CN109845106A - 用于产生时钟信号的振荡器电路和方法 - Google Patents
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Abstract
在实施例中，振荡器电路包括第一积分器‑比较器单元(100)、第二积分器‑比较器单元(200)和逻辑电路(300)。第一积分器‑比较器单元(100)配置为根据第一充电电流(IREF1)的第一积分以及由第一积分产生的第一积分信号(VC1)与参考信号(VREF)的随后比较来提供第一信号(A1)。第二积分器‑比较器单元(200)配置为根据第二充电电流(IREF1)的第二积分以及由第二积分产生的第二积分信号(VC2)与参考信号(VREF)的随后比较来提供第三信号(B1)。逻辑电路(300)适用于提供时钟信号(CLK1)、第一和第二测量信号(D1，D2)，分别用于控制第一和第二积分器‑比较器单元(100,200)。
Description
本发明涉及一种用于产生时钟信号的振荡器电路和方法。
振荡器是每个数字和混合信号电路的基本组成部分之一。在许多应用中，电路的性能(要求随温度较低的频频漂移、较低的抖动和较高的电源抑制比)很大程度上取决于振荡器的性能。此外，还经常要求低功耗。石英振荡器提供了较好的频率精度。然而，它们的温度范围通常限制到125℃。此外，因为它们需要外部部件，即石英，所以它们不适合用于意味着高生产成本的全片上解决方案。
因此，通常使用所谓的张弛振荡器来代替石英振荡器。本申请从图6中所示的公知的传统锯齿张弛振荡器开始。该振荡器具有两个积分器模块10、20。积分器模块10包括：两个开关11、12、反相器13、电容器14、比较器15和电流源16。积分器模块20包括：两个开关21、22、反相器23、电容器24、比较器25和电流源26。假定积分器块10和20在组成和所有电特性方面相同。比较器15和25的输出端A和B控制SR触发器30，SR触发器30在其输出端提供信号CLK1和CLK2。信号CLK1和CLK2控制积分器模块10的开关11和12以及积分器模块20的开关21和22。假设参考电压VREF和参考电流IREF是通过在示意图中未示出的参考发生器模块提供的。
参考图7描述了图6中所示电路的运行，图7示出了电路图相关节点的电压的典型波形。首先，分别假定SR触发器30的输出电压CLK1和CLK2为高和低。电容器14和24完全放电。比较器15和25的输出电压A和B都设置为接地。因此，开关11和22断开，而开关12和21闭合。这确保跨电容器14的电压V1保持在接地电平，而电容器24被来自电流源21的电流IREF充电，以等于电流IREF与电容器24的电容值C的商的转换速率线性增加电压V2。在时刻ta，当电压V2达到参考电压VREF时，比较器25的输出电流开始对其输出端B的寄生电容充电。在延迟时间td之后，输出端B的电压达到代表比较器25的开关电平的阈值电压VTHR。这对应于时刻tb。在时刻tb，SR触发器30的重置信号被激活，并且触发器的状态改变。因此，电压CLK1将其状态从高变为低，而电压CLK2将其状态从低变为高。由于控制电压CLK1和CLK2的改变，所有开关都改变它们的状态。开关11和22从断开状态变为闭合状态，而开关12和21从闭合状态变为断开状态。因此，电压V2被放电到接地电平，同时电容器14开始用来自电流源16的电流IREF充电，使得电压V1的转换速率等于电流IREF与电容器14的电容值C的商。由于两个积分器块10和20完全对称，电压V1从tb到te的波形等于电压V2直达tb的波形。考虑到这一点，电压V1和V2的一个完整周期从开始延伸到时间点te，并且称为周期T’。
为了计算图6中电路的振荡的周期T’，从电压V2的波形中可以清楚地看出，时刻ta是由电压V2和参考电压VREF的转换速率确定的。此外，比较器的对应于时间跨度td的传播延迟被加到张弛振荡器的半周期持续时间上。该半周期持续时间等于：
其中，T’表示周期或周期持续时间，VREF表示参考电压VREF，C表示电容器14或24的电容值C，IREF表示电流IREF，并且td表示比较器15或25的传播延迟td。
该周期等于：
其也能够被写成：
T'＝2RC+2td (3)，
其中，R表示由参考电压VREF和电流IREF的商得出的电阻器R的参考值。
图6中所示现有技术解决方案的一个缺点是比较器传播延迟td对振荡频率的绝对值的影响。传播延迟td增加了随温度的额外频率漂移、电源和工艺变化。这损害了振荡器的整体精度。
在现有技术中，例如US 8,054,141B2，已经解决了比较器传播延迟的所述问题。图8示出了张弛振荡器500的简化电路图。张弛振荡器500包括积分器501、复制积分器502、两个参考电压Vhigh和Vlow、比较器503和逻辑504。积分器501具有电流源I1和I2、开关SW1和SW2和电容器Ca。复制积分器502包括电流源I3、I4和I5、开关SW3、SW4、SW5和SW6以及电容器Cb。
在图8中示出的张弛振荡器的运行是基于积分器501和比较器503的。当开关SW1和SW2串联运行时，电容器Ca根据逻辑504的状态充电或放电。在电压Vcap延迟了td达到参考电压Vhigh或Vlow之一后，比较器的输出改变逻辑504的状态。同时，从比较器503的输出中提取具有延迟td的持续时间的脉冲。该脉冲控制复制积分器502的运行，向电容器Cb馈送过量电荷以消除比较器302的延迟。因此，电容器Ca、Cb上的电压偏移了对应于延迟的量。
