CN109286370A - 时钟振荡器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明时钟振荡器及其控制方法，其中时钟振荡器包括：负温度基准电压电路，用于产生并输出负温度系数的基准电压，基准电压的负温度系数为定值；电流偏置电路，电流偏置电路的输入端连接于负温度基准电压电路的输出端，电流偏置电路用于产生并输出同一温度下大小可调的负温度系数的偏置电流，偏置电流的负温度系数等于基准电压负温度系数；零温度基准电压电路，零温度基准电压电路的输入端连接于电流偏置电路的输出端，零温度基准电压电路用于产生并输出同一温度下的大小、负温度系数均可调的负温度系数的控制电压；振荡电路，输入端连接于零温度基准电压电路的输出端，振荡电路用于产生并输出振荡信号。本发明能够把震荡频率控制在1％以内。

Description

时钟振荡器及其控制方法

技术领域

本发明涉及电子电路领域，具体涉及一种时钟振荡器及其控制方法。

背景技术

近年来，电子产品功能的要求越来越高，时钟振荡器作为电子产品中必不可少的模块，性能方面亟待提高以适应不同产品的需求，尤其是关于时钟振荡器的温度特性的方面。

对此，有必要提供一种温度变化对振荡频率影响小的新的时钟振荡器方案。

发明内容

为了解决温度变化对时钟振荡器输出频率影响较大的问题，本发明提供了一种时钟振荡器及其控制方法。

本发明提供的时钟振荡器，包括：

负温度基准电压电路，用于产生并输出负温度系数的基准电压，所述基准电压的负温度系数为定值；

电流偏置电路，所述电流偏置电路的输入端连接于所述负温度基准电压电路的输出端，所述电流偏置电路用于对所述基准电压进行电流偏置处理，产生并输出同一温度下大小可调的负温度系数的偏置电流，所述偏置电流的负温度系数等于所述基准电压的负温度系数；

零温度基准电压电路，所述零温度基准电压电路的输入端连接于所述电流偏置电路的输出端，所述零温度基准电压电路用于对所述偏置电流进行电流电压转换处理，产生并输出同一温度下的大小、负温度系数均可调的负温度系数的控制电压；

振荡电路，所述振荡电路的输入端连接于所述零温度基准电压电路的输出端，所述振荡电路用于对所述控制电压进行振荡处理，产生并输出振荡信号。

本发明时钟振荡器包括负温度基准电压电路、电流偏置电路、零温度基准电压电路和振荡电路，负温度基准电压电路、电流偏置电路、零温度基准电压电路三者最终产生一控制电压，控制电压在同一温度下的大小、负温度系数均可调，将该控制电压输入至振荡电路，振荡器产生频率随温度变化的时钟信号，通过调整控制电压随温度变化的斜率，能够实现把震荡频率控制在1％以内的技术效果，解决时钟振荡器输出频率对温度变化较大的问题。

本发明时钟振荡器的进一步改进在于，所述负温度基准电压电路包括恒流源A1、场效应管MPD和三极管B1；

所述恒流源A1的第一端连接于电源VCC，所述恒流源A1的第二端连接于所述场效应管MPD的源极和栅极，所述场效应管MPD的漏极连接于所述三极管B1的发射极，所述三极管B1的基极和集电极均接地，所述场效应管MPD的栅极产生并输出所述基准电压。

本发明时钟振荡器的进一步改进在于，所述电流偏置电路包括：

可调电阻Rbias，所述可调电阻Rbias用于调整所述偏置电流的电流值；

有源负载差分放大电路，有源负载差分放大电路的输入端连接于所述负温度基准电压电路的输出端，所述有源负载差分放大电路用于产生跟随所述基准电压变化的第一电压，所述有源负载差分放大电路还连接于所述可调电阻Rbias并将所述第一电压施加于所述可调电阻Rbias的两端；

第一镜像电路，连接于所述可调电阻Rbias和所述负温度基准电压电路，所述第一镜像电路用于产生并输出与所述可调电阻Rbias上的电流相同的所述偏置电流。

本发明时钟振荡器的更进一步改进在于，所述有源负载差分放大电路包括场效应管MN1、场效应管MN2、场效应管MP1、场效应管MP2和恒流源A2，所述场效应管MP1的源极和所述场效应管MP2的源极均连接于电源VCC，所述场效应管MP1的漏极连接于所述场效应管MN1的漏极，所述场效应管MP2的漏极连接于所述场效应管MP1的栅极、所述场效应管MP2的栅极和所述场效应管MN2的漏极，所述场效应管MN1的源极、所述场效应管MN2的源极和所述恒流源A2的第一端相连，所述恒流源A2的第二端接地，所述场效应管MN1的栅极连接于所述负温度基准电压电路的输出端；

所述可调电阻Rbias的第一端连接于所述场效应管MN2的栅极，所述可调电阻Rbias的第二端接地；

所述第一镜像电路包括场效应管MP3和场效应管MP4，所述场效应管MP3的栅极、所述场效应管MP4的栅极、所述场效应管MP1的漏极、所述场效应管MP2的漏极和所述场效应管MP2的栅极相连，所述场效应管MP3的源极和所述场效应管MP4的源极连接于所述电源VCC，所述场效应管MP3的漏极连接于所述可调电阻Rbias的第一端，所述场效应管MP4的漏极产生并输出所述偏置电流。

