CN117134710B - 一种频率稳定性高的rc振荡器 - Google Patents

一种频率稳定性高的rc振荡器 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种频率稳定性高的RC振荡器，包括互连的充电模块、控制模块、放电模块、电阻R、电容C，电容C的另一端接地；充电模块的恒流源对电容C充电，放电模块的恒流源对电容C进行放电，充电模块的充电电流为放电模块的放电电流的两倍，当电容C的电压上升到电压上限时，控制模块使充电模块中的恒流源关闭，电容C通过放电模块泄放电流，电容C电压下降到电压下限时，控制模块使充电模块中的恒流源开启继续充电。本发明用控制模块代替传统RC振荡器中的比较器，减小比较器的失调电压对频率精度的影响，并且减小了版图面积，降低了生产成本；设计的充电模块、放电模块使振荡器频率随温度变化小，精度高；由三极管、电阻、电容构成，工艺简单。

Description

一种频率稳定性高的RC振荡器
技术领域
本发明涉及集成电路技术领域，具体涉及一种频率稳定性高的RC振荡器。
背景技术
随着集成电路领域的迅速发展，振荡器模块作为芯片的频率源变得越来越重要。振荡器电路是一种基本电路，在模拟，数模混合产品中经常用到。常见的振荡器有以下几类：环形振荡器、RC振荡器、LC振荡器，不同种类的振荡器原理各不相同，RC振荡器结构简单、频率调节范围广、易于集成，得到了广泛的应用。功耗、成本、可靠性方面与其他振荡器相比也具有优势。
但是，传统的RC振荡器需要比较器来控制电容的充放电，比较器不仅会引入失调电压，影响振荡器的输出，使用差分结构时电路功耗较高，而且占用版图的面积大，还会造成成本高，传统的RC振荡器频率随温度变化大，不稳定。传统的RC振荡器如图1所示。
因此，需要一种频率稳定性好精度高的RC振荡器。
发明内容
本发明是为了解决RC振荡器的频率稳定性问题，提供一种频率稳定性高的RC振荡器，用控制模块代替传统RC振荡器中的比较器，减小比较器的失调电压对频率精度的影响，并且减小了版图面积，降低了生产成本；设计的充电模块、放电模块使振荡器频率随温度变化小，精度高；由三极管、电阻、电容构成，工艺简单。
本发明提供一种频率稳定性高的RC振荡器，包括互连的充电模块、控制模块、放电模块和与充电模块、控制模块、放电模块均依次连接的电阻R、电容C，电容C的另一端接地；
充电模块的恒流源对电容C充电，放电模块的恒流源对电容C进行放电；当电容C的电压上升到电压上限时，控制模块使充电模块中的恒流源关闭，电容C通过放电模块泄放电流；电容C电压下降到电压下限时，控制模块使充电模块中的恒流源开启继续充电。
本发明所述的一种频率稳定性高的RC振荡器，作为优选方式，充电模块中包括并联的集电极电流均相同的三极管，放电模块中也包括并联的集电极电流均相同的三极管，当充电模块中并联三极管的电流因外部环境改变而增大或减小时，放电模块中并联的三极管随着增大或减小，以使电容C的电流稳定不变，从而使RC振荡器的振荡频率也稳定不变；
充电模块的充电电流为放电模块放电电流的两倍。
本发明所述的一种频率稳定性高的RC振荡器，作为优选方式，外部环境改变包括温度变化。
本发明所述的一种频率稳定性高的RC振荡器，作为优选方式，与电容C相连的电阻R为R5；
充电模块包括三极管Q1～Q9、电阻R1、R2、R6、R8、R9，三极管Q1～Q9为相同种类的三极管；