然而，图8所示的延迟消除的精度由传播延迟脉冲持续时间的精确性以及积分器501和502中包含的电流源和电容器的匹配来确定。虽然能够控制匹配质量并将其设置到期望的水平，但是传播延迟脉冲的精确提取很大程度上取决于工艺角、对称转换速率和比较器电路的线性行为。这在提取延迟脉冲时引起系统误差。
因此，一个目的在于提供与现有技术相比具有改进特性的振荡器。
该目的通过独立权利要求的主题来实现。在从属权利要求中限定了实施例和改进。
在一个实施例中，振荡器电路具有第一积分器-比较器单元、第二积分器-比较器单元和逻辑电路。第一积分器-比较器单元配置为根据第一充电电流的第一积分以及由第一积分产生的第一积分信号与参考信号的后续比较来提供第一信号。第一积分器-比较器单元还配置为提供与第一信号互补的第二信号。第二积分器-比较器单元配置为根据第二充电电流的第二积分以及由第二积分产生的第二积分信号与参考信号的后续比较来提供第三信号。第二积分器-比较器单元还配置为提供与第三信号互补的第四信号。逻辑电路适用于提供时钟信号、分别用于控制第一和第二积分器-比较器单元的第一和第二测量信号。第一测量信号被提供为第二信号与时钟信号的函数。第二测量信号被提供为第四信号和时钟信号的函数，并且时钟信号被提供为第一信号和第三信号的函数。
第一充电电流在第一积分器-比较器单元中被积分以产生第一积分信号。将第一积分信号与参考信号进行比较，并将比较结果反映在第一信号中。提供第二信号，使得其与第一信号互补。同样，第二充电电流在第二积分器-比较器单元中被积分以产生第二积分信号。也将第二积分信号与参考信号进行比较，并将比较结果反映在第三信号中。提供第四信号，使得其与第三信号互补。逻辑电路接收第一、第二、第三和第四信号，并由此通过将上述这些信号组合来提供第一和第二测量信号以及时钟信号。第一和第二测量信号以及时钟信号分别用于控制第一和第二积分器-比较器单元。
提供彼此互补并反映第一积分信号与参考信号的比较的第一和第二信号、提供彼此互补并反映第二积分信号与参考信号的比较的第三和第四信号以及这些信号的后续组合使得能够精确确定第一和第二积分比较器单元中进行的比较的延迟。该持续时间反映在第一和第二测量信号中。第一和第二测量信号以及时钟信号的反馈允许消除该延迟对所提供的时钟信号的周期的影响。因此，所提出的振荡器电路更精确，并且对温度变化更不敏感。
所建议的振荡器电路也可以称为张弛振荡器。
在一种改进中，第二积分器-比较器单元被控制以执行与第一积分反相的第二积分。
这意味着，在由振荡器电路提供的时钟信号的周期的第一半周期中，第一积分器-比较器单元执行积分，直到第一积分信号变成等于参考信号，这触发改变时钟信号状态。然后，在第二积分器-比较器单元中在第二半周期中执行积分，直到第二积分信号超过参考信号，这再次触发改变时钟信号的状态。重复该周期。该周期的第一半周期能够称为第一阶段，该周期的第二半周期能够称为第二阶段。因此，第一和第二积分器-比较器单元被控制以执行彼此反相的积分。
在一进一步的改进中，第一测量信号的脉冲的宽度与第一积分器-比较器单元内进行的比较的传播延迟成比例。第二测量信号的脉冲的宽度与第二积分器-比较器单元内进行的比较的传播延迟成比例。
第一测量信号取决于由第一积分器-比较器单元提供的第一和第二信号。第二测量信号取决于由第二积分器-比较器单元提供的与第一和第二信号的提供是反相的第三和第四信号。在第一测量信号的脉冲和第二测量信号的脉冲之间产生的时移使得能够对传播延迟进行时移反馈并有效地消除其对时钟信号的影响。
在实施例中，在逻辑电路的控制下，通过第一和第二测量信号以及时钟信号，分别调整第一充电电流的值和第二充电电流的值。
对第一充电电流和第二充电电流的各自的值的调整允许以高精度确定第一测量信号和第二测量信号中反映的传播延迟。
在一种改进中，第一积分器-比较器单元包括第一充电器部件、第一电容器、第一比较器和第二比较器。第一比较器的非反相输入端耦合到第二比较器的反相输入端，从而形成第一积分节点。向第一比较器的反相输入端和第二比较器的非反相输入端提供参考信号。第一电容器连接在第一积分节点和参考电位端子之间。第一充电器部件可切换地耦合到第一积分节点。第一比较器配置为提供第一信号。第二比较器配置为提供第二信号。
第一和第二比较器尺寸基本相同。因此，第二比较器表示相对于第一比较器的复制或副本。由于两个比较器的耦合以及提供如上定义的参考信号，比较器彼此反相地运行。因此，第一和第二信号彼此互补。
在一进一步改进中，第一充电器部件包括第一开关、第二开关、第三开关和第四开关、以及通过第一开关耦合在电源电位端子和第一积分节点之间的第一电流源、通过第二开关耦合在电源电位端子和第一积分节点之间的第二电流源、以及通过第四开关耦合在第一积分节点和参考电位端子之间的第三电流源。第一积分节点通过第三开关耦合到参考电位端子。第一充电器部件配置为提供第一充电电流。
第一、第二和第三电流源各自被设定为提供相对于参考电流具有不同量的电流。
在一个改进中，第一开关由以其反相形式的时钟信号控制，第二开关由第二测量信号控制，根据第一测量信号和以反相形式的时钟信号来控制第三开关，第四开关由第一测量信号控制。
