CN111478669A - 一种高精度rc振荡器用电路 - Google Patents

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    • H03B5/00—Generation of oscillations using amplifier with regenerative feedback from output to input
    • H03B5/20—Generation of oscillations using amplifier with regenerative feedback from output to input with frequency-determining element comprising resistance and either capacitance or inductance, e.g. phase-shift oscillator
    • H03B5/24—Generation of oscillations using amplifier with regenerative feedback from output to input with frequency-determining element comprising resistance and either capacitance or inductance, e.g. phase-shift oscillator active element in amplifier being semiconductor device

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Abstract

本发明公开了一种高精度RC振荡器用电路，包括：电源模块、第一电源、振荡器模块和数控分析模块，所述振荡器模块内设置有第二电源和第三电源；该电路通过设置温度可调的电阻、数控分析模块、第一电源、第二电源和第三电源，从而使得该电路具有实时分析输出时钟周期的功能，与标准时钟周期进行量化比较，同时统计分析输出频率对温度变化的反应，重新调整正负温度系数电阻阻值的配比，最终通过两级控制字反馈到R、C端，有效解决了现有技术中片内RC振荡器模块由模块外部统一的LDO输出电源模块供电容易出现电流激增同时片内RC振荡器模块自身不具备校准功能的技术问题。

Description

一种高精度RC振荡器用电路
技术领域
本发明涉及振荡器技术领域，特别涉及一种高精度RC振荡器用电路。
背景技术
目前，大多数片内RC振荡器模块由模块外部统一的LDO输出电源模块供电，这种LDO电源模块往往因为要带动很多的功能模块而必须具备强大的带负载能力，导致设计起来十分困难，而且一旦由它供电的某个其它模块出现电流激增等问题，很可能会导致整个LDO电源模块失效，连带造成由它供电的RC振荡器模块也出现功能异常。
另外，目前普遍的片内RC振荡器模块由于其自身不具备校准功能，在环境温度等因素出现大范围变化时，输出时钟的频率波动较大，稳定性较差，可能会影响数字部分功能。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种高精度RC振荡器用电路，以解决现有技术中片内RC振荡器模块由模块外部统一的LDO输出电源模块供电容易出现电流激增同时片内RC振荡器模块自身不具备校准功能的技术问题。
为实现上述目的，本发明提供一种高精度RC振荡器用电路，包括：电源模块、第一电源、振荡器模块和数控分析模块，所述振荡器模块内设置有第二电源和第三电源；所述电源模块分别与所述第一电源、所述第二电源和所述第三电源的正极电连接，所述第一电源的负极与可调电阻模块的正极电连接，所述可调电阻模块的负极接地；所述第二电源的负极分别与第一可调电容的正极、第一NMOS管的漏极和第一奇数级反相器模块的输入端电连接，所述第一可调电容的负极接地，所述第一NMOS管的源极接地，所述第一NMOS管的栅极分别与第一反相器的输出端和第二奇数级反相器模块的控制端电连接；所述第一奇数级反相器模块的输出端与所述第一反相器的输入端电连接；所述第一奇数级反相器模块的控制端分别与第二反相器的输出端和第二NMOS管的栅极电连接，所述第二奇数级反相器模块的输出端与所述第二反相器的输入端电连接；所述第三电源的负极分别与第二可调电容的正极、第二NMOS管的漏极和第二奇数级反相器模块的输入端电连接，所述第二NMOS管的源极接地，所述第二可调电容的负极接地；所述振荡器模块的输出端与所述第三反相器的输入端电连接，所述第三反相器的输出端与所述数控分析模块的输入端电连接，所述数控分析模块的一个输出端产生第一级C控制字，所述数控分析模块的另一个输出端产生第二级R控制字。
进一步地，所述可调电阻模块由第一正温度系数可调电阻、第二正温度系数可调电阻、第一负温度系数可调电阻、第二负温度系数可调电阻组成。
进一步地，所述第一正温度系数可调电阻的正极与所述第一电源的负极电连接，所述第一正温度系数可调电阻的负极与第二正温度系数可调电阻的正极电连接，所述第二正温度系数可调电阻的负极与第一负温度系数可调电阻的正极电连接，所述第一负温度系数可调电阻的负极与第二负温度系数可调电阻的正极电连接，所述第二负温度系数可调电阻的负极接地。
