CN113794446B - 一种频率不随温度和电源电压变化的rc振荡器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种频率不随温度和电源电压变化的RC振荡器，涉及电子电路领域，包括三级环形振荡器，以及三个电容单元，其中：三级环形振荡器包括三级相同的延迟单元，每级延迟单元的输出端均连接下一级延迟单元的输入端，第三级延迟单元的输出端连接第一级延迟单元的输入端；每级延迟单元的输出端与地之间均连接一个电容单元；每级延迟单元包括电压产生模块和电流控制模块，电压产生模块与电流控制模块连接，用于向电流控制模块输出第一栅压、第二栅压、第三栅压和摆幅控制电压。本发明提高了RC振荡器的输出频率精度，从而得到不随温度和电源电压变化的时钟信号，并能降低电路功耗。

Description

一种频率不随温度和电源电压变化的RC振荡器

技术领域

本发明涉及电子电路领域，尤其涉及一种频率不随温度和电源电压变化的RC振荡器。

背景技术

在CMOS集成电路设计中，RC振荡器电路简单，可以片内集成，频率调节范围广，是在实际使用电路中广泛采用的片内时钟源。如图1所示，传统RC振荡器电路主要包括：电流电压产生电路、充电电容、比较器、RS整形电路。其原理为：电流源产生充电电流对电容充电，得到逐渐增大的电压且与参考电压接比较器的两个输入。当电容端的电压值达到时，比较器输出翻转。RS整形电路输出的控制信号变化，电容端开关闭合，电容放电。输出信号频率公式如下：

传统RC振荡器通过比较器产生周期性翻转的信号，功耗较大。比较器的翻转产生的延时会随电源电压产生变化，导致输出频率随电源电压变化。

同时，由于集成电路芯片内部的电阻和晶体管的温度特性较差，产生参考电压V_refV_ref和充电电流I₁会随温度的变化而变化，V_ref的温度系数一般与电阻的温度系数有关，电流为正温度系数的参数。因此，在没有补偿电路的情况下，输出振荡信号的频率会随温度变化，影响精度。此外，传统RC振荡器电路使用差分结构时，电路功耗较高。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种频率不随温度和电源电压变化的RC振荡器，提高输出频率精度，从而得到不随温度和电源电压变化的时钟信号，并能降低电路功耗。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是如何提升RC振荡器输出频率的精度，使其不随温度和电源电压变化，并能降低电路功耗。

为实现上述目的，本发明提供了一种频率不随温度和电源电压变化的RC振荡器，包括三级环形振荡器和三个电容单元，其中：

三级环形振荡器包括三级相同的延迟单元，每级延迟单元的输出端均连接下一级延迟单元的输入端，第三级延迟单元的输出端连接第一级延迟单元的输入端；

每级延迟单元的输出端与地之间均连接一个电容单元；

每级延迟单元包括电压产生模块和电流控制模块，电压产生模块与电流控制模块连接，用于向电流控制模块输出第一栅压、第二栅压、第三栅压和摆幅控制电压。

进一步地，电流控制模块包括：第一PMOS管、第二PMOS管、第三PMOS管，第一NMOS管和第二NMOS管，其中：

第一PMOS管的栅极与第一栅压连接，第一PMOS管的漏极与第二PMOS管的源极连接；

第二PMOS管的栅极与第二栅压连接，第二PMOS管的漏极与第三PMOS管的源极连接；

第三PMOS管的栅极与摆幅控制电压连接，第三PMOS管的漏极与第一NMOS管的漏极连接形成延迟单元的输出端；

第一NMOS管的栅极与延迟单元的输入端连接，第一NMOS管的源极与第二NMOS管的漏极连接；

第二NMOS管的栅极与第三栅压连接，第二NMOS管的源极与地线连接。

进一步地，电压产生模块包括偏置电流镜像模块和电阻性组件，偏置电流镜像模块与电阻性组件连接。

进一步地，偏置电流镜像模块包括：第一电压源、第二电压源、第一镜像电路、第二镜像电路和第三镜像电路，其中：

第一电压源与第一镜像电路连接，第一电压源通过第一镜像电路产生摆幅控制电压；

第二电压源与第二镜像电路连接，第二电压源通过第二镜像电路产生第一栅压；

第三镜像电路用于产生第三栅压；

第二栅压为外部电路提供的固定电压。

进一步地，电阻性组件包括第一电阻器和第二电阻器，第一电阻器与地线连接，第一电阻器和第二电阻器串联连接。

进一步地，第一电阻器与第二电阻器的温度系数相反，第二电阻器为可调节电阻。

进一步地，第一电压源和第二电压源为带隙基准电压，提供不随温度和电源电压变化的基准电压。

进一步地，第一镜像电路包括第一稳压模块、第四PMOS管和第五PMOS管，第二镜像电路包括第二稳压模块、第七PMOS管和第八PMOS管，第三镜像电路包括第九PMOS管、第十PMOS管和第三NMOS管，其中：