第一充电器部件的开关由第一和第二测量信号以及时钟信号控制。与三个电流源合作，调整第一充电电流的值。例如，第一积分信号对应于跨第一电容器的电压。例如，参考信号表示参考电压。通过可调整的第一充电电流，调整第一积分信号的转换速率。因此，大大提高了确定第一和第二比较器的传播延迟的准确性。
其中，比较器的传播延迟是指积分信号的值达到参考信号的值的时间点和比较器的输出达到表示比较器的开关电平的阈值电平的时间点之间的时间量。一旦比较器的输出超过阈值水平，它就会根据输出的前一个值将输出值从低变高或从高变低。
在另一实施例中，第二积分器-比较器单元包括第二充电器部件、第二电容器、第三比较器和第四比较器。第三比较器的非反相输入端耦合到第四比较器的反相输入端，从而形成第二积分节点。向第三比较器的反相输入端和第四比较器的非反相输入端提供参考信号。第二电容器连接在第二积分节点和参考电位端子之间。第二充电器部件可切换地耦合到第二积分节点。第三比较器配置为提供第三信号，第四比较器配置为提供第四信号。
第三和第四比较器尺寸基本相同。因此，第四比较器表示相对于第三比较器的复制或副本。由于两个比较器的耦合和提供如上定义的参考信号，比较器彼此反相地运行。因此，第三和第四信号彼此互补。
此外，第一和第二积分器-比较器单元在其组成和电特性方面被设定为基本相同。
在一个改进中，第二充电器部件包括第五开关、第六开关、第七开关和第八开关、以及通过第五开关耦合在电源电位端子和第二积分节点之间的第四电流源、通过第六开关耦合在电源电位端子和第二积分节点之间的第五电流源、以及通过第八开关耦合在第二积分节点和参考电位端子之间的第六电流源。第二积分节点通过第七开关耦合到参考电位端子。第二充电器部件配置为提供第二充电电流。
第四、第五和第六电流源各自被设定为提供相对于参考电流具有不同量的电流。
在一种改进中，第五开关由时钟信号控制。第六开关由第一测量信号控制。根据第二测量信号和时钟信号控制第七开关。第八开关由第二测量信号控制。
第二充电器部件的开关由第一和第二测量信号以及时钟信号控制。与三个电流源合作调整第二充电电流的值。例如，第二积分信号对应于跨第二电容器的电压。通过可调整的第二充电电流，调整第二积分信号的转换速率。因此，大大提高了对第三和第四比较器传播延迟的确定的准确性。
通过使用复制比较器，测量第一和第二积分器-比较器单元中的比较器的传播延迟，达到由比较器的匹配确定的电平，而不会引入系统误差。此外，比较器的传播延迟被抵消到由电流源的匹配确定的水平。此外，所提出的张弛振荡器电路的结构提供了对比较器的系统偏移的完全消除。对于除了开关的非理想行为和寄生的影响之外的传播延迟消除，这两者都可以通过仔细设计来最小化，所提出的振荡器电路没有系统误差或对工艺变化的依赖性。因此，产生的时钟信号的频率精度主要受失配参数的影响，这能够用投入面积和参考的精度很好地控制，例如由参考电压和参考电流的比值产生的参考电阻器以及第一和第二电容器。
在一种改进中，逻辑电路包括触发器，该触发器配置为在其输入端接收第一和第三信号，并提供时钟信号。
在另一改进中，逻辑电路还包括：第一逻辑部件，其配置为接收第二信号和时钟信号，并提供第一测量信号；以及第二逻辑部件。第二逻辑部件配置为接收第四信号和以反相形式的时钟信号，并提供第二测量信号。
在一个实施例中，一种用于产生时钟信号的方法具有以下步骤：
在第一积分中对第一充电电流进行积分，
将由第一积分得到的第一积分信号与参考信号进行比较，并且由此提供第一信号，
提供与第一信号互补的第二信号，
在第二积分中对第二积分电流进行积分，
将由第二积分得到的第二积分信号与参考信号进行比较，并且由此提供第三信号，
提供与第三信号互补的第四信号，
提供作为第一和第三信号的逻辑函数的时钟信号，
提供作为时钟信号和第二信号的函数的第一测量信号，
提供作为时钟信号和第四信号的函数的第二测量信号，以及
通过时钟信号、第一和第二测量信号控制第一积分和第二积分。
例如，可以使用上面定义的振荡器电路来实现所提出的方法。
所提出的方法通过积分的反馈控制提供了对每个比较步骤的传播延迟的精确确定以及随后对该延迟的消除。因此，时钟信号以温度稳定的方式提供。
例如，能够通过用第一充电电流对第一电容器充电来执行对第一充电电流的积分。因此，所述电容器两端的电压表示第一积分信号。类似地，例如，能够通过用第二充电电流对第二电容器充电来执行对第二充电电流的积分。因此，所述电容器两端的电压表示第二积分信号。能够通过逻辑组合所述一个或更多个其它信号来实现提供作为一个或多个其它信号的函数的信号。
在一种改进中，在时钟信号的控制下，与第二积分反相地执行第一积分。
在一种改进中，一旦第一信号超过阈值电平，第一测量信号就改变其状态，并且后续地一旦第二信号超过该阈值电平，第一测量信号就再次改变其状态，使得第一测量信号的脉冲的持续时间与第一积分信号和参考信号进行比较的传播延迟成比例。一旦第三信号超过该阈值电平，第二测量信号就改变其状态，并且后续地一旦第四信号超过该阈值电平，第二测量信号就再次改变其状态，使得第二测量信号的脉冲的持续时间与第二积分信号和参考信号进行比较的传播延迟成比例。
