CN116979933B - 一种与温度和电源无关的高频张弛振荡器及其振荡方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种与温度和电源无关的高频张弛振荡器及其振荡方法，属于张弛振荡器技术领域，包括增益级模块、低通滤波器模块、压控振荡器模块、时钟分频器模块、三相时钟发生器模块以及峰值检测功能开关电容模块。本发明解决了张弛振荡器稳定度较低，易受到温度和电源电压等的影响以及基础频率低的问题。

Description

一种与温度和电源无关的高频张弛振荡器及其振荡方法

技术领域

本发明属于张弛振荡器技术领域，具体涉及一种与温度和电源无关的高频张弛振荡器及其振荡方法。

背景技术

低功耗微处理器广泛应用于可穿戴设备、大气及海洋环境监测、物联网等应用中，上述应用的显著特征是体积小，不需要电池或者搭载容量很小的电池，因此该类应用对处理器的核心需求是在满足设备基本计算需求上实现尽可能低的平均功耗。

为了实现超低的平均功耗，微处理器通常设计为间歇工作，即系统在绝大部分的空闲时间处于待机模式，该模式下需要关闭所有的高功耗电路，只保留核心的例如低频时钟等电路；在周期性的较短时间脉宽内，系统处于正常工作模式，该模式下系统工作在高频时钟下，大部分电路模块打开，进行数据采集、数据处理和发送等工作，完成后系统自动进入低功耗待机模式。在待机模式下，系统时钟通常只有千赫级别甚至更低；在正常工作模式下，需要快速处理各种数据，系统时钟需要达到几十兆赫甚至几百兆赫，因此系统时钟是低功耗微处理器的较为关键的模块。

由于正常工作模式的占空比较低，其消耗的平均电流较小，但是由待机模式切换到正常工作模式往往消耗较多的时间，从而带来平均电流的增大，增大系统的平均功耗，这常常是由电源管理电路和时钟产生电路的较长的启动时间导致的。通常时钟由晶振电路产生，但是晶振较大的品质因数Q值会导致启动时间较长，一般为毫秒级别，这与正常工作模式的时间相当，因此如何降低正常工作模式下时钟电路的启动时间是低功耗微处理器设计方向的一个难点。晶振电路虽然频率稳定度很高，但是其较大的功耗和启动时间是难以克服的问题，因此在一些无射频功能的微处理器中，张弛振荡器往往更加受欢迎。张弛振荡器通常由延时单元组成，其具有功耗低、启动速度快等优点，但是其稳定度较低，也即是其容易受到温度和电源电压等的影响，而且另一方面，张弛振荡器的基础频率很低，一般只有几兆赫，这对于一些要求几百兆赫的系统来说远远不足。

发明内容

本发明提供了一种与温度和电源无关的高频张弛振荡器及其振荡方法，解决了张弛振荡器稳定度较低，易受到温度和电源电压等的影响以及基础频率低的问题。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案为：一种与温度和电源无关的高频张弛振荡器，包括增益级模块、低通滤波器模块、压控振荡器模块、时钟分频器模块、三相时钟发生器模块以及峰值检测功能开关电容模块；

所述增益级模块，用于比较电容的充电峰值电压和基准电压/>，输出电压；

所述低通滤波器模块，用于过滤增益级模块输出电压的高频噪声，并输出电压；

所述压控振荡器模块，用于对电压输出时钟CLK，并输出时钟CLK的频率；

所述时钟分频器模块，用于设置分频比，并对时钟CLK进行分频，输出低频时钟CLKS；

所述三相时钟发生器模块，用于输出不同的时钟信号至峰值检测功能开关电容模块；

所述峰值检测功能开关电容模块，用于对电容进行周期性线性充电及放电，且对电容充电的峰值电压进行输出。

本发明的有益效果是：通过三相时钟发生器模块为峰值检测功能开关电容模块提供不同的时钟信号，峰值检测功能开关电容模块根据不同的时钟信号，使电容进行周期性线性充电及放电，对电容充电的峰值电压进行输出，使电路一直保持稳定振荡状态，并且通过时钟分频器模块调节时钟CLK的频率，解决了张弛振荡器稳定度较低，易受到温度和电源电压等的影响以及基础频率低的问题。

进一步地，所述增益级模块采用高增益的运算放大器；所述低通滤波器模块采用单个电容；所述压控振荡器模块采用电流源偏置的环形振荡器。

进一步地，所述三相时钟发生器模块包括D触发器DFF1、D触发器DFF2、D触发器DFF3、D触发器DFF4、反相器INV1、反相器INV2、反相器INV3、反相器INV4、反相器INV5、反相器INV6、反相器INV7、反相器INV8、反相器INV9、与门AND1、与门AND2、与门AND3、与门AND4以及延时单元Delay；