Q1～Q8并联，R1的上端、R2的上端、Q9的发射极均与电源电压VIN连接，R2的下端与Q5～Q8的发射极、控制模块一个输出端三极管的集电极均相连，Q1～Q8的基极、R8的下端与均R9的上端连接，Q1～Q3的集电极与控制模块一个输出端三极管的基极和集电极、另一个输出端三极管的基极均相连，Q1～Q4的发射集均与R1的下端相连，Q6～Q8的集电极与R6的上端连接，R6下端接地，Q4的集电极与放电模块的一个电阻相连，Q5的集电极与R5的上端相连，Q9的基极和集电极均与R8的上端、控制模块一个输出端三极管的基极相连。
本发明所述的一种频率稳定性高的RC振荡器，作为优选方式，三极管Q1～Q9均为PNP管，R1与R2阻值相同，R8、R9的阻值可使Q1～Q8导通，R6的上端与逻辑模块相连输出空比为50％的矩形波，R9的上端输出定电压V1。
本发明所述的一种频率稳定性高的RC振荡器，作为优选方式，控制模块包括三极管Q10、Q11、Q16、Q18～Q21，电阻R3、R7、R10；
Q10的发射极、Q16的集电极与均电源电压VIN连接，Q10的基极与电阻R8的上端、Q9的基极和集电极均连接，Q10的集电极与Q11的发射极、R10的上端均连接，Q11的集电极与R3的上端、Q19的发射极均连接，R3的下端接地，Q11的基极与Q16的发射集相连，Q18的集电极与R2的下端相连，Q18的基极与Q19的基极、Q21的集电极、R10的下端均连接，Q18的发射极与R7的上端相连，R7的下端接地，Q20的基极和集电极、Q21的基极均与Q1～Q3的集电极相连，Q20的基极与Q21的基极相连，Q20的发射极与Q21的发射极均接地。
本发明所述的一种频率稳定性高的RC振荡器，作为优选方式，三极管Q10、Q11均为PNP管，三极管Q16、Q18～Q21均为NPN管，Q11的基极与Q16的发射集均与放电模块的一个输出端三级管相连，Q20的基极和集电极、Q21的基极、Q1～Q3的集电极均与OTP相连。
本发明所述的一种频率稳定性高的RC振荡器，作为优选方式，放电模块包括三极管Q12～Q15、Q17和电阻R4；
Q13～Q15、Q17为并联，Q12的集电极与电源电压VIN连接，Q12的基极与Q4的集电极、R4的上端均相连，R4的下端与Q13的集电极、Q14的集电极均相连，Q13～Q15、Q17的发射极均接地，Q13、Q14、Q15、Q17的基极均与Q12的发射极连接，Q15的集电极与Q5的集电极、R5的上端、Q16的基极都相连，Q17的集电极与Q11的基极、Q16的发射极均相连。
本发明所述的一种频率稳定性高的RC振荡器，作为优选方式，三极管Q12～Q15、Q17均为NPN管，Q15的集电极与OSC振荡器相连输出三角波。
本发明所述的一种频率稳定性高的RC振荡器，作为优选方式，电阻R8和R9使三极管Q1～Q8导通，Q13～Q17也导通，Q5的集电极电流一部分为电容C充电、另一部分从Q15的集电极流走，Q16的基极电压逐渐的上升，Q16的发射极电压也逐渐的上升，Q11的发射极电压也逐渐的上升，三极管Q18导通，此时流过电阻R2的电流增大，电阻R2的压降增加，三极管Q5～Q8不导通，电容C通过三极管Q15泄放电流，三极管Q16基极电压下降；
当温度升高时，Q16的Vbe减小，Q16发射极电压增加，Q11的Vbe减小，所以Q11的发射极电压不变，降低了电压随温度变化的程度；三极管Q18和电阻R7构成负反馈电路，降低Q18的Vbe随温度变化对集电极电流的影响；当温度降低时，Q16的Vbe增大，Q16发射极电压减小，Q11的Vbe增大，所以Q11的发射极电压不变，降低了Q18的基极电压随温度变化的程度；
当Q1～Q8集电极电流随温度的改变而增加时，Q13～Q15的集电极电流也增加，流进电容C的电流不变，振荡频率也不变；当Q1～Q8的集电极电流因外部环境的改变而减小时，Q13～Q15、Q17的集电极电流也减小，流进电容C的电流不变，振荡频率也不变。
