CN113131868B

CN113131868B - 数字调节振荡器

Info

Publication number: CN113131868B
Application number: CN201911410746.9A
Authority: CN
Inventors: 满雪成
Original assignee: SG Micro Beijing Co Ltd
Current assignee: SG Micro Beijing Co Ltd
Priority date: 2019-12-31
Filing date: 2019-12-31
Publication date: 2022-12-20
Anticipated expiration: 2039-12-31
Also published as: CN113131868A

Abstract

本申请公开了一种数字调节的振荡器。该振荡器包括：电流产生模块，用于提供第一电流；电阻串，与所述电流产生模块连接，所述第一电流流经所述电阻串的多个电阻以产生参考电压；电容，对所述电容的充电和放电产生控制电压；以及比较器，将控制电压与参考电压相比较以获得输出信号，其中，所述振荡器接收包含符号位、第一组数据位和第二组数据位的控制字，根据所述控制字的所述符号位和所述第一组数据位调节所述第一电流的大小，根据所述控制字的所述符号位和所述第二组数据位从所述电阻串中获得至少一个电阻的电压降作为所述参考电压。

Description

数字调节振荡器

技术领域

本发明涉及电子电路技术领域，更具体地，涉及数字调节振荡器。

背景技术

振荡器是用于产生周期性信号的电路，例如将直流电压转换成方波、锯齿波、正弦波等周期性信号。振荡器产生的周期性信号例如在芯片中作为系统时钟信号，因此振荡器的频率精度和稳定性对于整个芯片的性能有着重要的影响。

振荡器例如包括比较器以及电阻和电容器件。由于器件制造工艺的波动，电阻和电容的性能参数也会产生波动。振荡器产生的周期性信号可能存在着频率误差，即，周期性信号的标称频率与实测频率之间存在着误差。因此，高精度的振荡器需要根据实测频率进行校准，期待振荡器可以采用低成本的电路结构进行频率的数字调节以修调频率误差。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种数字调节振荡器，其中采用电流修调和电阻修调的组合，从而采用低成本的电路结构提高修调范围和修调精度。

根据本发明的一方面，提供一种数字调节的振荡器，包括：电流产生模块，用于提供第一电流；电阻串，与所述电流产生模块连接，所述第一电流流经所述电阻串的多个电阻以产生参考电压；电容，对所述电容的充电和放电产生控制电压；以及比较器，将控制电压与参考电压相比较以获得输出信号，其中，所述振荡器接收包含第一组数据位和第二组数据位的控制字，根据所述控制字的所述第一组数据位调节所述第一电流的大小以进行电流修调，根据所述控制字的所述第二组数据位从所述电阻串中获得至少一个电阻的电压降作为所述参考电压以进行电阻修调。

优选地，所述控制字还包括符号位，用于指示所述输出信号的频率正修调和负修调。

优选地，所述电流产生模块包括：电流源，用于提供第二电流；以及第一晶体管和多个第二晶体管，所述第一晶体管与所述电流源串联连接，并且所述第一晶体管的栅极与所述多个第二晶体管连接成电流镜，其中，所述多个第二晶体管提供多个镜像电流，并且所述多个第二晶体管连接至公共节点以叠加所述多个镜像电流中的选定镜像电流。

优选地，还包括：第一开关组，包括连接在所述多个第二晶体管和所述公共节点之间的多个第一开关，用于选择所述多个第二晶体管提供的至少一个电流支路提供所述第一电流。

优选地，所述振荡器根据所述符号位和所述第一组数据位产生所述多个第一开关的控制信号。

优选地，所述电阻串包括串联连接在所述公共节点和地之间的多个电阻。

优选地，还包括：第二开关组，包括连接在所述多个电阻的高电位端和所述比较器的反相输入端之间的多个第二开关，用于选择所述多个电阻中至少一部分电阻的电压降形成所述参考电压。

优选地，所述振荡器根据所述符号位和所述第二组数据位产生所述多个第二开关的控制信号。

优选地，还包括：第三开关，与所述电容并联连接；以及第三晶体管，与所述电容串联连接，并且与所述第三晶体管连接成电流镜以提供充电电流，其中，所述电容连接在所述比较器的同相输入端和地之间，所述第三开关采用所述输出信号作为控制信号。