在一种改进中，在第一和第二测量信号以及以反向形式的时钟信号的控制下调整第一充电电流的值，使得第一积分信号在第一积分信号超过参考信号的时间点和时钟信号改变其状态的时间点之间的转换速率被调整为第一积分信号在时钟信号改变其状态的时间点和第一积分信号下降低到低于参考信号的时间点之间的转换速率。在第一和第二测量信号以及时钟信号的控制下调整第二充电电流的值，使得第二积分信号在第二积分信号超过参考信号的时间点和时钟信号改变其状态的时间点之间的转换速率被调整为时钟信号改变其状态的时间点和第二积分信号下降到低于参考信号的时间点之间的转换速率。
下文参考附图使用示例性实施例详细解释了所提出的振荡器电路和相应的方法。功能相同或具有相同效果的部件和电路元件具有相同的附图标记。只要电路部分或部件在功能上彼此对应，在下面的每幅图中将不再重复对它们的描述。
图1示出了所提出的振荡器电路的实施例示例。
图2示出了所提出的振荡器电路的示例性时序图。
图3到图5各自示出了图2的时序图的细节。
图6到图8涉及振荡器的现有技术的实现。
图1示出了所提出的振荡器电路的实施例示例。该振荡器电路包括第一积分器-比较器单元100、第二积分器-比较器单元200和逻辑电路300。
第一积分器-比较器单元100包括第一充电器部件120、第一电容器C1、第一比较器151和第二比较器152。第一充电器部件120包括第一开关101、第二开关102、第三开关103、第四开关104以及或非门130。第一充电器部件120还包括用于提供参考电流IREF的第一电流源111、用于提供具有由第一电流源111提供的参考电流IREF的值的一半的电流的第二电流源112、以及用于提供具有与由第一电流源111提供的参考电流IREF的值相对应的值的参考电流IREF的第三电流源113。第一电流源111通过第一开关101耦合在电源电位端子8和第一积分节点121之间。第二电流源112通过第二开关102耦合在电源电位端子8和第一积分节点121之间。第三电流源113通过第四开关104耦合在第一积分节点121和参考电位端子9之间。第一积分节点121通过第三开关103耦合到参考电位端子9。
第一比较器151的非反相输入端耦合到第二比较器152的反相输入端，从而形成第一积分节点121。向第一比较器151的反相输入端和第二比较器152的非反相输入端提供参考信号VREF。第一电容器C1连接在第一积分节点121和参考电位端子9之间。第一充电器部件120通过第一、第二、第三和第四开关101、102、103、104以可切换的方式耦合到第一积分节点121。
第一充电器部件120提供产生第一积分信号VC1的第一充电电流IREF1，第一积分信号VC1表示为跨第一电容器C1的电压降。第一比较器151提供第一信号A1，而第二比较器152提供第二信号A2。
第二积分器-比较器单元包括第二充电器部件220、第二电容器C2、第三比较器251和第四比较器252。第三比较器251的非反相输入端耦合到第四比较器252的反相输入端，从而形成第二积分节点221。向第三比较器251的反相输入端和第四比较器252的非反相输入端提供参考信号VREF。第二电容器C2连接在第二积分节点221和参考电位端子9之间。第二充电器部件220包括第五开关201、第六开关202、第七开关203和第八开关204以及或非门230。第二充电器部件220还包括第四电流源211、第五电流源212和第六电流源213。第四电流源211通过第五开关201耦合在电源电位端子8和第二积分节点221之间。第五电流源212通过第六开关202耦合在电源电位端子8和第二积分节点221之间。第六电流源213通过第八开关204耦合在第二积分节点221和参考电位端子9之间。第二积分节点221通过第七开关203耦合到参考电位端子9。第二充电器部件220通过第五、第六、第七和第八开关201、202、203、204以可切换的方式耦合到第二积分节点221。
第二充电器部件220提供产生第二积分信号VC2的第二充电电流IREF2，第二积分信号VC2表示为跨第二电容器C2的电压降。第三比较器251提供第三信号B1，而第四比较器252提供第四信号B2。
逻辑电路300包括优选地由SR触发器实现的触发器301、第一逻辑部件160、170和第二逻辑部件260、270。触发器301在其设置输入端接收第一信号A1，在其重置输入端接收第三信号B1。因此，触发器301在其Q输出端提供时钟信号CLK1，并且可选地在其取反的Q输出端提供时钟信号CLK1的反相形式，该反相形式被指定为CLK2。在该示例中，第一逻辑部件由反相器160和连接到反相器160下游的与门170实现。反相器160接收第二信号A2。与门170另外接收时钟信号CLK1，并根据反相或取反的第二信号A2和时钟信号CLK1的与组合来提供第一测量信号D1。第二逻辑部件包括反相器260和耦合到反相器260下游的与门270。反相器260接收第四信号B2。与门270将反相时钟信号CLK2和反相第四信号B2组合，并据此提供第二测量信号D2。
第一开关101由反相时钟信号CLK2控制。第二开关102由第二测量信号D2控制。根据在或非门130中组合的第一测量信号D1和反相时钟信号CLK2来控制第三开关103。第四开关104由第一测量信号D1控制。
第五开关201由时钟信号CLK1控制。第六开关202由第一测量信号D1控制。例如，根据在或非门230中组合的第二测量信号D2和时钟信号CLK1来控制第七开关203。第八开关204由第二测量信号D2控制。