本发明所述的一种频率稳定性高的RC振荡器，作为优选方式，三极管Q5的集电极电流是Q15集电极电流两倍。
OTP可作为振荡器的开关，OSC为振荡器。
本发明具有以下优点：
本发明用控制模块代替传统RC振荡器中的比较器，减小比较器的失调电压对频率精度的影响，并且减小了版图面积，降低了生产成本。设计的充电模块、放电模块使振荡器频率随温度变化小，精度高。本RC振荡器是由三极管、电阻、电容构成，工艺简单。
附图说明
图1为传统RC振荡器示意图；
图2为一种频率稳定性高的RC振荡器电路框图；
图3为一种频率稳定性高的RC振荡器电路示意图；
图4为一种频率稳定性高的RC振荡器实施例1部分三极管电压波形图。
附图标记：
1、充电模块；2、控制模块；3、放电模块。
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。
实施例1
如图2所示，一种频率稳定性高的RC振荡器，包括充电模块、放电模块、控制模块部分。如图3所示，其中充电模块由Q1～Q9、R1、R2、R6、R8、R9构成，放电模块由Q12～Q15、Q17、R4、R5构成、控制模块由Q10、Q11、Q16、Q18～Q21、R3、R7、R10构成。
R1的上端、R2的上端、Q9的发射极、Q10的发射极、Q12的集电极、Q16的集电极与电源电压VIN连接。R1的下端与Q1～Q4的发射极连接。R2的下端与Q5～Q8的发射极、Q18的集电极连接。Q1～Q8的基极、R8的下端与R9的上端连接。Q1～Q3的集电极、Q20的基极和集电极、Q21的基极连接。Q6～Q8的集电极与R6的上端连接。Q4的集电极、Q12的基极、R4的上端连接。R4的下端与Q13的集电极、Q14的集电极连接。Q5的集电极与R5的上端、Q15的集电极、Q16的基极连接。R5的下端与电容C的上端连接，电容C的下端接地。Q13、Q14、Q15、Q17的基极与Q12的发射极连接。Q17的集电极、Q11的基极与Q16的发射极连接。Q9的基极和集电极、Q10的基极与电阻R8的上端连接。Q10的集电极与R10、Q11的发射极连接。Q11的集电极与R3的上端连接、Q19的发射极连接。Q18的基极与Q19的基极、Q21的集电极连接。
其中R1＝R2，三极管Q1～Q8是相同类型的三极管。电阻R8和R9有一定的比例关系，本实例中为1：6.14，以使三极管Q1～Q8导通，Q13～Q17也导通，Q5的集电极电流一部分为电容C1充电，一部分从Q15的集电极流走。因此Q16的基极电压逐渐的上升，Q16的发射极电压也逐渐的上升，Q11的发射极电压也逐渐的上升，上升到一定的电压时，三极管Q18导通，此时流过电阻R2的电流增大，电阻R2的压降增加，三极管Q5～Q8不导通，此时电容C1通过三极管Q15泄放电流，三极管Q16基极电压下降。通过设计合适的三极管、电阻的参数使Q5的集电极电流是Q15集电极电流两倍。其中OSC可以向其他模块提供三角波，Logic向其它模块提供占空比为50％的矩形波。
本发明中的控制模块代替比较器，可以减小失调电压、功耗和版图的面积，充电模块和放电模块可以降低温度变化对频率稳定性的影响。
在充电模块中，由三极管和电阻构成的恒流源对电容进行充电，与此同时，放电模块的恒流源也以恒定的电流放电，但是充电电流是放电电流的两倍，因此，电容的充放电电流是一样的。电容在充电时，电容电压会上升，当电容电压上升到一定的值时，与电容电压连接的控制模块部分起作用，使充电模块中的恒流源关闭，此时电容通过放电模块泄放电流，电容电压下降，当电容电压下降到一定的值时，控制模块部分使充电模块中的恒流源开启，有电流流进电容，电容电压上升。此过程循环往复。
