CN110266271B - 一种低温度系数的单端口rc振荡器电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种低温度系数的单端口RC振荡器电路，其包括充放电回路、比较器、负电阻和反相器。本发明结合了由MOS管构成的比较器和负电阻，抵消了跨导受温度的影响；进一步采用由正、负温度系数电阻组成的复合电阻，计算最优电阻温度系数，降低电阻、阈值电压等因素受温度影响带来的频率变化。该振荡器电路并未采用额外结构做温度补偿，具有结构简单、芯片面积非常小、温度稳定性较好等优点，可广泛应用于集成电路中。

Description

一种低温度系数的单端口RC振荡器电路

技术领域

本发明涉及一种集成电路设计领域，特别是关于一种小面积、有温度补偿的低温度系数的单端口RC振荡器电路。

背景技术

振荡器是很多电路的基本组成部分。在数字系统中，最常用的振荡器是晶体振荡器，它具有精度高、稳定性好的特点，但是难以集成到芯片内部，并且增加了成本。随着CMOS工艺的发展，RC振荡器更易于芯片集成化，而且频率易调整，但是很容易受到电压、温度等环境及工艺因素的影响。

目前，RC振荡器的稳定性得到了很大提高，但是基本上结构复杂，大多采用一个模块构成反馈回路，进行温度补偿。这样增大了设计复杂度，并且增大了芯片面积。在使用低温医疗器械治疗时，探头常常需要深入到病人特定组织附近，利用低温破坏病变细胞，这样对振荡器的面积控制提出了更高的需求。

在单端口电路中，如果有振荡回路以及并联的一个正电阻和一个负电阻(R||(-R)＝∞)，振荡回路将不会有能量损失，将一直振荡下去。可以用有源电路构建负电阻，形成结构简单的单端口振荡器。负电阻的概念为，如果施加的电压增大，流过该电阻的阻值反而会减小。基于此原理的RCL振荡器易于设计，所用电路器件少，但是频率受温度较大。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种低温度系数的单端口RC振荡器电路，其在降低振荡器的温度系数的基础上，尽可能减小芯片面积，具有所占面积小、频率的温度系数较低等优点。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种低温度系数的单端口RC振荡器电路，其特征在于包括：充放电回路、比较器、负电阻结构和反相器；所述充放电回路依次与所述比较器、负电阻结构和反相器连接，所述充放电回路包括电容C₁和第一电阻R₁，所述电容C₁一端接地，所述电容C₁另一端与所述第一电阻R₁一端连接，并在所述电容C₁与所述第一电阻R₁之间引出第一输出端，所述第一电阻R₁另一端为第二输出端；由所述充放电回路中电容C₁上的电压信号控制所述比较器，进一步控制电路支路的选通，为所述负电阻结构提供输入电流，输出电压随着所述电容C₁的充放电进行有规律的变化，形成振荡波形；并由所述反相器调整波形并输出信号。

进一步，所述比较器包括第一MOS管T₁和第二MOS管T₂；所述第一MOS管T₁和第二MOS管T₂的栅极均与所述充放电回路的第一输出端连接，进而由所述电容C₁上的电压信号控制所述比较器；所述第一MOS管T₁的漏极与高电平VDD连接，源极与所述负电阻结构一端连接；所述第二MOS管T₂的漏极与所述负电阻结构另一端连接，源极接地。

进一步，所述负电阻结构包括第二电阻R₂和第三电阻R₃，所述第二电阻R₂和第三电阻R₃都为由MOS管构成的负电阻；所述第二电阻R₂一端与所述第一MOS管T₁的源极连接，所述第二电阻R₂的另一端与所述第三电阻R₃一端连接，且所述充放电回路的第二输出端连接至所述第二电阻R₂和第三电阻R₃之间，为所述负电阻结构提供输入电流；所述第三电阻R₃的另一端与所述第二MOS管T₂的漏极连接。

进一步，所述负电阻由MOS管T₅和MOS管T₆组成，所述MOS管T₅的栅极与所述MOS管T₆的漏极相连，所述MOS管T₅的尾电流提供偏置电流，外部电源为所述MOS管T₆栅极提供偏置电压。