优选地，所述控制字的第一组数据位是相对于第二组数据位的高有效位。

优选地，所述电流修调的步长小于所述电阻修调的范围宽度，以获得所述电流修调和所述电阻修调的重叠区间。

优选地，根据所述电流修调的步长误差设置所述电阻修调的步长，以获得所述重叠区间。

根据本发明实施例的数字调节的振荡器，采用第一电流流经电阻串产生的电压降产生参考电压，其中，根据控制字的第一组数据位调节第一电流的大小，根据控制字的第二组数据位从电阻串中获得至少一个电阻的电压降作为参考电压。该振荡器采用电流修调和电阻修调组合的方式调节参考电压，从而修调振荡器的输出信号的频率。该振荡器利用电阻修调的小步长特性以提高输出信号的频率修调精度，利用电流修调的大步长特性以提高输出信号的频率修调范围，从而采用低成本的电路结构提高了修调范围和修调精度。

在优选的实施例中，该振荡器根据控制字的符号位和第一组数据位产生多个第一开关的控制信号以实现电流修调，根据控制字的符号位和第二组数据位产生多个第二开关的控制信号以实现电流修调。由于共用符号位进行电流修调和电阻修调，因此，该振荡器可以节省一个数据位，例如，采用7位的控制字可以实现的频率修调范围为+-60％，步长为1％。

在优选的实施例中，该振荡器电流修调的步长小于电阻修调的范围宽度，以获得电流修调和电阻修调的重叠区间。例如，根据所述电流修调的步长误差设置所述电阻修调的步长，以获得重叠区间。该修调值的重叠用于修正电流误差，即使多个第二晶体管的电流支路存在着误差，仍然可以选择合适的控制字以获得期望的频率修调值，从而可以降低多个第二晶体管的工艺要求，进一步降低电路成本。

附图说明

通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚。

图1示出根据本发明实施例的振荡器的电路图。

图2示出图1所示的振荡器中控制电压和参考电压随时间的变化曲线。

图3示出图1所示的振荡器的频率修调值与控制字的数值之间的关系曲线。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施例。但是，本发明可以通过不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反的，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。

下面，参照附图对本发明进行详细说明。

图1示出根据本发明实施例的振荡器的电路图。振荡器100产生脉冲信号且基于7位的控制字调节脉冲信号的频率。

如图1所示，振荡器100包括比较器101、第一开关组102、第二开关组103、晶体管M1至M3和M11至M16、电阻R1至R31、电容C0、电流源Is、开关S01。晶体管M1至M3和M11至M16例如均为P型MOSFET(即，金属氧化物半导体场效应晶体管)。

电流源Is用于提供电流i1，并且与电流镜组成电流产生模块以产生电流i2。晶体管M1与M2、M3和M11至M16组成电流镜，晶体管M1与M2、M3和M11至M16的栅极彼此连接且共同连接至晶体管M1的漏极。晶体管M1与电流源Is依次串联连接在供电端和接地端之间，电流源Is产生流经晶体管M1的电流i1。晶体管M2和电阻R31至R1依次串联连接在供电端和地之间。也即，电阻R31至R1连接成电阻串。晶体管M3和M11至M16经由第一开关组102连接至晶体管M2的漏极。第一开关组102例如包括分别与晶体管M11至M16连接的开关S111至S116。晶体管M2、M3和M11至M16共同产生与电流i1成比例的电流i2。根据第一开关组102的选择信号，可以调节电流i2的大小。

电流i2流经电阻R1至R31，在各个电阻的两端分别产生相应的电压降。电阻R1至R31的高电位端经由第二开关组103连接至公共节点，将电阻R1至R31中至少一个电阻的电压降叠加以产生参考电压Vref。第二开关组103例如包括与电阻R1至R31的高电位端分别连接的开关S1至S31。根据第二开关组103的选择信号，可以选择电阻R1至R31中的至少一个电阻。

晶体管M1和M3组成电流镜，二者的栅极彼此连接且连接至晶体管M1的漏极。晶体管M3和电容C0依次串联连接在供电端和地之间，晶体管M3产生与电流i1成比例的电流i3。

电流i3对电容C0进行充电。开关S01与电容C0并联连接，对电容C0进行周期性地放电。由于电容C0的充电过程和放电过程，在电容C0的两端产生随时间变化的锯齿波信号作为控制电压Vc。

