CN1726641A - 温度补偿rc振荡器 - Google Patents

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Abstract

一种RC振荡器(200)，被配置用来改变用以控制振荡的两个电压电平，以使得振荡频率关于温度的变化被最小化。第一电阻(R1)被用来控制所述电压电平中的一个，并且第二电阻(R2)被用来控制另一个电压电平，第二电阻具有不同于第一晶体管温度系数的温度系数。第一电阻(R1)还控制用来对电容(C)进行充电和放电的电流，该电容用来实现振荡。通过对电阻值的适当选择，控制电压和电流的变化使得在控制电压之间对电容(C)进行充电和放电的时间关于温度保持基本恒定。优选地，电阻值还被选择来补偿反馈回路的延迟的温度变化。

Description

温度补偿RC振荡器
本发明涉及电子电路设计领域，并特别涉及温度补偿振荡器。
常规的RC(电阻-电容)振荡器通过经由电阻控制的电流系统地对电容进行充电和放电来操作。振荡器两端的电压被反馈到交替地对电容进行充电和放电的切换装置。当电容上的电压达到上限时，切换装置开始对电容的放电；当电容上的电压达到下限时，切换装置开始对电容的充电。对电容的充电速率和从电容的放电速率由流经电阻的电流来控制，该电容在上限电压和下限电压间产生电压摆动。
图1说明了常规RC振荡器100的现有技术电路图的实例。第一级包括电阻R，其控制流经一对二极管配置的晶体管150a、150b的电流。在该电阻的相对节点处的电压提供一对电压电平，该对电压电平用来控制对电容C的交替充电和放电。
如下面详述的那样，切换级包括一对比较器110、120，双稳态装置130，开关170，以及给电容C提供充电或放电电流的一对晶体管150b、160b。
假定一开始的时候，相应于双稳态装置130的Q输出端处的逻辑“0”，开关170被配置为将电容C耦合到充电晶体管150b。比较器110比较电容C上的电压与电阻R的上节点处的电压电平。当电容C上的电压电平增加到电阻R的上节点处的电压电平时，双稳态装置130被复位，从而在Q输出端处声明逻辑“1”，从而将电容C切换成耦合到放电晶体管160b。此后，当电容C上的电压电平减少到低于电阻R的下节点处的电压电平时，比较器120向双稳态装置130声明一个置位信号。该置位信号在Q输出端产生逻辑“0”，从而将电容C切换回耦合到充电晶体管150b。
当双稳态装置130的置位或复位都没有被声明时，双稳态装置130保留其在前的输出状态。因而，一旦开关170被控制用来将电容耦合到特定的充电/放电晶体管150b/160b，充电/放电就持续到下一个复位/置位信号被声明为止。照这样，切换级分别在电阻R的上、下节点上的第一和第二电压电平之间交替地对电容C进行充电和放电。由于晶体管对150b、160b与晶体管对150a、160a被配置为电流镜，因此电容上的电压在第一和第二电压电平之间的变化速率由电阻R的值控制。
由于相同的电流I被提供来对电容C进行充电和放电，因此振荡将是对称的，并且半周期时间可以被表示为：
T1/2＝((Vh-V1)*C)/I                       (1)
其中Vh是电阻R在比较器110处的节点的上限电压，以及V1是电阻R在比较器120处的节点的下限电压。然而有：
(Vh-V1)＝R*I                              (2)
因此有：
T1/2＝R*C                                 (3)
图1的现有技术RC振荡器100的操作对影响电阻R的值的温度变化特别敏感。尽管电容C的值关于温度相对恒定，但是电阻R的值关于温度显著地变化。假定一个典型的正温度系数，当操作温度增加时，电阻R的电阻增加，从而增加半周期时间，即上面的等式(3)中的T1/2。在多数半导体工艺中，所有电阻的温度系数具有相同的符号，因而用负系数的电阻来抵消正系数电阻的温度变化效应通常是不可能的，反之亦然。
此外还成问题的是，在切换级的反馈回路中存在固有延迟，而该延迟也随着温度增加，从而进一步减小振荡器100的振荡频率。
本发明的一个目的是提供具有减小的温度依赖性的RC振荡器。本发明的另一个目的是以CMOS兼容的形式中提供具有减小的温度依赖性的RC振荡器。
