CN111934622B - 一种高精度有源rc振荡器及其高精度校准方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高精度有源RC振荡器及其高精度校准方法，根据目标频率及要求的输出频率可调范围分别确定可变电流源、可变电容、可变电阻的可调范围，通过不断调整可变电流源、可变电容、可变电阻，经过粗校准、细校准、精校准三步分步校准步骤，使输出频率趋向目标频率。本发明使有源RC振荡器在频率校准过程中的校准步进更加均匀，线性化更高，校准精度更高，校准速度更快。

Description

一种高精度有源RC振荡器及其高精度校准方法

技术领域

本发明涉及模拟集成电路设计领域，具体涉及一种针对提高有源RC振荡器精度的校准方法，可广泛应用定时芯片，无线或有线通信芯片。

背景技术

有源RC振荡器的原理主要是由频率校准电路、电阻R、电容C、参考电流源、放电晶体管和比较器组成的选频网络。

有源RC振荡器的频率输出表达式为：

（1）

传统有源RC振荡器校准方法通常只校准电阻或电容，如图2所示，该图代表只校准电阻R或电容C时，校准控制字与输出频率之间的关系。假设单位电阻为r，电阻R的可变范围为m*r到n*r（n>m,且m,n为整数），则振荡器的输出频率的校准范围为：

（2）

频率校准步进为：

（3）

其中，x∈（m,n）。频率校准步进随x的增大逐渐变小，当x=m时，校准步进最大，当x=n时，校准步进最小；校准的频率步进为非线性步进，且最大步进与最小步进之差为：

（4）

由公式（4）可以看出，n-m越小，则最大步进与最小步进之差越小，频率校准步进越接近，即频率校准步进越均匀，但是由于振荡器的校准范围有限制，m与n的取值将受到限制，所以传统校准方法精度有限，需要多次校准，校准时间过长。

发明内容

发明目的：为了解决现有技术中有源RC振荡器校准精度受限的问题，本发明提供一种有源RC振荡器的高精度校准方法。

本发明另一目的是提供一种高精度有源RC振荡器。

技术方案：一种有源RC振荡器高精度校准方法，包括以下步骤：

提供目标频率及要求的输出频率的可调范围；已知固定电流源的电流值I0、可变电阻的理想值R0、可变电容的理想值C0；设可变电流源为I，可变电容为C，可变电阻为R；

定义参数α、β、γ，

（5）

（6）

（7）

从α、β、γ中先选择其中一个作为第一参数，在剩余的两个参数中选择其中一个作为第二参数，最后剩余的参数作为第三参数，对应地从可变电流源、可变电容及可变电阻中选择第一变量、第二变量及第三变量；根据目标频率及要求的输出频率的可调范围分别计算第一参数、第二参数及第三参数的取值范围；根据第一参数、第二参数及第三参数的取值范围分别确定第一变量、第二变量及第三变量相应的控制位的可调范围；

在第一变量的可调范围内调整第一变量的控制位，并计算输出频率与目标频率的差值，当差值最小时，在第二变量的可调范围内调整第二变量的控制位，并计算输出频率与目标频率的差值，当差值最小时，在第三变量的可调范围内调整第三参数的控制位，并计算输出频率与目标频率的差值，当差值最小时，完成校准。

