CN117895901A

CN117895901A - 一种rc振荡器及芯片

Info

Publication number: CN117895901A
Application number: CN202311868566.1A
Authority: CN
Inventors: 韩世英; 聂礼通; 熊发柯; 艾君; 任然; 刘伟; 邵智勇; 王智国
Original assignee: Shanghai Lingxin Technology Co ltd; Anhui Lingsi Intelligent Technology Co ltd
Current assignee: Shanghai Lingxin Technology Co ltd; Anhui Lingsi Intelligent Technology Co ltd
Priority date: 2023-12-29
Filing date: 2023-12-29
Publication date: 2024-04-16

Abstract

本申请公开了一种RC振荡器及芯片，涉及一种RC振荡器及芯片，包括：第一电流源的输出端与控制电路的第一输入端连接，第二电流源的输出端与控制电路的第二输入端连接，补偿电流源的输出端与电阻的第一端连接；第一电容的第一端与控制电路的第一输出端连接，第一电容的第二端接地；电阻的第一端与控制电路的第二输出端连接，电阻的第二端接地；第二电容的第一端与控制电路的第三输出端连接，第二电容的第二端接地；第一电流源的输出端与比较器的第一输入端连接，第二电流源与比较器的第二输入端连接；控制电路的控制端与比较器的输出端连接；控制电路，用于根据比较器的输出信号控制第一电容和第二电容充放电。本申请能够有效降低RC振荡器的温漂。

Description

一种RC振荡器及芯片

技术领域

本申请涉及集成电路领域，更具体地说，涉及一种RC振荡器及芯片。

背景技术

RC振荡器电路作为一个基本的电路模块，通常在芯片中用来产生一个低频的时钟信号。该时钟信号通常作为数字模块的系统时钟，一般情况下对于时钟信号的绝对频率精准度和噪声性能要求不是很高，但是在特殊的应用中，例如蓝牙睡眠模式等，对时钟信号的温漂有很高的要求。

然而传统的RC振荡器中复位脉冲的宽度、比较器的offset架构以及电阻容易受到温度变化的影响，也即输出的时钟信号存在较为严重的温漂问题，无法满足在特殊应用中对于时钟信号的低温漂的要求。

发明内容

有鉴于此本申请实施例提供了一种RC振荡器及芯片，能够有效降低RC振荡器的温漂。

第一方面，本申请实施例提供了一种RC振荡器，包括：

第一电流源、第二电流源、补偿电流源、第一电容、电阻、第二电容、比较器和控制电路；其中，

所述第一电流源的输出端与所述控制电路的第一输入端连接，所述第二电流源的输出端与所述控制电路的第二输入端连接，所述补偿电流源的输出端与所述电阻的第一端连接；

所述第一电容的第一端与所述控制电路的第一输出端连接，所述第一电容的第二端接地；

所述电阻的第一端与所述控制电路的第二输出端连接，所述电阻的第二端接地；

所述第二电容的第一端与所述控制电路的第三输出端连接，所述第二电容的第二端接地；

所述第一电流源的输出端与所述比较器的第一输入端连接，所述第二电流源与所述比较器的第二输入端连接；

所述控制电路的控制端与所述比较器的输出端连接，所述比较器的输出信号包括非反相输出信号和反相输出信号；

所述控制电路，用于根据所述比较器的输出信号控制所述第一电容和所述第二电容充放电。

可选地，所述控制电路包括第一电容控制电路和第二电容控制电路；

所述第一电容控制电路的输入端与所述第一电流源的输出端连接，所述第一电容控制电路的第一输出端与所述第一电容的第一端连接，所述第一电容控制电路的第二输出端与所述电阻的第一端连接，所述第一电容控制电路的控制端与所述比较器的输出端连接；

所述第二电容控制电路的输入端与所述第二电流源的输出端连接，所述第二电容控制电路的第一输出端与所述第二电容的第一端连接，所述第二电容控制电路的第二输出端与所述电阻的第一端连接，所述第二电容控制电路的控制端与所述比较器的输出端连接。