本发明时钟振荡器的进一步改进在于，所述零温度基准电压电路包括：

第二镜像电路，所述第二镜像电路的输入端连接于所述电流偏置电路的输出端，所述第二镜像电路用于产生跟随所述偏置电流变化的第一电流；

第三镜像电路，连接于所述第二镜像电路，所述第三镜像电路用于产生跟随所述第一电流变化的第二电流；

单级放大电路，包括沟道电流与栅极电压之间为平方根关系的场效应管MM1，所述单级放大电路连接于所述第二镜像电路和所述第三镜像电路，所述单级放大电路用于将所述第二电流施加于所述场效应管MM1的沟道并将所述场效应管MM1的栅压作为所述控制电压而输出。

本发明时钟振荡器的更进一步改进在于，所述第二镜像电路包括场效应管MN3和场效应管MN4，所述场效应管MN3的漏极连接于所述场效应管MN3的栅极和所述场效应管MN4的栅极，所述场效应管MN3的源极和所述场效应管MN4的源极均接地，所述场效应管MN3的漏极连接于所述电流偏置电路的输出端；

所述第三镜像电路包括场效应管MP5和场效应管MP6，所述场效应管MP5的漏极连接于所述场效应管MN4的漏极、所述场效应管MP5的栅极和所述场效应管MP6的栅极，所述场效应管MP5的源极和所述场效应管MP6的源极均连接于电源VCC；

所述单级放大电路包括场效应管MM1、场效应管MN5、场效应管MP7和可调电阻Rfreq，所述场效应管MM1的源极连接于所述场效应管MN4的源极，所述场效应管MM1的漏极连接于所述场效应管MP6的漏极和所述场效应管MN5的栅极，所述场效应管MN5的源极连接于所述场效应管MM1的栅极和所述可调电阻Rfreq的第一端，所述可调电阻Rfreq的第二端接地，所述场效应管MN5的漏极连接于所述场效应管MP7的漏极和栅极，所述场效应管MP7的源极连接于所述电源VCC，所述场效应管MP7的栅极产生并输出所述控制电压。

本发明时钟振荡器的进一步改进在于，所述振荡电路包括第一子电路和第二子电路；

所述第一子电路和所述第二子电路均包括场效应管MP8、场效应管SWP1、场效应管MM2、电容C1、非门INV1、或非门H1和缓冲门U1，所述场效应管MP8的栅极连接于所述零温度基准电压电路的输出端，所述场效应管MP8的源极连接于电源VCC，所述场效应管MP8的漏极连接于所述场效应管SWP1的源极，所述场效应管SWP1的漏极连接于所述场效应管MM2的漏极和所述非门INV1的输入端，所述场效应管SWP1的栅极连接于所述场效应管MM2的栅极，所述场效应管MM2的源极接地，所述非门INV1的输入端还通过所述电容C1接地，所述非门INV1的输出端连接于所述或非门H1的第一端，所述或非门H1的输出端连接于所述缓冲门U1的输入端；

所述第一子电路中所述缓冲门U1的输出端连接于所述第二子电路中所述场效应管SWP1的栅极，所述第一子电路中所述或非门H1的输出端连接于所述第二子电路中所述或非门H1的第二端，所述第一子电路中所述或非门H1的第二端连接于所述第二子电路中所述或非门H1的输出端，所述第一子电路中所述场效应管SWP1的栅极连接于所述第二子电路中所述缓冲门U1的输出端，所述第二子电路中所述缓冲门U1的输出端产生并输出所述振荡信号。

此外，本发明还提供一种时钟振荡器的控制方法，其特征在于，包括步骤：

获取并输出负温度系数的基准电压，所述基准电压的负温度系数为定值；

对所述基准电压进行电流偏置处理，获取并输出同一温度下大小可调的负温度系数的偏置电流，所述偏置电流的负温度系数等于所述基准电压的负温度系数；

对所述偏置电流进行电流电压转换处理，获取并输出同一温度下的大小、负温度系数均可调的负温度系数的控制电压；

对所述控制电压进行振荡处理，获取并输出振荡信号。

本发明时钟振荡器的控制方法的进一步改进在于，所述处理所述基准电压，获取并输出同一温度下大小可调的负温度系数的偏置电流，所述偏置电流的负温度系数等于所述基准电压的负温度系数的步骤包括：