进一步地，第一参数、第二参数及第三参数的取值范围的计算方法包括：

令目标频率为f₀，要求的输出频率的可调范围为（f₀*a1，f₀*b1）；

根据输出频率的可调范围，设第一参数的取值范围为(e1，f1)，e1≤a1，f1≥b1，a1为比例下限，b1为比例上限；计算第一最大步进百分比f_step1：

（8）

根据第一最大步进百分比，更新输出频率的可调范围为（f₀*a2，f₀*b2），a2为第一次更新的比例下限，b2为第一次更新的比例上限，且

（9）

（10）

设第二参数的取值范围为(e2，f2)，e2≤a2，f2≥b2；计算第二最大步进百分比f_step2：

（11）

根据第二最大步进百分比，更新输出频率的可调范围为（f₀*a3，f₀*b3），a3为第二次更新的比例下限，b3为第二次更新的比例上限，且

（12）

（13）

设第三参数的取值范围为(e3，f3)，e3≤a3，f3≥b3。

进一步地，第一参数为α，第二参数为β，第三参数为γ；相应地第一变量为可变电流源，第二变量为可变电容，第三变量为可变电阻。

进一步地，第一变量、第二变量及第三变量的控制位的可调范围的确认方法包括：

令可变电流源的控制位为y，可变电容的控制位为z，可变电阻的控制位为x；y、z、x与α、β、γ之间的关系为：

（14）

（15）

（16）

其中，i1、c1、r1分别为单位电流值、单位电容值及单位电阻值；根据第一参数、第二参数、第三参数的取值范围分别确定各控制位的可调范围。

进一步地，校准时，调整第一变量的控制位和/或第二变量的控制位和/或第三变量的控制位采用二分法进行调整。

进一步地，校准时，调整第一变量的控制位和/或第二变量的控制位和/或第三变量的控制位的方法为：根据控制位的可调范围及取最大值、取最小值时的输出频率预估最接近目标频率的控制位。

一种高精度有源RC振荡器，包括固定电流源、可变电流源、可变电阻、可变电容、比较器、放电晶体管、参考频率源及频率校准电路，固定电流源、可变电流源的漏端分别连接在比较器的两个输入端；可变电阻、可变电容分别连接在比较器的两个输入端；放电晶体管的栅极与比较器输出端连接，漏极与可变电容连接；频率校准电路的输入端连接比较器输出端；频率校准电路用于根据输入的参考频率源及输出信号确定输出频率，并根据输出频率与目标频率的差值产生用于调节可变电流源、可变电阻、可变电容的控制位。

进一步地，令可变电流源的控制位为y，可变电容的控制位为z，可变电阻的控制位为x，

y、z、x的可调范围为：

（17）

（18）

（19）

其中，I0为固定电流源的电流值，R0为可变电阻的理想值，C0为可变电容的理想值，i1、c1、r1分别为单位电流值、单位电容值及单位电阻值；e1、f1、e2、f2、e3、f3的说明如下：

令第一参数为α，第二参数为β，第三参数为γ，

（20）

（21）

（22）

I为可变电流源，C为可变电容，R为可变电阻；e1、f1分别为α的最小值和最大值，e2、f2分别为β的最小值和最大值，e3、f3分别为γ的最小值和最大值；

令目标频率为f₀，要求的输出频率的可调范围为（f₀*a1，f₀*b1），a1为比例下限，b1为比例上限；

第一参数α的取值范围为：α∈(e1，f1)，e1≤a1，f1≥b1；

第一最大步进百分比为：

（23）

第二参数β的取值范围为：β∈(e2，f2)，e2≤a2，f2≥b2，a2为第一次更新的比例下限，b2为第一次更新的比例上限，且

（24）

（25）

第二最大步进百分比为：

（26）

第三参数γ的取值范围为：γ∈(e3，f3)，e3≤a3，f3≥b3，a3为第二次更新的比例下限，b3为第二次更新的比例上限，且

（27）

（28）。

有益效果：本发明提供一种有源RC振荡器的高精度校准方法，相比较现有技术，通过输出频率与目标频率的差值，在可调节范围内分别动态调节可变电流源大小、可变电容容值以及可变电阻阻值，从而克服工艺温度以及其它因素对RC振荡频率的影响，得到一个相对精确的频率值，使输出频率尽可能趋近目标频率。采用分次校准，将校准分为粗调、细调和精调三个步骤，相比传统校准方法，最大步进得到了很好的限制，将频率校准步进均匀线性化，从而提高有源RC振荡器校准频率的精度。由于校准步进线性化，甚至可以通过变量对应的控制位的可调范围及输出频率的范围，直接找到目标频率值的控制位，从而减少校准次数，提高有源RC振荡器的校准效率。