第四PMOS管、第七PMOS管、第九PMOS管的栅极与第一栅压连接，第五PMOS管、第八PMOS管、第十PMOS管的栅极与第二栅压连接；

第四PMOS管的漏极与第五PMOS管的源极连接，第七PMOS管的漏极与第八PMOS管的源极连接，第九PMOS管的漏极与第十PMOS管的源极连接；

第三NMOS管的栅极与漏极与第十PMOS管的漏极连接，三NMOS管的源极与地线连接；

第四PMOS管、第五PMOS管和第七PMOS管、第八PMOS管和第九PMOS管、第十PMOS管构成电流镜像结构，第三NMOS管与第二NMOS管构成电流镜像结构。

进一步地，第一镜像电路还包括第六PMOS管，第六PMOS管的栅极与与摆幅控制电压连接，第六PMOS管的源极与第五PMOS管的漏极连接，第六PMOS管的漏极与地线连接。

进一步地，第一稳压模块和第二稳压模块使用差分运算放大器形成负反馈电路。

与现有技术方案相比，本发明方案带来的有益效果是：

本发明使用环形振荡器产生时钟信号，有效降低了电路功耗；本发明通过增加简单的电路结构，使环形振荡器输出摆幅、电流不随电源电压变化，使频率不随电源电压变化；通过使用不同温度系数的电阻补偿环形振荡器的温度系数，使输出频率不随温度变化，提高了输出频率的精度；增加电路的结构简单，容易实现，实用性强。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1是现有技术的传统RC振荡器框图；

图2是本发明的一个较佳实施例的整体电路结构图；

图3是本发明的一个较佳实施例的延迟单元电路结构图；

图4是本发明的一个较佳实施例的电压产生模块电路结构图；

其中，1-延迟单元。

具体实施方式

以下参考说明书附图介绍本发明的多个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。

在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件的厚度。

如图2所示，三级环形振荡器中包括完全相同的三个延迟单元1：X1、X2、X3。分别将三个延迟单元1的输出与下一个单元的输入相连，产生周期性信号。每级延迟单元1的输出端与地之间有容值为C的电容。

如图3所示，第一PMOS管MP1和第二PMOS管MP2产生电流，第三PMOS管MP3控制环形振荡器的输出摆幅，第一MNOS管MN1为放大管，第二MNOS管MN2为电流管，Vin为延迟单元的输入，Vout为延迟单元的输出。

如图4所示，第二镜像电路产生电流I₀并通过第一栅压Vb1和第二栅压Vb2镜像到第一镜像电路，产生电流I₁和I₂。Vb2是由外部电路提供的固定电压，保证第七PMOS管MP7和第八PMOS管MP8工作在饱和区。时钟信号频率与电流I₂，环形振荡器输出摆幅V_OUT，PP和电容的容值C有关，即：

由于电容的容值C不随电源电压和温度变化，只需要让电流I₂和V_OUT，PP的比值不随温度和电源电压变化即可。在本实施例中，通过产生几乎不随电源温度变化的电流I₂和几乎不随温度电源变化的电压V_OUT，PP来得到不随温度电源变化的时钟信号。第二镜像电路的输入第二电压源Vbg2为不随温度和电源电压变化的带隙基准电压，经过负反馈电路产生的节点C的电压Vc与第二电压源Vbg2相同，由电压Vc产生电流I₀，即：

其中，第一电阻器R₁和第二电阻器R₂为温度系数相反的电阻，通过调整第一电阻器R₁和第二电阻器R₂的比例可以控制电流I₀的温度系数。电流I₁和I₂的温度系数与I₀相同，因此也不随温度和电源电压变化。

第四PMOS管MP4、第五PMOS管MP5和第七PMOS管MP7、第八PMOS管MP8和第九PMOS管MP9、第十PMOS管MP10构成电流镜像结构，第三NMOS管MN3与第二NMOS管MN2构成电流镜像结构。

第一镜像电路输出摆幅控制电压V_MAX。其中A点电压V_A与第一电压源Vbg1相同，第一电压源Vbg1为不随温度和电源电压变化的带隙基准电压，因此电压V_A也不随温度和电源电压变化。第一PMOS管MP1与第四PMOS管MP4，第二PMOS管MP2与第五PMOS管MP5，第三PMOS管MP3与第六PMOS管MP6的比例等于电流I₁和I₂的比例，因此A点和B点电压相等，即V_A与V_B相同。B点电压V_B不随温度电源电压变化，因此，环形振荡器输出电压Vout的输出摆幅V_OUT，PP也不随温度和电源电压变化。

