CN112583355A - 高精度张弛振荡器 - Google Patents

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    • H03B5/00—Generation of oscillations using amplifier with regenerative feedback from output to input
    • H03B5/02—Details
    • H03B5/04—Modifications of generator to compensate for variations in physical values, e.g. power supply, load, temperature

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  • Inductance-Capacitance Distribution Constants And Capacitance-Resistance Oscillators (AREA)

Abstract

本发明揭示了一种高精度张弛振荡器，所述张弛振荡器包括：参考电压产生单元，用于产生参考电压VREF；电容充放电单元，用于对电容充放电并产生电容器电压VCAP；比较器，与参考电压产生单元和电容充放电单元相连，用于比较参考电压VREF和电容器电压VCAP得到判别输出信号；输出链路，用于根据判别输出信号获取第一控制信号VC、第二控制信号VCN及时钟信号OSC_CLK；第一MOS管和第二MOS管，串联于GND和电容器电压VCAP之间，第一MOS管的栅极与第一控制信号VC相连，第二MOS管的栅极与第二控制信号VCN相连。本发明的张弛振荡器通过在第一MOS管上串联第二MOS管，以抵消VC电压上升时引入的时钟馈通效应，大幅降低了电源电压对振荡器频率的影响，大大提高了输出时钟信号的精度。