附图说明

图1为本发明高精度有源RC振荡器的原理图；

图2为传统校准方法的控制位与输出频率的关系。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步解释说明。

如图1所示，一种高精度有源RC振荡器，包括固定电流源、可变电流源、可变电阻、可变电容、比较器、放电晶体管、参考频率源及频率校准电路，固定电流源、可变电流源的漏端分别连接在比较器的两个输入端；可变电阻、可变电容分别连接在比较器的两个输入端；可以是可变电流源与可变电阻连接，固定电流源与可变电容连接，也可以选择可变电流源与可变电容连接，固定电流源与可变电阻连接，只要比较器输入两端存在差值即可，本实施例采用前者的连接方式。放电晶体管的栅极与比较器输出端连接，漏极与可变电容连接；频率校准电路的输入端连接比较器输出端；频率校准电路用于根据输入的参考频率源及RC振荡器输出信号确定输出频率，并根据输出频率与目标频率的差值产生控制位用于调节可变电流源大小、可变电阻阻值、可变电容容值。

其中，固定电流源的电流值为I0=i1*q，可变电容的理想值为C0，可变电阻的理想值为R0，I0、C0、R0均已知；可变电流源的电流值为I(y)，可变电阻的电阻值为R(x)，可变电容的电容值为C(z)；固定电流源为q个，可变电流源的个数为y，I(y)=i1*y，y∈（m1，n1），可变电阻的个数为x，R(x)=r1*x，x∈（m2，n2），可变电容的个数为z，C（z）=c1*z，z∈（m3，n3），i1、r1、c1分别为单位电流值、单位电阻值和单位电容值，x、y、z分别为可变电阻、可变电流源、可变电容的控制位。

可变电流源电流留过电阻R(x)产生电压：

（29）

固定电流源对可变电容充电产生电压：

（30）

当V2大于V1，比较器输出由低拉高，放电晶体管打开，对电容进行放电，此时高精度有源RC振荡器的输出频率为：

（31）

一种提高有源RC振荡器精度的校准方法，包括以下步骤：

获取目标频率f₀及要求的输出频率的可调范围（f₀*a1，f₀*b1），本实施例中f₀取1MHz，a1取0.7，b1取1.3，即有源RC振荡器的输出频率的可调范围为1MHz±30%。已知固定电流源为q个，本实施例中q取10.5。可变电阻的理想值R0，本实施例中取1000 K ohm。可变电容的理想值C0，本实施例中取1pF。设可变电流源为I，可变电容为C，可变电阻为R；

定义参数α、β、γ，

（32）

（33）

（34）

从α、β、γ中选择第一参数为α、第二参数为β及第三参数为γ，对应地从可变电流源、可变电容及可变电阻中选择可变电流源为第一变量、可变电容为第二变量，可变电阻为第三变量；根据目标频率1MHz及要求的输出频率的可调范围（0.7MHz，1.3MHz）先计算第一参数α的取值范围，进一步根据α的取值范围确定可变电流源控制字y的可调范围：

α∈(e1，f1)，e1≤0.7，f1≥1.3。因为第一参数与可变电流源的控制位之间的关系为：

（35）

α最小取0.7时，y=15；α最大取1.3时，y=8.076。因此可以确定控制位y的可调范围为：y∈(8,15)。这里选取的可调范围为最小范围，实际上y的最小值可以小于8，最大值可以大于15。不过当y∈(8,15)时，已经可以满足输出频率的可调范围为1MHz±30%。

表1 可变电流源的控制字y与输出频率，频率步进的关系

当y取最小值8时，输出频率的步进最大，计算第一最大步进百分比：

（36）

也可以见表1中f_percent一列。

计算上表中的频率步进时，频率步进fout、f_percent只决定于q/y，与R和C的值无关，上表中举例R=1000K ohm，C=1pF只是为了方便计算，上表中最大步进为14.58%，说明通过该粗校准步骤，可以将目标频率的可调范围缩小在14.58%以内。所以在下面的细校准步骤中需要至少覆盖14.58%的可调范围（即±7.29%）。