可选地，所述第一电容控制电路，用于根据所述比较器的输出信号控制所述第一电容充放电；

所述第二电容控制电路，用于根据所述比较器的输出信号控制所述第二电容充放电。

可选地，所述第一电容控制电路包括第一MOS管、第二MOS管和第三MOS管，所述第二电容控制电路包括第四MOS管、第五MOS管和第六MOS管；

所述第一MOS管的源极与所述第一电流源的输出端连接，所述第一MOS管的漏极与所述第一电容的第一端连接，所述第一MOS管的栅极与所述比较器的输出端连接；

所述第二MOS管的源极与所述第一电容的第一端连接，所述第二MOS管的漏极与所述第一电容的第二端连接，所述第二MOS管的栅极与所述比较器的输出端连接；

所述第三MOS管的源极与所述第一电流源的输出端连接，所述第三MOS管的漏极与所述电阻的第一端连接，所述第三MOS管的栅极与所述比较器的输出端连接；

所述第四MOS管的源极与所述第二电流源的输出端连接，所述第四MOS管的漏极与所述电阻的第一端连接，所述第四MOS管的栅极与所述比较器的输出端连接；

所述第五MOS管的源极与所述第二电流源的输出端连接，所述第五MOS管的漏极与所述第二电容的第一端连接，所述第五MOS管的栅极与所述比较器的输出端连接；

所述第六MOS管的源极与所述第二电容的第一端连接，所述第六MOS管的漏极与所述第二电容的第二端连接，所述第六MOS管的栅极与所述比较器的输出端连接。

可选地，所述比较器的输出端包括第一输出端和第二输出端；

所述第一MOS管的栅极与所述比较器的第二输出端连接，所述第二MOS管的栅极与所述比较器的第一输出端连接，所述第三MOS管的栅极与所述比较器的第一输出端连接，所述第四MOS管的栅极与所述比较器的第二输出端连接，所述第五MOS管的栅极与所述比较器的第一输出端连接，所述第六MOS管的栅极与所述比较器的第二输出端连接。

可选地，所述比较器的第一输出端输出的是非反相输出信号，所述比较器的第二输出端输出的是反相输出信号。

可选地，所述补偿电流源用于输出补偿电流，所述补偿电流的温度特性与所述电阻的温度特性相反。

可选地，所述补偿电流是基于正温度系数和负温度系数确定的。

可选地，所述第一电流源和所述第二电流源为同类型的镜像电流源。

第二方面，本申请实施例还提供了一种芯片，包括如上述的任意一项RC振荡器。

本申请实施例提供了一种RC振荡器及芯片，由于RC振荡器包括了第一电容和第二电容两个电容，且通过控制电路可以实现基于比较器的输出信号来控制第一电容和第二电容充放电，且比较器的输出信号包括非反相输出信号和反相输出信号，所以可以使得其中一个电容的充电过程和另一个电容的放电复位同时进行，也即第一电容和第二电容分别完成一次充电的过程构成了时钟信号的一个周期，消除了传统的RC振荡器中复位脉冲的宽度以及比较器的offset架构造成的温漂；并且通过设置补偿电流源来对电阻进行补偿，消除了电阻造成的温漂，从而有效降低了RC振荡器的温漂。

附图说明

为了更清楚地说明本申请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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例提供的一种传统RC振荡器的结构示意图；

图2为本申请实施例提供的一种传统RC振荡器的工作波形图；

图3为本申请实施例提供的一种RC振荡器的结构示意图；

图4为本申请实施例提供的另一种RC振荡器的结构示意图；

图5为本申请实施例提供的再一种RC振荡器的结构示意图；

图6为本申请实施例提供的一种RC振荡器的工作波形图；

图7为本申请实施例提供的一种芯片的结构示意图。

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做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。

本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”“第四”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的实施例能够以除了在这里图示或描述的内容以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

传统的RC振荡器结构如图1所示，V2的电压始终等于电流与电阻的乘积IR，V1通过电流I对电容C充电，当充电电压达到V2的值时，比较器输出对电容电压进行复位，之后电容再重新开始充电，具体工作波形如图2所示。RC振荡器的工作原理是通过电流给电容充电，当充电电压达到期望值时，时钟翻转同时电容复位，然后再重新开始对电容充电，如此重复产生周期性时钟信号，时钟信号的振荡周期和R、C的值成正比。

传统的RC振荡器结构的理想时钟周期是R*C，但是由于存在许多非理想因素，实际的振荡周期和理论值R*C偏差很大。首先，复位脉冲Reset的宽度会影响输出时钟的周期，而且这个脉宽的影响会随着温度变化，这样不仅绝对频率不可控，还存在严重的温漂问题；其次，比较器的offset架构也会影响系统工作的周期，而且offset的大小也会随着温度变化，也即输出的时钟信号存在较为严重的温漂问题，无法满足在特殊应用中对于时钟信号的低温漂的要求；再者，除了有源器件会对存在温漂的影响，无源器件R的值也会影响输出频率的温漂特性。在典型的CMOS工艺中，电容相对温度的变化很小，温漂的主要贡献是电阻。通常温度越高，电阻的值越大，引起频率的变化也就越大，造成的温漂问题就越严重。

