CN109245723A - 一种片上rc振荡器电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种片上RC振荡器电路，属于集成电路技术领域。所述片上RC振荡器电路包括低功耗温度补偿电路、充放电控制电路、比较器电路、RS触发器及缓冲器。低功耗稳定补偿电路中第一NMOS管、第一PMOS管、第四PMOS管、第三电阻及第二NMOS管构成产生负温度系数的偏置电流的回路；第二NMOS管、第二PMOS管、第三PMOS管、第三NMOS管、第二电阻构成产生正温度系数电流的回路；两回路通过第二NMOS管实现负反馈连接，第一电容和第一电阻对负反馈环路进行米勒补偿提升稳定性，只需四条电流支路，实现温度补偿所需的正负温度系数电流结构极简，功耗降低；第一NMOS管、第二NMOS管、第三NMOS管工作在亚阈值区实现偏置电流较小，功耗较小。

Description

一种片上RC振荡器电路

技术领域

本发明涉及集成电路技术领域，特别涉及一种片上RC振荡器电路。

背景技术

传统时钟通常使用工作稳定、振荡频率受电源、温度和工艺影响较小的晶振来产生。然而，使用外部晶振需要额外两个电路端口，且需要外围电容等器件配合使用，增加了整体器件使用成本。随着集成电路集成度越来越高，利用兼容标准CMOS工艺的片上RC振荡器电路产生时钟逐渐应用在数模混合电路中。

如图1所示为传统结构RC振荡器电路，其原理为通过充电电流I_C与放电电流I_D对电容C₀进行充放电，电容C₀上电压V_C与参考电压V_H、V_L分别通过CMP₁、CMP₂比较器进行比较，比较器输出结果通过RS触发器反馈回充电电流、放电电流的控制开关，使得电容C₀周期性充放电，从而实现振荡，输出时钟信号CLK。为了保证RC振荡器电路产生稳定的时钟信号，使其受温度影响较小，需要增加温度补偿电路产生充电电流I_C，放电电流I_D及参考电压V_H、V_L。设计者通常采用带隙基准电路实现温度补偿，这将使得电路复杂性和功耗较大。另外，传统结构RC振荡器电路通常采用两个比较器，两个参考电压，然而这又使电路复杂性增大，功耗上升。

发明内容

本发明的目的在于提供一种片上RC振荡器电路，以解决现有的振荡器电路结构复杂、功耗高的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供一种片上RC振荡器电路，包括低功耗温度补偿电路、充放电控制电路、比较器电路、RS触发器及缓冲器；

其中，所述低功耗温度补偿电路的第一输出端输出电流到所述充放电控制电路的第一输入端，第二输出端和第三输出端分别连接到所述比较器电路的参考电压输入端及偏置电压输入端；所述充放电控制电路的第一输出端、第二输出端分别输出电压到所述比较器电路两个信号输入端；所述比较器电路的第一输出端和第二输出端分别连接所述RS触发器的S端和R端；所述RS触发器的输出端和反相输出端分别连入所述充放电控制电路的第二输入端和第三输入端；并且所述RS触发器的反相输出端连接所述缓冲器输入端，所述缓冲器输出时钟信号。

可选的，所述低功耗温度补偿电路包括启动电路、电流镜求和电路和偏置电流电压产生电路；所述偏置电流电压产生电路包括第一NMOS管、第二NMOS管、第三NMOS管、第一PMOS管、第二PMOS管、第三PMOS管、第四PMOS管、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第一电容和第一PMOS偏置节点、第二PMOS偏置节点、第一NMOS偏置节点、NMOS偏置输出节点；

其中，所述第一NMOS管源端接地，漏端接所述第二PMOS偏置节点，栅端接所述第一NMOS偏置节点；所述第二NMOS管源端接地，漏端接所述第一NMOS偏置节点，栅端接所述NMOS偏置输出节点；所述第三NMOS管源端通过所述第二电阻接地，漏端连所述第二PMOS偏置节点，栅端连所述第一电容下极板；所述第一PMOS管源端接电源，栅端与漏端互连并与所述第二PMOS偏置节点相连；所述第二PMOS管源端接电源，漏端接所述第一NMOS偏置节点，栅端接所述第一PMOS偏置节点；所述第三PMOS管源端接电源，漏端与栅端互连并与所述第一PMOS节点相连；所述第四PMOS管源端接电源，漏端接所述NMOS偏置输出节点，栅端接所述第二PMOS节点；所述第一电阻一端接第一NMOS偏置节点，另一端与所述第一电容上极板相连，所述电流镜求和电路的第一电流输出端通过第四电阻接地，第二电流输出端输出偏置电流；所述启动电路输入端与所述第二PMOS偏置节点相连，输出端与所述第一NMOS偏置节点相连；所述电流镜求和电路第一输入端与所述第一PMOS偏置节点相连，第二输入端与所述第二PMOS偏置节点相连。

