CN111106829B - 高精度环形振荡电路及微控制系统 - Google Patents

高精度环形振荡电路及微控制系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种高精度环形振荡电路及微控制系统，包括：偏置电流产生模块，用于产生一个与绝对温度成正比的偏置电流；滤波模块，连接偏置电流产生模块，对偏置电流进行滤波；振荡模块，连接偏置电流产生模块及滤波模块，以滤波后的偏置电流作为工作电流，产生振荡信号。以及微控制器，高精度环形振荡电路连接于微控制器的输入端，为微控制器提供时钟信号。本发明利用偏置电流作为振荡环路的工作电流，使振荡环路在温度特性和初始值上可以通过控制偏置电流进行控制；采用斩波形式产生偏置电流，基于斩波结果可以消除生产工艺离散性，使振荡时钟更集中；偏置电流通过电容和振荡环路形成等效的RC滤波，从而使振荡器工作时钟稳定，不随电源变化。

Description

高精度环形振荡电路及微控制系统
技术领域
本发明涉及微控制领域，特别是涉及一种高精度环形振荡电路及微控制系统。
背景技术
随着微控制系统(MCU，Microcontroller Unit)的广泛应用，各行业对MCU时钟的要求越来越高，大量应用的MCU需要在芯片内产生高精度的片上时钟信号。片上时钟信号产生电路，可以使系统省去外接时钟，节省系统成本，提高系统稳定性，给系统开发者带来更多的设计便利。
目前在微控制器芯片中，大多采用环形振荡电路产生时钟信号。公开号CN101409541的专利公开了一种环形振荡电路，如图1所示，包括奇数个反向器、电容和第一电容放点电路。该电路采用典型的奇数级反向器产生振荡信号，利用耗尽型NMOS管D1和电阻R1对第一电容C1进行放电，使得放电时间可以更少的受到电源VDD的影响。该电路的优点是利用耗尽型NMOS管减少振荡环路中来自电源VDD的影响，缺点是工艺偏差对电路影响非常大，PMOS器件、NMOS器件、电阻R和电容C等会造成环路振荡频率在生产中出现很大的偏差。
现有技术中还存在一些电源影响小、具有温度补偿且工艺偏差对电路影响小的片上时钟信号产生电路，但是普遍存在电路处理的级数多，离散性大，从而导致输出时钟有偏差的问题。
因此，如何抑制工艺离散度、提高输出信号的初始精度、同时实现温度补偿已成为本领域技术人员亟待解决的问题之一。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种高精度环形振荡电路及微控制系统，用于解决现有技术中时钟信号偏差大、精度低、工艺离散度大等问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种高精度环形振荡电路，所述高精度环形振荡电路至少包括：
偏置电流产生模块，用于产生一个与绝对温度成正比的偏置电流；
滤波模块，连接所述偏置电流产生模块，对所述偏置电流进行滤波；
振荡模块，连接所述偏置电流产生模块及所述滤波模块，以滤波后的所述偏置电流作为工作电流，产生振荡信号。
可选地，所述偏置电流产生模块包括正温度系数电流产生单元及电流镜像单元，所述正温度系数电流产生单元产生一与绝对温度成正比的电流；所述电流镜像单元连接所述正温度系数电流产生单元，镜像输出所述偏置电流。
可选地，所述正温度系数电流产生单元采用斩波结构。
更可选地，所述正温度系数电流产生单元包括第一PNP晶体管、第二PNP晶体管、电阻、第一斩波子单元、第一PMOS管、第二PMOS管、第二斩波子单元及放大器；所述第一PNP晶体管的集电极和基极接地，发射极连接所述电阻的第一端；所述电阻的第二端经由所述第一斩波子单元连接所述第一PMOS管的漏极；所述第一PMOS管的栅极连接所述放大器的输出端，源极连接电源电压；所述第二PNP晶体管的集电极和基极接地，发射极经由所述第一斩波子单元连接所述第二PMOS管的漏极；所述第二PMOS管的栅极连接所述放大器的输出端，源极连接所述电源电压；所述电阻的第一端及所述第二PNP晶体管的发射极分别经由所述第二斩波子单元连接所述放大器的第一输入端及第二输入端。
更可选地，所述第一斩波子单元及所述第二斩波子单元均包括第一开关管、第二开关管、第三开关管及第三开关管，所述第一开关管的一端作为第一输入端，另一端作为第一输出端，控制端连接第一相位信号；所述第二开关管的一端作为第一输入端，另一端作为第二输出端，控制端连接第二相位信号；所述第三开关管的一端作为第二输入端，另一端作为第一输出端，控制端连接所述第二相位信号；所述第四开关管的一端作为第二输入端，另一端作为第二输出端，控制端连接所述第一相位信号。