获取跟随所述基准电压变化的第一电压；

提供可调电阻Rbias，将所述第一电压施加于所述可调电阻Rbias的两端；

获取并输出与所述可调电阻Rbias上的电流相同的所述偏置电流。

本发明时钟振荡器的控制方法的更进一步改进在于，所述处理所述偏置电流，获取并输出同一温度下的大小、负温度系数均可调的负温度系数的控制电压的步骤包括：

获取跟随所述偏置电流变化的第一电流；

获取跟随所述第一电流变化的第二电流；

提供沟道电流与栅极电压之间为平方根关系的场效应管MM1，将所述第二电流施加于所述场效应管MM1的沟道；

并将所述场效应管MM1的栅压作为所述控制电压而输出。

附图说明

图1为本发明实施例的时钟振荡器的电路连接关系示意图。

图2为本发明实施例的负温度基准电压电路的电路结构示意图。

图3为图2中基准电压的温度特性曲线示意图。

图4为本发明实施例的电流偏置电路的电路结构示意图。

图5为图4中偏置电流的温度特性曲线示意图。

图6为本发明实施例的零温度基准电压电路的电路结构示意图。

图7为图6中场效应管MP7生成的电流的温度特性曲线示意图。

图8为本发明实施例中控制电压的温度特性曲线在偏置电流影响下的曲线变化示意图。

图9为本发明实施例中控制电压的温度特性曲线在可调电阻影响下的曲线变化示意图。

图10为本发明实施例的振荡电路的电路结构示意图。

图11为本发明实施例的时钟振荡器的控制方法的流程图。

具体实施方式

为了解决时钟振荡器输出频率对温度变化较大的问题，本发明提供了一种时钟振荡器及其控制方法。

下面结合附图和具体实施例对本发明时钟振荡器及其控制方法的较佳实施例作进一步说明。本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。

结合图1所示，本发明时钟振荡器包括：

负温度基准电压电路10，用于产生并输出负温度系数的基准电压Vref，基准电压Vref的负温度系数(材料的物理属性随着温度变化而变化的速率)为定值；

电流偏置电路20，电流偏置电路20的输入端连接于负温度基准电压电路10的输出端，电流偏置电路20用于对基准电压Vref进行电流偏置处理，产生并输出同一温度下大小可调的负温度系数的偏置电流Iosc，偏置电流Iosc的负温度系数等于基准电压Vref负温度系数；

零温度基准电压电路30，零温度基准电压电路30的输入端连接于电流偏置电路20的输出端，零温度基准电压电路30用于对偏置电流Iosc进行电流电压转换处理，产生并输出同一温度下的大小、负温度系数均可调的负温度系数的控制电压Vcurosc；

振荡电路40，振荡电路40的输入端连接于零温度基准电压电路30的输出端，振荡电路40用于对控制电压Vcurosc进行振荡处理，产生并输出振荡信号clk_out。

本发明时钟振荡器包括负温度基准电压电路10、电流偏置电路20、零温度基准电压电路30和振荡电路40，负温度基准电压电路10、电流偏置电路20、零温度基准电压电路30三者最终产生一控制电压Vcurosc，控制电压Vcurosc在同一温度下的大小、负温度系数均可调，将该控制电压Vcurosc输入至振荡电路40，振荡器产生频率随温度变化的时钟信号，通过调整控制电压Vcurosc随温度变化的斜率，能够实现把震荡频率控制在1％以内的技术效果，解决时钟振荡器输出频率对温度变化较大的问题。

进一步地，结合图2和图3所示，负温度基准电压电路10包括恒流源A1、场效应管MPD和三极管B1；恒流源A1的第一端连接于电源VCC，恒流源A1的第二端连接于场效应管MPD的源极和栅极，场效应管MPD的漏极连接于三极管B1的发射极，三极管B1的基极和集电极均接地，场效应管MPD的栅极产生并输出基准电压Vref。负温度基准电压电路10的输出端为场效应管MPD的栅极。

如图3所示，本发明中负温度基准电压电路10产生的基准电压Vref为负温度系数的电压，基准电压Vref的电压值随温度的升高而降低，且基准电压Vref的负温度系数不变。本实施例中，场效应管MPD的源极与衬底之间的寄生二极管与三极管B1串联结构，三极管B1基极与发射极间电压Vbe与温度的关系为-2mV/℃，场效应管MPD的寄生二极管与温度关系为-1.8mV/℃，串联之后输出基准电压Vref的负温度系数为-3.8mV/℃。

进一步地，结合图4和图5所示，电流偏置电路20包括：可调电阻Rbias，可调电阻Rbias用于调整偏置电流Iosc的电流值；有源负载差分放大电路，有源负载差分放大电路的输入端连接于负温度基准电压电路10的输出端，有源负载差分放大电路用于产生跟随基准电压Vref变化的第一电压，有源负载差分放大电路还连接于可调电阻Rbias并将第一电压施加于可调电阻Rbias的两端；第一镜像电路，连接于可调电阻Rbias和负温度基准电压电路10，第一镜像电路用于产生并输出与可调电阻Rbias上的电流相同的偏置电流Iosc。

本发明中基准电压Vref输入至有源负载差分放大电路，产生跟随基准电压Vref变化的第一电压，并将第一电压施加于可调电阻Rbias的两端，可调电阻Rbias的电压即为负温度系数的电压且负温度系数不变，而可调电阻Rbias的电阻值大小可调，根据欧姆定律得到可调电阻Rbias上的电流，该电流为负温度系数不变的负温度系数的电流而同一温度下的电流值大小可调。通过第一镜像电路，产生与可调电阻Rbias上的电流相同的偏置电流Iosc并输出。