进一步地，所述第一电源、所述第二电源和所述第三电源为互为共源共栅电流镜关系。
进一步地，所述第一电源、所述第二电源和所述第三电源的电流比例可调节。
与现有技术相比，本发明产生了以下有益效果：本发明的一种高精度RC振荡器用电路，该电路通过设置温度可调的电阻、数控分析模块、第一电源、第二电源和第三电源，从而使得该电路具有实时分析输出时钟周期的功能，与标准时钟周期进行量化比较，同时统计分析输出频率对温度变化的反应，重新调整正负温度系数电阻阻值的配比，最终通过两级控制字反馈到R、C端，有效解决了现有技术中片内RC振荡器模块由模块外部统一的LDO输出电源模块供电容易出现电流激增同时片内RC振荡器模块自身不具备校准功能的技术问题。
附图说明
图1是本发明中优选实施例的电路图；
附图标记说明：1-电源模块，2-可调电阻模块，3-第一奇数级反相器模块，4-第二奇数级反相器模块，5-振荡器模块，6-数控分析模块。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
请参阅图1，本发明的优选实施例提供了一种高精度RC振荡器用电路，包括：电源模块1、第一电源I1、振荡器模块5和数控分析模块6，所述振荡器模块5内设置有第二电源I2和第三电源I3；所述电源模块1分别与所述第一电源I1、所述第二电源I2和所述第三电源I3的正极电连接，所述第一电源I1的负极与可调电阻模块2的正极电连接，所述可调电阻模块2的负极接地；所述第二电源I2的负极分别与第一可调电容C1的正极、第一NMOS管MN1的漏极和第一奇数级反相器模块3的输入端电连接，所述第一可调电容C1的负极接地，所述第一NMOS管MN1的源极接地，所述第一NMOS管MN1的栅极分别与第一反相器In1的输出端和第二奇数级反相器模块4的控制端电连接；所述第一奇数级反相器模块3的输出端与所述第一反相器In1的输入端电连接；所述第一奇数级反相器模块3的控制端分别与第二反相器In2的输出端和第二NMOS管MN2的栅极电连接，所述第二奇数级反相器模块4的输出端与所述第二反相器In2的输入端电连接，包括但不限于仅由反相器构成的具有反相器作用的结构；所述第三电源I3的负极分别与第二可调电容C2的正极、第二NMOS管MN2的漏极和第二奇数级反相器模块4的输入端电连接，所述第二NMOS管MN2的源极接地，所述第二可调电容C2的负极接地，包括但不限于具有相同的类型、结构和尺寸。；所述振荡器模块5的输出端与所述第三反相器In3的输入端电连接，所述第三反相器In3的输出端与所述数控分析模块6的输入端电连接，所述数控分析模块6的一个输出端产生第一级C控制字，所述数控分析模块的另一个输出端产生第二级R控制字。
优选地，所述可调电阻模块2由第一正温度系数可调电阻R1、第二正温度系数可调电阻R2、第一负温度系数可调电阻R3、第二负温度系数可调电阻R4组成。所述第一正温度系数可调电阻R1的正极与所述第一电源I1的负极电连接，所述第一正温度系数可调电阻R1的负极与第二正温度系数可调电阻R2的正极电连接，所述第二正温度系数可调电阻R2的负极与第一负温度系数可调电阻R3的正极电连接，所述第一负温度系数可调电阻R3的负极与第二负温度系数可调电阻R4的正极电连接，所述第二负温度系数可调电阻R4的负极接地。包括但不限于仅由四个温度系数相反的可调电阻组成。
优选地，所述第一电源I1、所述第二电源I2和所述第三电源I3为互为共源共栅电流镜关系。所述第一电源I1、所述第二电源I2和所述第三电源I3的电流比例可调节。
当电路接入电源VDD后，电源模块(LDO模块)1产生一个稳定可靠的输出电压，第一电源I1、第二电源I2、第三电源I3形成的共源共栅电流镜结构启动；第二电源I2开始对第一可调电容C1充电，第一可调电容C1上的电压逐渐升高，当第一可调电容C1上的电压达到第一奇数级反相器模块3中第一级反相器结构的翻转电压时，该第一级反相器结构输出电压由高变低，再连续经过第一奇数级反相器模块3中第二级开始到末级的反相器结构，最终第一奇数级反相器模块3的输出电压变化是由高变低的。此时，第一奇数级反相器模块3的输出低电压再经过第一反相器In1后变为高电压，接到第一NMOS管MN1的栅极，使第一NMOS管MN1导通，第一可调电容C1上的电压经过第一NMOS管MN1通路对地放电，并很快放电结束，进入空闲状态。同时，第一反相器In1的输出接到第二奇数级反相器模块4中的中间级反相器结构的一个输入控制端，当第一反相器In1的输出由低变高时，经过奇数级反相器结构，使第二NMOS管MN2的栅极电压由高变低，换言之，第二可调电容C2从放电结束的空闲状态重新切换到充电状态。当第二可调电容C2上的电压由低变高，达到第二奇数反相器模块4中第一级反相器结构的翻转电压时，再经过上述类似的环路反馈过程，使第二NMOS管MN2的栅极电压由低变高，第二NMOS管MN2导通，第二可调电容C2上的电压经过第二NMOS管MN2通路对地放电，并很快放电结束，再次进入空闲状态，同时控制第一可调电容C1从放电结束的空闲状态重新切换到充电状态。这样循环往复，就形成了第一可调电容C1和第二可调电容C2交替充放电的工作过程。另外，第一可调电容C1和第二可调电容C2上的三角电压波形经过多级反相器的整形作用，最终第三反相器In3的输出端能够输出标准的矩形脉冲波形。