假设在参考发生器块内提供参考信号VREF，例如在电流源111、112、113、211、212和213中使用的参考电压和参考电流IREF，这对于本领域技术人员来说是公知的，因此未在示意图中示出。
接下来参考图2、3、4和5描述该电路的运行。
图2示出了所提出的振荡器电路的示例性时序图。所描绘的波形表示图1的相关信号，针对该示例将这些信号表示为电压。这些线从上到下示出了跨第一电容器C1的第一积分信号或电压VC1、跨第二电容器C2的第二积分信号或电压VC2、第一信号A1或第一比较器151的输出端处的电压A1、第二信号A2或第二比较器152的输出端处的电压、第三信号B1或第三比较器251的输出端处的电压、第四信号B2或第四比较器252的输出端处的电压、第一测量信号D1、第二测量信号D2、时钟信号CLK1或触发器301的Q输出端处的电压、以及反相时钟信号CLK2或触发器301的取反的Q输出端处的电压。
首先，由触发器301输出的时钟信号CLK1被假定为高，并且反相时钟信号CLK2被假定为低。电容器C1和电容器C2完全放电。结果，分别由信号A2和B2表示的比较器152和比较器252的输出电压被设置为高电平，因此反相器160和反相器260的输出端被设置为低电平。由信号A1和B1表示的比较器151和比较器251的输出电压都被设置为接地电位或参考电位。因此，第一和第二测量信号D1和D2处于接地电位或电平。或非门130在其输出端具有高电平，而或非门230在其输出端具有低电平。因此，开关101、102、104、202、203和204断开，而开关103和201闭合。这确保了由跨第一电容器C1的电压VC1表示的第一积分信号保持在接地电平，而第二电容器C2被由电流源211提供的具有参考电流IREF的值的第二充电电流IREF2充电。第二积分信号VC2以等于参考电流IREF的值和第二电容器C2的电容C的值的商的转换速率线性增加。
在时刻t1，当电压VC2达到参考电压VREF时，比较器251的输出电流开始在其输出端处对寄生电容充电，并且电压B1增加。另一方面，比较器252的输出节点B2开始放电。在延迟td之后在时间点t2，第三信号B1达到第三比较器251的开关电平，该开关电平被称为阈值信号VTHR并且对应于阈值电压VTHR。此时，SR触发器301的重置信号被激活，并且触发器301的状态改变。这意味着时钟信号CLK1被设置为低电平，而反相时钟信号CLK2被设置为高电平。
其中，比较器252的输出电压B2在时刻t2仍然低于阈值电压VTHR。为此，在比较器的输入端添加小的系统偏移电压VOFF，使得比较器251的输出电压B1在积分信号VC2在时间点t1达到参考电压VREF之后开始略微充电，并且比较器252的输出电压B2在积分信号VC2达到参考电压VREF之前开始略微放电。如稍后详细描述的，在该操作期间消除了偏移电压VOFF和所得到的偏移时间对时钟信号CLK1的周期T的影响，并且因此在接下来的时序分析中将被忽略。
在时间点t2，时钟信号CLK1和时钟信号CLK2分别改变状态。在第四信号B2处于低电平的情况下，反相时钟信号CLK2的变化触发了与门270的输出的变化，表现为第二测量信号D2从低电压电平到高电压电平。第二测量信号D2中的变化触发了开关102和开关204的变化。时钟信号CLK1和时钟信号CLK2的变化触发了开关101、103和201的变化。这意味着开关103在时刻t2从闭合状态变为断开状态，从而将第一电容器C1与参考电位9断开。开关101和开关102从断开状态变为闭合状态，有效地将第一电容器C1连接到电流源111和电流源112。电压VC1以一转换速率线性增加，该转换速率等于参考电流IREF和第一电容器C1的电容C的商的1.5倍。开关104、202和203保持断开。开关201将状态从闭合变为断开，并将电流源211与第二电容器C2断开。同时，开关204闭合，这意味着电流源204开始以等于参考电流IREF和电容C的商的转换速率对第二电容器C2放电。由于在时刻t2附近电压VC2的转换速率的绝对值相同，电压VC2经过相同的延迟时间td后在时刻t3再次达到参考电压VREF的值。当第四比较器252上的输入端相对于第三比较器251反向时，第四比较器252在时刻t3开始进入与第三比较器251在时刻t1的相同的阶段。由于上述振荡器电路中的匹配状况，输出电压B2在相同的延迟时间td之后达到高电平，并且再次将测量信号D2设置为低电平。这使得测量信号D2的脉冲的持续时间等于延迟时间td的两倍。
随着第二测量信号D2在时刻t4从高变为低，开关102和开关204从闭合变为断开，开关203从断开变为闭合。其他开关101、103、104、201和202保持不变。因此，电压VC2被放电到接地电平，并且第一电容器C1继续由来自电流源111的参考电流IREF充电，使得电压VC1的转换速率等于参考电流IREF和电容C的商。
在时间点t5，电压VC1等于参考电压VREF。第一电容器C1继续充电直到到触发器301的状态再次改变的时刻t6，并且第一电容器C1随后开始放电。
在时间点t6’，第一积分信号VC1下降到参考电压VREF的电平以下。
在时间点t7，下一个积分阶段在第一积分器-比较器单元100内开始。
第一和第二测量信号D1、D2的脉冲的持续时间等于延迟时间td的两倍。