更进一步地，有源负载差分放大电路包括场效应管MN1、场效应管MN2、场效应管MP1、场效应管MP2和恒流源A2，场效应管MP1的源极和场效应管MP2的源极均连接于电源VCC，场效应管MP1的漏极连接于场效应管MN1的漏极，场效应管MP2的漏极连接于场效应管MP1的栅极、场效应管MP2的栅极和场效应管MN2的漏极，场效应管MN1的源极、场效应管MN2的源极和恒流源A2的第一端相连，恒流源A2的第二端接地，场效应管MN1的栅极连接于负温度基准电压电路10的输出端；可调电阻Rbias的第一端连接于场效应管MN2的栅极，可调电阻Rbias的第二端接地；第一镜像电路包括场效应管MP3和场效应管MP4，场效应管MP3的栅极、场效应管MP4的栅极、场效应管MP1的漏极、场效应管MP2的漏极和场效应管MP2的栅极相连，场效应管MP3的源极和场效应管MP4的源极连接于电源VCC，场效应管MP3的漏极连接于可调电阻Rbias的第一端，场效应管MP4的漏极产生并输出偏置电流Iosc。有源负载差分放大电路的输出端为场效应管MP4的漏极。

本实施例中，有源负载差分放大电路中的场效应管MN1与场效应管MN2构成运放的差分输入；场效应管MP1与场效应管MP2构成运放的源级负载；场效应管MP3为偏置电流Iosc调整通路；可调电阻Rbias调整偏置电流Iosc；场效应管MP4的漏极为偏置电流Iosc输出端。具体地，工作原理如下：场效应管MN1与场效应管MN2构成差分输入，场效应管MN2的栅压跟随场效应管MN1的栅压变化。场效应管MN2的栅压低于场效应管MN1的栅压时，因场效应管MN1与场效应管MN2共用一个电流源，所以场效应管MN1沟道流过的电流要大于场效应管MN2沟道流过的电流。场效应管MN1的电流流过场效应管MP1，场效应管MN2的电流流过场效应管MP2，因场效应管MP1与场效应管MP2的电流是一比一的镜像关系，所以场效应管MN2的电流会完全流过场效应管MP2，而场效应管MN1的电流只有部分流过场效应管MP1，导致场效应管MP3的栅压向下移动，增加了场效应管MP3栅极与源极间的电压Vgs，提高了场效应管MP3的电流，场效应管MN2的栅压随之提高；场效应管MN2的栅压高于场效应管MN1的栅压时，因场效应管MN1与场效应管MN2共用一个电流源，所以场效应管MN1沟道流过的电流小于场效应管MN2沟道流过的电流。场效应管MN1电流流过场效应管MP1，场效应管MN2的电流流过场效应管MP2，因场效应管MP1与场效应管MP2的电流是一比一的镜像关系，所以场效应管MN1的电流会完全流过场效应管MP1，而场效应管MN2的电流只有部分流过场效应管MP2，导致场效应管MP3的栅压向上移动，减小了场效应管MP3栅极与源极间的电压Vgs，降低了场效应管MP3的电流，场效应管MN2的栅压随之下降。可调电阻Rbias两端的压差为场效应管MN2的栅压，因场效应管MN2的栅压等于场效应管MN1的栅压，所以流过可调电阻Rbias的电流为Vref/Rbias。基准电压Vref随温度变化的关系反映到电流上，因场效应管MP3与可调电阻Rbias串联，所以场效应管MP3的沟道电流与可调电阻Rbias的电流相等，而场效应管MP3与场效应管MP4是一比一的镜像关系，那场效应管MP4的输出电流反映基准电压Vref的随温度变化的关系并累加可调电阻Rbias的直流电流分量。

如图5所示，本发明中电流偏置电路20产生的偏置电流Iosc的负温度系数与基准电压Vref的负温度系数相同，且通过调整电流偏置电路20中可调电阻Rbias的参数，可调整图中特性曲线与纵轴的交点，即通过调整电流偏置电路20的参数可使曲线在保持负温度系数不变的前提下沿纵轴移动。负温度特性的基准电压Vref作为电流偏置电路20的输入，通过电流偏置电路20可以生成与基准电压Vref有相同的温度特性和斜率的电流，在不改变输出电流的温度特性和斜率的情况下，调整单元里的可调电阻Rbias可以改变Iosc曲线的偏置点，使其在纵轴上平移。

进一步地，结合图6和图7所示，零温度基准电压电路30包括：第二镜像电路，第二镜像电路的输入端连接于电流偏置电路20的输出端，第二镜像电路用于产生跟随偏置电流Iosc变化的第一电流；第三镜像电路，连接于第二镜像电路，第三镜像电路用于产生跟随第一电流变化的第二电流；单级放大电路，包括沟道电流与栅极电压之间为平方根关系的场效应管MM1，单级放大电路连接于第二镜像电路和第三镜像电路，单级放大电路用于将第二电流施加于场效应管MM1的沟道并将场效应管MM1的栅压作为控制电压Vcurosc而输出。

本发明中，零温度基准电压电路30产生的第一电流、第二电流与偏置电流Iosc为一比一的镜像关系，将第二电流作为场效应管MM1的沟道电流，由于场效应管MM1沟道电流与栅极电压之间为平方根关系，则得到的场效应管MM1的栅压与温度之间的特性曲线的斜率小于偏置电流Iosc与温度之间的特性曲线的斜率。

