CN109709999A - 控制输出频率温度系数的实现方法及电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种控制输出频率温度系数的实现方法及电路，实现根据外部输入信号，控制RC振荡器产生不同正温度系数的频率输出，并且还可以实现较传统RC振荡器更大的正温度系数的频率输出。

Description

控制输出频率温度系数的实现方法及电路

技术领域

本发明涉及半导体集成电路技术领域，具体涉及一种控制输出频率温度系数的实现方法及电路。

背景技术

传统的输出频率有温度系数的RC振荡器电路如图1、2所示，将比较器Icmp正极性端VC起始状态设置为零电位，比较器负极性端接带隙基准电压源输出VREF，起始状态比较器输出CLKOUT输出为零电位，控制MP管导通，使与绝对温度成正比的IPTAT电流源对VC节点充电，当VC节点电压超过VREF电压并经过比较器输出响应时间Td_cmp，比较器输出CLKOUT由零电位翻转到电源电压VDD，同时CLKOUT控制MP管关断，MN管打开将VC快速下拉至零电位，将使VC低于VREF电位，此时，同样经过大约Td_cmp，比较器输出由电源电压翻转到零电位，MN管关断，MP管打开，开始下一个对VC节点的充放电周期循环，同时比较器输出CLKOUT也开始下一个高低电平的翻转循环，循环产生时钟信号。

由以上工作原理可知，IPTAT电流源输出电流越大，对VC节点进行一个充放电周期所耗时长越短，CLKOUT进行一次翻转循环越快，使输出CLKOUT信号频率越高，而IPTAT电流源的特点是其输出电流大小与其工作环境温度成正比，温度越高，IPTAT电流源输出电流越大，所以输出CLKOUT频率具有正的温度系数。

但是，如果实际中需要CLKOUT信号输出频率具有很大的正温度系数，那么使用的IPTAT电流源应具有很大的温度系数，在实际电路中温度系数越大的IPTAT电流源越难实现，具体因为：估算输出CLKOUT频率近似为：C0为图1电容C的容值大小，VREF为带隙基准电压源输出，IPTAT为与绝对温度成正比的电流源大小，Td_cmp为比较器输出响应时间。

发明内容

本发明的目的在于提供一种RC振荡器电路输出频率的温度系数控制实现方法及电路，实现根据外部输入信号，控制RC振荡器产生不同正温度系数的频率输出，并且还可以实现较传统RC振荡器更大的正温度系数的频率输出。

为了达到上述目的，本发明通过以下技术方案实现：

一种RC振荡器输出频率的温度系数控制实现电路，其特征是，包含：

VBE产生电路，输出端产生具有负温度系数的VBE电位；

比较器Icmp，其负极性端VINN通过第一选择开关K1连接带隙基准源输出的零温度系数电压VREF，其负极性端VINN还通过第二选择开关K2连接VBE产生电路的输出端，输出端输出时钟信号CLKOUT；

开关管MP，漏极连接比较器Icmp的正极性端VC，栅极连接比较器Icmp的输出端；

零温度系数恒流源Icharge，输出端通过第三选择开关K3连接开关管MP源极；

具有正温度系数并与绝对环境温度成正比的电流源Iptat，输出端通过第四选择开关K4连接开关管MP源极；

第一VC节点电容C0，正极连接比较器Icmp的正极性端VC，负极通过第五选择开关K5接地；

第二VC节点电容C1，正极连接比较器Icmp的正极性端VC，负极接地；

下拉管MN，漏极连接比较器Icmp的正极性端VC，栅极连接比较器Icmp的输出端，源极接地。

上述的RC振荡器输出频率的温度系数控制实现电路，其中：

所述的VBE产生电路包含：恒流源Ibias、NPN双极管Q0，恒流源Ibias通过集电极、基极短接的NPN双极管Q0产生具有负温度系数的VBE电位。

上述的RC振荡器输出频率的温度系数控制实现电路，其中：

第一VC节点电容C0和第二VC节点电容C1均为MOM电容。

上述的RC振荡器输出频率的温度系数控制实现电路，其中：

恒流源Icharge、电流源Iptat、恒流源Ibias的输入端分别连接直流电压源VDD，且恒流源Icharge和恒流源Ibias输出电流大小不同。

上述的RC振荡器输出频率的温度系数控制实现电路，其中：

第一、二、三、四、五选择开关K1、K2、K3、K4、K5均为MOS开关管。

一种控制输出频率温度系数的实现方法，采用上述的RC振荡器输出频率的温度系数控制实现电路来实现，其特征是：

CLKOUT输出频率估算公式：

式中，Td_cmp为比较器输出响应时间，C根据档位选择为C1容值或者C0与C1容值之和，VINN根据档位选择为VREF或者VBE电压值，I根据档位选择为Icharge或Iptat电流值大小，包含以下几种档位：