第九PMOS管MP9和第九PMOS管MP10通过第一栅压Vb1和第二栅压Vb2产生电流，第三NMOS管MN3通过此电流产生第三栅压Vb3，第三栅压Vb3控制第二NMOS管MN2产生电流，此电流与第一PMOS管MP1、第二PMOS管MP2产生的电流具有相同的温度特性。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (9)

1.一种频率不随温度和电源电压变化的RC振荡器，其特征在于，包括三级环形振荡器和三个电容单元，其中：

所述三级环形振荡器包括三级相同的延迟单元，每级所述延迟单元的输出端均连接下一级所述延迟单元的输入端，第三级延迟单元的输出端连接第一级延迟单元的输入端；

每级所述延迟单元的输出端与地之间均连接一个所述电容单元；

每级所述延迟单元包括电压产生模块和电流控制模块，所述电压产生模块与所述电流控制模块连接，用于向电流控制模块输出第一栅压、第二栅压、第三栅压和摆幅控制电压；

所述电流控制模块包括：第一PMOS管、第二PMOS管、第三PMOS管，第一NMOS管和第二NMOS管，其中：

所述第一PMOS管的栅极与所述第一栅压连接，所述第一PMOS管的漏极与所述第二PMOS管的源极连接；

所述第二PMOS管的栅极与所述第二栅压连接，所述第二PMOS管的漏极与第三PMOS管的源极连接；

所述第三PMOS管的栅极与所述摆幅控制电压连接，所述第三PMOS管的漏极与第一NMOS管的漏极连接形成所述延迟单元的输出端；

所述第一NMOS管的栅极与所述延迟单元的输入端连接，所述第一NMOS管的源极与所述第二NMOS管的漏极连接；

所述第二NMOS管的栅极与所述第三栅压连接，所述第二NMOS管的源极与地线连接。

2.如权利要求1所述的频率不随温度和电源电压变化的RC振荡器，其特征在于，所述电压产生模块包括偏置电流镜像模块和电阻性组件，所述偏置电流镜像模块与所述电阻性组件连接。

3.如权利要求2所述的频率不随温度和电源电压变化的RC振荡器，其特征在于，所述偏置电流镜像模块包括：第一电压源、第二电压源、第一镜像电路、第二镜像电路和第三镜像电路，其中：

所述第一电压源与所述第一镜像电路连接，所述第一电压源通过所述第一镜像电路产生所述摆幅控制电压；

所述第二电压源与所述第二镜像电路连接，所述第二电压源通过所述第二镜像电路产生所述第一栅压；

所述第三镜像电路用于产生所述第三栅压；

所述第二栅压为外部电路提供的固定电压。

4.如权利要求2所述的频率不随温度和电源电压变化的RC振荡器，其特征在于，所述电阻性组件包括第一电阻器和第二电阻器，所述第一电阻器与地线连接，所述第一电阻器和所述第二电阻器串联连接。

5.如权利要求4所述的频率不随温度和电源电压变化的RC振荡器，其特征在于，所述第一电阻器与所述第二电阻器的温度系数相反，所述第二电阻器为可调节电阻。

6.如权利要求3所述的频率不随温度和电源电压变化的RC振荡器，其特征在于，所述第一电压源和所述第二电压源为带隙基准电压，提供不随温度和电源电压变化的基准电压。

7.如权利要求3所述的频率不随温度和电源电压变化的RC振荡器，其特征在于，所述第一镜像电路包括第一稳压模块、第四PMOS管和第五PMOS管，所述第二镜像电路包括第二稳压模块、第七PMOS管和第八PMOS管，所述第三镜像电路包括第九PMOS管、第十PMOS管和第三NMOS管，其中：

所述第四PMOS管、所述第七PMOS管、所述第九PMOS管的栅极与所述第一栅压连接，所述第五PMOS管、所述第八PMOS管、所述第十PMOS管的栅极与所述第二栅压连接；

所述第四PMOS管的漏极与所述第五PMOS管的源极连接，所述第七PMOS管的漏极与所述第八PMOS管的源极连接，所述第九PMOS管的漏极与所述第十PMOS管的源极连接；

所述第三NMOS管的栅极与漏极与所述第十PMOS管的漏极连接，所述三NMOS管的源极与地线连接；

所述第四PMOS管、所述第五PMOS管和所述第七PMOS管、所述第八PMOS管和所述第九PMOS管、所述第十PMOS管构成电流镜像结构，所述第三NMOS管与所述第二NMOS管构成电流镜像结构。

8.如权利要求7所述的频率不随温度和电源电压变化的RC振荡器，其特征在于，所述第一镜像电路还包括第六PMOS管，所述第六PMOS管的栅极与与所述摆幅控制电压连接，所述第六PMOS管的源极与所述第五PMOS管的漏极连接，所述第六PMOS管的漏极与地线连接。

9.如权利要求8所述的频率不随温度和电源电压变化的RC振荡器，其特征在于，所述第一稳压模块和所述第二稳压模块使用差分运算放大器形成负反馈电路。