更进一步地，第二镜像电路包括场效应管MN3和场效应管MN4，场效应管MN3的漏极连接于场效应管MN3的栅极和场效应管MN4的栅极，场效应管MN3的源极和场效应管MN4的源极均接地，场效应管MN3的漏极连接于电流偏置电路20的输出端；第三镜像电路包括场效应管MP5和场效应管MP6，场效应管MP5的漏极连接于场效应管MN4的漏极、场效应管MP5的栅极和场效应管MP6的栅极，场效应管MP5的源极和场效应管MP6的源极均连接于电源VCC；单级放大电路包括场效应管MM1、场效应管MN5、场效应管MP7和可调电阻Rfreq，场效应管MM1的源极连接于场效应管MN4的源极，场效应管MM1的漏极连接于场效应管MP6的漏极和场效应管MN5的栅极，场效应管MN5的源极连接于场效应管MM1的栅极和可调电阻Rfreq的第一端，可调电阻Rfreq的第二端接地，场效应管MN5的漏极连接于场效应管MP7的漏极和栅极，场效应管MP7的源极连接于电源VCC，场效应管MP7的栅极产生并输出控制电压Vcurosc。

本实施例中，零温度基准电压电路30的场效应管MN3与场效应管MN4是NMOS一比一的电流镜像源；场效应管MP5与场效应管MP6是PMOS一比一的电流镜像源；场效应管MM1与场效应管MN5和可调电阻Rfreq构成单级放大器，输入电流输出电流，由场效应管MN1的Vgs负温度系数产生负温度系数电流。具体地，工作原理如下：偏置电流Iosc通过场效应管MN3、场效应管MN4、场效应管MP5、场效应管MP6的一比一电流镜像，场效应管MN1沟道电流等于偏置电流Iosc。场效应管MM1与场效应管MN5和可调电阻Rfreq构成的运放，当偏置电流Iosc流过场效应管MM1沟道，场效应管MN5的源极跟随器调整场效应管MM1的栅压，使场效应管MM1栅压大小刚好能产生大小为偏置电流Iosc的沟道电流。

因场效应管MM1的沟道电流与栅压的平方根关系，随温度变化的偏置电流Iosc流过场效应管MM1沟道，场效应管MM1栅压产生随温度变化的斜率小于偏置电流Iosc随温度变化的斜率。调整偏置电流Iosc的直流偏置可以改变场效应管MM1栅压随温度变化的斜率。由偏置电流Iosc随温度变化产生的场效应管MM1的栅压变化，与场效应管MM1器件本身随温度产生的栅压变化，这两个栅压叠加产生控制电压Vcurosc电压变化大于2mV每摄氏度并小于4mV每摄氏度，这个电压送到振荡电路40产生与温度有关的电流源。场效应管MM1栅极与源极间的电压Vgs电压除以可调电阻Rfreq阻值产生的电流经过二极管连接的场效应管MP7产生控制电压Vcurosc。

如图7至图9所示，图7为场效应管MP7生成的电流波形图；图8为控制电压Vcurosc的温度特性曲线在偏置电流Iosc影响下的曲线变化示意图；图9为控制电压Vcurosc的温度特性曲线在可调电阻Rfreq影响下的曲线变化示意图。电流偏置电路20输出偏置电流Iosc，作为零温度基准电压单元输入，经电路处理后输出电压随温度变化的斜率和直流偏置均可调。

电流偏置电路20输出偏置电流Iosc，此偏置电流Iosc一比一的镜像到场效应管MM1器件沟道中，场效应管MM1根据此电流转换为平方根的电压，即栅极与源极间的电压Vgs(可调电阻Rfreq两端的压差)，当偏置电流Iosc输入偏置电流不同时(随温度是相同的斜率)，由电流转换到电压是平方根关系非线性，所以不同偏置电流Iosc产生随温度变化不同的场效应管MM1电压Vgs(斜率不同)。场效应管MM1电压Vgs降在可调电阻Rfreq上的电压，产生温度随电压变化的电流，此电流通过控制电压Vcurosc镜像出去。可调电阻Rfreq用来调频率。

具体地，如图8所示，在其他条件不变的情况下调整偏置电流Iosc，随着偏置电流Iosc的增大，曲线①逐渐向曲线②、曲线③、曲线④变化，斜率发生变化；如图9所示，在其他条件不变的情况下调整可调电阻Rfreq，随着可调电阻Rfreq的减小，曲线Ⅰ逐渐向曲线Ⅱ、曲线Ⅲ变化，斜率不变并沿着纵轴平移。

进一步地，本实施例中的振荡电路40包括第一子电路41和第二子电路42；第一子电路41和第二子电路42均包括场效应管MP8、场效应管SWP1、场效应管MM2、电容C1、非门INV1、或非门H1和缓冲门U1，场效应管MP8的栅极连接于零温度基准电压电路30的输出端，场效应管MP8的源极连接于电源VCC，场效应管MP8的漏极连接于场效应管SWP1的源极，场效应管SWP1的漏极连接于场效应管MM2的漏极和非门INV1的输入端，场效应管SWP1的栅极连接于场效应管MM2的栅极，场效应管MM2的源极接地，非门INV1的输入端还通过电容C1接地，非门INV1的输出端连接于或非门H1的第一端，或非门H1的输出端连接于缓冲门U1的输入端；