第三反相器In3的输出波形进入数控分析模块6后，检测出RC振荡器输出频率；当频率发生偏差超过设定裕度时，数控分析模块6计算产生调整第一可调电容C1和第二可调电容C2容值和第一正温度系数可调电阻R1、第二正温度系数可调电阻R2、第一负温度系数可调电阻R3、第二负温度系数可调电阻R4阻值的两级控制字，分别接到电容、电阻端。经过不断地调整和校正，可以实现正负温度系数电阻的实际最佳匹配，使温度变化影响降低到最小，同时VDD电源电压浮动影响又在内部电源模块的控制下降低到最小，因此，RC振荡器的输出频率能够保持高精度且长期稳定在要求的工作频率上。
下面做简单说明，假定振荡器模块5左右结构参数完全对称，则有C1＝C2＝C，I2＝I3＝I＝kI1，那么RC振荡器的输出周期为
Figure BDA0002448825510000061
其中，C为C1、C2的电容值，I为I2、I3的电流值，VREF为第二奇数反相器模块4中第一级反相器结构的输入端由低电平到高电平变化时的翻转电压。
由于振荡器模块5的供电电压为电源模块1的稳压输出，几乎与电源电压VDD、温度无关，所以第二奇数反相器模块4中第一级反相器结构的VREF仅与其内部MOS管的尺寸和导通阈值有关；第一电源I1支路同样是由电源模块1的输出电压供电，而且通过可调电阻模块2的完全匹配，使温度变化对该支路电阻值的影响最小化，从而对电流源I1的影响最小化，所以和第一电源I1成电流镜关系的第二电源I2的电流值I也几乎与电源电压VDD、温度无关，仅与其内部MOS管的尺寸和导通阈值有关。另外，第一可调电容C1、第二可调电容C2可以选择对温度和电压变化都不敏感的PIP等类型。因此，从RC振荡器输出周期的公式上来看，如果MOS管尺寸固定，仅剩下分子上的VREF和分母上的I受MOS管导通阈值的影响，而MOS管的阈值变化一般都很小，那么，上述提出的可自校准的RC振荡器可以做到高精度。
从以上的描述中，可以看出，本发明上述的实施例实现了如下技术效果：该电路通过设置温度可调的电阻、数控分析模块6、第一电源I1、第二电源I2和第三电源I3，从而使得该电路具有实时分析输出时钟周期的功能，与标准时钟周期进行量化比较，同时统计分析输出频率对温度变化的反应，重新调整正负温度系数电阻阻值的配比，最终通过两级控制字反馈到R、C端，有效解决了现有技术中片内RC振荡器模块由模块外部统一的LDO输出电源模块供电容易出现电流激增同时片内RC振荡器模块自身不具备校准功能的技术问题。以上结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但本发明不限于所描述的实施方式。对于本领域的技术人员而言，在不脱离本发明原理和精神的情况下，对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，仍落入本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种高精度RC振荡器用电路，其特征在于，包括：电源模块、第一电源、振荡器模块和数控分析模块，所述振荡器模块内设置有第二电源和第三电源；所述电源模块分别与所述第一电源、所述第二电源和所述第三电源的正极电连接，所述第一电源的负极与可调电阻模块的正极电连接，所述可调电阻模块的负极接地；所述第二电源的负极分别与第一可调电容的正极、第一NMOS管的漏极和第一奇数级反相器模块的输入端电连接，所述第一可调电容的负极接地，所述第一NMOS管的源极接地，所述第一NMOS管的栅极分别与第一反相器的输出端和第二奇数级反相器模块的控制端电连接；所述第一奇数级反相器模块的输出端与所述第一反相器的输入端电连接；所述第一奇数级反相器模块的控制端分别与第二反相器的输出端和第二NMOS管的栅极电连接，所述第二奇数级反相器模块的输出端与所述第二反相器的输入端电连接；所述第三电源的负极分别与第二可调电容的正极、第二NMOS管的漏极和第二奇数级反相器模块的输入端电连接，所述第二NMOS管的源极接地，所述第二可调电容的负极接地；所述振荡器模块的输出端与所述第三反相器的输入端电连接，所述第三反相器的输出端与所述数控分析模块的输入端电连接，所述数控分析模块的一个输出端产生第一级C控制字，所述数控分析模块的另一个输出端产生第二级R控制字。
2.根据权利要求1所述的一种高精度RC振荡器用电路，其特征在于：所述可调电阻模块由第一正温度系数可调电阻、第二正温度系数可调电阻、第一负温度系数可调电阻、第二负温度系数可调电阻组成。
3.根据权利要求2所述的一种高精度RC振荡器用电路，其特征在于：所述第一正温度系数可调电阻的正极与所述第一电源的负极电连接，所述第一正温度系数可调电阻的负极与第二正温度系数可调电阻的正极电连接，所述第二正温度系数可调电阻的负极与第一负温度系数可调电阻的正极电连接，所述第一负温度系数可调电阻的负极与第二负温度系数可调电阻的正极电连接，所述第二负温度系数可调电阻的负极接地。
4.根据权利要求1所述的一种高精度RC振荡器用电路，其特征在于：所述第一电源、所述第二电源和所述第三电源为互为共源共栅电流镜关系。
5.根据权利要求4所述的一种高精度RC振荡器用电路，其特征在于：所述第一电源、所述第二电源和所述第三电源的电流比例可调节。
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