可选的，所述充放电控制电路包括第五PMOS管、第四NMOS管、第五NMOS管、第六PMOS管、第二电容和第三电容；其中，所述第五PMOS管栅端、第四NMOS管栅端互连并与输入控制信号相连；所述第四NMOS管漏端、第五PMOS管漏端互连并与所述第二电容上极板相连并输出电压；所述第五PMOS管源端、第六PMOS管源端互连并与输入电流相连；所述第六PMOS管栅端、第五NMOS管栅端互连并与反相输入控制信号相连；所述第五NMOS管漏端、第六PMOS管漏端互连并与第三电容上极板相连并输出电压，所述第四NMOS管源端、第二电容下极板、第五NMOS管源端、第三电容下极板都接地。

可选的，所述比较器电路包括第六NMOS管、第七NMOS管、第八NMOS管、第九NMOS管、第七PMOS管、第八PMOS管、第九PMOS管；所述第七NMOS管源端、所述第八NMOS管源端、所述第九NMOS管源端互连并与所述第六NMOS管漏端相连，所述第六NMOS管源端接地，所述第六NMOS管栅端接输入偏置电压；第七NMOS管栅端、第八NMOS管栅端和所述第九NMOS管栅端分别接输入参考电压、第二输入电压、第一输入电压；第七PMOS管源端、第八PMOS管源端、第九PMOS管源端连接至电源；所述第七PMOS管源端与漏端互连并与所述第八PMOS管栅端、所述第九PMOS管栅端相连；所述第八PMOS管漏端与所述第八NMOS管漏端相连作为所述比较器电路的第一输出端，所述第九PMOS管漏端与第九NMOS管漏端相连作为所述比较器电路的第二输出端。

可选的，所述第一NMOS管、所述第二NMOS管和所述第三NMOS管工作在亚阈值区。

在本发明中提供了一种片上RC振荡器电路，包括低功耗温度补偿电路、充放电控制电路、比较器电路、RS触发器及缓冲器；其中，低功耗温度补偿电路的第一输出端输出电流到充放电控制电路的第一输入端，第二输出端和第三输出端分别连接到比较器电路的参考电压输入端及偏置电压输入端；充放电控制电路的第一输出端、第二输出端分别输出电压到比较器电路两个信号输入端；比较器电路的第一输出端和第二输出端分别连接RS触发器的S端和R端；RS触发器的输出端和反相输出端分别连入充放电控制电路的第二输入端和第三输入端；并且RS触发器的反相输出端连接缓冲器输入端，缓冲器输出时钟信号。本发明使用单比较器电路、单输入基准电压实现了RC振荡器电路结构简单、功耗减小；低功耗稳定补偿电路中第一NMOS管、第一PMOS管、第四PMOS管、第三电阻及第二NMOS管构成产生负温度系数的偏置电流的回路；第二NMOS管、第二PMOS管、第三PMOS管、第三NMOS管、第二电阻构成产生正温度系数电流的回路；两回路通过第二NMOS管实现负反馈连接，第一电容和第一电阻对负反馈环路进行米勒补偿提升稳定性，从而无需采用带隙基准电路，只需四条电流支路，实现温度补偿所需的正负温度系数电流结构极简，功耗降低；低功耗稳定补偿电路中第一NMOS管、第二NMOS管、第三NMOS管工作在亚阈值区实现偏置电流较小，功耗较小。本发明一种片上RC振荡器电路结构简单，功耗较低，非常适合应用于对功耗要求较低的数模混合集成电路中。

附图说明

图1是传统RC振荡器电路的结构示意图；

图2是本发明提供的片上RC振荡器电路的结构示意图；

图3是低功耗温度补偿电路的结构示意图；

图4是充放电控制电路的结构示意图；

图5是比较器电路的结构示意图；

图6是一种片上RC振荡器电路的工作波形。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明提出的一种片上RC振荡器电路作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