设计的电路可以改善振荡器频率随温度变化大的缺点。如图3所示，在控制电路中，当温度升高时，Q16的Vbe减小，Q16发射极电压增加，Q11的Vbe减小，所以Q11的发射极电压基本不变，所以降低了电压随温度变化的程度。三极管Q18和电阻R7构成负反馈电路，降低Q18的Vbe随温度变化对集电极电流的影响。当温度降低时，Q16的Vbe增大，Q16发射极电压减小，Q11的Vbe增大，所以Q11的发射极电压基本不变，所以降低了Q18的基极电压随温度变化的程度。
由图3的电路图可以得到，充电模块中的Q1～Q8集电极电流相同，放电模块中Q13～Q15、Q17的集电极电流相同，它们随温度变化趋势相同，当Q1～Q8的集电极电流温度的改变而增加时，此时Q13～Q15的集电极电流也增加，因此流进电容的电流基本不变，振荡频率也不变。当Q1～Q8的集电极电流因外部环境的改变而减小时，此时Q13～Q15、Q17的集电极电流也减小，因此流进电容的电流基本不变，振荡频率也不变。
本实施例的振荡器中一些三极管电压的波形图如图4所示：
其中，第一条波形图是Q16的基极电压波形图，0.704V～1.414V。
第二条波形图是Q16的发射极电压波形图，96.71mV～810.9mV。
第三条波形图是Q11发射极电压波形图，0.821V～1.535V。
第四条波形图是Q18的基极电压波形图，110.5mV～763.4mV。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，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，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种频率稳定性高的RC振荡器，其特征在于：包括互连的充电模块(1)、控制模块(2)、放电模块(3)和与所述充电模块(1)、所述控制模块(2)、所述放电模块(3)均依次连接的电阻R、电容C，电容C的另一端接地；
所述充电模块(1)的恒流源对电容C充电，所述放电模块(3)的恒流源对所述电容C进行放电；当电容C的电压上升到电压上限时，所述控制模块(2)使所述充电模块(1)中的恒流源关闭，电容C通过所述放电模块(3)泄放电流；电容C电压下降到电压下限时，所述控制模块(2)使所述充电模块(1)中的恒流源开启继续充电；
所述充电模块(1)中包括并联的集电极电流均相同的三极管，所述放电模块(3)中也包括并联的集电极电流均相同的三极管，当充电模块(1)中并联三极管的电流因外部环境改变而增大或减小时，所述放电模块(3)中并联的三极管随着增大或减小，以使电容C的电流稳定不变，从而使所述RC振荡器的振荡频率也稳定不变；
所述充电模块(1)的充电电流为所述放电模块(3)放电电流的两倍；
所述外部环境改变包括温度变化。
2.根据权利要求1所述的一种频率稳定性高的RC振荡器，其特征在于：
与电容C相连的电阻R为R5；
所述充电模块(1)包括三极管Q1～Q9、电阻R1、R2、R6、R8、R9，三极管Q1～Q9为相同种类的三极管；
Q1～Q8并联，R1的上端、R2的上端、Q9的发射极均与电源电压VIN连接，R2的下端与Q5～Q8的发射极、所述控制模块(2)一个输出端三极管的集电极均相连，Q1～Q8的基极、R8的下端与均R9的上端连接，Q1～Q3的集电极与所述控制模块(2)一个输出端三极管的基极和集电极、另一个输出端三极管的基极均相连，Q1～Q4的发射集均与R1的下端相连，Q6～Q8的集电极与R6的上端连接，R6下端接地，Q4的集电极与所述放电模块(3)的一个电阻相连，Q5的集电极与R5的上端相连，Q9的基极和集电极均与R8的上端、所述控制模块(2)一个输出端三极管的基极相连。