更可选地，所述电流镜像单元包括第三PMOS管，所述第三PMOS管的源极连接所述电源电压，栅极连接所述放大器的输出端，漏极输出所述偏置电流。
可选地，所述滤波模块包括滤波电容，所述滤波电容的一端连接所述偏置电流，另一端接地。
可选地，所述振荡模块包括奇数级反向器，各反向器的电源端连接所述偏置电流。
可选地，所述高精度环形振荡电路还包括电平转换和输出整形模块，所述电平转换和输出整形模块连接所述振荡模块的输出端。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明还提供一种微控制系统，所述微控制系统至少包括：
微控制器及上述高精度环形振荡电路；
所述高精度环形振荡电路连接于所述微控制器的输入端，为所述微控制器提供时钟信号。
如上所述，本发明的高精度环形振荡电路及微控制系统，具有以下有益效果：
1、本发明的高精度环形振荡电路及微控制系统利用偏置电流作为振荡环路的工作电流，使振荡环路在温度特性和初始值上可以通过控制偏置电流进行控制。
2、本发明的高精度环形振荡电路及微控制系统采用斩波形式产生偏置电流，基于斩波结果可以消除生产工艺离散性，使振荡时钟更集中。
3、本发明的高精度环形振荡电路及微控制系统中偏置电流通过电容C和振荡环路等效工作电阻，形成等效的RC滤波，使振荡环路工作电流稳定，从而使振荡器工作时钟稳定，且不随电源变化。
附图说明
图1显示为现有技术中的环形振荡电路的结构示意图。
图2显示为本发明的高精度环形振荡电路的结构示意图。
图3显示为本发明的第一斩波子单元及第二斩波子单元的结构示意图。
图4显示为本发明的微控制系统的结构示意图。
元件标号说明
1 高精度环形振荡电路
11 偏置电流产生模块
111 正温度系数电流产生单元
111a 第一斩波子单元
111b 第二斩波子单元
111c 放大器
112 电流镜像单元
12 滤波模块
13 振荡模块
14 电平转换和输出整形模块
2 微控制器
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，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。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
请参阅图2～图4。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
实施例一
如图2所示，本实施例提供一种高精度环形振荡电路1，所述高精度环形振荡电路1包括：
偏置电流产生模块11，滤波模块12及振荡模块13。
如图2所示，所述偏置电流产生模块11用于产生一个与绝对温度成正比的偏置电流Ibias2。
具体地，所述偏置电流产生模块11包括正温度系数电流产生单元111及电流镜像单元112。所述正温度系数电流产生单元111产生一与绝对温度成正比(PTAT，ProportionalTo Absolute Temperature)的电流Ibias1。所述电流镜像单元112连接所述正温度系数电流产生单元111，镜像输出所述偏置电流Ibias2。
更具体地，在本实施例中，所述正温度系数电流产生单元111采用斩波结构，包括第一PNP晶体管Q1、第二PNP晶体管Q2、电阻R、第一斩波子单元111a、第一PMOS管M1、第二PMOS管M2、第二斩波子单元111b及放大器111c。所述第一PNP晶体管Q1的集电极和基极接地VSS，所述第一PNP晶体管Q1的发射极连接所述电阻R的第一端；所述电阻R的第二端经由所述第一斩波子单元111a连接所述第一PMOS管M1的漏极；所述第一PMOS管M1的栅极连接所述放大器111c的输出端，所述第一PMOS管M1的源极连接电源电压VDD；所述第二PNP晶体管Q2的集电极和基极接地VSS，所述第二PNP晶体管Q2的发射极经由所述第一斩波子单元111a连接所述第二PMOS管M2的漏极；所述第二PMOS管M2的栅极连接所述放大器111c的输出端，所述第二PMOS管M2的源极连接所述电源电压VDD；所述电阻R的第一端及所述第二PNP晶体管Q2的发射极分别经由所述第二斩波子单元111b连接所述放大器111c的第一输入端及第二输入端。其中，所述第一PNP晶体管Q1与第二PNP晶体管Q2的发射结面积比为M：1。