所述D触发器DFF1的第1引脚、D触发器DFF2的第1引脚以及延时单元Delay的第1引脚分别与时钟分频器模块连接；所述D触发器DFF1的第2引脚分别与与门AND1的第1引脚以及反相器INV1的第1引脚连接；所述D触发器DFF1的第3引脚与与门AND1的第2引脚连接；所述与门AND1的第3引脚与D触发器DFF2的第2引脚连接；所述D触发器DFF2的第3引脚分别与反相器INV1的第2引脚和反相器INV2的第2引脚连接；所述反相器INV2的第1引脚与D触发器DFF3的第2引脚连接；所述D触发器DFF3的第1引脚分别与延时单元Delay的第2引脚以及D触发器DFF4的第1引脚连接；所述D触发器DFF3的第3引脚分别与D触发器DFF4的第2引脚以及反相器INV3的第2引脚连接；所述D触发器DFF4的第2引脚与反相器INV5的第2引脚连接；所述反相器INV3的第1引脚分别与反相器INV4的第2引脚以及与门AND4的第1引脚连接；所述反相器INV4的第1引脚分别与与门AND2的第1引脚和与门AND3的第1引脚连接；所述反相器INV5的第1引脚分别与反相器INV6的第1引脚和与门AND2的第2引脚连接；所述反相器INV6的第1引脚分别与与门AND3的第2引脚以及与门AND4的第2引脚连接；所述与门AND2的第3引脚分别与反相器INV7的第2引脚以及峰值检测功能开关电容模块连接；所述反相器INV7的第1引脚与峰值检测功能开关电容模块连接；所述与门AND3的第3引脚分别与反相器INV8的第2引脚和峰值检测功能开关电容模块连接；所述反相器INV8的第1引脚与峰值检测功能开关电容模块连接；所述与门AND4的第3引脚分别与反相器INV9的第2引脚和峰值检测功能开关电容模块连接；所述反相器INV9的第1引脚与峰值检测功能开关电容模块连接。

上述进一步方案的有益效果为：通过三相时钟发生器模块，将单个电容的充电，放电和保持输出三个阶段分开，降低了开关管的尺寸和寄生，且使用三个电容的时间交织方案，输出峰值电压纹波很小，进而输出时钟的抖动较小。

进一步地，所述峰值检测功能开关电容模块包括场效应管MP1、场效应管MP2、场效应管MP3、场效应管M11、场效应管M12、场效应管M21、场效应管M22、场效应管M31、场效应管M32、接地电容C1、接地电容C2、接地电容C3以及接地电阻R1；

所述接地电阻R1与电源电压VDD连接；所述场效应管MP1的栅极与与门AND2的第3引脚连接；所述场效应管MP1的源极分别与电源电压VDD、场效应管MP2的源极以及场效应管MP3的源极连接；所述场效应管MP1的漏极分别与场效应管M12的漏极、场效应管M11的漏极以及接地电容C1连接；所述场效应管M11的栅极与反相器INV9的第1引脚连接；所述场效应管M11的源极接地；所述场效应管M12的栅极与反相器INV8的第1引脚连接；所述场效应管M12的源极分别与场效应管M22的源极、场效应管M32的源极以及增益级模块连接；所述场效应管MP2的栅极与与门AND3的第3引脚连接；所述场效应管MP2的漏极分别与场效应管M22的漏极、场效应管M21的漏极以及接地电容C2连接；所述场效应管M21的栅极与反相器INV7的第1引脚连接；所述场效应管M21的源极接地；所述场效应管M22的栅极与反相器INV9的第1引脚连接；所述场效应管MP3的栅极与与门AND4的第3引脚连接；所述场效应管MP3的漏极分别与场效应管M32的漏极、场效应管M31的漏极以及接地电容C3连接；所述场效应管M31的栅极与反相器INV8的第1引脚连接；所述场效应管M31的源极接地；所述场效应管M32的栅极与反相器INV7的第1引脚连接。