第一子电路41中缓冲门U1的输出端连接于第二子电路42中场效应管SWP1的栅极，第一子电路41中或非门H1的输出端连接于第二子电路42中或非门H1的第二端，第一子电路41中或非门H1的第二端连接于第二子电路42中或非门H1的输出端，第一子电路41中场效应管SWP1的栅极连接于第二子电路42中缓冲门U1的输出端，第二子电路42中缓冲门U1的输出端产生并输出振荡信号clk_out。

在其他实施例中，振荡电路也可为现有的环形振荡电路。

如图10所示，场效应管MP8用于电流源，场效应管SWP1开启或关闭充电容的电流；场效应管MM1为电容放电通道。具体地，工作原理如下：场效应管MP8输出电流由控制电压Vcurosc电压控制，输出电流通过第一子电路41和第二子电路42中的场效应管SWP1交替对电容充电，放电通过第一子电路41和第二子电路42中的场效应管MM1交替放电，振荡电路40输出振荡信号clk_out。随温度变化的斜率和直流偏置可调的控制电压Vcurosc输入振荡器后产生频率随温度变化的时钟信号，通过调整控制电压Vcurosc的随温度变化斜率，把震荡频率控制在1％以内。

本发明负温度基准电压电路10产生负温度系数的基准电压Vref，场效应管MPD的源极与衬底之间的寄生二极管与三极管B1串联可增加斜率，可调电阻Rbias调整偏置电流Iosc的直流偏置，可调电阻Rfreq调节振荡电路40频率。

温度变化改变第一子电路41非门INV1和第二子电路42非门INV1的反转电压，当温度增加会降低两个非门INV1从高反转到低的阈值，同时偏置电流Iosc减小对电容充电电流，场效应管MM1与两个场效应管MM2匹配，电容放电的速度也减小，使电容充放电速度下降，振荡器的频率保持不变。当温度下降会增加两个非门INV1从高反转到低的阈值，同时偏置电流Iosc增加对电容充电电流，第一子电路41和第二子电路42中的场效应管MM2加速电容放电速度，使电容充放电速度增加，振荡器频率保持不变。两个非门INV1翻转电压随温度的升高下降，偏置电流Iosc随温度的升高而降低对电容充电电流，两个场效应管MM2随场效应管MM1变化当温度升高减小电容放电电流，这三项合起来达到稳定时钟频率的目的。

本发明无需石英晶体作为振荡器的基准器件；可在线调节振荡器的负温度系数，无需在设计时固定器件尺寸以达到振荡器最佳的负温度系数；没有敏感器件，稳定性好，良率高；此方案原理上利用CMOS器件的I/V特性，无需大的调整就可以转移到其它CMOS工艺上，方便转移工艺。

此外，如图11所示，本发明还提供一种时钟振荡器的控制方法，包括步骤：

步骤101：获取并输出负温度系数的基准电压Vref，基准电压Vref的负温度系数为定值；

步骤102：对基准电压Vref进行电流偏置处理，获取并输出同一温度下大小可调的负温度系数的偏置电流Iosc，偏置电流Iosc的负温度系数等于基准电压Vref的负温度系数；

步骤103：对偏置电流Iosc进行电流电压转换处理，获取并输出同一温度下的大小、负温度系数均可调的负温度系数的控制电压Vcurosc；

步骤104：对控制电压Vcurosc进行振荡处理，获取并输出振荡信号。

进一步地，包括步骤102包括：获取跟随基准电压Vref变化的第一电压；提供可调电阻Rbias，将第一电压施加于可调电阻Rbias的两端；获取并输出与可调电阻Rbias上的电流相同的偏置电流Iosc。

更进一步地，包括步骤103包括：获取跟随偏置电流Iosc变化的第一电流；获取跟随第一电流变化的第二电流；提供沟道电流与栅极电压之间为平方根关系的场效应管MM1，将第二电流施加于场效应管MM1的沟道；并将场效应管MM1的栅压作为控制电压Vcurosc而输出。

本实施例中，场效应管MPD、场效应管MP1、场效应管MP2、场效应管MP3、场效应管MP4、场效应管MP5、场效应管MP6、场效应管MP7、场效应管MP8、场效应管SWP1均为P沟道场效应管；场效应管MN1、场效应管MN2、场效应管MN3、场效应管MN4、场效应管MN5、场效应管MM1、场效应管MM2均为N沟道场效应管，恒流源A1、恒流源A2的电流方向均为自电源VCC端向接地端，三极管B1为PNP型三极管。