档位1：控制K1、K3、K5闭合，K2、K4打开，此时，式(1)中的C为C1和C0容值，VINN为VREF电压值，I为Icharge电流值，CLKOUT输出频率与温度无相关性；

档位2：控制K2、K3闭合，K1、K4、K5打开，此时式(1)中的C为C1容值，VINN为VBE电压值，I为Icharge电流值，CLKOUT输出频率为正温度系数；

档位3：控制K1、K4、K5闭合，K2、K3打开，此时，式(1)中的C为C1和C0容值之和，VINN为VREF电压值，I为Iptat电流值，CLKOUT输出频率为正温度系数；

档位4：控制K2、K4闭合，K1、K3、K5打开，此时，式(1)中的C为C1容值，VINN为VBE电压值，I为Iptat电流值，CLKOUT输出频率为正温度系数；

其中，档位2的CLKOUT输出频率正温度系数＜档位3的CLKOUT输出频率正温度系数＜档位4的CLKOUT输出频率正温度系数。本发明与现有技术相比具有以下优点：实现根据外部输入信号，控制RC振荡器产生不同正温度系数的频率输出，并且还可以实现较传统RC振荡器更大的正温度系数的频率输出。

附图说明

图1为传统的输出频率有温度系数的RC振荡器电路；

图2为传统的RC振荡器电路CLKOUT常温20MHZ输出，高\低温相对于常温的输出频率温度变化关系表；

图3为本发明RC振荡器输出频率的温度系数控制实现电路的电路图；

图4为本发明的变化实施例；

图5为本发明的RC振荡器电路CLKOUT常温20MHz输出时，高\低温相对于常温的输出频率变化关系表。

具体实施方式

以下结合附图，通过详细说明一个较佳的具体实施例，对本发明做进一步阐述。

如图3所示，本发明提出了一种RC振荡器输出频率的温度系数控制实现电路，可以根据外部控制信号对输出频率的正温度系数在(-40℃，85℃)进行设置，具体的，该电路包含：VBE产生电路，输出端产生具有负温度系数的VBE电位；比较器Icmp，其负极性端VINN通过第一选择开关K1连接带隙基准源输出的零温度系数电压VREF，其负极性端VINN还通过第二选择开关K2连接VBE产生电路的输出端，输出端输出时钟信号CLKOUT；开关管MP，漏极连接比较器Icmp的正极性端VC，栅极连接比较器Icmp的输出端；零温度系数恒流源Icharge，输出端通过第三选择开关K3连接开关管MP源极；具有正温度系数并与绝对环境温度成正比的电流源Iptat，输出端通过第四选择开关连接开关管MP源极；第一VC节点电容C0，正极连接比较器Icmp的正极性端VC，负极通过第五选择开关K5接地；第二VC节点电容C1，正极连接比较器Icmp的正极性端VC，负极接地，通过K5来控制VC节点充电电容是C0或C1，且K5还用于保证常温常压下CLKOUT输出频率均为20MHz；下拉管MN，漏极连接比较器Icmp的正极性端VC，栅极连接比较器Icmp的输出端，源极接地。

所述的VBE产生电路包含：恒流源Ibias、NPN双极管Q0，恒流源Ibias通过集电极、基极短接的NPN双极管Q0产生具有负温度系数的VBE电位，即VBE为二极管连接方式的NPN管Q0的正向导通压降，具有负温度系数。

第一VC节点电容C0和第二VC节点电容C1均为MOM电容。

恒流源Icharge、电流源Iptat、恒流源Ibias的输入端分别连接直流电压源VDD，比较器Icmp也连接一电源电压VDD；且恒流源Icharge和恒流源Ibias输出电流大小不同，恒流源Icharge电流值大小主要由所要设计的CLKOUT输出频率以及VC节点电容容值决定，VBE由Ibias输出电流驱动NPN管产生，根据二极管连接方式的NPN管的电路特性，当其处于完全的正向导通状态时，Ibias输出电流值对VBE电压值大小以及VBE的负温度特性影响很小，在保证二极管连接方式的NPN管处于完全的正向导通状态下，出于整个系统降低功耗的要求，恒流源Ibias可以取较小。