作为示例，如图3所示，所述第一斩波子单元111a及所述第二斩波子单元111b均包括第一开关管SW1、第二开关管SW2、第三开关管SW3及第三开关管SW4。所述第一开关管SW1的一端作为第一输入端INP，另一端作为第一输出端OUTP，控制端连接第一相位信号PH1_C。所述第二开关管SW2的一端作为第一输入端INP，另一端作为第二输出端OUTN，控制端连接第二相位信号PH2_C。所述第三开关管SW3的一端作为第二输入端INN，另一端作为第一输出端OUTP，控制端连接所述第二相位信号PH2_C。所述第四开关管SW4的一端作为第二输入端INN，另一端作为第二输出端OUTN，控制端连接所述第一相位信号PH1_C。所述第一相位信号PH1_C与所述第二相位信号PH2_C反向；当所述第一相位信号PH1_C有效时，所述第二相位信号PH2_C无效，则所述第一输入端INP的输入信号从所述第一输出端OUTP输出，所述第二输入端INN的输入信号从所述第二输出端OUTN输出；当所述第一相位信号PH1_C无效时，所述第二相位信号PH2_C有效，则所述第一输入端INP的输入信号从所述第二输出端OUTN输出，所述第二输入端INN的输入信号从所述第一输出端OUTP输出。由此，通过斩波可消除本实施例的高精度环形振荡电路的生产工艺离散性，使振荡时钟更集中。
需要说明的是，所述第一开关管SW1、所述第二开关管SW2、所述第三开关管SW3及所述第三开关管SW4的器件类型可根据实际需要进行设定，不以本实施例的NMOS管为限。所述第一斩波子单元111a及所述第二斩波子单元111b的结构也不限于本实施例，任意可消除生产工艺离散性的结构均适用于本实施例，基于不同结构所述第一斩波子单元111a及所述第二斩波子单元111b在电路中的位置及连接关系可适应性调整。
需要说明的是，所述正温度系数电流产生单元111可采用任意能产生PTAT电流的电路结构，包括但不限于本实施例所列举的结构、本实施例中去除所述第一斩波子单元111a及所述第二斩波子单元111b的结构，在此不一一赘述。
更具体地，所述电流镜像单元112包括第三PMOS管M3，所述第三PMOS管M3的源极连接所述电源电压VDD，栅极连接所述放大器111c的输出端，漏极输出所述偏置电流Ibias2。任意可将PTAT电流Ibias1(以一定比例)镜像后得到所述偏置电流Ibias2的电路结构均适用于本发明。
如图2所示，所述滤波模块12连接所述偏置电流产生模块11，对所述偏置电流Ibias2进行滤波。
具体地，所述滤波模块12包括滤波电容C，所述滤波电容C的一端连接所述偏置电流Ibias2，另一端接地VSS。所述滤波模块12包括但不限于本实施例所列举的结构，任意可实现对所述偏置电流Ibias2进行稳定、滤波的电路结构均适用于本发明。
如图2所示，所述振荡模块13连接所述偏置电流产生模块11及所述滤波模块12，以滤波后的所述偏置电流Ibias2作为工作电流，产生振荡信号。
具体地，所述振荡模块13包括奇数级(大于1的奇数)反向器，包括但不限于3级、5级、7级。在本实施例中，包括3级反向器，分别为第一级反向器INV1、第二级反向器INV2及第三级反向器INV3，各级反向器依次串联，第一级反向器INV1的输入端与第三级反向器INV3的输出端连接；各反向器的电源端连接所述偏置电流Ibias2，作为工作电流。
需要说明的是，任意振荡器结构均适用于本发明，不限于本实施例。
如图2所示，作为本发明的一种实现方式，所述高精度环形振荡电路1还包括电平转换和输出整形模块14，所述电平转换和输出整形模块14连接所述振荡模块13的输出端。
具体地，所述电平转换和输出整形模块14包括电平转换单元及输出整形单元，输出信号为具有电源电压VDD电压域驱动的振荡时钟信号输出。所述电平转换单元将所述振荡模块13的输出信号转换到电源电压VDD的电压域，所述输出整形单元连接于所述电平转换单元的输出端，对所述电平转换单元的输出信号进行整形产生最终的输出信号。在本实施例中，所述输出整形单元采用施密特触发器结构，在实际使用中，任意可对信号进行整形的电路结构均适用，在此不一一赘述。
本实施例的高精度环形振荡电路1的工作原理如下：
正温度系数电流产生单元111产生PTAT电流Ibias1，PTAT电流Ibias1经过第一PMOS管M1、第二PMOS管M2和第三PMOS管M3镜像产生偏置电流Ibias2。滤波模块12对斩波形式的偏置电流Ibias2进行滤波，使偏置电流Ibias2稳定。稳定后的偏置电流Ibias2作为振荡模块13的工作电流，振荡模块13采用奇数级的环路并产生振荡信号。偏置电流Ibias2为正温度特性，与振振荡模块13的负温度特性进行补偿，使的振荡输出信号具有与温度无关的特性。振荡模块13产生的信号经过电平转换和输出整形，输出为具有电源电压VDD电压域驱动的振荡时钟信号输出。
