CN109525197B - 可修调高精度rc振荡器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及可修调高精度RC振荡器，振荡器由两个比较器、控制单元、可控开关、电容和电阻组成。比较器通过比较电容电压值和基准电压值，产生信号控制开关状态使电容完成循环充放电的过程，产生连续不断的振荡波形。采用双斜坡与偏置电压轮流比较的工作方式实现高频时钟。这种做法的优势是振荡频率只与充电时间有关，而与放电时间无关，不考虑放电时间延迟对频率的影响。本发明通过调节放大器输出阻抗，引入一部分输入失调电压，通过调节比较器延迟的绝对值，改变其温度系数，补偿后级数字逻辑延迟时间的温度特性。

Description

可修调高精度RC振荡器

技术领域

本发明涉及电子电路领域，具体涉及振荡器。

背景技术

振荡器通过逻辑控制器使能可控开关对电容器进行充放电来完成振荡波形输出。如图1所示为现有技术中的一种振荡器的简化示意图，振荡器主要由比较器、电容、可控开关和逻辑控制器构成。由开关通断控制电容充放电的工作状态，比较器的两个输入端分别是电容电压和所设置的阈值电压，当电容电压高于比较器阈值电压时，逻辑控制器输出的方波信号将会使可控开关1断开，可控开关2导通，此时电容电压下降。当电容电压低于比较器阈值电压时，逻辑控制器输出的方波信号将会使可控开关2断开，可控开关1导通，此时电容电压上升。此过程不断反复产生连续不断的振荡波形。

振荡器的每个时钟周期由三部分时间组成：电容的充电时间t_charge，电容的放电时间t_discharge和比较器和逻辑控制器的延迟时间t_delay，则最终时钟的频率为：

由公式(1)可以看出，这种方式产生的时钟频率不仅与电容的充放电时间有关，而且还与比较器和逻辑控制电路的延时有关。随着电容充放电的电压变化，比较器输出信号经过逻辑控制器触发可控开关的时间，与电容电压达到跳变值的时间相比要延后一段时间。在延后的时间段内电容电压仍然在上升或下降，因此输出电压带有误差，电压频率也产生误差。图1振荡器结构中的比较器和逻辑控制器存在的延时现象，即使选择高速器件或简易逻辑控制方式也不可避免延时带来的影响。

通常工程上认为比较器和逻辑控制电路的延时时间t_delay是振荡器频率温度系数差的主要误差来源。当时钟频率较高时，t_delay的影响会更加突出，所得到的时钟频率受温度影响也就越大。理论上减少这项误差的绝对值会降低误差的温度变化量，但实际中任何电路结构都存在不同程度的延迟。不同温度情况延时的程度不同，使得环境温度不同时电容充放电时间不同，导致电压频率受到温度影响。

因此，需要提供一种可对延迟时间进行温度补偿的振荡器，以解决上面提到的问题。

发明内容

针对上述技术不足，本发明提出一种可修调高精度RC振荡器。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：可修调高精度RC振荡器，包括可控开关、比较器、控制单元和反相器；

第一可控开关、第二可控开关分别通过第一比较器、第二比较器与控制单元连接，控制单元与第一可控开关、第二可控开关连接。

所述第一可控开关输出端、第二可控开关输出端分别与第一比较器正相输入端、第二比较器正相输入端连接，第一比较器反相输入端、第二比较器反相输入端通过电阻Rtrim1与电源连接、通过电阻Rtrim2接地；第一比较器、第二比较器均与修调寄存器连接。

可控开关包括PMOS管、电阻PTC、电阻NTC和NMOS管；

PMOS管的源极与电源连接，漏极依次经电阻PTC、电阻NTC与NMOS管的漏极连接，PMOS管的栅极、NMOS管的栅极连接并作为可控开关的输入端；NMOS管的源极接地，且通过电容Ctrim与NMOS的漏极连接，NMOS的漏极作为可控开关的输出端。