本实施例中，电源VCC电压范围2.5V～5.5V；场效应管MPD器件W/L＝10u/0.7u，三极管B1发射区面积10um*10um；场效应管MN1和场效应管MN2尺寸W/L＝8u/1u，m＝10。场效应管MP1和场效应管MP2尺寸W/L＝6u/3u，m＝2，场效应管MP3和场效应管MP4尺寸W/L＝6u/3u，m＝1；场效应管MN3和场效应管MN4尺寸W/L＝6u/4u，场效应管MN3的m＝2，场效应管MN4的m＝4。场效应管MP5和场效应管MP6尺寸W/L＝6u/3u，场效应管MP5的m＝2，场效应管MP6的m＝4。场效应管MM1尺寸W/L＝6u/4u，m＝2。场效应管MN5尺寸W/L＝6u/1u，m＝2。场效应管MP7尺寸W/L＝6u/3u，m＝2；场效应管MP8尺寸W/L＝6u/3u，m＝2。场效应管SWP1尺寸W/L＝6u/0.7u，m＝2。场效应管MM2尺寸W/L＝6u/4u。电容C1由频率定容值为几个pF；可调电阻Rbias和可调电阻Rfreq电阻的取值范围10K～100K。

第一镜像电路中，Vref/Rbias的电流经过MP3沟道，此电流1:1镜像到MP4。第二镜像电路中，Iosc电流镜像到MM1中的电流比例调节方便。第三镜像电路中，场效应管MM1器件的Vgs/Rfreq的电流通过场效应管MP7镜像出去。

可调电阻Rbias调整固定斜率的偏置电流Iosc，此电流经过场效应管MM1的电流电压转换，得到想要的电压斜率，因场效应管MP8的电流与温度的变化也符合此斜率的变化关系，又因此斜率与振荡器中的场效应管MM2器件的阈值电压与温度的特性相同。当温度升高通过调可调电阻Rbias，场效应管MP8注入电容C1的电流温度特性可以近似与场效应管MM2的阈值电压的温度特性相同的负温度系数，这样温度升高场效应管MM2的翻转阈值降低，为了保持频率不增加，流入电容C1的电流需要同斜率降低，频率维持不变。但因器件特性不能完全匹配，调到1％相对比较容易。可调电阻Rfreq是调节频率高低。

以上仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明做任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案的范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

需要说明的是，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。

Claims (10)

1.一种时钟振荡器，其特征在于，包括：

负温度基准电压电路，用于产生并输出负温度系数的基准电压，所述基准电压的负温度系数为定值；

电流偏置电路，所述电流偏置电路的输入端连接于所述负温度基准电压电路的输出端，所述电流偏置电路用于对所述基准电压进行电流偏置处理，产生并输出同一温度下大小可调的负温度系数的偏置电流，所述偏置电流的负温度系数等于所述基准电压的负温度系数；

零温度基准电压电路，所述零温度基准电压电路的输入端连接于所述电流偏置电路的输出端，所述零温度基准电压电路用于对所述偏置电流进行电流电压转换处理，产生并输出同一温度下的大小、负温度系数均可调的负温度系数的控制电压；

振荡电路，所述振荡电路的输入端连接于所述零温度基准电压电路的输出端，所述振荡电路用于对所述控制电压进行振荡处理，产生并输出振荡信号。

2.如权利要求1所述的时钟振荡器，其特征在于：所述负温度基准电压电路包括恒流源A1、场效应管MPD和三极管B1；

所述恒流源A1的第一端连接于电源VCC，所述恒流源A1的第二端连接于所述场效应管MPD的源极和栅极，所述场效应管MPD的漏极连接于所述三极管B1的发射极，所述三极管B1的基极和集电极均接地，所述场效应管MPD的栅极产生并输出所述基准电压。

3.如权利要求1所述的时钟振荡器，其特征在于，所述电流偏置电路包括：

可调电阻Rbias，所述可调电阻Rbias用于调整所述偏置电流的电流值；

有源负载差分放大电路，有源负载差分放大电路的输入端连接于所述负温度基准电压电路的输出端，所述有源负载差分放大电路用于产生跟随所述基准电压变化的第一电压，所述有源负载差分放大电路还连接于所述可调电阻Rbias并将所述第一电压施加于所述可调电阻Rbias的两端；

第一镜像电路，连接于所述可调电阻Rbias和所述负温度基准电压电路，所述第一镜像电路用于产生并输出与所述可调电阻Rbias上的电流相同的所述偏置电流。

4.如权利要求3所述的时钟振荡器，其特征在于：所述有源负载差分放大电路包括场效应管MN1、场效应管MN2、场效应管MP1、场效应管MP2和恒流源A2，所述场效应管MP1的源极和所述场效应管MP2的源极均连接于电源VCC，所述场效应管MP1的漏极连接于所述场效应管MN1的漏极，所述场效应管MP2的漏极连接于所述场效应管MP1的栅极、所述场效应管MP2的栅极和所述场效应管MN2的漏极，所述场效应管MN1的源极、所述场效应管MN2的源极和所述恒流源A2的第一端相连，所述恒流源A2的第二端接地，所述场效应管MN1的栅极连接于所述负温度基准电压电路的输出端；

所述可调电阻Rbias的第一端连接于所述场效应管MN2的栅极，所述可调电阻Rbias的第二端接地；

所述第一镜像电路包括场效应管MP3和场效应管MP4，所述场效应管MP3的栅极、所述场效应管MP4的栅极、所述场效应管MP1的漏极、所述场效应管MP2的漏极和所述场效应管MP2的栅极相连，所述场效应管MP3的源极和所述场效应管MP4的源极连接于所述电源VCC，所述场效应管MP3的漏极连接于所述可调电阻Rbias的第一端，所述场效应管MP4的漏极产生并输出所述偏置电流。