上述进一步方案的有益效果为：通过峰值检测功能开关电容模块，区别于传统的低频张弛振荡器串联锁相环的结构，只使用一个环路就实现了目标功能，节约了功耗和面积。

本发明还提供了一种与温度和电源无关的高频张弛振荡器的振荡方法，包括以下步骤：

S1、向峰值检测功能开关电容模块输入偏置电流，计算基准电压，并输出电容的充电峰值电压/>；

S2、通过增益级模块，比较基准电压和电容的充电峰值电压/>，调整输出电压/>；

S3、通过低通滤波器模块过滤输出电压的高频噪声，输出滤波后的电压为/>；

S4、将滤波后的电压为输入压控振荡器模块中，输出时钟CLK，并且时钟CLK的频率为高频张弛振荡器的输出频率；

S5、通过时钟分频器模块设置分频比，并对时钟CLK进行分频，输出低频时钟CLKS；

S6、将低频时钟CLKS输入至三相时钟发生器模块，输出时钟信号PH1、时钟信号PH2、时钟信号PH3、时钟信号PH1b、时钟信号PH2b以及时钟信号PH3b；

S7、根据时钟信号PH1、时钟信号PH2、时钟信号PH3、时钟信号PH1b、时钟信号PH2b以及时钟信号PH3b，对峰值检测功能开关电容模块中的接地电容C1、接地电容C2和接地电容C3分别逐次进行充电、放电以及输出充电峰值电压，并返回步骤S2，进行下一次振荡。

进一步地，所述S1中基准电压的表达式为：

其中，表示流过电阻R1的电流，/>表示电阻R1的阻值大小。

进一步地，所述S4中输出频率的表达式为：

其中，表示时钟CLK的时钟周期，/>表示分频比，/>表示电阻R1的阻值大小，/>表示电容大小。

进一步地，所述S7中充电峰值电压的表达式为：

其中，表示基准电压，/>表示低频时钟CLKS的时钟周期，/>表示电阻R1的阻值大小，/>表示电容大小，/>表示分频比，/>表示时钟CLK的时钟周期。

本发明的有益效果是：通过压控振荡器模块过滤高频噪声，提高时钟CLK的瞬时稳定性，并且通过时钟分频器模块设置分频比，并进行分频，能够控制振荡器的输出时钟CLK的频率，并且峰值检测功能开关电容模块输出的充电峰值电压近似为直流电压，降低了输出电压/>的纹波，进而降低了时钟CLK的瞬间抖动，增强了时钟CLK的稳定性，同时，对于任意一个开关电容，都存在放电、充电和输出充电峰值电压三个状态，且三个状态各自占用一个低频时钟CLKS周期，这样设计使开关管的尺寸很小，不需要考虑导通电阻的影响，因此其寄生效应对电路的贡献较小。而时钟CLK的频率只与电阻、电容和分频比有关，如果不考虑电阻的温度系数，则本发明的高频张弛振荡器不易受外部温度影响。

附图说明

图1为本发明与温度和电源无关的高频张弛振荡器的原理框图。

图2为本发明三相时钟发生器模块的电路图。

图3为本发明峰值检测功能开关电容模块的电路图。

图4为本发明与温度和电源无关的高频张弛振荡器的振荡方法的流程图。

图5为本发明三相时钟发生器模块中时钟信号的波形图。

图6为本发明峰值检测功能开关电容模块中时钟信号与电压的波形图。

图7为传统张弛振荡器输出频率随着温度变化的结果。

图8为传统张弛振荡器输出频率随着电源电压变化的结果。

图9为本发明输出频率随着温度变化的结果。

图10为本发明输出频率随着电源电压变化的结果。

具体实施方式

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

实施例1

如图1所示，本发明提供了一种与温度和电源无关的高频张弛振荡器，包括增益级模块、低通滤波器模块、压控振荡器模块、时钟分频器模块、三相时钟发生器模块以及峰值检测功能开关电容模块；

所述增益级模块，用于比较电容的充电峰值电压和基准电压/>，输出电压；

所述低通滤波器模块，用于过滤增益级模块输出电压的高频噪声，并输出电压；

所述压控振荡器模块，用于对电压输出时钟CLK，并输出时钟CLK的频率；

所述时钟分频器模块，用于设置分频比，并对时钟CLK进行分频，输出低频时钟CLKS；

所述三相时钟发生器模块，用于输出不同的时钟信号至峰值检测功能开关电容模块；

所述峰值检测功能开关电容模块，用于对电容进行周期性线性充电及放电，且对电容充电的峰值电压进行输出。

所述增益级模块采用高增益的运算放大器；所述低通滤波器模块采用单个电容；所述压控振荡器模块采用电流源偏置的环形振荡器。

如图2所示，所述三相时钟发生器模块包括D触发器DFF1、D触发器DFF2、D触发器DFF3、D触发器DFF4、反相器INV1、反相器INV2、反相器INV3、反相器INV4、反相器INV5、反相器INV6、反相器INV7、反相器INV8、反相器INV9、与门AND1、与门AND2、与门AND3、与门AND4以及延时单元Delay；