Description

高精度张弛振荡器
技术领域
本发明属于集成电路技术领域，具体涉及一种高精度张弛振荡器。
背景技术
在大规模集成电路中，时钟信号一般由振荡器产生的。张弛振荡器是应用最为普遍的一种振荡器电路，其通过对电容充放电实现振荡信号输出，调节充放电电流或电容的大小能够调节振荡信号的频率。相对于其它各种类型的振荡器，张弛振荡器具有结构简单，成本较低以及功耗较小的优点，所以在一些SOC芯片中，例如单片机(Micro Control Unit，MCU)中张弛振荡器非常常见。
参图1所示，现有技术中的张弛振荡器包括：
参考电压产生单元10’，包括第一电流源I1和电阻R，用于产生参考电压VREF；
电容充放电单元20’，包括第二电流源I2和电容C，用于对电容充放电并产生电容器电压VCAP；
比较器COMP，与参考电压产生单元和电容充放电单元相连，用于比较参考电压VREF和电容器电压VCAP得到判别输出信号；
输出链路30’，包括第一反相器INV1、第二反相器INV2和缓冲器Buff，用于根据判别输出信号获取控制信号VC及时钟信号OSC_CLK；
MOS管M1，串联于GND和电容器电压VCAP之间，MOS管的栅极与控制信号VC相连，MOS管用于在VCAP>VREF时将VCAP下拉到预设电压(地电位0V)。
为了保证振荡器不随电源电压的变化，通常设计采用LDO对振荡器电路进行供电，这样电源电压的变化对振荡器的影响最小，可以提高精度。
现有的振荡器中，电源对振荡器的频率影响因素有2个：1是比较器到VC控制链路的延迟时间影响；2是由于VCAP电压上升时引入的时钟馈通效应，VC在下拉VCAP的电压时会超过0V以下，不同的电源电压会造成VCAP被下拉的电压差别较大，这个是电源电压影响振荡器频率的主要原因。
因此，针对上述技术问题，有必要提供一种高精度张弛振荡器。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高精度张弛振荡器，以降低电源电压对振荡器频率的影响。
为了实现上述目的，本发明一实施例提供的技术方案如下：
一种高精度张弛振荡器，所述张弛振荡器包括：
参考电压产生单元，用于产生参考电压VREF；
电容充放电单元，用于对电容充放电并产生电容器电压VCAP；
比较器，与参考电压产生单元和电容充放电单元相连，用于比较参考电压VREF和电容器电压VCAP得到判别输出信号；
输出链路，用于根据判别输出信号获取第一控制信号VC、第二控制信号VCN及时钟信号OSC_CLK，第一控制信号VC和第二控制信号VCN的相位差为180°；
第一MOS管和第二MOS管，串联于GND和电容器电压VCAP之间，第一MOS管的栅极与第一控制信号VC相连，第二MOS管的栅极与第二控制信号VCN相连，所述第一MOS管用于在VCAP>VREF时将VCAP下拉到预设电压，所述第二MOS管用于抵消VC上升时引入的时钟馈通效应。
一实施例中，所述第一MOS管和第二MOS管均为NMOS管，且第一MOS管的尺寸为第二MOS管尺寸的2倍。
一实施例中，所述第一MOS管的漏极与第二MOS管的源极相连，第一MOS管的源极与GND相连，第二MOS管的漏极与电容器电压VCAP相连，且第二MOS管的源极与第二MOS管的漏极相连。
一实施例中，所述参考电压产生单元包括依次串联于电源和GND之间的第一电流源和电阻，所述电容充放电单元包括依次串联于电源和GND之间的第二电流源和电容。
一实施例中，所述输出链路包括依次串联于比较器输出端的第一反相器和第二反相器，所述第一反相器输出的信号为第一控制信号VC，第二反相器输出的信号为第二控制信号VCN。
一实施例中，所述输出链路还包括若干与第一反相器和第二反相器串联设置的缓冲器。
一实施例中，所述时钟信号OSC_CLK的时钟周期为T＝R*C+Tdelay+Tdown，其中，R为电阻的阻值，C为电容的容值，Tdelay为VCAP至VC整个链路的延迟时间，Tdown为第一控制信号VC为高电平时将VCAP下拉到预设电压的时间。
一实施例中，所述预设电压为0V。
一实施例中，所述张弛振荡器通过电源进行供电。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
本发明的张弛振荡器通过在第一MOS管上串联第二MOS管，以抵消VC上升时引入的时钟馈通效应，大幅降低了电源电压对振荡器频率的影响，大大提高了输出时钟信号的精度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为现有技术中张弛振荡器的电路图；
图2本发明一具体实施例中张弛振荡器的电路图。
具体实施方式
以下将结合附图所示的各实施方式对本发明进行详细描述。但该等实施方式并不限制本发明，本领域的普通技术人员根据该等实施方式所做出的结构、方法、或功能上的变换均包含在本发明的保护范围内。
参图2所示，本发明一具体实施例中公开了一种高精度张弛振荡器，包括：
参考电压产生单元10，用于产生参考电压VREF；
电容充放电单元20，用于对电容充放电并产生电容器电压VCAP；
比较器COMP，与参考电压产生单元和电容充放电单元相连，用于比较参考电压VREF和电容器电压VCAP得到判别输出信号；
输出链路30，用于根据判别输出信号获取第一控制信号VC、第二控制信号VCN及时钟信号OSC_CLK，第一控制信号VC和第二控制信号VCN的相位差为180°；
第一MOS管M1和第二MOS管M2，串联于GND和电容器电压VCAP之间，第一MOS管的栅极与第一控制信号VC相连，第二MOS管的栅极与第二控制信号VCN相连，其中，第一MOS管用于在VCAP>VREF时将VCAP下拉到预设电压，第二MOS管用于抵消VC上升时引入的时钟馈通效应。
具体地，本实施例的张弛振荡器中，参考电压产生单元10、电容充放电单元20、比较器COMP、输出链路30均通过电源进行供电，电源电压为VDD。
参考电压产生单元10包括依次串联于电源和GND之间的第一电流源I1和电阻R，电容充放电单元20包括依次串联于电源和GND之间的第二电流源I2和电容C。
其中，第一电流源I1和电阻R的中间电压为VREF，与比较器COMP的第一输入端相连，第二电流源I2和电容C的中间电压为VCAP，与比较器COMP的第二输入端相连。
比较器COMP比较参考电压VREF和电容器电压VCAP得到判别输出信号，当VCAP＞VREF时，判别输出信号为低电平，当VCAP≤VREF时，判别输出信号为低电平。
输出链路30包括依次串联于比较器输出端的第一反相器INV1和第二反相器INV2，第一反相器INV1输出的信号为第一控制信号VC，第二反相器INV2输出的信号为第二控制信号VCN，第一控制信号VC和第二控制信号VCN的相位差为180°，即当第一控制信号VC为高电平时，第二控制信号VCN为低电平，当第一控制信号VC为低电平时，第二控制信号VCN为高电平。
进一步地，本实施例中的输出链路还包括与第一反相器INV1和第二反相器INV2串联设置的缓冲器Buff，缓冲器的输出端输出时钟信号OSC_CLK。
本实施例中的第一MOS管M1和第二MOS管M2均为NMOS管，且第一MOS管M1的尺寸(宽长比W/L)为第二MOS管M2尺寸(宽长比W/L)的2倍。
具体地，第一MOS管M1的漏极与第二MOS管M2的源极相连，第一MOS管M1的源极与GND相连，第二MOS管M2的漏极与电容器电压VCAP相连，且第二MOS管M2的源极与第二MOS管M2的漏极相连。
本实施例的工作原理如下：
通过第一电流源I1在电阻R上产生电压VREF，并通过第二电流源I2对电容C充电控制第一控制信号VC和第二控制信号VCN，I2＝C*du/dt。
当VCAP>VREF时，比较器COMP输出低电平，第一控制信号VC为高电平，第二控制信号VCN为低电平，此时第一MOS管M1导通，第二MOS管M2关闭，将电容C电压放电到低，即将VCAP下拉到预设电压；
当VCAP下拉到预设电压后，比较器COMP输出高电平，第一控制信号VC为低电平，第二控制信号VCN为高电平，此时第一MOS管M1关闭，第二MOS管M2导通，第二电流源I2对电容C进行充电，将VCAP上拉；
当VCAP>VREF时，进行下一个周期，输出时钟信号OSC_CLK。
本实施例中在第一控制信号VC控制的第一MOS管M1的基础上，新增一个第二控制信号VCN控制的第二MOS管M2，M2的尺寸是M1尺寸的一半，可以抵消VC上升时引入的时钟馈通效应。
时钟信号OSC_CLK的时钟周期为T＝R*C+Tdelay+Tdown，其中，R为电阻的阻值，C为电容的容值，Tdelay为VCAP至VC整个链路的延迟时间，Tdown为第一控制信号VC为高电平时将VCAP下拉到预设电压的时间。
进一步地，本实施例中预设电压以0V为例进行说明，在其他实施例中也可以设定其他数值的预设电压。
本发明中的张弛振荡器通过电源进行供电，电源电压为VDD，节约了面积降低了设计成本。
上技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：
本发明的张弛振荡器通过在第一MOS管上串联第二MOS管，以抵消VC上升时引入的时钟馈通效应，大幅降低了电源电压对振荡器频率的影响，大大提高了输出时钟信号的精度。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施例加以描述，但并非每个实施例仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (9)

