CN113872590A

CN113872590A - 稳定振荡器输出频率的电路，集成电路及方法

Info

Publication number: CN113872590A
Application number: CN202111162885.1A
Authority: CN
Inventors: 朱炜礼
Original assignee: Shanghai Saierwei Electronic Technology Co ltd
Current assignee: Shanghai Saierwei Electronic Technology Co ltd
Priority date: 2021-09-30
Filing date: 2021-09-30
Publication date: 2021-12-31

Abstract

本发明揭示了一种稳定振荡器输出频率的电路，集成电路及方法。本发明提供的集成振荡器电路利用开关电容电路的原理来实现一个没有温度系数的电阻R，由于开关电容电路是不随温度变化而变化的，因此可以可以使得集成振荡器电路实现输出的振荡频率是稳定的。

Description

稳定振荡器输出频率的电路，集成电路及方法

技术领域

本发明涉及集成电路技术领域，特别是涉及一种稳定振荡器输出频率的电路，集成电路及方法。

背景技术

目前，集成振荡器已广泛应用于电池管理、工业控制、通讯、消费电子，可穿戴式设备等方面。

现有技术中，传统集成振荡器是通过比较器输出的高低电压控制放电开关的打开和闭合，致使电流源对电容进行充电，电容的充电时间作为振荡器的时间基准。

在集成电路环境下，芯片上集成的金属-绝缘层-金属电容的温度特性往往可以做到ppm级别，甚至是sub-ppm级别，但是集成电阻的温度系数却高达1000ppm量级。因此，传统集成振荡器的频率也容易随温度特性也会达到1000ppm的量级，容易导致温漂比较大的现象。

因此，对于某些需要温度稳定性的应用，比如电量表应用，使用现有技术，显然已经无法满足实际的需求了。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种稳定振荡器输出频率的电路，集成电路及方法，实现稳定集成振荡器输出频率的目的。

第一方面，本发明实施例提供一种集成振荡器电路，所述集成振荡器电路包括：

电流源，被配置为生成稳温电路的电流；压控器件，被配置成，被配置为控制振荡器的输入电压；振荡器，被配置为被配置为根据所述输入电压控制输出频率；稳温电路，包括至少一组等效电阻的开关电容电路，被配置为接收表示目标频率的输入，并且，每隔由所述输入所确定的时间段，以促使所述振荡器的平均输出频率接近于所述目标频率。

可选的，开关电容电路包括：开关电容，与开关电容串联的第一开关以及与开关电容并联的第二开关，第一开关与所述第二开关之间连接有一个反相器，被配置为驱动反相器导通第一开关闭合时，第二开关断开；或者，被配置为驱动反相器导通所述第二开关闭合时，第一开关断开。

可选的，压控器件包括运算放大器，被配置成响应于基准电压和稳温电路之间的电压比较而进一步偏置振荡器的频率，以将稳温电路的电压调节为等于所述基准电压。

可选的，集成振荡器电路，其特征在于，还包括与稳温电路并联的去耦电容，被配置为稳定运算放大器的电压。

本实施例提供的集成振荡器电路利用开关电容电路的原理来实现一个没有温度系数的电阻R，由于开关电容电路是不随温度变化而变化的，因此可以可以使得集成振荡器电路实现输出的振荡频率是稳定的。

第二方面，本发明实施例提供一种集成电路，其特征在于，包括上述第一方面所述的集成振荡器电路，并且还包括微处理器。

第三方面，本发明实施例提供一种稳定集成振荡器频率输出的方法，所述方法包括：

通过来自电流源的电流驱动稳温电路和振荡器；通过压控器件控制振荡器的输入电压；根据所述输入电压控制所述振荡器的输出频率；通过稳温电路包括至少一组等效电阻的开关电容电路，接收表示目标频率的输入，并且，每隔由所述输入所确定的时间段，以促使所述振荡器的平均输出频率接近于所述目标频率。

可选的，所述接收表示目标频率的输入，包括：

通过反相器接收所述输入驱动所述反相器导通第一开关闭合时，所述第二开关断开；或者，通过反相器接收所述输入驱动所述反相器导通所述第二开关闭合时，所述第一开关断开。

可选的，所述通过压控器件控制振荡器的输入电压，包括：

通过运算放大器响应于基准电压和所述稳温电路之间的电压比较而进一步偏置振荡器的频率，以将所述稳温电路的电压调节为等于所述基准电压。

可选的，所述方法还包括：

通过所述稳温电路并联的去耦电容稳定所述运算放大器的电压。

第四方面，本发明实施例提供一种电子设备，包括：处理器、存储介质和总线，所述存储介质存储有所述处理器可执行的机器可读指令，当所述电子设备运行时，所述处理器与所述存储介质之间通过总线通信，所述处理器执行所述机器可读指令，以执行时执行如第三方面所述的方法的步骤。

