型场效应管MP10的源极和N型场效应管MN7的栅极；所述N型场效应管MN7的漏极连接P型场效应管MP11的源极；所述N型场效应管MN8的栅极与P型场效应管MP12的栅极连接后接于N型场效应管MN7和P型场效应管MP11之间；所述N型场效应管MN8的漏极连接P型场效应管MP12的源极；所述N型场效应管MN9的栅极与P型场效应管MP13的栅极连接后接于N型场效应管MN8和P型场效应管MP12之间；所述N型场效应管MN9的漏极和P型场效应管MP13的源极连接后接于N型场效应管MN5和P型场效应管MP9之间；所述N型场效应管MN10的栅极和P型场效应管MP14的栅极连接后接于N型场效应管MN9和P型场效应管MP13之间；所述N型场效应管MN10的漏极和P型场效应管MP14的源极连接后接振荡器OSC。
进一步，所述P型场效应管MP1和MP2的沟道长度大于沟道宽度，为倒比管。
进一步，所述偏置电路中的电阻R1、R2为相同类型电阻。
进一步，所述修调电阻阵列Rtrim选用不同负温度系数的电阻组合。
进一步，所述振荡器电路中的电容C2为PIP电容，其电容值具有正温度特性，即随着温度的上升，电容值增大。
本发明的有益效果是：本发明振荡器电路中的充放电电容为PIP电容，其电容值具有正温度特性，即随着温度的上升，电容值增大。为补偿该电容的正温度特性，本发明采用负温度系数的偏置电路和温度补偿电路，选用负温度系数的电阻组合对电容的充放电电流进行温度补偿，以抵消电容的正温度特性，实现振荡器时钟频率的精确输出。
附图说明
图1为本发明电路框架图；图2为本发明电路图。
具体实施方式
下面结合附图详细描述本发明的具体实施方式。
如图1所示，一种可单片集成的负温度系数补偿振荡器电路包括启动电路、偏置电路、温度补偿电路和振荡器电路。启动电路在电路的上电过程中实现偏置电路的启动，上电结束后，脱离偏置电路；偏置电路产生负温度特性的电容充放电电流；温度补偿电路根据振荡器电路输出时钟信号频率的温度特性，调整偏置电路产生的负温度特性的充放电电流的温度系数，实现温度补偿；振荡器电路是主体时钟信号产生电路。
如图2所示，所述启动电路包括P型场效应管MP1、MP2，N型场效应管MN1、MN2和电容C1。P型场效应管MP1和MP2的沟道长度大于沟道宽度，为倒比管，上电时候的启动电流很小，N型场效应管MN1和MN2构成电流镜的关系。P型场效应管MP2和N型场效应管MN2在电源电压VDD上电初始时，为三极管Q1提供提供初始电流，同时P型场效应管MP2对电容C1充电；当电源电压VDD上电过程结束后，电容C1上极板被充电到高电平VDD，P型场效应管MP2源端和漏端达到相同电平，无电流通过，则N型场效应管MN2脱离了主电路，从而完成该电路的启动过程。
如图2所示，所述偏置电路包括P型场效应管MP3、MP4、MP5，三极管Q1、Q2和电阻R1、R2；P型场效应管MP3的电流由以下式子决定：
式中，VbeQ2为NPN型三极管和Q2基极与发射极正向导通电压；P型场效应管MP3和MP5构成电流镜，因此两者的漏端电流成比例关系：
Id(MP5)＝N*Id(MP3)………………………………………………(2)
N为P型场效应管MP5与MP3的宽长比的比例系数，忽略PNP型三极管Q3的基极电流，因此流经电阻R2的电流即为P型场效应管MP5漏端的电流；假设相同类型电阻R1、R2的阻值比例系数为K，即R2/R1＝K，则PNP型三极管Q3的基极电压为：
式(4)中，N和K均为比例常数，VbeQ2为温度系数为-1.5mV/℃的热电压，因此V3具有负温度系数。
如图2所示，所述温度补偿电路包括电阻R3、R4，修调电阻阵列Rtrim，PNP型三极管Q3，NPN型三极管Q4和P型场效应管MP6；电阻R3、PNP型三极管Q3、电阻R4、NPN型三极管Q4、P型场效应管MP6构成负温度系数补偿振荡的温度补偿电路；P型场效应管MP6的电流由以下式子决定：
式中，VbeQ3和VbeQ4分别为PNP型三极管Q3和NPN型三极管Q4的基极与发射极正向导通电压，其值近似相等，Rtrim为修调电阻阵列，选用不同负温度系数的电阻组合，用以微调V3的负温度系数。