比较器包括两个PMOS管mp1～mp2，8个NMOS管mn1～mn8；

mp1栅极、mp2栅极分别作为比较器的反相输入端、正相输入端，mp1源极、mp2源极与电源连接，mp1漏极、mp2漏极分别与mn1漏极、mn2漏极连接，mp1漏极还与mn1栅极、mn2栅极连接；mp2漏极作为比较器的输出端；

mn1源极与mn3漏极、mn4漏极、mn5漏极连接，mn3栅极、mn4栅极、mn5栅极分别作为比较器的输入端Trim2、输入端Trim1、输入端Trim0，连接至修调寄存器；

mn2源极与mn6漏极、mn7漏极、mn8漏极连接，mn6栅极、mn7栅极、mn8栅极分别作为比较器的输入端Trim3、输入端Trim4、输入端Trim5，连接至修调寄存器；

mn3源极～mn8源极接地。

所述控制单元包括两个控制电路；所述控制电路包括两个PMOS管、一个NMOS管、与非门、反相器和延迟电路；

所述第一PMOS管的源极与电源连接，漏极与NMOS管的源极、第二PMOS管的漏极连接，NMOS管的栅极作为控制电路的输入端，与比较器输出端连接，NMOS管的源极接地；NMOS管的漏极经反相器与第一PMOS管的栅极连接，反相器输出端作为控制电路第二输出端，经延迟电路与与非门第二输入端连接，与非门第一输入端作为控制电路第一输出端，与非门输出端与第二PMOS管的栅极链接，第二PMOS管的源极与电源连接；

第一控制电路第一输出端、第二控制电路第二输出端与第二可控开关输入端连接；第一控制电路第二输出端、第二控制电路第一输出端与第一可控开关输入端连接。

可修调高精度RC振荡器实现方法，包括以下步骤：

控制单元输出信号D为低电平，第一可控开关的PMOS管导通，NMOS管关断，电容上的电压通过第一比较器与基准电压比较；当电容电压高于基准电压Vbias时，第一比较器输出由高电平转为低电平，经控制单元整形之后，输出信号D将由低电平转为高电平，将第一可控开关的PMOS管关断，NMOS管导通，对电容放电；

控制单元辑输出信号C为低电平，将第二可控开关的PMOS管导通，NMOS管关断，电容上的电压通过第二比较器与基准电压比较；当电容电压高于基准电压Vbias时，第二比较器输出由低电平转为高电平，经过控制单元整形之后，输出信号C将低电平转为高电平，将第二可控开关的PMOS管关断，NMOS管导通，对电容放电。

根据修调寄存器的修调码，比较器产生输入失调电压△V；如果△V为正，当正向输入端VP电压大于反向输入端VN电压至少一个|△V|时，比较器内mp2导通，mp1、mn1、mn2关断，比较器输出为高电平，否则输出为低电平；如果△V为负，当正向输入端VP电压小于反向输入端VN电压至少一个|△V|时，mp1、mn1、mn2导通，mp2关断，比较器输出为低，否则输出为高。

第一控制电路的输入信号A与第二控制电路输入信号B互为反相信号；

在第一控制电路中，当信号A由低电平变为高电平、B为由高电平变为低电平时，信号A将NMOS管导通，NMOS管源极输出E电压为低电平，经过反相器输出信号D为高电平；

在第二控制电路中，信号B将NMOS管关断，与非门第二输出端信号F仍保持上一状态高电平，与信号D做与非逻辑，与非门输出一个低脉冲，将第二PMOS管导通，NMOS管源极输出G电压为高电平，经过反相器输出信号C为低电平，将第一PMOS管导通，将G点信号锁在高电平状态，直到B信号高电平到来。

本发明具有以下有益效果及优点：

相比现有方法采用双斜坡与偏置电压轮流比较的工作方式实现高频时钟。这种做法的优势是振荡频率只与充电时间有关，而与放电时间无关，不考虑放电时间延迟对频率的影响。并且对修调寄存器进行编程，控制放大器有源负载的输出阻抗，引入一部分输入失调电压，通过调节比较器延迟的极性和大小，改变其温度系数，补偿后级数字逻辑延迟时间的温度特性。