比较器101的同相输入端接收控制电压Vc，反相输入端接收参考电压Vref，输出端提供输出信号Vout。该输出信号Vout作为开关S01的控制信号。

在振荡器100的工作期间，振荡器100的输出信号Vout为周期性的脉冲信号。

在振荡器100的输出信号Vout的低电平阶段，开关S01的控制信号为低电平，使得开关S01断开，电流i3对电容C0充电，电容C0两端的控制电压Vc从零开始线性升高。在控制电压Vc小于参考电压Vref的时间段内，振荡器100的输出信号Vout维持为低电平。在控制电压Vc达到参考电压Vref时，振荡器100的输出信号Vout从低电平转换成高电平。

在振荡器100的输出信号Vout的高电平阶段，开关S01的控制信号为高平电，使得开关S01闭合，电容C0经由开关S01放电，电容C0两端的控制电压Vc从最大值变为零，振荡器100的输出信号Vout从高电平转换成低电平。开关S01的控制信号从高电平转换成低电平，使得开关S01重新断开。

在上述工作期间，电容C0的充电和放电过程产生的控制电压Vc为锯齿波信号，该锯齿波信号的幅值为参考电压Vref，如图2所示。

如图1所示的振荡器100的输出信号Vout的周期T如下公式(1)所示：

其中，Vref表示比较器的反相输入端接收的参考电压，Rs表示电阻串中选择产生参考电压Vref的有效电阻值，C表示电容C0的电容值，Ir表示流经电阻串的电流i2，Ic表示电容C0的电流i3。

根据公式(1)可知，采用调节Ir、Ic、Rs和C中任意一种参数的方法，均可以修调输出信号Vout的频率。

本发明人注意到振荡器100的频率修调需要选择修调器件和提供合适位长的控制字，以兼顾电路成本、修调范围和步长的要求。

在振荡器100的电路设计中，必须从Ir、Ic、Rs和C中选择合适的参数作为修调参数。例如，电容是一个寄生敏感的器件，如果修调参数C，则引入的寄生电容会使修调精度受影响，同时工艺提供的电容有最小值的限制。单独采用电容修调通常达不到期望的修调范围和步长。单独采用电阻修调和电流修调可以达到期望的修调范围和步长，但存在着电路复杂度和成本高的问题。

在本设计中，通过同时修调电阻值和电流值以调节参考电压，实现了电路复杂度的降低，同时获得了期望修调范围和步长。在振荡器100中，第一开关组102用于调节流经电阻串的电流值Ir，第二开关组用于选择产生参考电压Vref的有效电阻值Rs。

进一步地，对于一个高精度设计的振荡器100，期望实测频率的误差在标称频率的0.5％以内。然而，振荡器100中的电阻和电容的性能受到工艺波动的影响，实测频率的误差甚至高达标称频率的+-30％。

根据本发明实施例的振荡器，采用电流修调和电阻修调的组合，从而采用低成本的电路结构提高了修调范围和修调精度。

图3示出图1所示的振荡器的频率修调值与控制字的数值之间的关系曲线。在图中将频率修调值采用相对值的方式示出，即，纵轴的数值表示频率修调值相对于标称频率的比值。

在本设计中，振荡器100例如接收共7位的控制字。该控制字的最高有效位B<6>作为符号位，其余有效位分为第一组数据位B<1:0>和第二组数据位B<5:2>。根据最高有效位B<6>和第一组数据位B<1:0>共同产生8个控制状态。在8个控制状态中存在着与0控制状态相关的一个冗余态，因此仅7个控制状态有效，对应地产生7个有效控制信号用于控制第一开关组102中的开关S111至S116的开关状态。根据最高有效位B<6>和第二组数据位B<5:2>共同产生32个控制状态。在32个控制状态中存在着与0控制状态相关的一个冗余态，因此仅31个控制状态有效，对应地产生31个有效控制信号信号，用于控制第二开关组103中的开关S1至S31的开关状态。该振荡器100采用符号位同时控制电流源和电阻，控制输出信号Vout的频率修调范围和步长。因此，该振荡器100可以节省一个数据位，例如，采用7位的控制字可以实现的频率修调范围为+-60％，步长为1％。