如图2所示，所述振荡器电路包括电容C2、P型场效应管MP7、MP8、MP9、MP10、MP11、MP12、MP13、MP14，N型场效应管MN3、MN4、MN5、MN6、MN7、MN8、MN9、MN10和振荡器OSC。P型场效应管MP6、MP7、MP8、MP10、MP11构成电流镜，N型场效应管MN3、MN4构成电流镜，P型场效应管MP9和N型场效应管MN5为开关管，控制P型场效应管MP8和N型场效应管MN4为电容C2充放电；N型场效应管MN6为开关管，当电容C2上极板的电压超过其门限电压时，MN6导通，则其漏端电压即N型场效应管MN7的栅极为低电平，反之，当电容C2上极板的电压低于其门限电压时，MN6截止，则其漏端电压即N型场效应管MN7的栅极为高电平。P型场效应管MP12和N型场效应管MN8为输出第一级反相器，P型场效应管MP13和N型场效应管MN9为输出第二级反相器，P型场效应管MP14和N型场效应管MN10为输出第三级反相器，其输出即为整体电路的输出时钟信号。该部分电路通过P型场效应管MP13和N型场效应管MN9构成的第二级反相器输出，反馈信号控制P型场效应管MP9和N型场效应管MN5的开关对电容C2充放电，形成振荡，再通过反相器整形输出方波时钟信号。
本例中充放电电容C2为PIP电容，其电容值具有正温度特性，即随着温度的上升，电容值增大。电容C2的充电电流：
电容C2的放电电流：
通过微调(激光修调或者熔丝烧断等方式)温度补偿电路部分的电阻阵列Rtrim，实现振荡器的充放电电流为负温度系数，和PIP电容C2的正温度系数进行补偿，实现时钟频率的稳定，精确输出。
以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。
Claims (5)
1.一种可单片集成的负温度系数补偿振荡器电路，其特征在于：包括启动电路、偏置电路、温度补偿电路和振荡器电路；
所述启动电路包括P型场效应管MP1、MP2，N型场效应管MN1、MN2和电容C1；P型场效应管MP2和N型场效应管MN2在电源电压VDD上电初始时，为三极管Q1提供初始电流，同时P型场效应管MP2对电容C1充电；当电源电压VDD上电过程结束后，电容C1上极板被充电到高电平VDD，P型场效应管MP2源端和漏端达到相同电平，无电流通过，N型场效应管MN2脱离主电路，完成启动过程；
所述偏置电路包括P型场效应管MP3、MP4、MP5，三极管Q1、Q2和电阻R1、R2；P型场效应管MP3的电流由以下式子决定：
式中，VbeQ2为NPN型三极管和Q2基极与发射极正向导通电压；P型场效应管MP3和MP5构成电流镜，因此两者的漏端电流成比例关系：
Id(MP5)＝N*Id(MP3)
N为P型场效应管MP5与MP3的宽长比的比例系数，忽略PNP型三极管Q3的基极电流，因此流经电阻R2的电流即为P型场效应管MP5漏端的电流；假设相同类型电阻R1、R2的阻值比例系数为K，即R2/R1＝K，则PNP型三极管Q3的基极电压为：
其中，N和K均为比例常数，VbeQ2为温度系数为-1.5mV/℃的热电压，因此V3具有负温度系数；
所述温度补偿电路包括电阻R3、R4，修调电阻阵列Rtrim，PNP型三极管Q3，NPN型三极管Q4和P型场效应管MP6；电阻R3、PNP型三极管Q3、电阻R4、NPN型三极管Q4、P型场效应管MP6构成负温度系数补偿振荡的温度补偿电路；P型场效应管MP6的电流由以下式子决定：
式中，VbeQ3和VbeQ4分别为PNP型三极管Q3和NPN型三极管Q4的基极与发射极正向导通电压，其值近似相等，Rtrim为修调电阻阵列，选用不同负温度系数的电阻组合，用以微调V3的负温度系数。
2.根据权利要求1所述的一种可单片集成的负温度系数补偿振荡器电路，其特征在于：所述P型场效应管MP1和MP2的沟道长度大于沟道宽度，为倒比管。
3.根据权利要求1所述的一种可单片集成的负温度系数补偿振荡器电路，其特征在于：所述偏置电路中的电阻R1、R2为相同类型电阻。
4.根据权利要求1所述的一种可单片集成的负温度系数补偿振荡器电路，其特征在于：所述修调电阻阵列Rtrim选用不同负温度系数的电阻组合。
5.根据权利要求1所述的一种可单片集成的负温度系数补偿振荡器电路，其特征在于：所述振荡器电路中的电容C2为PIP电容，其电容值具有正温度特性，即随着温度的上升，电容值增大。
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