附图说明

图1为现有技术中的一种振荡器电路图。

图2为本发明振荡器电路图。

图3为本发明振荡器中的比较器电路图。

图4为本发明振荡器中的逻辑控制电路图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明。

图2给出了本发明的振荡器，包括两个比较器、逻辑控制器、两个电容器和修调阵列等。其中振荡器模块电源VDD是由系统内部LDO输出提供。Rtrim1，Rtrim2为可修调电阻阵列，通过修调电阻比例，可调节比较器阈值电压VB，从而调节时钟频率。Ctrim1，Ctrim2为可修调电容阵列，通过修调电容可调节充电速度，改变时钟频率。PTC、NTC分别为正温度系数电阻和负温度系数电阻，用来补偿充电电流温度变化对输出时钟的影响。

与现有技术中公式(1)所示的每个时钟周期的时间组成部分不同，本发明的振荡器采用双斜坡与偏置电压轮流比较的工作方式实现高频时钟。这种做法的好处是振荡频率只与充电时间有关，而与放电时间无关，不考虑t_discharge对频率的影响。

图2给出了本发明的振荡器电路，其中Rtrim1，Rtrim2为可修调电阻阵列，Ctrim1，Ctrim2为可修调电容阵列，PTC、NTC分别为正温度系数电阻和负温度系数电阻。

图3为本发明的振荡器中的比较器电路，通过调节比较器输出阻抗，引入一个或正或负输入失调电压，通过调节比较器延迟的极性和大小，改变其温度系数，补偿后级数字逻辑延迟时间的温度特性。

如图2所示，本发明工作原理如下：

控制逻辑输出信号D为低，将mp1导通，mn1关断，VDD经电阻PTC1和NTC1产生电流向电容Ctrim1充电，这时电容上的电压会不断提高。将电容上的电压通过比较器1与Vbias电压比较。当电容上的电压高于基准电压Vbias时，比较器输出由低转高，经过逻辑控制电路整形处理之后，输出信号D将由低转高，将mp1关断，mn1导通，对电容迅速放电。

控制逻辑输出信号C为低，将mp2导通，mn2关断，VDD经电阻PTC2和NTC2产生电流向电容Ctrim2充电，这时电容上的电压会不断提高。将电容上的电压通过比较器2与Vbias电压比较。当电容上的电压高于基准电压Vbias时，比较器输出由低转高，经过逻辑控制电路整形处理之后，输出信号C将由低转高，将mp2关断，mn2导通，对电容迅速放电。

如图3所示，比较器内部工作原理如下：

编程寄存器修调码，比较器将会产生的输入失调电压△V时。如果△V为正，当VP端电压大于VN端电压至少一个|△V|时，mp2导通，mp1、mn1、mn2关断，比较器输出为高，否则输出为低。如果△V为负，当VP端电压小于VN端电压至少一个|△V|时，mp1、mn1、mn2导通，mp2关断，比较器输出为低，否则输出为高。

输入失调电压△V的正负和大小由修调码控制，修调码可分为低三位Trim<0:2>和高三位Trim<3:5>,码数越小，有源负载阻抗越大，需要注意的是，无论是低三位还是高三位均不能出现000码，因为这样不能形成通路，比较器将无法正常工作。

mp1和mp2为放大管，mn1、mn2、mn3、mn4、mn5、mn6、mn7、mn8组成比例电流源作为有源负载，mn3～mn8的器件宽长比依次为1：2：4：4：2：1，编程6位寄存器修调码，可分别控制mn3～mn8的开关状态，这些管子导通之后的阻抗与他们的宽长比成反比。这样通过修调寄存器调节比较器输出阻抗，引入一个或正或负输入失调电压，通常比较器延迟的极性和大小，直接决定其温度系数，例如，比较器延迟为正值，那么其温度特性为正，反之亦然。这样的话无论后级数字逻辑的延迟时间呈现出怎样的温度特性，都可以通过寄存器给出的修调码进行调节。