如图所示，在本设计中，电流修调的频率步长15％小于电阻修调的频率范围宽度16％，从而可以获得所述电流修调和所述电阻修调的重叠区间。因此，在电流修调和电阻修调叠加时可以实现频率修调值的重叠。例如，在控制字的数值为0001111时，频率修调值为16％，在控制字的数值从0001111加1变化为0010000时，频率修调值返回至15％。该修调值的重叠用于修正电流误差，即使晶体管M3和M11至M16产生的电流存在着误差，仍然可以选择合适的控制字以获得期望的频率修调值。根据电流修调的步长误差设置电阻修调的步长，以获得重叠区间，从而保证二者组合的频率修调的精度始终为电阻修调的步长的1/2。

在上述实施例器中，描述了振荡器的特定电路结构，其中对单电容进行充放电以获得控制电压，比较器将控制电压与参考电压相比较以获得脉冲信号作为输出信号。然而，本发明的振荡器不限于特定电路结构。在替代的实施例中，振荡器包括双电容，在对一个电容充电的同时，对另一个电容放电，比较器的同相输入端在双电容之间切换，以获得方波信号作为输出信号。在本发明的上述实施例中，采用控制字控制第一开关组和第二开关组，从而选择振荡器中的电流支路和电阻电压降，从而调节参考电压。该振荡器采用电流修调和电阻修调组合的方式调节参考电压，从而修调振荡器的输出信号的频率。

应当说明的是，在本发明的描述中，所含术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

最后应说明的是：显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

Claims

1.一种数字调节的振荡器，包括：

电流产生模块，用于提供第一电流；

电阻串，与所述电流产生模块连接，所述第一电流流经所述电阻串的多个电阻以产生参考电压；

电容，对所述电容的充电和放电产生控制电压；以及

比较器，将控制电压与参考电压相比较以获得输出信号，

其中，所述振荡器接收包含第一组数据位和第二组数据位的控制字，根据所述控制字的所述第一组数据位调节所述第一电流的大小以进行电流修调，根据所述控制字的所述第二组数据位从所述电阻串中获得至少一个电阻的电压降作为所述参考电压以进行电阻修调。

2.根据权利要求1所述的振荡器，其中，所述控制字还包括符号位，用于指示所述输出信号的频率正修调和负修调。

3.根据权利要求2所述的振荡器，其中，所述电流产生模块包括：

电流源，用于提供第二电流；以及

第一晶体管和多个第二晶体管，所述第一晶体管与所述电流源串联连接，并且所述第一晶体管的栅极与所述多个第二晶体管连接成电流镜，

其中，所述多个第二晶体管提供多个镜像电流，并且所述多个第二晶体管连接至公共节点以叠加所述多个镜像电流中的选定镜像电流。

4.根据权利要求3所述的振荡器，还包括：

第一开关组，包括连接在所述多个第二晶体管和所述公共节点之间的多个第一开关，用于选择所述多个第二晶体管提供的至少一个电流支路提供所述第一电流。

5.根据权利要求4所述的振荡器，其中，所述振荡器根据所述符号位和所述第一组数据位产生所述多个第一开关的控制信号。

6.根据权利要求3所述的振荡器，其中，所述电阻串包括串联连接在所述公共节点和地之间的多个电阻。

7.根据权利要求6所述的振荡器，还包括：

第二开关组，包括连接在所述多个电阻的高电位端和所述比较器的反相输入端之间的多个第二开关，用于选择所述多个电阻中至少一部分电阻的电压降形成所述参考电压。

8.根据权利要求7所述的振荡器，其中，所述振荡器根据所述符号位和所述第二组数据位产生所述多个第二开关的控制信号。

9.根据权利要求2所述的振荡器，还包括：

第三开关，与所述电容并联连接；以及

第三晶体管，与所述电容串联连接，并且与所述第三晶体管连接成电流镜以提供充电电流，

其中，所述电容连接在所述比较器的同相输入端和地之间，所述第三开关采用所述输出信号作为控制信号。

10.根据权利要求1所述的振荡器，其中，所述控制字的第一组数据位是相对于第二组数据位的高有效位。

11.根据权利要求1所述的振荡器，其中，所述电流修调的步长小于所述电阻修调的范围宽度，以获得所述电流修调和所述电阻修调的重叠区间。

12.根据权利要求11所述的振荡器，其中，根据所述电流修调的步长误差设置所述电阻修调的步长，以获得所述重叠区间。