根据第一最大步进百分比f_step1确定第二参数β的取值范围，再进一步根据第二参数β的取值范围确定控制字z的可调范围，

（37）

（38）

更新输出频率的可调范围为（f₀*a2,f₀*b2）=（0.9271,1.0729），因此，第二参数β的取值范围β∈(e2，f2),e2≤0.9271, f2≥1.0729。因为第二参数与可变电容的控制位之间的关系为：

（39）

已知c1=0.0255pF，C0=1pF，则β取最小值0.9271时，z=36.357；β取最大值1.0729时，z=42.074。因此可以确定控制位z的可调范围为：z∈(36,43)。这里选取的可调范围为最小范围，实际上z的最小值可以小于36，最大值可以大于43。不过当z∈(36,43)时，已经可以满足输出频率的可调范围为1MHz±7.29%。

表2 可变电容的控制字z与输出频率，频率步进的关系

当z取最小值36时，输出频率的步进最大，计算第二最大步进百分比：

（40）

也可以见表2中f_percent一列。

计算上表中的频率步进时，频率步进fout、percent只决定于z，与R的值无关，上表中举例R=1000K ohm只是为了方便计算，上表中最大步进为2.94%，说明通过该细校准步骤，可以将目标频率的可调范围缩小在2.94%以内。所以在下面的精校准步骤中需要至少覆盖2.94%的可调范围（即±1.47%）。

根据第二最大步进百分比f_step2确定第三参数γ的取值范围，再进一步根据第三参数γ的取值范围确定控制字x的可调范围，

（41）

（42）

更新输出频率的可调范围为（f0*a3,f0*b3）=（0.9853,1.0147），因此，第三参数γ的取值范围γ∈(e3，f3),e3≤0.9853, f3≥1.0147。因为第三参数与可变电阻的控制位之间的关系为：

（43）

已知r1=4.3K ohm，R0=1000K ohm，则γ取最小值0.9853时，x=229.14；β取最大值1.0147时，x=235.97。因此可以确定控制位x的可调范围为：x∈(229,236)。这里选取的可调范围为最小范围，实际上x的最小值可以小于229，最大值可以大于236。不过当x∈(229,236)时，已经可以满足输出频率的可调范围为1MHz±1.47%。

表3 可变电阻的控制字x与输出频率，频率步进的关系

当x取最小值229时，输出频率的步进最大，见表2中percent一列，步进最大约为0.44%。

计算上表中的频率步进时，频率步进fout、percent只决定于x，与C的值无关，上表中举例C=1pF只是为了方便计算，上表中最大步进为0.44%，说明通过该细校准步骤，可以将目标频率的可调范围缩小在0.44%以内。

通过这样的设置，无论粗调到任意步进中，在精调步骤中，都能找到一个对应的频率最接近目标频率。最后精调时，校准步进如表3，最大步进与最小步进相差很小，近似可以认为步进均匀或者相同，更加趋向线性化，由于目标值与当前值之间的步进均匀，可更加准确的估算目标频率校准值，从而减少校准次数，减少校准时间。

至此，可变电流源、可变电容及可变电阻的控制位的可调范围已全部确定，下面开始进入较准步骤：

在（8,15）内调整可变电流源的控制位y，并计算输出频率与目标频率的差值，由表1可知，当y取11时，输出频率与目标频率的差值最小；在（36,43）内调整可变电容的控制位z，并计算输出频率与目标频率的差值，由表2可知，当z取39时，输出频率与目标频率的差值最小；在（229,236）内调整可变电阻的控制位x，并计算输出频率与目标频率的差值，由表3可知，当x=233时，输出频率与目标频率的差值最小，完成校准。

上述校准过程中，在可调范围内调整第一参数的控制位和/或第二参数的控制位和/或第三参数的控制位可以采用二分法进行调整，也根据控制位的可调范围及取最大值、取最小值时的输出频率预估最接近目标频率的控制位，因为校准步进已经大大线性化，所以预估的误差较小。