所述D触发器DFF1的第1引脚、D触发器DFF2的第1引脚以及延时单元Delay的第1引脚分别与时钟分频器模块连接；所述D触发器DFF1的第2引脚分别与与门AND1的第1引脚以及反相器INV1的第1引脚连接；所述D触发器DFF1的第3引脚与与门AND1的第2引脚连接；所述与门AND1的第3引脚与D触发器DFF2的第2引脚连接；所述D触发器DFF2的第3引脚分别与反相器INV1的第2引脚和反相器INV2的第2引脚连接；所述反相器INV2的第1引脚与D触发器DFF3的第2引脚连接；所述D触发器DFF3的第1引脚分别与延时单元Delay的第2引脚以及D触发器DFF4的第1引脚连接；所述D触发器DFF3的第3引脚分别与D触发器DFF4的第2引脚以及反相器INV3的第2引脚连接；所述D触发器DFF4的第2引脚与反相器INV5的第2引脚连接；所述反相器INV3的第1引脚分别与反相器INV4的第2引脚以及与门AND4的第1引脚连接；所述反相器INV4的第1引脚分别与与门AND2的第1引脚和与门AND3的第1引脚连接；所述反相器INV5的第1引脚分别与反相器INV6的第1引脚和与门AND2的第2引脚连接；所述反相器INV6的第1引脚分别与与门AND3的第2引脚以及与门AND4的第2引脚连接；所述与门AND2的第3引脚分别与反相器INV7的第2引脚以及峰值检测功能开关电容模块连接；所述反相器INV7的第1引脚与峰值检测功能开关电容模块连接；所述与门AND3的第3引脚分别与反相器INV8的第2引脚和峰值检测功能开关电容模块连接；所述反相器INV8的第1引脚与峰值检测功能开关电容模块连接；所述与门AND4的第3引脚分别与反相器INV9的第2引脚和峰值检测功能开关电容模块连接；所述反相器INV9的第1引脚与峰值检测功能开关电容模块连接。

如图3所示，所述峰值检测功能开关电容模块包括场效应管MP1、场效应管MP2、场效应管MP3、场效应管M11、场效应管M12、场效应管M21、场效应管M22、场效应管M31、场效应管M32、接地电容C1、接地电容C2、接地电容C3以及接地电阻R1；

所述接地电阻R1与电源电压VDD连接；所述场效应管MP1的栅极与与门AND2的第3引脚连接；所述场效应管MP1的源极分别与电源电压VDD、场效应管MP2的源极以及场效应管MP3的源极连接；所述场效应管MP1的漏极分别与场效应管M12的漏极、场效应管M11的漏极以及接地电容C1连接；所述场效应管M11的栅极与反相器INV9的第1引脚连接；所述场效应管M11的源极接地；所述场效应管M12的栅极与反相器INV8的第1引脚连接；所述场效应管M12的源极分别与场效应管M22的源极、场效应管M32的源极以及增益级模块连接；所述场效应管MP2的栅极与与门AND3的第3引脚连接；所述场效应管MP2的漏极分别与场效应管M22的漏极、场效应管M21的漏极以及接地电容C2连接；所述场效应管M21的栅极与反相器INV7的第1引脚连接；所述场效应管M21的源极接地；所述场效应管M22的栅极与反相器INV9的第1引脚连接；所述场效应管MP3的栅极与与门AND4的第3引脚连接；所述场效应管MP3的漏极分别与场效应管M32的漏极、场效应管M31的漏极以及接地电容C3连接；所述场效应管M31的栅极与反相器INV8的第1引脚连接；所述场效应管M31的源极接地；所述场效应管M32的栅极与反相器INV7的第1引脚连接。

本实施例1中，高频张弛振荡器的工作原理为：增益级模块采用单端输出的运算放大器，峰值检测功能模块的基准电压连接到运算放大器的同相输入端，充电峰值电压连接到运算放大器的反相输入端。运算放大器的输出端输出的输出电压/>连接到低通滤波器模块的输入端，低通滤波器模块的输出端连接到压控振荡器的输入端，压控振荡器模块的时钟输出端输出时钟CLK，并且连接到时钟分频器模块的输入端，时钟分频器模块将时钟CLK分频为低频时钟CLKS，并输出到三相时钟发生器模块的同名输入端，三相时钟发生器模块分别输出6路时钟信号，分别为时钟信号PH1、时钟信号PH1b、时钟信号PH2、时钟信号PH2b、时钟信号PH3和时钟信号PH3b，并送到峰值检测的开关电容模块的同名输入端。