由于两个积分器比较器单元100和200的对称性，电压VC1从t6到t7的波形与电压VC2在t2到t6之间的波形相同。考虑到这一点，为从时间点t2到时间点t7定义了电压VC1和VC2的一个完整周期T。相同的时间线也定义了时钟信号CLK1和时钟信号CLK2的一个周期T。
能够看出，，第一积分器-比较器单元100内在时间点t2的充电或积分阶段的开始触发了第二积分器-比较器单元200中放电阶段的开始。在时间点t6，第二积分器-比较器单元200内的充电或积分阶段的开始触发第一积分器-比较器单元100内的放电阶段的开始。因此，反映在第一积分信号或电压VC1中的第一积分被与反映在第二积分信号或电压VC2中的第二积分反相地执行。
开关电平或阈值信号VTHR大约位于电源电位和参考电位之间的一半。逻辑高电平对应于电源电压的电平，而逻辑低电平对应于接地电位。参考电压的大小被设定为满足电流源和比较器的运行区域。
图3中示出了比较的时间图。由虚线304描绘来自图6的现有技术振荡器的电压V1的半周期。另外，由具有线段301、302和303的实线示出了图1所示的所提出的振荡器的半周期。如上所述，在等式(1)中定义了图6中的振荡器的电压V1的半周期304的持续时间，其中在等式(2)和(3)中定义了周期T’。
图1中的电路图的电压VC1的线段301和302决定了与半周期304不同的半周期的持续时间。该差别包括从t2到t4的线段301，其中，电压VC1的转换速率等于参考电流IREF和电容C的商的1.5倍。另一方面，从t4到t6的线段302的转换速率等于参考电流IREF和电容C的商。由于测量信号D2的导致的脉冲305的持续时间等于延迟时间td的两倍，并且线段301的转换速率相比于线段302和半周期304的转换速率增加了50％，因此现有技术的半周期的持续时间(即t6’-t2)和所提出的振荡器的持续时间(即t6-t2)之间的总差相当于延迟时间td。与等式(1)相比，在所提出的振荡器中，电压VC1的半周期的持续时间对于延迟时间td而言更短。因此，所提出的振荡器的半周期持续时间等于：
其中，T表示周期或周期持续时间，VREF表示参考电压VREF，C表示第一或第二电容器C1或C2的电容值C，IREF表示电流IREF。
该周期等于：
其也能够写成：
T＝2RC，
其中，R表示由参考电压VREF和电流IREF的商得出的电阻器R的参考值。
结果表明，利用所提出的振荡器电路消除了比较器传播延迟td。时钟信号CLK1的周期T仅取决于无源部件。
参照图4和图5解释了比较器的系统偏移的消除。图4示出了当不存在比较器偏移时的情况。示出了电压VC2以及测量信号D2的脉冲311。时间td被定义为比较器251的输入达到参考电压VREF的时刻t1和比较器251的输出电压B1达到逻辑阈值电压VTHR的时刻t2之间的差。由于电压VC2在时刻t2附近的转换速率的对称性，t3和t2之间的差再次等于延迟时间td。具有反相的复制比较器252的输入在时刻t3达到参考电压VREF，并且再次需要延迟时间td，直到其输出电压B2达到逻辑阈值电压VTHR。通过这种方式，确定测量信号D2的脉冲，其持续时间等于t3和t1之间的差，该差等于延迟时间td的两倍。
图5示出了当系统偏移电压VOFF出现在比较器(例如比较器251和比较器252)的输入端时的情况。示出了电压VC2以及测量信号D2的脉冲321。这种情况下，因为偏移电压VOFF被加到参考电压VREF，所以比较器251需要另外的时间tx来激活信号B1。另外的时间tx的表达式等于偏移电压VOFF除以电压VC2的转换速率，等于
tx＝VOFF*C/IREF，
其中，tx表示另外的时间tx，VOFF表示偏移电压VOFF。
t2和t1’之间的时间差等于比较器的延迟时间td。t1和t2之间的时间差被称为比较器的有效延迟td’，该有效延迟td’是比较器传播延迟td加上由比较器的偏移引起的延迟tx，并且等于
t2-t1＝td+tx＝td′，
其中，td’表示比较器的有效延迟td’。
由于电压VC2的转换速率的对称性，t2’和t2间的差等于延迟时间td，并且t3和t2’之间的差等于另外的时间tx。因此，t3和t2之间的差等于t2和t1之间的差，即延迟时间td和另外的时间tx之和。
由于比较器252具有反相，因此从参考电压VREF中有效地减去偏移电压VOFF。与上文类似，从t3到t3’需要另外的时间tx来激活信号B2。从t3’开始，需要延迟时间td，直到比较器252的输出电压B2在时刻t4达到阈值电压VTHR。通过这种方式，用以下持续时间确定测量周期D2的脉冲321：
t4-t2＝2*(td+tx)＝2td′。
能够得出结论，脉冲持续时间总是等于有效延迟的两倍，即相对于电压VC2达到VREF的时刻的延迟时间。因此，在所提出的振荡器电路中，系统偏移电压VOFF对振荡周期持续时间的任何影响也被消除。
应当理解，除非作为替代描述，否则关于任何一个实施例描述的任何特征可以单独使用，或者与所描述的其他特征结合使用，并且也可以与任何其他实施例的一个或更多个特征结合使用，或者与任何其他实施例的任何组合结合使用。此外，在不脱离所附权利要求中限定的载波信号发生电路和方法的范围的情况下，也可以采用上面没有描述的等同物和修改。
标记列表
8、9 端子
100、200 积分器-比较器单元
300 逻辑电路
A1、A2、B1、B2、D1、D2 信号
CLK1、CLK2 时钟信号
VC1、VC2、VREF、VTHR 信号
A、B、V1、V2、Vcap 信号