这些目的以及其它目的是通过被配置用来改变用于控制振荡的两个电压电平的RC振荡器来达成的，从而使得关于温度的振荡频率变化被最小化。第一电阻被用来控制所述电压电平中的一个，并且第二电阻被用来控制另一个电压电平，第二电阻具有不同于第一晶体管温度系数的温度系数。第一电阻还控制用来对电容进行充电和放电的电流，该电容用来实现振荡。通过对电阻值的适当选择，控制电压和电流的变化使得在控制电压之间对电容进行充电和放电的时间关于温度基本保持恒定。优选地，所述电阻值还被选择来补偿反馈回路中的延迟的温度变化。
图1说明了现有技术RC振荡器的实例电路图。
图2说明了依据本发明的温度补偿RC振荡器的实例电路图。
贯穿这些图，相同的附图标记涉及相同的元件，或者基本上执行相同功能的元件。
本发明根据这样的观测：在多数半导体工艺中，尽管所有电阻的温度系数具有相同的符号，但是不同电阻类型的温度系数值可以相差一个数量级或更多，并且这种温度系数的差别可以被用来补偿电阻值变化的温度效应，以及其它与温度有关的效应。
为了易于理解，一开始使用零延迟的范例来介绍本发明，其中在电压变化和电压变化效应的结果之间的延迟是零。
图2说明了依据本发明的温度补偿RC振荡器200的实例电路图。相对于实例电路100，这个实例电路200的附加部件是晶体管对150c、160c以及与这些晶体管150c、160c串联的电阻R2。优选地，同P沟道晶体管150a、150b以及150c一样，每一个N沟道晶体管160a、160b以及160c基本相同，但是本领域的普通技术人员将认识到，通过对下面等式的适当改变，能够使用不同大小的晶体管。
二极管配置的N沟道晶体管160c被配置为类似于晶体管160a，并且P沟道晶体管150c被配置为晶体管150a的电流镜，以便使相等的电流流经电阻R1和R2，并且这是对电容C进行充电和放电的相同值的电流I。
为了方便起见，重复等式(1)：
T1/2＝((Vh-V1)*C)/I                     (1)
在电路200中：
Vh＝I*R1+Vn，                           (4)
以及
V1＝I*R2+Vn，                           (5)
因此有：
Vh-V1＝I*(R1-R2)，                      (6)
以及
T1/2＝(R1-R2)*C。                       (7)
其中Vn是二极管连接的N沟道晶体管160a、160c两端的参考电压降，并且R1＞R2。为了保持恒定的振荡周期时间，本发明中的(R1-R2)的值被配置为保持基本恒定，如下面详述的那样。
如同本领域中已知的，电阻关于温度的温度依赖性可以被表示为：
R(T)＝R(T’)*(1+K*(T-T’))                      (8)
其中R(T)是在温度T下的电阻，R(T’)是在温度T’下的电阻，并且K是电阻R的温度系数。本发明根据这样的观测：由于R1比R2大，所以通过选择具有比R1高的温度系数的电阻R2，可以提供基本恒定的电阻差(Rd＝R1-R2)。其中规定K1为电阻R1的温度系数，并且K2为电阻R2的温度系数，等式(7)中的差项(R1-R2)的温度依赖性由下式给出：
Rd(T)＝R1(T’)*(1+K1*(T-T’))-R2(T’)*(1+K2*(T-T’))，   (9)
其中Rd(T)是在温度T下的差额电阻(R1-R2)。
由于差额电阻Rd在所有温度下都应当恒定，因此这种恒定可以在Rd(T)和Rd(T’)下被规定为：
Rd＝Rd(T)＝Rd(T’)＝R1(T’)-R2(T’)。                (10)
从等式(9)和(10)解出R2(T’)和R1(T’)：
R2(T’)＝Rd*(K1/K2-K1))                              (11)
以及
R1(T’)＝Rd+R2(T’)                                  (12)
用以形成电阻的材料通常确定了电阻的温度系数K，并且在给定的温度T’下的电阻通常被规定为在室温下的标称电阻值，并且由电阻材料的尺寸来规定。因而，为了达到基本上的温度独立性，设计者选择电容C的值和差额电阻Rd以达到希望的振荡器频率，然后选择适当的材料使得用于电阻R2的材料的温度系数(K2)比用于电阻R1的材料的温度系数(K1)大，并使用等式(11)和(12)求解出R2和R1的标称电阻。
举例：通过使用5pF的电容C和100,000欧姆的差额电阻Rd，考虑具有1KHz的希望振荡频率的CMOS振荡器的设计。已知N阱电阻的温度系数比P聚合物(Ppoly)电阻的温度系数高；因而，电阻R2将被形成为N阱电阻，电阻R1将被形成为P聚合物电阻。对P聚合物电阻使用0.06％/℃的K1的典型值，并且对N阱电阻使用0.5％/℃的K2：