当电容的充电峰值电压被检测到并送到增益级模块中，增益级模块将该电压与基准电压/>进行比较，如果充电峰值电压/>的值大于基准电压/>，则增益级模块的输出电压/>降低，如果充电峰值电压/>的值低于基准电压/>，则增益级模块的输出电压/>升高。当充电峰值电压/>等于基准电压/>时，高频张弛振荡器则进行稳定振荡，压控振荡器模块能够输出稳定的高频。

增益级模块的带宽较大，且充电峰值电压的瞬时抖动很大，因此输出电压/>中存在较大的高频噪声，直接驱动压控振荡器模块会导致输出时钟CLK的瞬时稳定度较差，因此通过低通滤波器模块滤除输出电压/>中的高频噪声。

压控振荡器模块对滤波后的电压输出时钟CLK，时钟CLK与电压/>之间一般满足线性关系。输出时钟CLK的频率为高频张弛振荡器的输出频率。其中，输出时钟CLK的频率很高，一般为几百兆赫，如果使用该时钟直接驱动开关电容，开关电容的响应速度不够，且开关电容的取值会很小，这会导致电路中寄生电容对输出频率的贡献加大，恶化频率稳定度，因此需要对时钟CLK进行分频。

通过时钟分频器模块对时钟CLK进行分频，并输出低频时钟CLKS。

而三相时钟发生器模块产生六个相位的时钟信号，分别为时钟信号PH1、时钟信号PH2、时钟信号PH3、时钟信号PH1b、时钟信号PH2b以及时钟信号PH3b，其中，时钟信号PH1b、时钟信号PH2b和时钟信号PH3b分别是时钟信号PH1、时钟信号PH2和时钟信号PH3的反相信号，并且时钟信号PH1、时钟信号PH2和时钟信号PH3的频率都为低频时钟CLKS的三分频，不同之处是在时域上时钟信号CLKS_PH2滞后时钟信号CLKS_PH1一个低频时钟CLKS周期，时钟信号CLKS_PH3又滞后时钟信号CLKS_PH2一个时钟CLKS周期。

峰值检测功能开关电容模块中接地电容C1、接地电容C2和接地电容C3的容值相同，场效应管MP1、场效应管MP2、和场效应管MP3为同样尺寸的PMOS场效应管，而场效应管M11、场效应管M12、场效应管M13、场效应管M21、场效应管M22、场效应管M23、场效应管M31、场效应管M32和场效应管M33为同样尺寸的NMOS场效应管，根据六个不同的时钟信号，使接地电容C1、接地电容C2和接地电容C3分别逐次进行充电、放电以及输出充电峰值电压，使电路一直保持稳定振荡状态。

实施例2

如图4所示，本发明还提供了一种与温度和电源无关的高频张弛振荡器的振荡方法，包括以下步骤：

S1、向峰值检测功能开关电容模块输入偏置电流，计算基准电压，并输出电容的充电峰值电压/>；

S2、通过增益级模块，比较基准电压和电容的充电峰值电压/>，调整输出电压/>；

S3、通过低通滤波器模块过滤输出电压的高频噪声，输出滤波后的电压为/>；

S4、将滤波后的电压为输入压控振荡器模块中，输出时钟CLK，并且时钟CLK的频率为高频张弛振荡器的输出频率；

S5、通过时钟分频器模块设置分频比，并对时钟CLK进行分频，输出低频时钟CLKS；

S6、将低频时钟CLKS输入至三相时钟发生器模块，输出时钟信号PH1、时钟信号PH2、时钟信号PH3、时钟信号PH1b、时钟信号PH2b以及时钟信号PH3b；

S7、根据时钟信号PH1、时钟信号PH2、时钟信号PH3、时钟信号PH1b、时钟信号PH2b以及时钟信号PH3b，对峰值检测功能开关电容模块中的接地电容C1、接地电容C2和接地电容C3分别逐次进行充电、放电以及输出充电峰值电压，并返回步骤S2，进行下一次振荡。