以上第二方面至第四方面所述的有益效果，可以参考第一方面中所述，在此不再赘述。

附图说明

图1示出了一种集成振荡器电路图一；

图2示出了一种集成振荡器电路图二；

图3示出了本发明实施例提供的集成振荡器电路模块示意图；

图4示出了本发明实施例提供的集成振荡器电路图；

图5示出了本发明实施例提供的稳定集成振荡器频率输出的方法的流程示意图；

图6示出了本发明实施例提供的电子设备的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合示意图对本发明的集成振荡器电路、方法、集成电路以及电子设备进行更详细的描述，其中表示了本发明的优选实施例，应该理解本领域技术人员可以修改在此描述的本发明，而仍然实现本发明的有利效果。因此，下列描述应当被理解为对于本领域技术人员的广泛知道，而并不作为对本发明的限制。

在下列段落中参照附图以举例方式更具体地描述本发明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

本申请实施例提供了一种集成振荡器电路，实现稳定集成振荡器输出频率的目的。

应用于芯片级集成振荡器，一般使用电流对电容充电，这个电压和基准电压比较翻转时间最为基准。

如图1所示，一种集成振荡器是通过比较器D1输出的高低电压控制放电开关S1的打开和闭合，致使电流源I1对电容C1进行充电，电容C1的充电时间作为振荡器的时间基准。其中，比较器D1会随着时间变化，温度也会产生变化，电流源I1也会随着比较器D1的温度变大或者变小。

或者，如图2所示，在图1的电路的基础上引入电流源I2和一个电阻R1，利用电流源I2在电阻上产生的电压作为比较器D1输入的基准电压，利用电流源I1对电容C1充电至R1上产生电压的时间，称为翻转时间T，该充电翻转时间T的表达式为：I2 x R1＝I1 x T/C1，所以翻转时间T的表达式如下：T＝C1 x R1 x I2/I1，由于电流源I2和电流源I1往往是由同一个电流源电路产生的，所以I2/I1可以当作一个常数，公式简化成T＝k x C1 x R1。

目前的集成电路环境下，芯片上集成的金属-绝缘层-金属电容的温度特性往往可以做到ppm，甚至是sub-ppm级别，但是集成电阻的温度系数却高达1000ppm量级。因此，以图二为基础的集成振荡器的频率随温度特性也会达到1000ppm的量级，致使温漂比较大。

其次，在图一、图二中的电路，比较器D1本身的延迟Td会对翻转时间T有所贡献，而且这个延迟时间本身也是会随着温度变化而变化的。因此，对于某些需要温度稳定性的应用，比如电量表应用，使用以上的技术，显然已经无法满足实际的需求了。

本申请实施例提供了一种集成振荡器电路，如图3所示，该集成振荡器电路包括电流源，压控器件，振荡器以及稳温电路。

其中，电流源11被配置为生成稳温电路的电流。压控器件12，被配置为控制振荡器的输入电压，可以控制振荡器13的输出频率。振荡器，被配置为根据所述输入电压控制输出频率。稳温电路14，包括至少一组等效电阻的开关电容电路，被配置为接收表示目标频率的输入，并且，每隔由输入所确定的时间段，以促使振荡器的平均输出频率接近于目标频率。本实施例的集成振荡器电路通过利用开关电容电路的原理来实现一个没有温度系数的电阻R，基本原理如公式R＝1/(F x C)，如果C是不随温度变化而变化的，则振荡频率F就是随温度稳定的。

图4示出了本发明实施例提供的集成振荡器电路图，如图4所示，如关于图3所描述的那样布置集成振荡器电路，I1是电流源，该电流源可以是从芯片外输入，例如，低温漂的电阻产生，可以作为温度稳定参考电流源，D1是运算放大器电路，作为压控器件可以用来控制压控振荡器V1的输出频率，F1是反相器，两端分别与S1和S2连接，使得S1和S2的开关关系互为反向，C1是用来模拟电阻的开关电容(相当于电阻)，Cc电容是去耦电容，可以用来稳定C1的波纹。