实施例一

本发明提供了一种片上RC振荡器电路，其结构如图2所示。所述片上RC振荡器电路包括低功耗温度补偿电路1、充放电控制电路2、比较器电路3、RS触发器4及缓冲器5。

具体的，所述低功耗温度补偿电路1的第一输出端输出电流I_charge到所述充放电控制电路2的第一输入端，第二输出端输出的参考电压V_REF和第三输出端输出的偏置电压V_BIAS分别连接到所述比较器电路3的参考电压输入端V_R及偏置电压输入端V_B；所述充放电控制电路2的第一输出端和第二输出端产生的电压V_C1、V_C2分别输出电压到所述比较器电路3两个信号输入端V_IN1、V_IN2；所述比较器电路3的第一输出端输出的电压V₀₁和第二输出端输出的电压V₀₂分别连接所述RS触发器4的S端和R端；所述RS触发器4的输出端Q输出电平V_Q，反相输出端`Q输出电平V<sub>QB</sub>分别连接所述充放电控制电路2的第二输入端和第三输入端；并且所述RS触发器4的反相输出端`Q连接所述缓冲器5输入端，所述缓冲器5输出时钟信号CLK。

具体的，所述低功耗温度补偿电路1包括启动电路11、电流镜求和电路12和偏置电流电压产生电路，如图3所示。所述偏置电流电压产生电路包括第一NMOS管NM₁、第二NMOS管NM₂、第三NMOS管NM₃、第一PMOS管PM₁、第二PMOS管PM₂、第三PMOS管PM₃、第四PMOS管PM₄、第一电阻R₁、第二电阻R₂、第三电阻R₃、第四电阻R₄、第一电容C₁和第一PMOS偏置节点V_P1、第二PMOS偏置节点V_P2、第一NMOS偏置节点V_N1、NMOS偏置输出节点V_BIAS。

其中，所述第一NMOS管NM₁源端接地，漏端接所述第二PMOS偏置节点V_P2，栅端接所述第一NMOS偏置节点V_N1；所述第二NMOS管NM₂源端接地，漏端接所述第一NMOS偏置节点V_N1，栅端接所述NMOS偏置输出节点V_BIAS；所述第三NMOS管NM₃源端通过所述第二电阻R₂接地，漏端连所述第二PMOS偏置节点V_P2，栅端连所述第一电容C₁下极板；所述第一PMOS管PM₁源端接电源AVDD，栅端与漏端互连并与所述第二PMOS偏置节点V_P2相连；所述第二PMOS管PM₂源端接电源AVDD，漏端接所述第一NMOS偏置节点V_N1，栅端接所述第一PMOS偏置节点V_P1；所述第三PMOS管PM₃源端接电源AVDD，漏端与栅端互连并与所述第一PMOS节点V_P1相连；所述第四PMOS管PM₄源端接电源，漏端接所述NMOS偏置输出节点V_BAIS，栅端接所述第二PMOS节点V_P2；所述第一电阻R₁一端接第一NMOS偏置节点V_N1，另一端与所述第一电容C₁上极板相连，所述电流镜求和电路12的第一电流输出端输出偏置电流I_REF并通过第四电阻R₄接地，第二电流输出端输出偏置电流I_charge；所述启动电路11输入端与所述第二PMOS偏置节点V_P2相连，输出端与所述第一NMOS偏置节点V_N1相连；所述电流镜求和电路12第一输入端与所述第一PMOS偏置节点相连V_P1，第二输入端与所述第二PMOS偏置节点V_P2相连。所述偏置电流电压产生电路的工作原理为：所述第一NMOS管NM₁、第二NMOS管NM₂、第三NMOS管NM₃工作在亚阈值区，电流较小，功耗较低；所述第二NMOS管NM₂和所述第三NMOS管NM₃栅源电压差具有正温度特性，在第二电阻R₂所在电流镜支路产生正温度系数的偏置电流I_PTAT，工作在亚阈值区第二NMOS管NM₂栅源电压具有负温度特性，在第三电阻R₃所在电流产生负温度系数的偏置电流I_CTAT，正负温度系数偏置电流通过电流镜求和电路12产生与温度无关的偏置电流I_REF、I_charge。I_REF流过第四电阻R₄，产生与温度无关的基准电压V_REF。