R2＝100,000*(0.06/(0.50-0.06))＝13,636欧姆，并且
R1＝100,000+13,635＝113,636欧姆。
在上述内容中，反馈回路(从电容C通过比较器110、120、双稳态装置130以及开关170并回到电容C)内的延迟被假定为零。如果延迟D不是基本上为零，则半周期时间可以被表示为：
T1/2＝D(T)+(R1(T)-R2(T))*C，                (13)
其中
D(T)＝D(T’)*(1+Kd*(T-T’))。               (14)
以等效电阻Req乘以电容的形式表示半周期时间：
T1/2＝Req*C＝(D(T)/C+R1(T)-R2(T))*C，       (15)
以及，在T’下有
T1/2＝(D(T’)/C+R1(T’)-R2(T’))*C。        (16)
从等式15和16中求解出R1(T’)和R2(T’)：
R2(T’)＝((D(T’)/C*(Kd-K1)+Req*K1)/(K2-K1)，    (17)
以及
R1(T’)＝Req+R2(T’)。                      (18)
注意Kd的值是工艺参数的函数，其通常显示出偏差。Kd的标称值可以被用在上述等式17、18中以补偿在通常典型情况下的温度变化。如果需要更精确的温度补偿，则电阻R1和R2中的一个或两个被具体实现为“可调整的(trimmable)”电阻。当在参考温度T’(典型地是室温，20℃)下的实际延迟D(T’)和实际温度Kd被确定时，基于振荡器的构造，上述等式(17)和(18)被用来调整电阻R1、R2中的一个或两个，以实现适当的补偿。
上述内容仅仅说明了本发明的原理。因而应当理解，本领域技术人员将能够设计出不同方案，其尽管在此没有明确地描述或示出，但是其体现本发明的原理并因而落在后附的权利要求书的精神和范围内。

Claims (17)

1、一种振荡器(200)，包括：第一电阻(R1)，第二电阻(R2)以及电容(C)，其中振荡器(200)的振荡频率取决于第一电阻(R1)的第一电阻值和第二电阻(R2)的第二电阻值之间的差，第一电阻值比第二电阻值大，第一电阻(R1)显示出关于温度的第一变化速率，并且第二电阻(R2)显示出比第一变化速率大的关于温度的第二变化速率，从而允许由温度引起的第一电阻值的变化由第二电阻值的变化抵消，并且从而减小振荡频率关于温度的变化。
2、如权利要求1所述的振荡器(200)，包括：第一级(150a-R1-160a)，适于耦合到第一电阻(R1)，其被配置用来基于第一电阻值提供第一电压电平；第二级(150c-R2-160c)，适于耦合到第二电阻(R2)，其被配置用来基于第二电阻值提供第二电压电平；以及切换级(110-130，170)，适于耦合到第一级(150a-R1-160a)、第二级(150c-R2-160c)和电容(C)，并被配置用来当电容(C)上的电压增加到第一电压电平时减少该电压，以及当电容(C)上的电压减少到第二电压电平时增加该电压。
3、权利要求2的振荡器(200)，其中第一电阻(R1)基本上控制流经第一级(150a-R1-160a)、第二级(150c-R2-160c)和电容(C)的电流。
4、权利要求3的振荡器(200)，其中流经第一级(150a-R1-160a)、第二级(150c-R2-160c)和电容(C)的电流在数量上基本相等。
5、权利要求4的振荡器(200)，其中基于所述第一电阻值、第一变化速率和第二变化速率来选择第二电阻值。
6、权利要求5的振荡器(200)，其中还基于与振荡器(200)的反馈回路相关的延迟来选择第二电阻值。
7、权利要求5的振荡器(200)，其中在基准温度下的第二电阻值的值包括因数Rd*(K1/(K2-K1))，并且在基准温度下的第一电阻值的值基本上等于Rd加上基准温度下的第二电阻值的值，其中Rd相应于在基准温度下的第一电阻值和第二电阻值之间的差，K1是第一变化速率，并且K2是第二变化速率。
8、权利要求7的振荡器(200)，其中在基准温度下的第二电阻值的值进一步包括第二因数(D/C)*((Kd-K1)/(K2-K1))，其中D是在基准温度下与振荡器(200)的反馈回路有关的延迟，C是电容(C)的电容值，并且Kd是关于温度的延迟的变化速率。