进一步，所述反相器包括第三MOS管T₃和第四MOS管T₄；所述第三MOS管T₃和第四MOS管T₄的栅极均连接至所述第二电阻R₂和第三电阻R₃之间，所述第三MOS管T₃的源极接地，漏极与所述第四MOS管T₄的源极连接后作为输出端；所述第四MOS管T₄的漏极连接至高电平VDD。

进一步，所述电容C₁上的变化电压U_c，当U_c比较小时，所述第一MOS管T₁导通，所述第二MOS管T₂截止，电容C₁充电，U_c会逐渐升高；当U_c比较高时，所述第二MOS管T₂导通，所述第一MOS管T₁截止,电容C₁放电，U_c会逐渐降低；由于电容C₁的充放电作用，输送给所述反相器的电压V₁会规律性的变化，形成振荡。

进一步，所述第一电阻R₁采用由正、负温度系数电阻组成的复合电阻，并计算最优复合电阻温度系数，进而得到电路整体温度系数K，以降低电阻、阈值电压受温度影响带来的频率变化；

电路整体温度系数K为：

K＝(1+β_RT(T-25))ln(|V_TH|(1+α_VT(T-25)))，

式中，α_VT，β_RT分别为阈值电压和电阻的温度系数，V_TH为比较器第一MOS管和第二MOS管的近似阈值电压，T表示环境温度。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明结构简单、温度稳定性好，其包括充放电回路、比较器、负电阻和反相器。由充放电回路中电容上的电压信号控制比较器，进一步控制电路支路的选通，为负电阻提供输入电流，输出电压随着电容的充放电进行有规律的变化，形成振荡波形；采用反相器调整波形并输出信号。2、本发明采用由MOS管组成的比较器和负电阻，二者的结合抵消了跨导g_m受温度的影响。其中，比较器由一个NOMS管和一个PMOS管构成，通过输入电压与阈值电压的比较，确定MOS管的通断状态，从而控制电路支路的选通，同时提供负电阻的输入电流；负电阻由源跟随器加正反馈构成。3、本发明采用正、负温度系数的电阻构成复合电阻，对频率受温度影响的因素进行整体优化。通过阈值电压和电阻的温度模型建立振荡频率数学模型，可以计算得到电阻最优温度系数。该电阻最优温度系数可以由正、负温度系数的电阻复合而成，可以提高在选定温度范围内的频率稳定性。

综上，相对于其他结构的振荡器，本发明的振荡器结构简单、面积小、易实现，可以广泛在集成电路设计领域中应用。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是本发明实施例的负电阻原理图；

图3是通过优化后振荡器的频率随温度变化图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

如图1所示，本发明提供一种低温度系数的单端口RC振荡器电路，其包括充放电回路1、比较器2、负电阻结构3和反相器4。充放电回路1依次与比较器2、负电阻结构3和反相器4连接，充放电回路1包括电容C₁和第一电阻R₁，电容C₁一端接地，电容C₁另一端与第一电阻R₁一端连接，并在电容C₁与第一电阻R₁之间引出第一输出端，第一电阻R₁另一端为第二输出端。由充放电回路1中电容C₁上的电压信号控制比较器2，进一步控制电路支路的选通，为负电阻结构3提供输入电流，输出电压随着电容C₁的充放电进行有规律的变化，形成振荡波形；并由反相器4调整波形并输出信号。其中，第一电阻R₁采用由正、负温度系数电阻组成的复合电阻。

上述实施例中，比较器2包括第一MOS管T₁和第二MOS管T₂。第一MOS管T₁和第二MOS管T₂的栅极均与充放电回路1的第一输出端连接，进而由电容C₁上的电压信号控制比较器2。第一MOS管T₁的漏极与高电平VDD连接，源极与负电阻结构3一端连接；第二MOS管T₂的漏极与负电阻结构3另一端连接，源极接地。