具体的，所述充放电控制电路2包括第五PMOS管PM₅、第四NMOS管NM₄、第五NMOS管NM₅、第六PMOS管PM₆、第二电容C₂和第三电容C₃。其中，所述第五PMOS管PM₅栅端、第四NMOS管NM₄栅端互连并与输入控制信号V_Q相连。所述第四NMOS管NM₄漏端、第五PMOS管PM₅漏端互连并与所述第二电容C₂上极板相连并输出电压V_C1；所述第五PMOS管PM₅源端、第六PMOS管PM₆源端互连并与输入电流I_charge相连；所述第六PMOS管PM₆栅端、第五NMOS管NM₅栅端互连并与反相输入控制信号V_QB相连；所述第五NMOS管NM₅漏端、第六PMOS管PM₆漏端互连并与第三电容C₃上极板相连并输出电压V_C2，所述第四NMOS管NM₄源端、第二电容C₂下极板、第五NMOS管NM₅源端、第三电容C₃下极板都接地。所述充放电控制电路2的工作原理为：输入控制信号V_Q、反相输入控制信号V_QB是从RS触发器4输入的两个反相信号。输入控制信号V_Q为高电平，反相输入控制信号V_QB为低电平时，此时第四NMOS管NM₄导通，第二电容C₂放电，输出电压V_C1为低电平，第六PMOS管PM₆导通，输入电流I_charge对第三电容C₃充电，输出电压V_C2线性增加；同理，输入控制信号V_Q为低电平，反相输入控制信号V_QB为高电平时，此时第五NMOS管NM₅导通，第三电容C₃放电，输出电压V_C2为低电平，第五PMOS管PM₅导通，输入电流I_charge对第二电容C₂充电，输出电压V_C1线性增加。输入控制信号V_Q、反相输入控制信号V_QB交替变化形成电流对第二电容C₂、第三电容C₃交替充放电。

具体的，所述比较器电路3包括第六NMOS管NM₆、第七NMOS管NM₇、第八NMOS管NM₈、第九NMOS管NM₉、第七PMOS管PM₇、第八PMOS管PM₈、第九PMOS管PM₉。所述第七NMOS管NM₇源端、所述第八NMOS管NM₈源端、所述第九NMOS管NM₉源端互连并与所述第六NMOS管NM₆漏端相连，所述第六NMOS管NM₆源端接地，所述第六NMOS管NM₆栅端接输入偏置电压输入端V_B；第七NMOS管NM₇栅端、第八NMOS管NM₈栅端和所述第九NMOS管NM₉栅端分别接输入参考电压V_REF、第二输入电压V_C2、第一输入电压V_C1。第七PMOS管PM₇源端、第八PMOS管PM₈源端、第九PMOS管PM₉源端连接至电源AVDD；所述第七PMOS管PM₇源端与漏端互连并与所述第八PMOS管PM₈栅端、所述第九PMOS管PM₉栅端相连；所述第八PMOS管PM₈漏端与所述第八NMOS管NM₈漏端相连输出电压V₀₁，所述第九PMOS管PM₉漏端与第九NMOS管NM₉漏端相连输出电压V₀₂。所述比较器电路3的工作原理为：从所述充放电控制电路2得知电压V_C1，V_C2交替为低电平，或者从低电平向基准电压V_REF线性增加的电压，当V_C1为低电平，V_O2始终输出为高，线性上升电压V_C2≤V_REF时，V_O1输出为高，RS触发器保持，当V_C2&gt;V_REF时，V_O1输出为低，RS触发器翻转，通过充放电控制电路2，V_C1与V_C2交替重复如上功能。

如图6所示为一种片上RC振荡器电路的工作波形，充放电控制电路输出电压V_C1与V_C2，形成低电平、低电平向基准电压V_REF线性增加的电压的交替，单个参考比较器电路输出电压控制RS触发器的输出时钟信号CLK。

上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。

Claims (5)