所述S1中基准电压的表达式为：

其中，表示流过电阻R1的电流，/>表示电阻R1的阻值大小。

所述S4中输出频率的表达式为：

其中，表示时钟CLK的时钟周期，/>表示分频比，/>表示电阻R1的阻值大小，/>表示电容大小。

所述S7中充电峰值电压的表达式为：

其中，表示基准电压，/>表示低频时钟CLKS的时钟周期，/>表示电阻R1的阻值大小，/>表示电容大小，/>表示分频比，/>表示时钟CLK的时钟周期。

本实施例中2中，以一个时钟信号CLKS_DIV3的周期为例分析工作流程。如图3、图5和图6所示，接地电容C1上的瞬时最高电压为，/>，其中，/>表示接地电容C1的容值，接地电容C2上的瞬时最高电压为/>，/>，其中，/>表示接地电容C2的容值，接地电容C3上的瞬时最高电压为/>，/>，其中，/>表示接地电容C3的容值，因为电路选择相同容值的接地电容C1、接地电容C2以及接地电容C3，因此，接地电容C1、接地电容C2以及接地电容C3的瞬时最高电压的大小均为/>。

t1时刻开始，时钟信号PH1为逻辑1，时钟信号PH1b为逻辑0，时钟信号PH2和时钟信号PH3为逻辑0。场效应管MP1打开，接地电容C1上的电压VP1从0开始线性增大，到达t2时刻，时钟信号PH1从逻辑1变为逻辑0，时钟信号PH1b从逻辑0变为逻辑1，充电结束，电压VP1的瞬时最高电压达到，其中，同时时钟信号PH2打开，时钟信号PH3还是保持为0，场效应管M11关闭，场效应管M12打开，接地电容C1上的电压被传输到充电峰值电压/>，因此。在t1-t2时间段内电压VP2被置为0，电压VP3为保持状态，且/>。

t2时刻开始，时钟信号PH2为逻辑1，时钟信号PH2b为逻辑0，时钟信号PH1和时钟信号PH3为逻辑0。场效应管MP2打开，接地电容C2上的电压VP2从0开始线性增大，到达t3时刻，时钟信号PH2从逻辑1变为逻辑0，时钟信号PH2b从逻辑0变为逻辑1，充电结束，电压VP2的瞬时最高电压达到。同时时钟信号PH3打开，时钟信号PH1还是保持为0，场效应管M21关闭，场效应管M22打开，接地电容C2上的电压被传输到充电峰值电压/>，因此/>。在t2-t3时间段内电压VP3被置为0，电压VP1为保持状态，且/>。

t3时刻开始，时钟信号PH3为逻辑1，时钟信号PH3b为逻辑0，时钟信号PH1和时钟信号PH2为逻辑0。场效应管MP3打开，接地电容C3上的电压VP3从0开始线性增大，到达t4时刻，时钟信号PH3从逻辑1变为逻辑0，时钟信号PH3b从逻辑0变为逻辑1，充电结束，电压VP3的瞬时最高电压达到。同时时钟信号PH1打开，时钟信号PH2还是保持为0，场效应管M31关闭，场效应管M32打开，接地电容C3上的电压被传输到充电峰值电压/>，因此/>。在t3-t4时间段内电压VP1被置为0，电压VP2为保持状态，且/>。

从t4时刻开始，工作状态又切换到t1时刻开始的状态，因此电路一直保持稳定振荡状态，任意时刻充电峰值电压上的电压都是接地电容C1、接地电容C2和接地电容C3中某一个的电压，且该电压被传输到充电峰值电压/>期间，下拉放电NMOS场效应管都是关闭的，也就是充电峰值电压/>近似为直流电压，降低了增益级的输出电压/>的纹波，进而时钟CLK的瞬时抖动很小；另外，对于任意一个接地电容，都存在放电、充电和输出直流峰值电压/>三个状态，且三个状态各自占用一个低频时钟CLKS周期，这样设计使开关管的尺寸可以很小，不需要考虑导通电阻的影响，因此其寄生效应对电路的贡献较小。

当时钟CLK的频率低于目标频率时，即时钟CLK的时钟周期的值较大，则瞬时最高电压/>会比较大，当瞬时最高电压/>的值大于基准电压/>时，增益级模块的输出电压/>较高，经过低通滤波器模块后的滤波后的电压/>也较高，从而增大压控振荡器模块的时钟CLK的输出频率，即时钟CLK的时钟周期/>降低，当/>逐渐降低时，/>慢慢接近基准电压/>。当瞬时最高电压/>接近并低于基准电压/>后，增益级模块的输出电压/>降低，经过低通滤波器模块后的滤波后的电压/>也降低，从而减小压控振荡器模块的时钟CLK的输出频率，即时钟CLK的时钟周期/>增加，瞬时最高电压/>慢慢升高并等于基准电压/>。

