CN114185388A - 温度特性可调电流模块、振荡器及电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种温度特性可调电流模块，包括：正温电流模块，用于生成正温特性电流I_P；负温电流模块，用于生成负温特性电流I_N；电流修调模块，用于根据正温特性电流I_P和负温特性电流I_N合成温度系数可调电流I_TRIM并输出，其中I_TRIM＝X*I_P+Y*I_N，X、Y为修调系数；还能够在调整修调系数时保持温度系数可调电流I_TRIM的大小在预设温度T₀下不变。本发明还公开了温度特性可调振荡器及电路。本发明的实现原理简单，成本低廉，可实现很高的频率温度系数的调整精度。

Description

温度特性可调电流模块、振荡器及电路

技术领域

本发明属于集成电路技术领域，具体涉及一种温度特性可调电流模块、振荡器及电路。

背景技术

作为高速发展的半导体MCU行业，不管在汽车电子、智能家居、消费电子等市场均需求旺盛，且随着新兴物联网应用、RISC-V处理器架构和边缘AI的兴起，也将大力推动MCU的发展。振荡器作为MCU芯片的重要组成模块，起着不可或缺的作用。如给数字内核系统提供基本的时钟信号用作定时器或是应用于PWM产品如雾化器，这时则对振荡器的稳定性具有一定要求。

通常我们可以采用晶体振荡器，它具有精度高、稳定性好等特点，但因为成本高、难以集成到芯片内部，且需要模拟功能辅助晶体起振。因此，在部分芯片应用环境中可采用高精度的RC振荡器来替换晶体振荡器。常见的RC振荡器结构如图1所示，其输出频率为：

根据上述频率公式可以看出，频率大小主要与电阻、电容相关，其温度系数也是电阻、电容温度系数相关的函数；并且在实际设计中，CMP响应时间、LOGIC计算时间和电流镜镜像精度等等都会影响频率大小，它们的温度特性同样会影响频率的温度特性。然而现有技术中存在着频率温度系数受多种因素影响而不可控的问题。

发明内容

针对现有技术中所存在的不足，本发明提供了一种温度特性可调电流模块、振荡器及电路，能够生成频率温度系数可控的电流。

一种温度特性可调电流模块，包括：

正温电流模块，用于生成正温特性电流IP并输入电流修调模块；

负温电流模块，用于生成负温特性电流IN并输入电流修调模块；

电流修调模块，用于根据所述正温特性电流I_P和负温特性电流I_N合成温度系数可调电流I_TRIM并输出，其中I_TRIM＝X*I_P+Y*I_N，X、Y为修调系数；还能够在调整所述修调系数时保持所述温度系数可调电流I_TRIM的大小在预设温度T₀下不变。

作为优化方案，在所述预设温度T₀下，所述正温特性电流I_P与负温特性电流I_N的大小相等，所述修调系数X与Y之和为常数。

作为优化方案，所述电流修调模块包括：

第一电流镜电路，用于接收正温特性电流I_P输入并具有n路输出，第k路输出的控制端设有控制开关S_k，第k路输出的电流大小为a_k·I_P；

第二电流镜电路，用于接收负温特性电流I_N输入并具有n路输出，第k路输出的控制端设有与所述控制开关S_k互斥的控制开关

第k路输出的电流大小为a_k·I_N；

所述第一电流镜电路和所述第二电流镜电路合路输出温度系数可调电流I_TRIM；

其中a_k为比例系数，k＝1，2，...，n，k、n∈N^*。

作为优化方案，所述a_k为常数；或

所述a_k为

的常数倍。

温度特性可调振荡器，包括偏置电流模块和振荡器模块，还包括前述任一种温度特性可调电流模块，所述温度特性可调电流模块与所述偏置电流模块合路输出并通过电阻为所述振荡器模块提供参考电压。