因此，针对上述问题，本申请实施例提供了一种RC振荡器及芯片，能够有效降低RC振荡器的温漂。

请参阅图3，本申请实施例提供了一种RC振荡器，包括第一电流源I₁、第二电流源I₂、补偿电流源I_cal、第一电容C1、电阻R、第二电容C2、比较器30和控制电路31；其中，所述第一电流源I₁的输出端与所述控制电路31的第一输入端连接，所述第二电流源I₂的输出端与所述控制电路31的第二输入端连接，所述补偿电流源I_cal的输出端与所述电阻R的第一端连接；所述第一电容C1的第一端与所述控制电路31的第一输出端连接，所述第一电容C1的第二端接地；所述电阻R的第一端与所述控制电路31的第二输出端连接，所述电阻R的第二端接地；所述第二电容C1的第一端与所述控制电路31的第三输出端连接，所述第二电容C2的第二端接地；所述第一电流源I₁的输出端与所述比较器30的第一输入端连接，所述第二电流源I₂与所述比较器30的第二输入端连接；所述控制电路31的控制端与所述比较器30的输出端连接；所述控制电路31，用于根据所述比较器的输出信号控制所述第一电容C1和所述第二电容C2充放电。其中，比较器的输出信号可以包括非反相输出信号Φ和反相输出信号在非反相输出信号中Φ，当比较器的输入电压大于参考电压时，输出为高电平；当比较器的输入电压小于参考电压时，输出为低电平。在反向输出信号/>中，当比较器的输入电压大于参考电压时，输出为低电平；当比较器的输入电压小于参考电压时，输出为高电平。

可以理解的是，由于本实施例中的RC振荡器包括了第一电容C1和第二电容C2两个电容，且通过控制电路31可以实现基于比较器30的输出信号来控制第一电容C1和第二电容C2充放电，且比较器30的输出信号包括非反相输出信号Φ和反相输出信号所以可以使得其中一个电容的充电过程和另一个电容的放电复位同时进行，例如在第一电容C1充电结束后，第二电容C2立刻开始充电，使得第二电容C2充电结束后，第一电容C1有足够的时间进行放电，保证下次第一电容C1进行充电时可以从0开始且不会受到复位脉冲的影响，消除了传统的RC振荡器中复位脉冲的宽度造成的温漂；并且第一电容C1和第二电容C2分别完成一次充电的过程构成了时钟信号的一个周期，两次充电过程消除了比较器的offset架构，RC振荡器的输出时钟周期为2R*C，从而消除了比较器的offset架构造成的温漂；并且补偿电流源I_cal可以实现对电阻R的补偿，抑制温度特性对电阻R的影响，从而消除了电阻R造成的温漂，进而有效降低了RC振荡器的温漂。

在一种可能实现的方式中，所述第一电流源I₁和所述第二电流源I₂可以为同类型的镜像电流源。可以理解的是，第一电流源I₁和第二电流源I₂可以设置为同类型的镜像电流源，来避免温度对第一电流源I₁和第二电流源I₂产生影响，进而产生温漂的情况，从而进一步降低RC振荡器的温漂。

在一种可能实现的方式中，请参阅图4，所述控制电路31包括第一电容控制电路310和第二电容控制电路311；所述第一电容控制电路310的输入端与所述第一电流源I₁的输出端连接，所述第一电容控制电路310的第一输出端与所述第一电容C1的第一端连接，所述第一电容控制电路310的第二输出端与所述电阻R的第一端连接，所述第一电容控制电路310的控制端与所述比较器30的输出端连接；所述第二电容控制电路311的输入端与所述第二电流源I₂的输出端连接，所述第二电容控制电路311的第一输出端与所述第二电容C2的第一端连接，所述第二电容控制电路311的第二输出端与所述电阻R的第一端连接，所述第二电容控制电路311的控制端与所述比较器30的输出端连接。

具体地，所述第一电容控制电路310，用于根据所述比较器30的输出信号控制所述第一电容C1充放电；所述第二电容控制电路311，用于根据所述比较器30的输出信号控制所述第二电容C2充放电。

可以理解的是，可以基于比较器30的输出信号，分别通过第一电容控制电路310和第二电容控制电路311来实现对第一电容C1和第二电容C2的控制，使得第一电容C1和第二电容C2能够在比较器30的输出信号的控制下进行充放电，来使得其中一个电容的充电过程和另一个电容的放电复位同时进行，例如在第一电容C1充电结束后，第二电容C2立刻开始充电，使得第二电容C2充电结束后，第一电容C1有足够的时间进行放电，保证下次第一电容C1进行充电时可以从0开始且不会受到复位脉冲的影响，消除了传统的RC振荡器中复位脉冲的宽度造成的温漂；并且第一电容C1和第二电容C2分别完成一次充电的过程构成了时钟信号的一个周期，两次充电过程消除了比较器的offset架构，RC振荡器的输出时钟周期为2R*C，从而消除了比较器的offset架构造成的温漂；并且补偿电流源I_cal可以实现对电阻R的补偿，抑制温度特性对电阻R的影响，从而消除了电阻R造成的温漂，进而有效降低了RC振荡器的温漂。