上述各实施例中，如图1所示，负电阻结构3包括第二电阻R₂和第三电阻R₃，第二电阻R₂和第三电阻R₃均为由MOS管构成的负电阻。第二电阻R₂一端与第一MOS管T₁的源极连接，第二电阻R₂的另一端与第三电阻R₃一端连接，且充放电回路1的第二输出端连接至第二电阻R₂和第三电阻R₃之间，为负电阻结构3提供输入电流。第三电阻R₃的另一端与第二MOS管T₂的漏极连接。

在一个优选的实施例中，如图2所示，为常见的负电阻形式，源跟随器加上正反馈。负电阻由MOS管T₅和MOS管T₆组成，MOS管T₅的栅极与MOS管T₆的漏极相连，MOS管T₅的尾电流提供偏置电流，外部电源Vb为MOS管T₆栅极提供偏置电压。该负电阻阻值表达式为：

式中，R_in表示负电阻等效电阻阻值；g_m5表示第五MOS管T₅的跨导；g_m6表示第六MOS管T₆的跨导。

上述各实施例中，反相器4包括第三MOS管T₃和第四MOS管T₄。第三MOS管T₃和第四MOS管T₄的栅极均连接至第二电阻R₂和第三电阻R₃之间，第三MOS管T₃的源极接地，漏极与第四MOS管T₄的源极连接后作为输出端；第四MOS管T₄的漏极连接至高电平VDD。

使用时，电容C₁上的变化电压U_c，当U_c比较小时，T₁导通，T₂截止，电容C₁充电，U_c会逐渐升高；当U_c比较高时，T₂导通，T₁截止,电容C₁放电，U_c会逐渐降低。这样由于电容C₁的充放电作用，输送给反相器4的电压V₁会规律性的变化，形成振荡。由MOS管构成的比较器2和负电阻结构3，抵消了跨导g_m受温度的影响；进一步采用由正、负温度系数电阻组成的复合电阻R₁，计算最优电阻温度系数，降低电阻、阈值电压等因素受温度影响带来的频率变化；本发明的振荡器电路并未采用额外结构做温度补偿，结构简单，所占面积小。

在振荡过程的频率表达式为：

其中，t₁代表充电时间，t₂代表充电时间。

可以计算充放电时间的表达式：

式中，V_TH1、V_TH2分别表示第一MOS管T₁和第二MOS管T₂的阈值电压，VDD表示供电电源。

由(1)(4)(5)可以看出，通过负电阻和比较器的结合，跨导g_m受温度的影响被抵消掉。频率的温度稳定性主要受正电阻R₁和MOS管阈值电压V_TH影响。

进一步补偿温度系数，主要采用由具有正、负温度系数的电阻构成复合电阻的方法，整体降低电阻和阈值电压的影响。在该实施例中忽略电容温度系数和电阻二阶温度系数的影响，可知阈值电压V_TH和电阻R₁与温度的关系式如下：

|V_TH|＝|V_TH1|≈|V_TH2| (6)

|V_TH|＝|V_TH|(1+α_VT(T-25)) (7)

R₁＝R₁(1+β_RT(T-25)) (8)

其中α_VT，V_TH为比较器第一MOS管和第二MOS管的近似阈值电压，β_RT分别为阈值电压和电阻的温度系数，T表示环境温度。可进一步得关系式：

其中α_VT为常量，β_RT为变量。设K代表电路整体温度系数。在选定温度范围内，K值差值越小，频率稳定性越好。通过数学计算能够得到最优β_RT值，通过两种电阻的组合构建出具有该温度系数的电阻。如图3所示，优化后频率稳定性能够得到进一步提高。

K＝(1+β_RT(T-25))ln(|V_TH|(1+α_VT(T-25))) (10)

综上，本发明结合了由MOS管构成的比较器2和负电阻结构3，抵消了跨导g_m受温度的影响；进一步采用由正、负温度系数电阻组成的复合电阻R₁，计算最优复合电阻R₁温度系数，降低电阻、阈值电压等因素受温度影响带来的频率变化。该振荡器电路并未采用额外结构做温度补偿，具有结构简单、芯片面积非常小、温度稳定性较好等优点，可广泛应用于集成电路中。