本实施例选择先校准可变电源，再校准可变电阻，最后校准可变电容，是因为电流源调整精度不高，失配较大，作为粗调比较合适，而电容精度相对电阻较高些，所以将可变电容作为最后一步精调。也可以调换三者顺序，相比较现有技术均可以实现频率步进线性化。

为更好的验证本发明的优点，以下通过对比传统校准方法进行分析。

假设目标频率为f₀=1MHz，要求RC振荡器的可调范围至少为±30%，即fout∈(0.7MHz,1.3 MHz)，以弥补工艺与温度的变化带来的影响。传统有源RC校准方法为固定电容值C，调节可变电阻R，假设将R由若干个相等的r组成，r为单位阻值，可变电阻的可调范围R∈（m*r，n*r），假设电阻的理想值为p*r，对应的频率校准范围见公式（2），对应的频率校准范围百分比为：

（44）

校准步进百分比为：

（45）

当工艺角或温度发生变化时，即r*C发生变化时，调节可变电阻的控制位为x，使得输出频率尽可能接近目标频率f₀。假设r=3K ohm，电容为1pF，p=333，为覆盖振荡器的可调范围+/-30%以上，取m=240，n=496，对应的频率校准范围百分比为(333/496,333/240)，即(0.67,1.39),满足频率覆盖范围（±30%）。下表为x与输出频率fout、频率步进step、校准步进f_percent之间的关系。

表4 传统校准方法控制位与输出频率的关系

下面进行校准过程：实际制造过程中r*C发生变化，假设校准前输出频率为1.2MHz，即可变电阻的控制位为333时，输出频率为1.2MHz，这时需要调大可变电阻，当可变电阻的控制位调整到400时，输出频率：

（46）

输出频率最接近目标频率，校准完成。

由公式（3）可知传统频率有源RC校准电路校准的频率步进随x的增大而减小。如表1所示，最大步进约为0.58%，最小步进约为0.14%，从图2也可以看出，传统有源RC校准方法校准步进非常不均匀，校准精度会受到最大步进的限制。

将上述本方法与传统方法进行比较，同样256个步进，传统校准方法校准精度受到最大步进的限制为0.58%，而本实施例的校准方法最大步进仅为0.44%，校准精度提高约25%。

Claims (7)

1.一种有源RC振荡器高精度校准方法，其特征在于，包括以下步骤：

提供目标频率及要求的输出频率的可调范围；已知固定电流源的电流值I0、可变电阻的理想值R0、可变电容的理想值C0；设可变电流源为I，可变电容为C，可变电阻为R；

定义参数α、β、γ，

（1）

（2）

（3）

从α、β、γ中先选择其中一个作为第一参数，在剩余的两个参数中选择其中一个作为第二参数，最后剩余的参数作为第三参数，对应地从可变电流源、可变电容及可变电阻中选择第一变量、第二变量及第三变量；根据目标频率及要求的输出频率的可调范围分别计算第一参数、第二参数及第三参数的取值范围；根据第一参数、第二参数及第三参数的取值范围分别确定第一变量、第二变量及第三变量相应的控制位的可调范围；

在第一变量的可调范围内调整第一变量的控制位，并计算输出频率与目标频率的差值，当差值最小时，在第二变量的可调范围内调整第二变量的控制位，并计算输出频率与目标频率的差值，当差值最小时，在第三变量的可调范围内调整第三参数的控制位，并计算输出频率与目标频率的差值，当差值最小时，完成校准；