因此，负反馈环路建立，最终，从而可以得到时钟CLK的频率。考虑寄生的影响，/>的频率较低，一般低于10MHz，但是分频比/>是可以任意设定的，例如设定时钟分频器的分频比/>，/>，则CLK的输出频率为320MHz。从/>的表达式可以看出，如果不考虑电阻的温度系数，则输出高频时钟的频率与温度和电源电压无关。

如图7所示，给出了传统张弛振荡器输出频率随着温度变化的结果，在-40度至85度范围内，振荡的频率设定为7MHz，即使在如此低的频率下，频率变化大约130kHz，对应1.85%。如图8所示，给出了传统张弛振荡器的输出频率随着电源电压变化的结果，在电源电压3V-4V范围内，振荡的频率设定为7MHz，即使在如此低的频率下，频率变化大约254kHz，对应3.63%。

如图9所示，给出了本发明输出频率随着温度变化的结果，在-40度至85度范围内，振荡的频率设定为330MHz，即使在如此高的频率下，频率变化大约310kHz，对应0.1%。如图10所示，给出了本发明输出频率随着电源电压变化的结果，在电源电压变化3V-4V范围内，振荡频率设定为330MHz，即使在如此高的频率下，频率变化大约3.1MHz，对应1%。因此本发明的高频张弛振荡器发明具有频率高，温度稳定度好，电源稳定度好的优点，解决了张弛振荡器稳定度较低，易受到温度和电源电压等的影响以及基础频率低的问题。

Claims (6)

1.一种与温度和电源无关的高频张弛振荡器，其特征在于，包括增益级模块、低通滤波器模块、压控振荡器模块、时钟分频器模块、三相时钟发生器模块以及峰值检测功能开关电容模块；

所述增益级模块，用于比较电容的充电峰值电压和基准电压/>，输出电压/>；

所述低通滤波器模块，用于过滤增益级模块输出电压的高频噪声，并输出电压/>；

所述压控振荡器模块，用于对电压输出时钟CLK，并输出时钟CLK的频率；

所述时钟分频器模块，用于设置分频比，并对时钟CLK进行分频，输出低频时钟CLKS；

所述三相时钟发生器模块，用于输出不同的时钟信号至峰值检测功能开关电容模块；

所述峰值检测功能开关电容模块，用于对电容进行周期性线性充电及放电，且对电容充电的峰值电压进行输出；

所述三相时钟发生器模块包括D触发器DFF1、D触发器DFF2、D触发器DFF3、D触发器DFF4、反相器INV1、反相器INV2、反相器INV3、反相器INV4、反相器INV5、反相器INV6、反相器INV7、反相器INV8、反相器INV9、与门AND1、与门AND2、与门AND3、与门AND4以及延时单元Delay；

所述D触发器DFF1的第1引脚、D触发器DFF2的第1引脚以及延时单元Delay的第1引脚分别与时钟分频器模块连接；所述D触发器DFF1的第2引脚分别与与门AND1的第1引脚以及反相器INV1的第1引脚连接；所述D触发器DFF1的第3引脚与与门AND1的第2引脚连接；所述与门AND1的第3引脚与D触发器DFF2的第2引脚连接；所述D触发器DFF2的第3引脚分别与反相器INV1的第2引脚和反相器INV2的第2引脚连接；所述反相器INV2的第1引脚与D触发器DFF3的第2引脚连接；所述D触发器DFF3的第1引脚分别与延时单元Delay的第2引脚以及D触发器DFF4的第1引脚连接；所述D触发器DFF3的第3引脚分别与D触发器DFF4的第2引脚以及反相器INV3的第2引脚连接；所述D触发器DFF4的第2引脚与反相器INV5的第2引脚连接；所述反相器INV3的第1引脚分别与反相器INV4的第2引脚以及与门AND4的第1引脚连接；所述反相器INV4的第1引脚分别与与门AND2的第1引脚和与门AND3的第1引脚连接；所述反相器INV5的第1引脚分别与反相器INV6的第1引脚和与门AND2的第2引脚连接；所述反相器INV6的第1引脚分别与与门AND3的第2引脚以及与门AND4的第2引脚连接；所述与门AND2的第3引脚分别与反相器INV7的第2引脚以及峰值检测功能开关电容模块连接；所述反相器INV7的第1引脚与峰值检测功能开关电容模块连接；所述与门AND3的第3引脚分别与反相器INV8的第2引脚和峰值检测功能开关电容模块连接；所述反相器INV8的第1引脚与峰值检测功能开关电容模块连接；所述与门AND4的第3引脚分别与反相器INV9的第2引脚和峰值检测功能开关电容模块连接；所述反相器INV9的第1引脚与峰值检测功能开关电容模块连接；