3.根据权利要求2所述的一种频率稳定性高的RC振荡器，其特征在于：三极管Q1～Q9均为PNP管，R1与R2阻值相同，R8、R9的阻值可使Q1～Q8导通，R6的上端与逻辑模块相连输出空比为50％的矩形波，R9的上端输出固定电压V1。
4.根据权利要求2所述的一种频率稳定性高的RC振荡器，其特征在于：所述控制模块(2)包括三极管Q10、Q11、Q16、Q18～Q21，电阻R3、R7、R10；
Q10的发射极、Q16的集电极与均电源电压VIN连接，Q10的基极与电阻R8的上端、Q9的基极和集电极均连接，Q10的集电极与Q11的发射极、R10的上端均连接，Q11的集电极与R3的上端、Q19的发射极均连接，R3的下端接地，Q11的基极与Q16的发射极相连，Q18的集电极与R2的下端相连，Q18的基极与Q19的基极、Q21的集电极、R10的下端均连接，Q18的发射极与R7的上端相连，R7的下端接地，Q20的基极和集电极、Q21的基极均与Q1～Q3的集电极相连，Q20的基极与Q21的基极相连，Q20的发射极与Q21的发射极均接地。
5.根据权利要求4所述的一种频率稳定性高的RC振荡器，其特征在于：三极管Q10、Q11均为PNP管，三极管Q16、Q18～Q21均为NPN管，Q11的基极与Q16的发射集均与所述放电模块(3)的一个输出端三级管相连，Q20的基极和集电极、Q21的基极、Q1～Q3的集电极均与OTP相连。
6.根据权利要求4所述的一种频率稳定性高的RC振荡器，其特征在于：所述放电模块(3)包括三极管Q12～Q15、Q17和电阻R4；
Q13～Q15、Q17为并联，Q12的集电极与电源电压VIN连接，Q12的基极与Q4的集电极、R4的上端均相连，R4的下端与Q13的集电极、Q14的集电极均相连，Q13～Q15、Q17的发射极均接地，Q13、Q14、Q15、Q17的基极均与Q12的发射极连接，Q15的集电极与Q5的集电极、R5的上端、Q16的基极都相连，Q17的集电极与Q11的基极、Q16的发射极均相连。
7.根据权利要求6所述的一种频率稳定性高的RC振荡器，其特征在于：三极管Q12～Q15、Q17均为NPN管，Q15的集电极与OSC振荡器相连输出三角波。
8.根据权利要求6所述的一种频率稳定性高的RC振荡器，其特征在于：电阻R8和R9使三极管Q1～Q8导通，Q13～Q17也导通，Q5的集电极电流一部分为电容C充电、另一部分从Q15的集电极流走，Q16的基极电压逐渐的上升，Q16的发射极电压也逐渐的上升，Q11的发射极电压也逐渐的上升，三极管Q18导通，此时流过电阻R2的电流增大，电阻R2的压降增加，三极管Q5～Q8不导通，电容C通过三极管Q15泄放电流，三极管Q16基极电压下降；
当温度升高时，Q16的Vbe减小，Q16发射极电压增加，Q11的Vbe减小，所以Q11的发射极电压不变，降低了电压随温度变化的程度；三极管Q18和电阻R7构成负反馈电路，降低Q18的Vbe随温度变化对集电极电流的影响；当温度降低时，Q16的Vbe增大，Q16发射极电压减小，Q11的Vbe增大，所以Q11的发射极电压不变，降低了Q18的基极电压随温度变化的程度；
当Q1～Q8集电极电流随温度的改变而增加时，Q13～Q15的集电极电流也增加，流进电容C的电流不变，振荡频率也不变；当Q1～Q8的集电极电流因外部环境的改变而减小时，Q13～Q15、Q17的集电极电流也减小，流进电容C的电流不变，振荡频率也不变。
9.根据权利要求6所述的一种频率稳定性高的RC振荡器，其特征在于：三极管Q5的集电极电流是Q15集电极电流两倍。
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