其中，第一参数、第二参数及第三参数的取值范围的计算方法包括：

令目标频率为f₀，要求的输出频率的可调范围为（f₀*a1，f₀*b1），a1为比例下限，b1为比例上限；

根据输出频率的可调范围，设第一参数的取值范围为(e1，f1)，e1≤a1，f1≥b1；计算第一最大步进百分比f_step1：

（4）

根据第一最大步进百分比，更新输出频率的可调范围为（f₀*a2，f₀*b2），a2为第一次更新的比例下限，b2为第一次更新的比例上限，且

（5）

（6）

设第二参数的取值范围为(e2，f2)，e2≤a2，f2≥b2；计算第二最大步进百分比f_step2：

（7）

根据第二最大步进百分比，更新输出频率的可调范围为（f₀*a3，f₀*b3），a3为第二次更新的比例下限，b3为第二次更新的比例上限，且

（8）

（9）

设第三参数的取值范围为(e3，f3)，e3≤a3，f3≥b3。

2.根据权利要求1所述的有源RC振荡器高精度校准方法，其特征在于，第一参数为α，第二参数为β，第三参数为γ；相应地第一变量为可变电流源，第二变量为可变电容，第三变量为可变电阻。

3.根据权利要求2所述的有源RC振荡器高精度校准方法，其特征在于，第一变量、第二变量及第三变量的控制位的可调范围的确认方法包括：

令可变电流源的控制位为y，可变电容的控制位为z，可变电阻的控制位为x；y、z、x与α、β、γ之间的关系为：

（10）

（11）

（12）

其中，i1、c1、r1分别为单位电流值、单位电容值及单位电阻值；根据第一参数、第二参数、第三参数的取值范围分别确定各控制位的可调范围。

4.根据权利要求1或2所述的有源RC振荡器高精度校准方法，其特征在于，校准时，调整第一变量的控制位和/或第二变量的控制位和/或第三变量的控制位采用二分法进行调整。

5.根据权利要求1或2所述的有源RC振荡器高精度校准方法，其特征在于，校准时，调整第一变量的控制位和/或第二变量的控制位和/或第三变量的控制位的方法为：根据控制位的可调范围及取最大值、取最小值时的输出频率预估最接近目标频率的控制位。

6.一种高精度有源RC振荡器，可实现如权利要求1至5任一有源RC振荡器高精度校准方法，其特征在于，包括固定电流源、可变电流源、可变电阻、可变电容、比较器、放电晶体管、参考频率源及频率校准电路，固定电流源、可变电流源的漏端分别连接在比较器的两个输入端；可变电阻、可变电容分别连接在比较器的两个输入端；放电晶体管的栅极与比较器输出端连接，漏极与可变电容连接；频率校准电路的输入端连接比较器输出端；频率校准电路用于根据输入的参考频率源及输出信号确定输出频率，并根据输出频率与目标频率的差值产生用于调节可变电流源、可变电阻、可变电容的控制位。

7.根据权利要求6所述的高精度有源RC振荡器，其特征在于，令可变电流源的控制位为y，可变电容的控制位为z，可变电阻的控制位为x，

y、z、x的可调范围为：

（13）

（14）

（15）

其中，I0为固定电流源的电流值，R0为可变电阻的理想值，C0为可变电容的理想值，i1、c1、r1分别为单位电流值、单位电容值及单位电阻值；e1、f1、e2、f2、e3、f3的说明如下：

令第一参数为α，第二参数为β，第三参数为γ，

（16）

（17）

（18）

I为可变电流源，C为可变电容，R为可变电阻；e1、f1分别为α的最小值和最大值，e2、f2分别为β的最小值和最大值，e3、f3分别为γ的最小值和最大值；

令目标频率为f₀，要求的输出频率的可调范围为（f₀*a1，f₀*b1），a1为比例下限，b1为比例上限；

第一参数α的取值范围为：α∈(e1，f1)，e1≤a1，f1≥b1；

第一最大步进百分比为：

（19）

第二参数β的取值范围为：β∈(e2，f2)，e2≤a2，f2≥b2，a2为第一次更新的比例下限，b2为第一次更新的比例上限，且

（20）

（21）

第二最大步进百分比为：

（22）

第三参数γ的取值范围为：γ∈(e3，f3)，e3≤a3，f3≥b3，a3为第二次更新的比例下限，b3为第二次更新的比例上限，且

（23）

（24）。

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