该集成振荡器电路的工作原理如下：利用压控振荡器V1，得到一个振荡频率F，利用开关电容电路的公式R＝1/(F x C)，得到一个等效电阻R，Cc是去耦合电容，当温度稳定参考电流I1打在Cc和等效电阻R上的时候，会产生一个反馈电压，利用运算放大器放大VREF参考电压和反馈电压的差值来控制压控振荡器，从而得到温度稳定的振荡器。

可选的，如上图4所示，VREF参考电压可以是电压基准电路产生，也可以是从外部供给产生。

上述集成振荡器电路也可以看作一个线性度良好的压控振荡器，从VREF参考点输入电压，利用运算放大器以及反馈电路，实时动态调整VCO压控振荡器来保证输出时钟频率的温度稳定性。

上述实施例解决了集成电路芯片中，难以集成温度稳定振荡器电路的问题。无需使用昂贵的整合了低温漂电阻的特殊工艺，利用芯片集成电容的温度稳定性以及开关电容电路的方案，实现了对震荡频率的闭环控制。

图4中所示的所有组件都可以被集成在诸如片上系统(SoC)的集成电路内。然后，所得的集成电路可以与参考电流源或者参考电流电路一起集成在半导体封装中。然而，应当理解，在一些实施例中，去耦电容器Cc由于其相对较大的电容而可能更容易被实施成外部设备，使得它们也将不被集成到集成电路中。

图5示出了本发明实施例提供的稳定集成振荡器频率输出的方法的流程示意图，该方法包括：

步骤S501，通过来自电流源的电流驱动稳温电路和振荡器；

步骤S502，通过压控器件控制振荡器的输入电压；

步骤S503，根据输入电压控制所述振荡器的输出频率；

步骤S504，通过稳温电路包括至少一组等效电阻的开关电容电路，接收表示目标频率的输入，并且，每隔由输入所确定的时间段，以促使振荡器的平均输出频率接近于所述目标频率。

可选的，该方法步骤S504：接收表示目标频率的输入，包括：

通过反相器接收输入驱动所述反相器导通第一开关闭合时，第二开关断开；或者，通过反相器接收所述输入驱动反相器导通第二开关闭合时，所述第一开关断开。

可选的，该方法步骤S502：通过压控器件控制振荡器的输入电压，包括：

通过运算放大器响应于基准电压和稳温电路之间的电压比较而进一步偏置振荡器的频率，以将稳温电路的电压调节为等于基准电压。

可选的，该方法还包括：通过稳温电路并联的去耦电容稳定运算放大器的电压。

上述稳定集成振荡器频率输出的方法利用压控振荡器V1，得到一个振荡频率F，利用开关电容电路的公式R＝1/(F x C)，得到一个等效电阻R，Cc是去耦合电容，当温度稳定参考电流I1打在Cc和等效电阻R上的时候，会产生一个反馈电压，利用运算放大器放大VREF参考电压和反馈电压的差值来控制压控振荡器，从而得到温度稳定的振荡器。

可以从VREF参考点输入电压，利用运算放大器以及反馈电路对电压进行反馈，实时动态调整VCO压控振荡器来保证输出时钟频率的温度稳定性。

上述实施例解决了集成电路芯片中，难以稳定集成振荡器电路的频率输出问题。无需使用昂贵的整合了低温漂电阻的特殊工艺，就可以使得芯片集成电容的温度稳定性，实现了对震荡频率的闭环控制。

因此将认识到，在不脱离本公开的范围的情况下，可以对本公开的设备的材料、装置、配置和使用方法进行许多修改、替代和变化。鉴于此，本公开的范围不应当限于本文图示和描述的特定实施例的范围，因为它们仅仅是以一些示例方式，而是应当与所附权利要求及其功能等价物的范围完全相称。

应该理解，以上所描述的实施例仅仅是示意性的，本发明实施例所揭露的电路和方法，也可以通过其它的方式实现。例如，所述模块的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，又例如，多个模块或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另外，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些通信接口，装置或模块的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。

所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个处理器可执行的非易失的计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得处理器执行时实现本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。

也即，本领域内的技术人员应明白，本发明实施例可以采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式中的任一种实现。