温度特性可调振荡器，包括振荡器模块，还包括前述任一种温度特性可调电流模块，所述温度特性可调电流模块通过电阻为所述振荡器模块提供参考电压。

温度特性可调电路，包括前述任一种温度特性可调电流模块，所述温度特性可调电流模块通过电阻产生参考电压，或

所述温度特性可调电流模块与偏置电流模块合路输出并通过电阻产生参考电压。

相比于现有技术，本发明具有如下有益效果：

1、通过生成正温电流和负温电流并将两者通过加权合成的方式得到稳定的输出电流，实现了温度特性可调的电流模块，可以生成各种不同的温度特性的电流，其实现原理简单，成本低廉，可实现很高的频率温度系数的调整精度；

2、将所述温度特性可调的电流模块应用到利用电流电阻乘积做参考电压的充放电结构中，得到频率温度系数可控的电路、器件或芯片。

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RC振荡器的一种结构示意图；

图2为本发明中温度特性可调电流模块的结构示意图；

图3为本发明中正温电流模块(或偏置电流模块)的一种实施方式示意图；

图4为本发明中负温电流模块的一种实施方式示意图；

图5为本发明中电流调修模块的一种实施方式示意图；

图6为本发明中温度特性可调振荡器的一种结构示意图；

图7为本发明中温度修调与频率温度特性关系示意图；

图8为本发明中温度特性可调振荡器的一种结构示意图；

图9为本发明中温度特性可调振荡器的另一种结构示意图。

其中，1正温电流模块；2、负温电流模块；3、电流修调模块；31、第一电流镜电路；32、第二电流镜电路；4、偏置电流模块；5、振荡器模块。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

第一方面，温度特性可调电流模块，如图2所示，包括：

正温电流模块1，用于生成正温特性电流I_P并输入至电流修调模块3；

负温电流模块2，用于生成负温特性电流I_N并输入至电流修调模块3；

电流修调模块3，用于根据所述正温特性电流I_P和负温特性电流I_N生成温度系数可调电流I_TRIM并输出，其中I_TRIM＝X*I_P+Y*I_N，X、Y为修调系数；还能够在调整所述修调系数时保持所述温度系数可调电流I_TRIM的大小在预设温度T₀下不变。

其中，所述正温电流模块1在现有技术中可通过多种方式实现，比如可采用如图3所示(包括MOS管M1～M5和电阻R_s)的电路结构，其中设MOS管M1、M2的栅源电压分别为V_gs1和V_gs2，则有：

V_gs1＝V_gs2+I_D2*R_s，即

又I_D2＝I_out，则

通过设计M、R_s及MOS管的W/L，可得到需要的偏置电流大小。

根据前述电流公式：

其中电流温度特性与u_n、R_s的温度特性有关。由于u_n载流子迁移率与温度呈负温特性，而R_s可采用温度系数低的多晶硅电阻，使所述电流呈正温特性。

所述负温电流模块2在现有技术中也可通过多种方式实现，比如可采用如图4所示(包括MOS管M1～M5、三极管Q1和电阻R_n)的电路结构，在MOS管M1源极和地之间接一个三极管Q1，利用三极管V_be的负温特性来实现。该电路结构中电流公式：I_out＝V_be/R_n，由于V_be为负温特性，R_n可采用温度系数低的多晶硅电阻，使所述电流呈负温特性。

所述电流修调模块3，用于根据所述正温特性电流I_P和负温特性电流I_N生成温度系数可调电流I_TRIM，实现表达式I_TRIM＝X*I_P+Y*I_N的功能调节。

为了便于理解，此处选择在预设温度T₀下，正温特性电流I_P与负温特性电流I_N的大小相等的情况(此时修调系数X+Y之和为常数)来举例说明，所述电流修调模块3的电路结构可如图5所示，包括：