9、权利要求1的振荡器(200)，其中第一电阻(R1)被形成为CMOS装置的P聚合物电阻，并且第二电阻(R2)被形成为CMOS装置的N阱电阻。
10、一种振荡器(200)，包括：第一级(150a-R1-160a)，其包括适于耦合到第一电压源的二极管配置的P沟道装置(150a)、适于耦合到第二电压源的二极管配置的N沟道装置(160a)以及适于串联耦合在二极管配置的P沟道装置(150a)和N沟道装置(160a)之间的第一电阻(R1)，在耦合第一电阻(R1)和二极管配置的P沟道装置(150a)的第一节点上提供第一电压电平；第二级(150c-R2-160c)，其包括适于耦合到第一电压源并具有与第一节点共有的栅极的P沟道装置(150c)、适于耦合到第二电压源的二极管连接的N沟道装置(160c)以及适于串联耦合在第二级(150c-R2-160c)的P沟道装置(150c)和二极管配置的N沟道装置(160c)之间的第二电阻(R2)，在耦合第二电阻(R2)和P沟道装置(150c)的第二节点上提供第二电压电平；切换级(110-130，170)，其被配置用来控制电容(C)上的电压，使得当该电压增加到第一电压电平时减少该电压，以及当该电压减少到第二电压电平时增加该电压。
11、权利要求10的振荡器(200)，其中第一电阻(R1)具有第一温度系数，并且第二电阻(R2)具有比第一温度系数大得多的第二温度系数。
12、权利要求11的振荡器(200)，其中在耦合第一电阻(R1)和第一级(150a-R1-160a)的二极管配置的N沟道装置(160a)的参考节点上提供参考电压，以及切换级(110-130，170)包括适于耦合到第一电压源并具有与第一节点共有的栅极的P沟道装置(150b)以及适于耦合到第二电压源并具有与参考节点共有的栅极的N沟道装置(160b)，其中切换级(110-130，170)被配置用来耦合电容(C)和切换级(110-130，170)的P沟道装置(150b)以增加电容(C)上的电压，并耦合电容(C)和切换级(110-130，170)的N沟道装置(160b)以减少电容(C)上的电压。
13、权利要求12的振荡器(200)，其中切换级(110-130，170)包括：第一比较器(110)，其被配置用来比较电容(C)上的电压和第一电压电平；第二比较器(120)，其被配置用来比较电容(C)上的电压与第二电压电平；以及双稳态装置(130)，其被配置用来基于第一比较器(110)的输出和第二比较器(120)的输出控制电容(C)和切换级(110-130，170)的P沟道装置(150b)以及N沟道装置(160b)的耦合。
14、权利要求10的振荡器(200)，其中在耦合第一电阻(R1)和第一级(150a-R1-160a)的二极管配置的N沟道装置(160a)的参考节点上提供参考电压，以及切换级(110-130，170)包括适于耦合到第一电压源并具有与第一节点共有的栅极的P沟道装置(150b)以及适于耦合到第二电压源并具有与参考节点共有的栅极的N沟道装置(160b)，其中切换级(110-130，170)被配置用来耦合电容(C)和切换级(110-130，170)的P沟道装置(150b)以增加电容(C)上的电压，并耦合电容(C)和切换级(110-130，170)的N沟道装置(160b)以减少电容(C)上的电压。
15、权利要求14的振荡器(200)，其中切换级(110-130，170)包括：第一比较器(110)，其被配置用来比较电容(C)上的电压和第一电压电平；第二比较器(120)，其被配置用来比较电容(C)上的电压和第二电压电平；以及双稳态装置(130)，其被配置用来基于第一比较器(110)的输出和第二比较器(120)的输出控制电容(C)和切换级(110-130，170)的P沟道装置(150b)以及N沟道装置(160b)的耦合。
16、权利要求10的振荡器(200)，其中切换级(110-130，170)包括：第一比较器(110)；其被配置用来比较电容(C)上的电压和第一电压电平；第二比较器(120)，其被配置用来比较电容(C)上的电压和第二电压电平；以及双稳态装置(130)，其被配置用来基于第一比较器(110)的输出和第二比较器(120)的输出控制施加到电容(C)的电流的方向以增加或减小电容(C)上的电压。
17、权利要求10的振荡器(200)，其中第一电阻(R1)被形成为P聚合物电阻，并且第二电阻(R2)被形成为N阱电阻。
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