第一、二、三、四、五选择开关K1、K2、K3、K4、K5均为MOS开关管。

本发明的RC振荡器输出频率的温度系数控制实现电路的工作原理是：起始状态VC被拉到地电位，VINN相对于VC为高电平，比较器输出CLKOUT为零电位，则MP导通，MN截止，电流源(Iptat电流源或者Icharge电流源，根据外部输入控制确定K3或K4闭合)对VC节点电容充电，VC节点电位被充电至高于VINN，再经过比较器输出响应时长后，CLKOUT输出从低变高，然后MP关断而MN导通，VC节点被迅速强拉到地电位，大约经过比较器输出响应时长CLKOUT再由高变低，此时MP导通，MN关断开始第2个充放电周期，产生下一个CLKOUT输出，依次类推，CLKOUT周期性输出高低脉冲。

本发明还提出了一种控制输出频率温度系数的实现方法，采用上述的RC振荡器输出频率的温度系数控制实现电路来实现，具体的：

CLKOUT输出频率估算公式：

式中，Td_cmp为比较器输出响应时间，C根据档位选择为C1容值或者C0与C1容值之和，VINN根据档位选择为VREF或者VBE电压值，I根据档位选择为Icharge或Iptat电流值大小，结合图3、5所示，包含以下几种档位(闭合，表示连接；打开，表示关断，在实际使用时，通过外部控制信号选择设置其中的一档有效)：

档位1：控制K1、K3、K5闭合，K2、K4打开，此时，VINN被连接至VREF，恒流源Icharge对VC节点电容充电，由于VREF、Icharge分别为零温度系数电压、电流，，式(1)中的C为C1和C0容值，VINN为VREF电压值，I为Icharge电流值，CLKOUT输出频率与温度无相关性，如图5所示，常温下CLKOUT输出频率20MHz时，低温下CLKOUT输出频率为20MHz，高温下CLKOUT输出频率为20MHz；

档位2：控制K2、K3闭合，K1、K4、K5打开，VINN被连接至VBE，恒流源Icharge对VC节点电容充电，由于VBE电位具有负温度系数，Icharge为零温度系数电流输出。则温度越高，VBE越小，恒流源Icharge对VC节点充电到VBE所耗时长越短，每个充放电周期总时长也越短，因此，温度越高CLKOUT输出频率越高，此时式(1)中的C为C1容值，VINN为VBE电压值，I为Icharge电流值，可以做到CLKOUT输出频率为正温度系数，如图5所示，常温下CLKOUT输出频率20MHz时，低温下CLKOUT输出频率为偏慢9.7％，高温下CLKOUT输出频率偏快10.8％；

档位3：控制K1、K4、K5闭合，K2、K3打开，此时，INN被连接至VREF，输出电流值与温度成正比的电流源Iptat对VC节点电容充电，VREF为零温度系数电压。则温度越高，电流源Iptat输出电流值越大，对VC节点电压而言，充电到VREF所耗时长越短，每个充放电周期总时长也越短，因此，温度越高CLKOUT输出频率越高，通过对Iptat电流源正温度系数，式(1)中的C为C1和C0容值之和，VINN为VREF电压值，I为Iptat电流值，CLKOUT输出频率为正温度系数，并且档位3的CLKOUT输出频率正温度系数＞档位2的CLKOUT输出频率正温度系数，如图5所示，常温下CLKOUT输出频率20MHz时，低温下CLKOUT输出频率为偏慢16.9％，高温下CLKOUT输出频率偏快16.9％；