可选地，本发明实施例还提供一种电子设备，该电子设备可以是服务器、计算机等设备，图6示出了本发明实施例提供的电子设备的结构示意图。

如图6所示，该电子设备可以包括：处理器601、存储介质602和总线603，存储介质602存储有处理器601可执行的机器可读指令，当电子设备运行时，处理器601与存储介质602之间通过总线603通信，处理器601执行机器可读指令，以执行时执行如前述实施例中所述的稳定集成振荡器频率输出的方法的步骤。具体实现方式和技术效果类似，在此不再赘述。

为了便于说明，在上述电子设备中仅描述了一个处理器。然而，应当注意，一些实施例中，本发明中的电子设备还可以包括多个处理器，因此本发明中描述的一个处理器执行的步骤也可以由多个处理器联合执行或单独执行。例如，若电子设备的处理器执行步骤A和步骤B，则应该理解，步骤A和步骤B也可以由两个不同的处理器共同执行或者在一个处理器中单独执行。例如，第一处理器执行步骤A，第二处理器执行步骤B，或者第一处理器和第二处理器共同执行步骤A和B等。

在一些实施例中，处理器可以包括一个或多个处理核(例如，单核处理器(S)或多核处理器(S))。仅作为举例，处理器可以包括中央处理单元(Central Processing Unit，CPU)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、专用指令集处理器(Application Specific Instruction-set Processor，ASIP)、图形处理单元(Graphics Processing Unit，GPU)、物理处理单元(Physics Processing Unit，PPU)、数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)、现场可编程门阵列(Field ProgrammableGate Array，FPGA)、可编程逻辑器件(Programmable Logic Device，PLD)、控制器、微控制器单元、简化指令集计算机(Reduced Instruction Set Computing，RISC)、或微处理器等，或其任意组合。

基于此，本发明实施例还提供一种程序产品，该程序产品可以是U盘、移动硬盘、ROM、RAM、磁碟或者光盘等存储介质，存储介质上可以存储有计算机程序，计算机程序被处理器运行时执行如前述方法实施例中所述的集成振荡器电路的步骤。具体实现方式和技术效果类似，在此不再赘述。

以上仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims

1.一种集成振荡器电路，其特征在于，包括：

电流源，被配置为生成稳温电路的电流；

压控器件，被配置为控制振荡器的输入电压；

振荡器，被配置为根据所述输入电压控制输出频率；

稳温电路，包括至少一组等效电阻的开关电容电路，被配置为接收表示目标频率的输入，并且，每隔由所述输入所确定的时间段，以促使所述振荡器的平均输出频率接近于所述目标频率。

2.如权利要求1所述的集成振荡器电路，其特征在于，所述开关电容电路包括：开关电容，与所述开关电容串联的第一开关以及与所述开关电容并联的第二开关，所述第一开关与所述第二开关之间连接有一个反相器，被配置为驱动所述反相器导通第一开关闭合时，所述第二开关断开；或者，被配置为驱动所述反相器导通所述第二开关闭合时，所述第一开关断开。

3.如权利要求1或2所述的集成振荡器电路，其特征在于，所述压控器件包括运算放大器，被配置成响应于基准电压和所述稳温电路之间的电压比较而进一步偏置振荡器的频率，以将所述稳温电路的电压调节为等于所述基准电压。

4.如权利要求3所述的集成振荡器电路，其特征在于，还包括与所述稳温电路并联的去耦电容，被配置为稳定所述运算放大器的电压。

5.一种集成电路，其特征在于，包括如权利要求1-4中任一项所述的集成振荡器电路，并且还包括微处理器。

6.一种稳定集成振荡器频率输出的方法，其特征在于，所述方法包括：

通过来自电流源的电流驱动稳温电路和振荡器；

通过压控器件控制振荡器的输入电压；

根据所述输入电压控制所述振荡器的输出频率；

通过稳温电路包括至少一组等效电阻的开关电容电路，接收表示目标频率的输入，并且，每隔由所述输入所确定的时间段，以促使所述振荡器的平均输出频率接近于所述目标频率。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述接收表示目标频率的输入，包括：

8.根据权利要求6或7所述的方法，其特征在于，所述通过压控器件控制振荡器的输入电压，包括：

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

10.一种电子设备，其特征在于，包括：处理器、存储介质和总线，所述存储介质存储有所述处理器可执行的机器可读指令，当所述电子设备运行时，所述处理器与所述存储介质之间通过总线通信，所述处理器执行所述机器可读指令，以执行时执行如权利要求6至9任一项所述的方法的步骤。