第一电流镜电路31，用于接收正温特性电流I_P输入并具有n路输出，其中第k路输出的控制端设有控制开关S_k，第k路输出电流大小为a_k*I_P(图5中a_k为

)；其中k＝1，2，...，n，k、n∈N^*(即所述n路输出的控制端分别设有控制开关S₁、S₂...S_n)；

第二电流镜电路32，用于接收负温特性电流IN输入并具有n路输出，所述第k路输出的控制端设有与所述控制开关S_k互斥的控制开关

第k路输出的电流大小为a_k*I_N(图5中a_k为

)；其中k＝1，2，...，n，k、n∈N^*(即所述n路输出的控制端分别设有与所述控制开关S₁、S₂...S_n对应互斥的控制开关

)；

所述第一电流镜电路31和所述第二电流镜电路32合路输出温度系数可调电流I_TRIM。所述电流修调模块利用I_P和I_N电流镜开关互斥设计(即当S₁＝H时，

S₁＝L时，

其余档位开关设计同理)，当I_P＝I_N时，通过控制开关S₁、S₂...S_n的导通选择，从而控制I_TRIM中I_P和I_N的电流占比；又因电流镜开关互斥，所以I_TRIM保持恒定，即实现功能I_TRIM＝X*I_P+Y*I_N。对于不同的芯片，其振荡器温度特性要求也不同；通过设置X与Y的调节步进即可实现对温度特性修调精度的控制；所述电流镜电路中输出的路数越多(即n越大)，则频率温度系数的可调精度就越高。为了便于修调温度特性，所述预设温度T₀可基于芯片的实际应用环境而进行选择，比如对于常温环境使用的芯片所述预设温度T₀可设定在常温范围，比如可选择25℃；低温和高温环境同理。

所述电流修调模块的第一电流镜电路31和第二电流镜电路32中，每路输出电流的大小可以自由选择设定，只要第一电流镜电路31和第二电流镜电路32中的对应路输出的电流的比例系数a_k一致即可。举例来说，除了如图5所示将第k路输出电流的比例系数a_k设置为

外，还可以设置声

的常数倍，或者直接设置为常数(比如设置为

若第一电流镜电路有a个控制开关闭合，则

此时X+Y＝1)。

本发明的原理，根据前面所述频率公式：

选择引入一个温度系数可调节的电流I_TRIM(I_TRIM＝X*I_P+Y*I_N)，如图6所示，可得到：

当I_REF以及R*C参数确定，则频率F_out是与I_TRIM相关的函数：

F_out＝f[I_TRIM]；

这样就可以通过调节I_TRIM的系数得到零温度系数频率。

温度修调与频率温度特性关系如图7所示，由于F_out＝f[X*I_P+Y*I_N]，当I_P和I_N参数确定时，可以通过调节X和Y系数优化F_out频率系数。当通过控制开关将X和Y设为不同档位时，频率温度特性会随之发生变化；当处于预设温度T₀时(图7中为25℃)，无论X和Y如何调整，输出频率F均为定值。由此可见，无论修调系数如何调整，只要能保证所述温度系数可调电流I_TRIM的大小在预设温度T0_下不变即可达到本发明的目的。虽然上文中的举例说明采用的是在预设温度T₀下正温特性电流I_P与负温特性电流I_N的大小相等的情况，但本领域技术人员可以理解，只要能保证所述温度系数可调电流I_TRIM的大小在预设温度T₀下不变，正温特性电流I_P与负温特性电流I_N之间也可以不相等；由I_TRIM＝X*I_P+Y*I_N可知，如果在预设温度T₀下I_P＝A*I_N，那么只要在电路结构上使A*X+Y之和为常数即可。

本原理的应用不限于实施例中所述的振荡器的电路结构，也可应用到其他利用电流电阻乘积做参考电压的充放电结构，比如RC延时电路、滤波器等，或其他的时间或频率对温度特性要求较高的电路结构。