档位4：控制K2、K4闭合，K1、K3、K5打开，此时，VINN被连接至VBE，输出电流值与温度成正比的电流源Iptat对VC节点电容充电，VBE为负温度系数电压。则温度越高，VBE越小，电流源Iptat输出电流值越大，对VC节点电压而言，充电到VBE所耗时长，将随着温度升高而大幅减小，每个充放电周期总时长也随温度升高而越短，因此，温度越高CLKOUT输出频率越高，通过将Iptat电流源正温度系数和VBE的负温度系数结合，式(1)中的C为C1容值，VINN为VBE电压值，I为Iptat电流值，CLKOUT输出频率为正温度系数，并且档位4的CLKOUT输出频率正温度系数＞档位3的CLKOUT输出频率正温度系数，如图5所示，常温下CLKOUT输出频率20MHz时，低温下CLKOUT输出频率为偏慢26.3％，高温下CLKOUT输出频率偏快27.9％。

基于上述电路，在一些实施例中，可以进一步的拓展成输出负温度系数输出频率的RC振荡器电路，具体的：如图4所示，在档位4的情况下，可通过将Iptat处改为负温度系数电流源ICTAT和将VINN处的输入改为正温度系数的电压Vs来实现。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (6)

1.一种RC振荡器输出频率的温度系数控制实现电路，其特征在于，包含：

VBE产生电路，输出端产生具有负温度系数的VBE电位；

比较器Icmp，其负极性端VINN通过第一选择开关K1连接带隙基准源输出的零温度系数电压VREF，其负极性端VINN还通过第二选择开关K2连接VBE产生电路的输出端，输出端输出时钟信号CLKOUT；

开关管MP，漏极连接比较器Icmp的正极性端VC，栅极连接比较器Icmp的输出端；

零温度系数恒流源Icharge，输出端通过第三选择开关K3连接开关管MP源极；

具有正温度系数并与绝对环境温度成正比的电流源Iptat，输出端通过第四选择开关K4连接开关管MP源极；

第一VC节点电容C0，正极连接比较器Icmp的正极性端VC，负极通过第五选择开关K5接地；

第二VC节点电容C1，正极连接比较器Icmp的正极性端VC，负极接地；

下拉管MN，漏极连接比较器Icmp的正极性端VC，栅极连接比较器Icmp的输出端，源极接地。

2.如权利要求1所述的RC振荡器输出频率的温度系数控制实现电路，其特征在于：

所述的VBE产生电路包含：恒流源Ibias、NPN双极管Q0，恒流源Ibias通过集电极、基极短接的NPN双极管Q0产生具有负温度系数的VBE电位。

3.如权利要求1所述的RC振荡器输出频率的温度系数控制实现电路，其特征在于：

第一VC节点电容C0和第二VC节点电容C1均为MOM电容。

4.如权利要求2所述的RC振荡器输出频率的温度系数控制实现电路，其特征在于：

恒流源Icharge、电流源Iptat、恒流源Ibias的输入端分别连接直流电压源VDD，且恒流源Icharge和恒流源Ibias输出电流大小不同。

5.如权利要求1所述的RC振荡器输出频率的温度系数控制实现电路，其特征在于：

第一、二、三、四、五选择开关K1、K2、K3、K4、K5均为MOS开关管。

6.一种控制输出频率温度系数的实现方法，采用如权利要求1～5中任意一项所述的RC振荡器输出频率的温度系数控制实现电路来实现，其特征在于：

CLKOUT输出频率估算公式：

式中，Td_cmp为比较器输出响应时间，C根据档位选择为C1容值或者C0与C1容值之和，VINN根据档位选择为VREF或者VBE电压值，I根据档位选择为Icharge或Iptat电流值大小，包含以下几种档位：

档位1：控制K1、K3、K5闭合，K2、K4打开，此时，式(1)中的C为C1和C0容值，VINN为VREF电压值，I为Icharge电流值，CLKOUT输出频率与温度无相关性；

档位2：控制K2、K3闭合，K1、K4、K5打开，此时式(1)中的C为C1容值，VINN为VBE电压值，I为Icharge电流值，CLKOUT输出频率为正温度系数；

档位3：控制K1、K4、K5闭合，K2、K3打开，此时，式(1)中的C为C1和C0容值之和，VINN为VREF电压值，I为Iptat电流值，CLKOUT输出频率为正温度系数；

档位4：控制K2、K4闭合，K1、K3、K5打开，此时，式(1)中的C为C1容值，VINN为VBE电压值，I为Iptat电流值，CLKOUT输出频率为正温度系数；

其中，档位2的CLKOUT输出频率正温度系数＜档位3的CLKOUT输出频率正温度系数＜档位4的CLKOUT输出频率正温度系数。