对修调寄存器进行编程，控制放大器有源负载的输出阻抗，引入一部分输入失调电压，调节比较器延迟的绝对值，改变其温度系数，补偿后级数字逻辑延迟时间的温度特性。

如图4所示，逻辑控制部分内部工作原理如下：

信号A与信号B互为反相信号，当A由低变高、B为由高变低时，信号A将mn1导通，E点电压为低，经过反相器INV1，输出信号D为高；信号B将mn2关断，此时，F点信号由于延迟电路buffer2的存在，仍保持上一状态高电平，与信号D做与非逻辑，与非门NAND2输出一个瞬间低脉冲，将mp4导通，G点电压为高，经过反相器INV2，输出信号C为低，将mp3导通，将G点信号锁在高电平状态，直到B信号高电平到来。这样的逻辑处理，使振荡器脉冲宽度只与电容的充电时间有关，且占空比为50％。

以某0.5um CMOS工艺8位微处理器24MHz内部振荡器为例，在温度范围为-55℃～125℃时，未进行修调的振荡器受温度影响，频率变化范围为1％，经过修调之后的频率变化可控制在0.5％以内。

Claims (4)

1.可修调高精度RC振荡器，其特征在于，包括第一可控开关、第二可控开关、第一比较器、第二比较器、控制单元；

第一可控开关、第二可控开关分别通过第一比较器、第二比较器与控制单元连接，控制单元与第一可控开关、第二可控开关连接；

所述第一可控开关输出端、第二可控开关输出端分别与第一比较器正相输入端、第二比较器正相输入端连接，第一比较器反相输入端、第二比较器反相输入端通过可修调电阻阵列Rtrim1与电源连接、通过可修调电阻阵列Rtrim2接地；第一比较器、第二比较器均与修调寄存器连接；

所述第一可控开关包括PMOS管mpp1、正温度系数电阻PTC1、负温度系数电阻NTC1和NMOS管mnn1；

PMOS管mpp1的源极与电源连接，漏极依次经正温度系数电阻PTC1、负温度系数电阻NTC1与NMOS管mnn1的漏极连接，PMOS管mpp1的栅极、NMOS管mnn1的栅极连接并作为第一可控开关的输入端；NMOS管mnn1的源极接地，且通过可修调电容阵列Ctrim1与NMOS 管mnn1的漏极连接，NMOS管mnn1的漏极作为第一可控开关的输出端；

所述第二可控开关包括PMOS管mpp2、正温度系数电阻PTC2、负温度系数电阻NTC2和NMOS管mnn2；

PMOS管mpp2的源极与电源连接，漏极依次经正温度系数电阻PTC2、负温度系数电阻NTC2与NMOS管mnn2的漏极连接，PMOS管mpp2的栅极、NMOS管mnn2的栅极连接并作为第二可控开关的输入端；NMOS管mnn2的源极接地，且通过可修调电容阵列Ctrim2与NMOS管 mnn2的漏极连接，NMOS管 mnn2的漏极作为第二可控开关的输出端；

第一比较器和第二比较器均包括两个PMOS管mp1～mp2，8个NMOS管mn1～mn8；

PMOS管mp1栅极、PMOS管mp2栅极分别作为比较器的反相输入端、正相输入端，PMOS管mp1源极、PMOS管mp2源极与电源连接，PMOS管mp1漏极、PMOS管mp2漏极分别与NMOS管mn1漏极、NMOS管mn2漏极连接，PMOS管mp1漏极还与NMOS管mn1栅极、NMOS管mn2栅极连接；PMOS管mp2漏极作为比较器的输出端；

NMOS管mn1源极与NMOS管mn3漏极、NMOS管mn4漏极、NMOS管mn5漏极连接，NMOS管mn3栅极、NMOS管mn4栅极、NMOS管mn5栅极分别作为比较器的输入端Trim2、输入端Trim1、输入端Trim0，连接至修调寄存器；

NMOS管mn2源极与NMOS管mn6漏极、NMOS管mn7漏极、NMOS管mn8漏极连接，NMOS管mn6栅极、NMOS管mn7栅极、NMOS管mn8栅极分别作为比较器的输入端Trim3、输入端Trim4、输入端Trim5，连接至修调寄存器；