本方案中通过生成正温电流和负温电流并将两者通过加权合成的方式得到稳定的输出电流，实现了温度特性可调的电流模块，可以生成各种不同的温度特性的电流。

第二方面，温度特性可调振荡器，如图6、图8所示，包括偏置电流模块4和振荡器模块5，还包括如前述任一种温度特性可调电流模块，所述温度特性可调电流模块与所述偏置电流模块4合路输出并通过电阻R₀产生所述振荡器模块的参考电压V_REF。

其中，所述偏置电流模块，用于提供电流I_REF，同I_TRIM共同经过电阻R₀产生比较器CMP的参考电压V_REF；同时偏置电流模块也为比较器提供工作电流I_CMP、电容充放电电流K*I_REF。所述偏置电流模块在现有技术中也可通过多种方式实现，比如可采用如图3所示的电路结构。本方案中通过将所述温度特性可调的电流模块应用到振荡器结构中，可得到频率温度系数可控的器件或芯片。

温度特性可调振荡器，如图9所示，包括振荡器模块5，还包括如前述任一种温度特性可调电流模块，所述温度特性可调电流模块通过电阻R₀为所述振荡器模块提供参考电压V_REF。

其中，除了配合偏置电流模块产生参考电压之外，还可以直接选择采用温度特性可调电流模块来生成参考电压。

温度特性可调电路，包括前述任一种温度特性可调电流模块，所述温度特性可调电流模块通过电阻产生参考电压，或

所述温度特性可调电流模块与偏置电流模块合路输出并通过电阻产生参考电压。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (7)

1.一种温度特性可调电流模块，其特征在于，包括：

正温电流模块，用于生成正温特性电流I_P并输入电流修调模块；

负温电流模块，用于生成负温特性电流I_N并输入电流修调模块；

电流修调模块，用于根据所述正温特性电流I_P和负温特性电流I_N合成温度系数可调电流I_TRIM并输出，其中I_TRIM＝X*I_P+Y*I_N，X、Y为修调系数；还能够在调整所述修调系数时保持所述温度系数可调电流I_TRIM的大小在预设温度T₀下不变。

2.根据权利要求1所述的一种温度特性可调电流模块，其特征在于：

在所述预设温度T₀下，所述正温特性电流I_P与负温特性电流I_N的大小相等，所述修调系数X与Y之和为常数。

3.根据权利要求2所述的一种温度特性可调电流模块，其特征在于，所述电流修调模块包括：

第一电流镜电路，用于接收正温特性电流I_P输入并具有n路输出，第k路输出的控制端设有控制开关S_k，第k路输出的电流大小为a_k·I_P；

第二电流镜电路，用于接收负温特性电流I_N输入并具有n路输出，第k路输出的控制端设有与所述控制开关S_k互斥的控制开关

第k路输出的电流大小为a_k·I_N；

所述第一电流镜电路和所述第二电流镜电路合路输出温度系数可调电流I_TRIM；

其中a_k为比例系数，k＝1，2，...，n，k、n∈N^*。

4.根据权利要求3所述的一种温度特性可调电流模块，其特征在于：

所述a_k为常数；或

所述a_k为

的常数倍。

5.温度特性可调振荡器，包括偏置电流模块和振荡器模块，其特征在于，还包括如权利要求1～4中任一项所述的一种温度特性可调电流模块，所述温度特性可调电流模块与所述偏置电流模块合路输出并通过电阻为所述振荡器模块提供参考电压。

6.温度特性可调振荡器，包括振荡器模块，其特征在于，还包括如权利要求1～4中任一项所述的一种温度特性可调电流模块，所述温度特性可调电流模块通过电阻为所述振荡器模块提供参考电压。

7.温度特性可调电路，其特征在于，包括如权利要求1～4中任一项所述的一种温度特性可调电流模块，所述温度特性可调电流模块通过电阻产生参考电压，或

所述温度特性可调电流模块与偏置电流模块合路输出并通过电阻产生参考电压。

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