所述峰值检测功能开关电容模块包括场效应管MP1、场效应管MP2、场效应管MP3、场效应管M11、场效应管M12、场效应管M21、场效应管M22、场效应管M31、场效应管M32、接地电容C1、接地电容C2、接地电容C3以及接地电阻R1；

所述接地电阻R1与电源电压VDD连接；所述场效应管MP1的栅极与与门AND2的第3引脚连接；所述场效应管MP1的源极分别与电源电压VDD、场效应管MP2的源极以及场效应管MP3的源极连接；所述场效应管MP1的漏极分别与场效应管M12的漏极、场效应管M11的漏极以及接地电容C1连接；所述场效应管M11的栅极与反相器INV9的第1引脚连接；所述场效应管M11的源极接地；所述场效应管M12的栅极与反相器INV8的第1引脚连接；所述场效应管M12的源极分别与场效应管M22的源极、场效应管M32的源极以及增益级模块连接；所述场效应管MP2的栅极与与门AND3的第3引脚连接；所述场效应管MP2的漏极分别与场效应管M22的漏极、场效应管M21的漏极以及接地电容C2连接；所述场效应管M21的栅极与反相器INV7的第1引脚连接；所述场效应管M21的源极接地；所述场效应管M22的栅极与反相器INV9的第1引脚连接；所述场效应管MP3的栅极与与门AND4的第3引脚连接；所述场效应管MP3的漏极分别与场效应管M32的漏极、场效应管M31的漏极以及接地电容C3连接；所述场效应管M31的栅极与反相器INV8的第1引脚连接；所述场效应管M31的源极接地；所述场效应管M32的栅极与反相器INV7的第1引脚连接。

2.根据权利要求1所述的与温度和电源无关的高频张弛振荡器，其特征在于，所述增益级模块采用高增益的运算放大器；所述低通滤波器模块采用单个电容；所述压控振荡器模块采用电流源偏置的环形振荡器。

3.如权利要求1所述的一种与温度和电源无关的高频张弛振荡器的振荡方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、向峰值检测功能开关电容模块输入偏置电流，计算基准电压，并输出电容的充电峰值电压/>；

S2、通过增益级模块，比较基准电压和电容的充电峰值电压/>，调整输出电压/>；

S3、通过低通滤波器模块过滤输出电压的高频噪声，输出滤波后的电压为/>；

S4、将滤波后的电压为输入压控振荡器模块中，输出时钟CLK，并且时钟CLK的频率为高频张弛振荡器的输出频率；

S5、通过时钟分频器模块设置分频比，并对时钟CLK进行分频，输出低频时钟CLKS；

S6、将低频时钟CLKS输入至三相时钟发生器模块，输出时钟信号PH1、时钟信号PH2、时钟信号PH3、时钟信号PH1b、时钟信号PH2b以及时钟信号PH3b；

S7、根据时钟信号PH1、时钟信号PH2、时钟信号PH3、时钟信号PH1b、时钟信号PH2b以及时钟信号PH3b，对峰值检测功能开关电容模块中的接地电容C1、接地电容C2和接地电容C3分别逐次进行充电、放电以及输出充电峰值电压，并返回步骤S2，进行下一次振荡。

4.根据权利要求3所述的与温度和电源无关的高频张弛振荡器的振荡方法，其特征在于，所述S1中基准电压的表达式为：

其中，表示流过电阻R1的电流，/>表示电阻R1的阻值大小。

5.根据权利要求3所述的与温度和电源无关的高频张弛振荡器的振荡方法，其特征在于，所述S4中输出频率的表达式为：

其中，表示时钟CLK的时钟周期，/>表示分频比，/>表示电阻R1的阻值大小，/>表示电容大小。

6.根据权利要求3所述的与温度和电源无关的高频张弛振荡器的振荡方法，其特征在于，所述S7中充电峰值电压的表达式为：

其中，表示基准电压，/>表示低频时钟CLKS的时钟周期，/>表示电阻R1的阻值大小，/>表示电容大小，/>表示分频比，/>表示时钟CLK的时钟周期。