Vhigh、Vlow 信号
IREF1 充电电流
14、24、Ca、Cb、C1、C2 电容器
120、220 充电器部件
101、102、103、104 开关
201、202、203、204 开关
SW1、SW2、SW3、SW4、SW5 开关
16、26、111、112、113 电流源
211、212、213 电流源
I1、I2、I3、I4、I5 电流源
15、25、151、152、251、251、503 比较器
30、301 触发器
130、160、170、230、260、270 逻辑门
301、302、303、304 线段
305、311、321 脉冲
t1、t2、t3、t4、t5、t6、t6'、t7 时刻
ta、tb、tc、te、tf、tg 时间点
td 延迟时间
10、20 积分器模块
13、23 逻辑门
501、502 积分器
500 振荡器
504 逻辑
Claims (16)
1.一种振荡器电路，包括：
第一积分器-比较器单元(100)，
第二积分器-比较器单元(200)，以及
逻辑电路(300)，
其中，所述第一积分器-比较器单元(100)配置为根据第一充电电流(IREF1)的第一积分以及由所述第一积分产生的第一积分信号(VC1)与参考信号(VREF)的后续比较来提供第一信号(A1)，所述第一积分器-比较器单元(100)还配置为提供与所述第一信号(A1)互补的第二信号(A2)，
其中，所述第二积分器-比较器单元(200)配置为根据第二充电电流(IREF2)的第二积分以及由第二积分产生的第二积分信号(VC2)与参考信号(VREF)的后续比较来提供第三信号(B1)，所述第二积分器-比较器单元(200)还配置为提供与第三信号(B1)互补的第四信号(B2)，
并且其中，所述逻辑电路(300)适用于提供时钟信号(CLK1)、分别用于控制所述第一积分器-比较器单元(100)和所述第二积分器-比较器单元(200)的第一测量信号(D1)和第二测量信号(D2)，其中，第一测量信号(D1)被提供为第二信号(A2)和时钟信号(CLK1)的函数，第二测量信号(D2)被提供为第四信号(B2)和时钟信号(CLK1)的函数，并且时钟信号(CLK1)被提供为第一信号(A1)和第三信号(B1)的逻辑函数。
2.根据权利要求1所述的振荡器电路，
其中，第二积分器-比较器单元(200)被控制以执行与第一积分反相的第二积分。
3.根据权利要求1或2所述的振荡器电路，
其中，
第一测量信号(D1)的脉冲的宽度与第一积分器-比较器单元(100)内进行的比较的传播延迟成比例，并且
第二测量信号(D2)的脉冲的宽度与第二积分器-比较器单元(200)内的进行比较的传播延迟成比例。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的振荡器电路，
其中，第一充电电流(IREF1)的值和第二充电电流(IREF2)的值分别在逻辑电路(300)的控制下通过第一测量信号(D1)和第二测量信号(D2)以及时钟信号(CLK1)来调整。
5.根据权利要求1到4中任一项所述的振荡器电路，
其中，所述第一积分器-比较器单元(100)包括：
第一充电器部件(120)，
第一电容器(C1),以及
第一比较器(151)和第二比较器(152)，
其中，第一比较器(151)的非反相输入端耦合到第二比较器(152)的反相输入端，从而形成第一积分节点(121)，并且其中，向第一比较器(151)的反相输入端和第二比较器(152)的非反相输入端提供所述参考信号(VREF)，
其中，第一电容器(C1)连接在第一积分节点(121)和参考电位端子(9)之间，并且
其中，第一充电器部件(120)可切换地耦合到第一积分节点(121)，第一比较器(151)配置为提供第一信号(A1)，第二比较器(152)配置为提供第二信号(A2)。
6.根据权利要求5所述的振荡器电路，
其中，第一充电器部件(120)包括：
第一开关(101)、第二开关(102)、第三开关(103)和第四开关(104)，以及
第一电流源(111)，其通过第一开关(101)耦合在电源电位端子(8)和第一积分节点(121)之间，
第二电流源(112)，其通过第二开关(102)耦合在电源电位端子(8)和第一积分节点(121)之间，以及
第三电流源(113)，其通过第四开关(104)耦合在第一积分节点(121)和参考电位端子(9)之间，
其中，第一积分节点(121)通过第三开关(103)耦合到参考电位端子(9)，并且第一充电器部件(120)配置为提供第一充电电流(IREF1)。
7.根据权利要求6所述的振荡器电路，
其中，所述第一开关(101)由以反相形式的时钟信号(CLK1)控制，
所述第二开关(102)由第二测量信号(D2)控制，
根据第一测量信号(D1)和以反相形式的时钟信号(CLK1)来控制所述第三开关(103)，并且
所述第四开关(104)由第一测量信号(D1)控制。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的振荡器电路，
其中，所述第二积分器-比较器单元(200)包括：
第二充电器部件(220)，
第二电容器(C2)，以及