1.一种高精度张弛振荡器，其特征在于，所述张弛振荡器包括：
参考电压产生单元，用于产生参考电压VREF；
电容充放电单元，用于对电容充放电并产生电容器电压VCAP；
比较器，与参考电压产生单元和电容充放电单元相连，用于比较参考电压VREF和电容器电压VCAP得到判别输出信号；
输出链路，用于根据判别输出信号获取第一控制信号VC、第二控制信号VCN及时钟信号OSC_CLK，第一控制信号VC和第二控制信号VCN的相位差为180°；
第一MOS管和第二MOS管，串联于GND和电容器电压VCAP之间，第一MOS管的栅极与第一控制信号VC相连，第二MOS管的栅极与第二控制信号VCN相连，所述第一MOS管用于在VCAP>VREF时将VCAP下拉到预设电压，所述第二MOS管用于抵消VC上升时引入的时钟馈通效应。
2.根据权利要求1所述的高精度张弛振荡器，其特征在于，所述第一MOS管和第二MOS管均为NMOS管，且第一MOS管的尺寸为第二MOS管尺寸的2倍。
3.根据权利要求2所述的高精度张弛振荡器，其特征在于，所述第一MOS管的漏极与第二MOS管的源极相连，第一MOS管的源极与GND相连，第二MOS管的漏极与电容器电压VCAP相连，且第二MOS管的源极与第二MOS管的漏极相连。
4.根据权利要求1所述的高精度张弛振荡器，其特征在于，所述参考电压产生单元包括依次串联于电源和GND之间的第一电流源和电阻，所述电容充放电单元包括依次串联于电源和GND之间的第二电流源和电容。
5.根据权利要求4所述的高精度张弛振荡器，其特征在于，所述输出链路包括依次串联于比较器输出端的第一反相器和第二反相器，所述第一反相器输出的信号为第一控制信号VC，第二反相器输出的信号为第二控制信号VCN。
6.根据权利要求5所述的高精度张弛振荡器，其特征在于，所述输出链路还包括若干与第一反相器和第二反相器串联设置的缓冲器。
7.根据权利要求4所述的高精度张弛振荡器，其特征在于，所述时钟信号OSC_CLK的时钟周期为T＝R*C+Tdelay+Tdown，其中，R为电阻的阻值，C为电容的容值，Tdelay为VCAP至VC整个链路的延迟时间，Tdown为第一控制信号VC为高电平时将VCAP下拉到预设电压的时间。
8.根据权利要求1所述的高精度张弛振荡器，其特征在于，所述预设电压为0V。
9.根据权利要求1所述的高精度张弛振荡器，其特征在于，所述张弛振荡器通过电源进行供电。
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