在一种可能实现的方式中，请参阅图5，所述第一电容控制电路310包括第一MOS管M1、第二MOS管M2和第三MOS管M3，所述第二电容控制电路311包括第四MOS管M4、第五MOS管M5和第六MOS管M6；所述第一MOS管M1的源极与所述第一电流源I₁的输出端连接，所述第一MOS管M1的漏极与所述第一电容C1的第一端连接，所述第一MOS管M1的栅极与所述比较器30的输出端连接；所述第二MOS管M2的源极与所述第一电容C1的第一端连接，所述第二MOS管M2的漏极与所述第一电容C1的第二端连接，所述第二MOS管M2的栅极与所述比较器30的输出端连接；所述第三MOS管M3的源极与所述第一电流源I₁的输出端连接，所述第三MOS管M3的漏极与所述电阻R的第一端连接，所述第三MOS管M3的栅极与所述比较器30的输出端连接；所述第四MOS管M4的源极与所述第二电流源I₂的输出端连接，所述第四MOS管M4的漏极与所述电阻R的第一端连接，所述第四MOS管M4的栅极与所述比较器30的输出端连接；所述第五MOS管M5的源极与所述第二电流源I₂的输出端连接，所述第五MOS管M5的漏极与所述第二电容C2的第一端连接，所述第五MOS管M5的栅极与所述比较器30的输出端连接；所述第六MOS管M6的源极与所述第二电容C2的第一端连接，所述第六MOS管M6的漏极与所述第二电容C2的第二端连接，所述第六MOS管M6的栅极与所述比较器30的输出端连接。具体地，比较器30的输出端输出的信号可以包括非反向输出信号Φ和反向输出信号

在一种可能实现的方式中，比较器30的输出端包括第一输出端300和第二输出端301，所述第一MOS管M1的栅极与所述比较器30的第二输出端301连接，所述第二MOS管M2的栅极与所述比较器30的第一输出端300连接，所述第三MOS管M3的栅极与所述比较器30的第一输出端300连接，所述第四MOS管M4的栅极与所述比较器30的第二输出端301连接，所述第五MOS管M5的栅极与所述比较器30的第一输出端300连接，所述第六MOS管M6的栅极与所述比较器30的第二输出端301连接。具体地，比较器30的第一输出端300输出的可以是非反向输出信号Φ，比较器30的第二输出端301输出的可以是反向输出信号

可以理解的是，比较器30的输入电压V1和V2以及比较器的非反相输出信号Φ的波形图可以如图6所示，其中Vos为比较器的失调电压。在非反相输出信号Φ的前半个周期，非反相输出信号Φ为低电平，反相输出信号为高电平，此时第一MOS管M1、第四MOS管M4和第六MOS管M6导通，第二MOS管、第三MOS管和第五MOS管截止，此时比较器30的输入电压V1等于第一电容C1的充电电压，比较器30的输入电压V2等于第二电流源I₂的输出电流与电阻R的乘积与补偿电流源I_cal的输出电流与电阻R的乘积的和。当比较器30的输入电压V1随着第一电容C1的充电不断提高，直至V1与比较器的失调电压Vos的和等于V2时，此时进入比较器30的非反相输出信号Φ的后半个周期，非反向输出信号Φ为高电平，反相输出信号/>为低电平。此时第一MOS管M1、第四MOS管M4和第六MOS管M6截止，第二MOS管、第三MOS管和第五MOS管导通，第一电容C1进入放电过程，第二电容C2开始充电，此时比较器30的输入电压V1等于第一电流源I₁的输出电流与电阻R的乘积与补偿电流源I_cal的输出电流与电阻R的乘积的和，比较器30的输入电压V2等于第二电容C2的充电电压。当比较器30的输入电压V2随着第二电容C2的充电不断提高，直至V2与比较器的失调电压Vos的差等于V1时，进入比较器30的非反相输出信号Φ的下个周期。