本发明的高精度的环路振荡电路能有效抑制工艺离散度，使振荡电路输出信号有很高的初始精度、温度系数也更集中。
实施例二
如图4所示，本实施例提供一种微控制系统，所述微控制系统包括：
微控制器2及高精度环形振荡电路1。
如图4所示，所述高精度环形振荡电路1连接于所述微控制器2的输入端，为所述微控制器提供时钟信号。
具体地，所述高精度环形振荡电路1的结构及原理如实施例一所述，在此不一一赘述。
具体地，所述微控制器2(MCU，Microcontroller Unit)用于不同应用场合的控制，在此不一一赘述。
综上所述，本发明提供一种高精度环形振荡电路及微控制系统，包括：偏置电流产生模块，用于产生一个与绝对温度成正比的偏置电流；滤波模块，连接所述偏置电流产生模块，对所述偏置电流进行滤波；振荡模块，连接所述偏置电流产生模块及所述滤波模块，以滤波后的所述偏置电流作为工作电流，产生振荡信号。以及微控制器，所述高精度环形振荡电路连接于所述微控制器的输入端，为所述微控制器提供时钟信号。本发明的高精度环形振荡电路及微控制系统利用偏置电流作为振荡环路的工作电流，使振荡环路在温度特性和初始值上可以通过控制偏置电流进行控制；采用斩波形式产生偏置电流，基于斩波结果可以消除生产工艺离散性，使振荡时钟更集中；其中偏置电流通过电容C和振荡环路等效工作电阻，形成等效的RC滤波，使振荡环路工作电流稳定，从而使振荡器工作时钟稳定，且不随电源变化。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (7)

1.一种高精度环形振荡电路，其特征在于，所述高精度环形振荡电路至少包括：
偏置电流产生模块，用于产生一个与绝对温度成正比的偏置电流；
滤波模块，连接所述偏置电流产生模块，对所述偏置电流进行滤波；
振荡模块，连接所述偏置电流产生模块及所述滤波模块，以滤波后的所述偏置电流作为工作电流，产生振荡信号；
其中，所述偏置电流产生模块包括正温度系数电流产生单元及电流镜像单元；
所述正温度系数电流产生单元产生一与绝对温度成正比的电流，包括：第一PNP晶体管、第二PNP晶体管、电阻、第一斩波子单元、第一PMOS管、第二PMOS管、第二斩波子单元及放大器；所述第一PNP晶体管的集电极和基极接地，发射极连接所述电阻的第一端；所述电阻的第二端经由所述第一斩波子单元连接所述第一PMOS管的漏极；所述第一PMOS管的栅极连接所述放大器的输出端，源极连接电源电压；所述第二PNP晶体管的集电极和基极接地，发射极经由所述第一斩波子单元连接所述第二PMOS管的漏极；所述第二PMOS管的栅极连接所述放大器的输出端，源极连接所述电源电压；所述电阻的第二端及所述第二PNP晶体管的发射极分别经由所述第二斩波子单元连接所述放大器的第一输入端及第二输入端；
所述电流镜像单元连接所述正温度系数电流产生单元，镜像输出所述偏置电流。
2.根据权利要求1所述的高精度环形振荡电路，其特征在于：所述第一斩波子单元及所述第二斩波子单元均包括第一开关管、第二开关管、第三开关管及第四开关管，所述第一开关管的一端作为第一输入端，另一端作为第一输出端，控制端连接第一相位信号；所述第二开关管的一端作为第一输入端，另一端作为第二输出端，控制端连接第二相位信号；所述第三开关管的一端作为第二输入端，另一端作为第一输出端，控制端连接所述第二相位信号；所述第四开关管的一端作为第二输入端，另一端作为第二输出端，控制端连接所述第一相位信号。
3.根据权利要求1所述的高精度环形振荡电路，其特征在于：所述电流镜像单元包括第三PMOS管，所述第三PMOS管的源极连接所述电源电压，栅极连接所述放大器的输出端，漏极输出所述偏置电流。
4.根据权利要求1所述的高精度环形振荡电路，其特征在于：所述滤波模块包括滤波电容，所述滤波电容的一端连接所述偏置电流，另一端接地。
5.根据权利要求1所述的高精度环形振荡电路，其特征在于：所述振荡模块包括奇数级反向器，各反向器的电源端连接所述偏置电流。
6.根据权利要求1所述的高精度环形振荡电路，其特征在于：所述高精度环形振荡电路还包括电平转换和输出整形模块，所述电平转换和输出整形模块连接所述振荡模块的输出端。
7.一种微控制系统，其特征在于，所述微控制系统至少包括：
微控制器及如权利要求1~6任意一项所述的高精度环形振荡电路；
所述高精度环形振荡电路连接于所述微控制器的输入端，为所述微控制器提供时钟信号。
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