上述各实施例仅用于说明本发明，各部件的结构、尺寸、设置位置及形状都是可以有所变化的，在本发明技术方案的基础上，凡根据本发明原理对个别部件进行的改进和等同变换，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (6)

1.一种低温度系数的单端口RC振荡器电路，其特征在于包括：充放电回路、比较器、负电阻结构和反相器；所述充放电回路依次与所述比较器、负电阻结构和反相器连接，所述充放电回路包括电容C₁和第一电阻R₁，所述电容C₁一端接地，所述电容C₁另一端与所述第一电阻R₁一端连接，并在所述电容C₁与所述第一电阻R₁之间引出第一输出端，所述第一电阻R₁另一端为第二输出端；由所述充放电回路中电容C₁上的电压信号控制所述比较器，进一步控制电路支路的选通，为所述负电阻结构提供输入电流，输出电压随着所述电容C₁的充放电进行有规律的变化，形成振荡波形；并由所述反相器调整波形并输出信号；

所述比较器包括第一MOS管T₁和第二MOS管T₂；所述第一MOS管T₁和第二MOS管T₂的栅极均与所述充放电回路的第一输出端连接，进而由所述电容C₁上的电压信号控制所述比较器；所述第一MOS管T₁的漏极与高电平VDD连接，源极与所述负电阻结构一端连接；所述第二MOS管T₂的漏极与所述负电阻结构另一端连接，源极接地。

2.如权利要求1所述的一种低温度系数的单端口RC振荡器电路，其特征在于：所述负电阻结构包括第二电阻R₂和第三电阻R₃，所述第二电阻R₂和第三电阻R₃都为由MOS管构成的负电阻；所述第二电阻R₂一端与所述第一MOS管T₁的源极连接，所述第二电阻R₂的另一端与所述第三电阻R₃一端连接，且所述充放电回路的第二输出端连接至所述第二电阻R₂和第三电阻R₃之间，为所述负电阻结构提供输入电流；所述第三电阻R₃的另一端与所述第二MOS管T₂的漏极连接。

3.如权利要求2所述的一种低温度系数的单端口RC振荡器电路，其特征在于：所述负电阻由MOS管T₅和MOS管T₆组成，所述MOS管T₅的栅极与所述MOS管T₆的漏极相连，所述MOS管T₅的尾电流提供偏置电流，外部电源为所述MOS管T₆栅极提供偏置电压。

4.如权利要求2所述的一种低温度系数的单端口RC振荡器电路，其特征在于：所述反相器包括第三MOS管T₃和第四MOS管T₄；所述第三MOS管T₃和第四MOS管T₄的栅极均连接至所述第二电阻R₂和第三电阻R₃之间，所述第三MOS管T₃的源极接地，漏极与所述第四MOS管T₄的源极连接后作为输出端；所述第四MOS管T₄的漏极连接至高电平VDD。

5.如权利要求2所述的一种低温度系数的单端口RC振荡器电路，其特征在于：所述电容C₁上的变化电压U_c，当U_c比较小时，所述第一MOS管T₁导通，所述第二MOS管T₂截止，电容C₁充电，U_c会逐渐升高；当U_c比较高时，所述第二MOS管T₂导通，所述第一MOS管T₁截止,电容C₁放电，U_c会逐渐降低；由于电容C₁的充放电作用，输送给所述反相器的电压V₁会规律性的变化，形成振荡。

6.如权利要求2所述的一种低温度系数的单端口RC振荡器电路，其特征在于：所述第一电阻R₁采用由正、负温度系数电阻组成的复合电阻，并计算最优复合电阻温度系数，进而得到电路整体温度系数K，以降低电阻、阈值电压受温度影响带来的频率变化；

电路整体温度系数K为：

K＝(1+β_RT(T-25))ln(|V_TH|(1+α_VT(T-25)))，

式中，α_VT，β_RT分别为阈值电压和电阻的温度系数，V_TH为比较器第一MOS管和第二MOS管的近似阈值电压，T表示环境温度。

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