5.如权利要求1所述的时钟振荡器，其特征在于，所述零温度基准电压电路包括：

第二镜像电路，所述第二镜像电路的输入端连接于所述电流偏置电路的输出端，所述第二镜像电路用于产生跟随所述偏置电流变化的第一电流；

第三镜像电路，连接于所述第二镜像电路，所述第三镜像电路用于产生跟随所述第一电流变化的第二电流；

单级放大电路，包括沟道电流与栅极电压之间为平方根关系的场效应管MM1，所述单级放大电路连接于所述第二镜像电路和所述第三镜像电路，所述单级放大电路用于将所述第二电流施加于所述场效应管MM1的沟道并将所述场效应管MM1的栅压作为所述控制电压而输出。

6.如权利要求5所述的时钟振荡器，其特征在于：所述第二镜像电路包括场效应管MN3和场效应管MN4，所述场效应管MN3的漏极连接于所述场效应管MN3的栅极和所述场效应管MN4的栅极，所述场效应管MN3的源极和所述场效应管MN4的源极均接地，所述场效应管MN3的漏极连接于所述电流偏置电路的输出端；

所述第三镜像电路包括场效应管MP5和场效应管MP6，所述场效应管MP5的漏极连接于所述场效应管MN4的漏极、所述场效应管MP5的栅极和所述场效应管MP6的栅极，所述场效应管MP5的源极和所述场效应管MP6的源极均连接于电源VCC；

所述单级放大电路包括场效应管MM1、场效应管MN5、场效应管MP7和可调电阻Rfreq，所述场效应管MM1的源极连接于所述场效应管MN4的源极，所述场效应管MM1的漏极连接于所述场效应管MP6的漏极和所述场效应管MN5的栅极，所述场效应管MN5的源极连接于所述场效应管MM1的栅极和所述可调电阻Rfreq的第一端，所述可调电阻Rfreq的第二端接地，所述场效应管MN5的漏极连接于所述场效应管MP7的漏极和栅极，所述场效应管MP7的源极连接于所述电源VCC，所述场效应管MP7的栅极产生并输出所述控制电压。

7.如权利要求1所述的时钟振荡器，其特征在于：所述振荡电路包括第一子电路和第二子电路；

所述第一子电路和所述第二子电路均包括场效应管MP8、场效应管SWP1、场效应管MM2、电容C1、非门INV1、或非门H1和缓冲门U1，所述场效应管MP8的栅极连接于所述零温度基准电压电路的输出端，所述场效应管MP8的源极连接于电源VCC，所述场效应管MP8的漏极连接于所述场效应管SWP1的源极，所述场效应管SWP1的漏极连接于所述场效应管MM2的漏极和所述非门INV1的输入端，所述场效应管SWP1的栅极连接于所述场效应管MM2的栅极，所述场效应管MM2的源极接地，所述非门INV1的输入端还通过所述电容C1接地，所述非门INV1的输出端连接于所述或非门H1的第一端，所述或非门H1的输出端连接于所述缓冲门U1的输入端；

所述第一子电路中所述缓冲门U1的输出端连接于所述第二子电路中所述场效应管SWP1的栅极，所述第一子电路中所述或非门H1的输出端连接于所述第二子电路中所述或非门H1的第二端，所述第一子电路中所述或非门H1的第二端连接于所述第二子电路中所述或非门H1的输出端，所述第一子电路中所述场效应管SWP1的栅极连接于所述第二子电路中所述缓冲门U1的输出端，所述第二子电路中所述缓冲门U1的输出端产生并输出所述振荡信号。

8.一种时钟振荡器的控制方法，其特征在于，包括步骤：

获取并输出负温度系数的基准电压，所述基准电压的负温度系数为定值；

对所述基准电压进行电流偏置处理，获取并输出同一温度下大小可调的负温度系数的偏置电流，所述偏置电流的负温度系数等于所述基准电压的负温度系数；

对所述偏置电流进行电流电压转换处理，获取并输出同一温度下的大小、负温度系数均可调的负温度系数的控制电压；

对所述控制电压进行振荡处理，获取并输出振荡信号。

9.如权利要求8所述的时钟振荡器的控制方法，其特征在于，所述处理所述基准电压，获取并输出同一温度下大小可调的负温度系数的偏置电流，所述偏置电流的负温度系数等于所述基准电压的负温度系数的步骤包括：

获取跟随所述基准电压变化的第一电压；

提供可调电阻Rbias，将所述第一电压施加于所述可调电阻Rbias的两端；

获取并输出与所述可调电阻Rbias上的电流相同的所述偏置电流。

10.如权利要求8所述的时钟振荡器的控制方法，其特征在于，所述处理所述偏置电流，获取并输出同一温度下的大小、负温度系数均可调的负温度系数的控制电压的步骤包括：

获取跟随所述偏置电流变化的第一电流；

获取跟随所述第一电流变化的第二电流；

提供沟道电流与栅极电压之间为平方根关系的场效应管MM1，将所述第二电流施加于所述场效应管MM1的沟道；

并将所述场效应管MM1的栅压作为所述控制电压而输出。