第三比较器(251)和第四比较器(252)，其中，第三比较器(251)的非反相输入端耦合到第四比较器(252)的反相输入端，从而形成第二积分节点(221)，并且其中，向第三比较器(251)的反相输入端和第四比较器(252)的非反相输入端提供所述参考信号(VREF)，
其中，所述第二电容器(C2)连接在所述第二积分节点(221)和所述参考电位端子(9)之间，并且
其中，第二充电器部件(220)可切换地耦合到第二积分节点(221)，第三比较器(251)配置为提供第三信号(B1)，第四比较器(252)配置为提供第四信号(B2)。
9.根据权利要求8所述的振荡器电路，
其中，所述第二充电器部件(220)包括：
第五开关(201)、第六开关(202)、第七开关(203)和第八开关(204)，以及
第四电流源(211)，其通过第五开关(201)耦合在电源电位端子(8)和第二积分节点(221)之间，
第五电流源(212)，其通过第六开关(202)耦合在电源电位端子(8)和第二积分节点(221)之间，以及
第六电流源(213)，其通过第八开关(204)耦合在第二积分节点(221)和参考电位端子(9)之间，
其中，第二积分节点(221)通过第七开关(203)耦合到参考电位端子(9)，并且第二充电器部件(220)配置为提供第二充电电流(IREF2)。
10.根据权利要求9所述的振荡器电路，
其中，所述第五开关(201)由时钟信号(CLK1)控制，
第六开关(202)由第一测量信号(D1)控制，
根据第二测量信号(D2)和时钟信号(CLK1)来控制第七开关(203)，并且
第八开关(204)由第二测量信号(D2)控制。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的振荡器电路，
其中，所述逻辑电路(300)包括：
触发器(301)，其配置为在其输入端接收第一信号(A1)和第三信号(B1)，并提供时钟信号(CLK1)。
12.根据权利要求11所述的振荡器电路，
其中，所述逻辑电路(300)还包括：
第一逻辑部件(160,170)，其配置为接收第二信号(A2)和时钟信号(CLK1)，并提供第一测量信号(D1)，以及
第二逻辑部件(260,270)，其配置为接收第四信号(B2)和以反相形式的时钟信号(CLK1)，并提供第二测量信号(D2)。
13.一种用于产生时钟信号的方法，包括以下步骤：
在第一积分中对第一充电电流(IREF1)进行积分，
将由第一积分得到的第一积分信号(VC1)与参考信号(VREF)进行比较，并由此提供第一信号(A1)，
提供与第一信号(A1)互补的第二信号(A2)，
在第二积分中对第二充电电流(IREF2)进行积分，
将由第二积分产生的第二积分信号(VC2)与参考信号(VREF)进行比较，并由此提供第三信号(B1)，
提供与第三信号(B1)互补的第四信号(B2)，
提供作为第一信号(A1)和第三信号(B1)的逻辑函数的时钟信号(CLK1)，
提供作为时钟信号(CLK1)和第二信号(A2)的函数的第一测量信号(D1)，
提供作为时钟信号(CLK1)和第四信号(B2)的函数的第二测量信号(D2)，以及
通过时钟信号(CLK1)、第一测量信号(D1)和第二测量信号(D2)来控制第一积分和第二积分。
14.根据权利要求13所述的用于产生时钟信号的方法，
其中，在时钟信号(CLK1)的控制下，与第二积分反相地执行第一积分。
15.根据权利要求13或14所述的用于产生时钟信号的方法，
其中，一旦第一信号(A1)超过阈值电平(VTHR)，第一测量信号(D1)就改变其状态，并且后续地一旦第二信号(A2)超过所述阈值电平(VTHR)，第一测量信号(D1)再次改变其状态，使得第一测量信号(D1)的脉冲的持续时间与将第一积分信号(VC1)与参考信号(VREF)进行比较的传播延迟成比例，并且
其中，一旦第三信号(B1)超过所述阈值电平(VTHR)，第二测量信号(D2)就改变其状态，并且后续地一旦第四信号(B2)超过所述阈值电平(VTHR)，第二测量信号(D2)再次改变其状态，使得第二测量信号(D2)的脉冲的持续时间与将第二积分信号(VC2)与参考信号(VREF)进行比较的传播延迟成比例。
16.根据权利要求13至15中任一项所述的用于产生时钟信号的方法，
其中，在第一测量信号(D1)和第二测量信号(D2)以及以反相形式的时钟信号(CLK1)的控制下调整第一充电电流(IREF1)的值，使得第一积分信号(VC1)在第一积分信号(VC1)超过参考信号(VREF)的时间点(t5)和时钟信号(CLK1)改变其状态的时间点(t6)之间的转换速率被调整为第一积分信号(VC1)在时钟信号(CLK1)改变其状态的时间点(t6)和第一积分信号(VC1)下降到低于参考信号(VREF)的时间点之间的转换速率，并且
其中，在第一测量信号(D1)和第二测量信号(D2)以及时钟信号(CLK1)的控制下调整第二充电电流的值(IREF2)，使得第二积分信号(VC2)在第二积分信号(VC2)超过参考信号(VREF)的时间点(t1)和时钟信号(CLK1)改变其状态的时间点(t2)之间的转换速率被调整为第二积分信号(VC2)在时钟信号(CLK1)改变其状态的时间点(t2)和第二积分信号(VC2)下降到低于参考信号(VREF)的时间点(t3)之间的转换速率。
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