1.一种片上RC振荡器电路，其特征在于，包括低功耗温度补偿电路、充放电控制电路、比较器电路、RS触发器及缓冲器；

其中，所述低功耗温度补偿电路的第一输出端输出电流到所述充放电控制电路的第一输入端，第二输出端和第三输出端分别连接到所述比较器电路的参考电压输入端及偏置电压输入端；所述充放电控制电路的第一输出端、第二输出端分别输出电压到所述比较器电路两个信号输入端；所述比较器电路的第一输出端和第二输出端分别连接所述RS触发器的S端和R端；所述RS触发器的输出端和反相输出端分别连入所述充放电控制电路的第二输入端和第三输入端；并且所述RS触发器的反相输出端连接所述缓冲器输入端，所述缓冲器输出时钟信号。

2.如权利要求1所述的片上RC振荡器电路，其特征在于，所述低功耗温度补偿电路包括启动电路、电流镜求和电路和偏置电流电压产生电路；所述偏置电流电压产生电路包括第一NMOS管、第二NMOS管、第三NMOS管、第一PMOS管、第二PMOS管、第三PMOS管、第四PMOS管、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第一电容和第一PMOS偏置节点、第二PMOS偏置节点、第一NMOS偏置节点、NMOS偏置输出节点；

其中，所述第一NMOS管源端接地，漏端接所述第二PMOS偏置节点，栅端接所述第一NMOS偏置节点；所述第二NMOS管源端接地，漏端接所述第一NMOS偏置节点，栅端接所述NMOS偏置输出节点；所述第三NMOS管源端通过所述第二电阻接地，漏端连所述第二PMOS偏置节点，栅端连所述第一电容下极板；所述第一PMOS管源端接电源，栅端与漏端互连并与所述第二PMOS偏置节点相连；所述第二PMOS管源端接电源，漏端接所述第一NMOS偏置节点，栅端接所述第一PMOS偏置节点；所述第三PMOS管源端接电源，漏端与栅端互连并与所述第一PMOS节点相连；所述第四PMOS管源端接电源，漏端接所述NMOS偏置输出节点，栅端接所述第二PMOS节点；所述第一电阻一端接第一NMOS偏置节点，另一端与所述第一电容上极板相连，所述电流镜求和电路的第一电流输出端通过第四电阻接地，第二电流输出端输出偏置电流；所述启动电路输入端与所述第二PMOS偏置节点相连，输出端与所述第一NMOS偏置节点相连；所述电流镜求和电路第一输入端与所述第一PMOS偏置节点相连，第二输入端与所述第二PMOS偏置节点相连。

3.如权利要求1所述的片上RC振荡器电路，其特征在于，所述充放电控制电路包括第五PMOS管、第四NMOS管、第五NMOS管、第六PMOS管、第二电容和第三电容；其中，所述第五PMOS管栅端、第四NMOS管栅端互连并与输入控制信号相连；所述第四NMOS管漏端、第五PMOS管漏端互连并与所述第二电容上极板相连并输出电压；所述第五PMOS管源端、第六PMOS管源端互连并与输入电流相连；所述第六PMOS管栅端、第五NMOS管栅端互连并与反相输入控制信号相连；所述第五NMOS管漏端、第六PMOS管漏端互连并与第三电容上极板相连并输出电压，所述第四NMOS管源端、第二电容下极板、第五NMOS管源端、第三电容下极板都接地。

4.如权利要求1所述的片上RC振荡器电路，其特征在于，所述比较器电路包括第六NMOS管、第七NMOS管、第八NMOS管、第九NMOS管、第七PMOS管、第八PMOS管、第九PMOS管；所述第七NMOS管源端、所述第八NMOS管源端、所述第九NMOS管源端互连并与所述第六NMOS管漏端相连，所述第六NMOS管源端接地，所述第六NMOS管栅端接输入偏置电压；第七NMOS管栅端、第八NMOS管栅端和所述第九NMOS管栅端分别接输入参考电压、第二输入电压、第一输入电压；第七PMOS管源端、第八PMOS管源端、第九PMOS管源端连接至电源；所述第七PMOS管源端与漏端互连并与所述第八PMOS管栅端、所述第九PMOS管栅端相连；所述第八PMOS管漏端与所述第八NMOS管漏端相连作为所述比较器电路的第一输出端，所述第九PMOS管漏端与第九NMOS管漏端相连作为所述比较器电路的第二输出端。

5.如权利要求2所述的片上RC振荡器电路，其特征在于，所述第一NMOS管、所述第二NMOS管和所述第三NMOS管工作在亚阈值区。