因此，第一电容C1和第二电容C2能够在比较器30的输出信号的控制下进行充放电，来使得其中一个电容的充电过程和另一个电容的放电复位同时进行，例如在第一电容C1充电结束后，第二电容C2立刻开始充电，使得第二电容C2充电结束后，第一电容C1有足够的时间进行放电，保证下次第一电容C1进行充电时可以从0开始且不会受到复位脉冲的影响，消除了传统的RC振荡器中复位脉冲的宽度造成的温漂；并且第一电容C1和第二电容C2分别完成一次充电的过程构成了时钟信号的一个周期，两次充电过程消除了比较器的offset架构，RC振荡器的输出时钟周期为2R*C，从而消除了比较器的offset架构造成的温漂；并且补偿电流源I_cal可以实现对电阻R的补偿，抑制温度特性对电阻R的影响，从而消除了电阻R造成的温漂，进而有效降低了RC振荡器的温漂。

在一种可能实现的方式中，所述补偿电流源I_cal用于输出补偿电流，所述补偿电流的温度特性与所述电阻R的温度特性相反。可以理解的是，由于电阻R会随着温度的增大而增大，随着温度的减小而减小，所以设置的补偿电流源I_cal的补偿电流可以随着温度的增大而减小，随着温度的减小而增大，实现通过调节随温度变化的补偿电流源I_cal的温度特性可以抵消电阻R的温度特性，使得电容充电时间不随温度变化，得到稳定的频率；而且随温度变化的补偿电流源I_cal，电阻的温度特性相反，还能保持比较器的翻转电平在温度变化时相对稳定，进一步抑制温度变化对比较器翻转特性的影响，抑制频率温漂。

在一种可能实现的方式中，所述补偿电流是基于正温度系数和负温度系数确定的。可以理解的是，补偿电流的电流值可以是由bandgap产生的正温度系数(PTAT)和负温度系数(CTAT)经过一定比例的组合来确定的，从而能够实现对电阻R的精准补偿，进而进一步降低RC振荡器的温漂。

本申请实施例中，由于RC振荡器包括了第一电容和第二电容两个电容，且通过控制电路可以实现基于比较器的输出信号来控制第一电容和第二电容充放电，且比较器的输出信号包括非反相输出信号和反相输出信号，所以可以使得其中一个电容的充电过程和另一个电容的放电复位同时进行，也即第一电容和第二电容分别完成一次充电的过程构成了时钟信号的一个周期，消除了传统的RC振荡器中复位脉冲的宽度以及比较器的offset架构造成的温漂，并且通过设置补偿电流源来对电阻进行补偿，消除了电阻造成的温漂，从而有效降低了RC振荡器的温漂。

基于同一发明构思，本申请还提供一种芯片700，请参见图7，图7所示为本申请实施例所提供的芯片700的一种结构示意图，该芯片700包括RC振荡器100，该RC振荡器100为本申请上述实施例所提供的任一RC振荡器100。需要说明的是，本申请所提供的芯片700的实施例可参见上述RC振荡器100的实施例，相同之处不再赘述。

最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims

1.一种RC振荡器，其特征在于，包括：第一电流源、第二电流源、补偿电流源、第一电容、电阻、第二电容、比较器和控制电路；其中，

所述控制电路的控制端与所述比较器的输出端连接，所述比较器的输出信号包括非反相输出信号和反相输出信号；所述控制电路，用于根据所述比较器的输出信号控制所述第一电容和所述第二电容充放电。

2.根据权利要求1所述的RC振荡器，其特征在于，所述控制电路包括第一电容控制电路和第二电容控制电路；

3.根据权利要求2所述的RC振荡器，其特征在于，所述第一电容控制电路，用于根据所述比较器的输出信号控制所述第一电容充放电；

4.根据权利要求2所述的RC振荡器，其特征在于，所述第一电容控制电路包括第一MOS管、第二MOS管和第三MOS管，所述第二电容控制电路包括第四MOS管、第五MOS管和第六MOS管；

5.根据权利要求4所述的RC振荡器，所述比较器的输出端包括第一输出端和第二输出端；

6.根据权利要求5所述的RC振荡器，其特征在于，所述比较器的第一输出端输出的是非反相输出信号，所述比较器的第二输出端输出的是反相输出信号。

7.根据权利要求1所述的RC振荡器，其特征在于，所述补偿电流源用于输出补偿电流，所述补偿电流的温度特性与所述电阻的温度特性相反。

8.根据权利要求7所述的RC振荡器，其特征在于，所述补偿电流是基于正温度系数和负温度系数确定的。

9.根据权利要求1所述的RC振荡器，其特征在于，所述第一电流源和所述第二电流源为同类型的镜像电流源。

10.一种芯片，其特征在于，包括如权利要求1-9任意一项所述的RC振荡器。