NMOS管mn3源极～NMOS管mn8源极接地；

所述控制单元包括第一控制电路和第二控制电路；所述第一控制电路包括第一PMOS管、第二PMOS管、第一NMOS管、第一与非门、第一反相器和第一延迟电路；

所述第一PMOS管的源极与电源连接，漏极与第一NMOS管的漏极、第二PMOS管的漏极连接，第一NMOS管的栅极作为第一控制电路的输入端，与第一比较器输出端连接，第一NMOS管的源极接地；第一NMOS管的漏极经第一反相器与第一PMOS管的栅极连接，第一反相器输出端作为第一控制电路第二输出端与第二控制电路的第一输出端相连，同时经第一延迟电路与第一与非门第二输入端连接，第一与非门第一输入端作为第一控制电路第一输出端，第一与非门输出端与第二PMOS管的栅极连接，第二PMOS管的源极与电源连接；

所述第二控制电路包括第三PMOS管、第四PMOS管、第二NMOS管、第二与非门、第二反相器和第二延迟电路；

所述第三PMOS管的源极与电源连接，漏极与第二NMOS管的漏极、第四PMOS管的漏极连接，第二NMOS管的栅极作为第二控制电路的输入端，与第二比较器输出端连接，第二NMOS管的源极接地；第二NMOS管的漏极经第二反相器与第三PMOS管的栅极连接，第二反相器输出端作为控制电路第二输出端与第一控制电路的第一输出端相连，同时经第二延迟电路与第二与非门第二输入端连接，第二与非门第一输入端作为第二控制电路第一输出端，第二与非门输出端与第四PMOS管的栅极连接，第四PMOS管的源极与电源连接；

第一控制电路第一输出端、第二控制电路第二输出端与第二可控开关输入端连接；第一控制电路第二输出端、第二控制电路第一输出端与第一可控开关输入端连接。

2.根据权利要求1所述的可修调高精度RC振荡器实现方法，其特征在于，包括以下步骤：

控制单元输出信号D为低电平，第一可控开关的PMOS管导通，NMOS管关断，电容上的电压通过第一比较器与基准电压比较；当电容电压高于基准电压Vbias时，第一比较器输出由低电平转为高电平，经控制单元整形之后，输出信号D将由低电平转为高电平，将第一可控开关的PMOS管关断，NMOS管导通，对电容放电；

控制单元辑输出信号C为低电平，将第二可控开关的PMOS管导通，NMOS管关断，电容上的电压通过第二比较器与基准电压比较；当电容电压高于基准电压Vbias时，第二比较器输出由低电平转为高电平，经过控制单元整形之后，输出信号C将低电平转为高电平，将第二可控开关的PMOS管关断，NMOS管导通，对电容放电。

3.根据权利要求2所述的可修调高精度RC振荡器实现方法，其特征在于，根据修调寄存器的修调码，第一比较器和第二比较器均产生输入失调电压△V；如果△V为正，当正向输入端VP电压大于反向输入端VN电压至少一个|△V |时，比较器内PMOS管mp2导通，PMOS管mp1、NMOS管mn1、NMOS管mn2关断，比较器输出为高电平，否则输出为低电平；如果△V为负，当正向输入端VP电压小于反向输入端VN电压至少一个|△V |时，PMOS管mp1、NMOS管mn1、NMOS管mn2导通，PMOS管mp2关断，比较器输出为低，否则输出为高。

4.根据权利要求2所述的可修调高精度RC振荡器实现方法，其特征在于，第一控制电路的输入信号A与第二控制电路输入信号B互为反相信号；

在第一控制电路中，当信号A由低电平变为高电平、B为由高电平变为低电平时，信号A将NMOS管导通，NMOS管源极输出E电压为低电平，经过反相器输出信号D为高电平；

在第二控制电路中，信号B将NMOS管关断，与非门第二输出端信号F仍保持上一状态高电平，与信号D做与非逻辑，与非门输出一个低脉冲，将第二PMOS管导通，NMOS管源极输出G电压为高电平，经过反相器输出信号C为低电平，将第一PMOS管导通，将G点信号锁在高电平状态，直到B信号高电平到来。

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