CN203590176U - Rc振荡器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型实施例提供了一种低噪声低功耗RC振荡器,其包括比较器、两相不交叠时钟产生电路,第一充电电路、第二充电电路、开关选择电路、基准电压产生电路,其中,所述第一充电电路包括第一电阻、第一电容、第一、第五开关,所述第二充电电路包括第二电阻、第二电容、第四、第六开关;所述比较器具有正输入端、负输入端以及输出端;采用本实用新型实施例提供的低功耗RC振荡器,通过电阻替代电流源给电容充电,可以减少器件的噪声。
Description
技术领域
本实用新型涉及电子领域,具体涉及一种低噪声低功耗的RC振荡器。
背景技术
在许多便携式电子设备,例如蓝牙等系统中,通常需要低噪声的振荡器,以作为睡眠模式的计时时钟,该振荡器通常需要较低的功耗。图1是现有技术中的一种RC振荡器的结构图,其中I1-I4为四个电流源,右侧为或非门和反相器组成的振荡电压产生电路,和由两个开关和一个电容构成的两个基准电压产生电路。在一个周期内,左侧开关下拉C1的电压之后,电流源I1给C1充电,当C1两端的电压达到M1的阈值电压时,M1导通,下拉M1的源极和漏极电压,导致振荡产生电流源的下输入端的电压反转,导致其输出也翻转,从而使得C2的控制开关导通,下拉C2的电压,之后I3给C2充电一直到达M2的阈值电压后,振荡产生电流源的上输入端的电压反转,形成一个周期。如果M1与M2存在失配,则两者的阈值电压会有偏差,假设M1的阈值电压为Vth,M2的阈值电压为Vth+Vos,则周期偏差为Vos/Vth,Vos本身有噪声,它会使频率出现较大抖动(jitter),即噪声较大;同时四个电流源I1~I4由MOS管镜像,所以也存在较大失配,假设I1和I3有失配,为I1+△I,则周期偏差为△I/I1,△I本身有噪声,使频率出现较大抖动jitter。
可见传统结构RC振荡器噪声较大。若要减小噪声,必须加大管子的跨导,这需要消耗较大的功耗。
实用新型内容
本实用新型的目的是提供一种RC振荡器,以降低RC振荡器的频率抖动。
为实现上述目的,本实用新型实施例提供了一种RC振荡器,其包括比较器、两相不交叠时钟产生电路,第一充电电路、第二充电电路、开关选择电路、基准电压产生电路,其中,所述第一充电电路包括第一电阻、第一电容、第一、第五开关,所述第二充电电路包括第二电阻、第二电容、第四、第六开关;所述比较器具有正输入端、负输入端以及输出端;
所述两相不交叠时钟产生电路根据所述比较器的输出端的输出电压,周期性生成两相不交叠的高、低电平时钟信号,其具有第一、第二两个输出端,所述两个输出端分别控制所述第一充电电路和所述第二充电电路;
当所述第一输出端为有效电平时,所述电源通过所述第一充电电路为所述第一电容充电,所述开关选择电路控制所述比较器的正输入端,采集所述第一电容的电压,所述比较器的负输入端,从所述基准电压采集电路采集基准电压,当所述第一电容的电压达到所述基准电压时,经过所述比较器的延时,所述比较器的输出电压反转;
所述比较器的输出电压反转后,所述两相不交叠时钟产生电路的第二输出端为有效电平,所述电源通过所述第二充电电路为所述第二电容充电,所述开关选择电路控制所述比较器的负输入端,采集所述第二电容的电压,所述比较器的正输入端,从所述基准电压产生电路采集基准电压,当所述第二电容的电压达到所述基准电压时,经过所述比较器的延时,所述比较器的输出电压反转,所述第一输出端输出有效电平。
依照本实用新型实施例提供的RC振荡器,所述基准电压产生电路包括第三电阻和第三电容,所述第三电容与所述第三电阻并联,所述第三电阻一端接地,另一端连接到所述开关选择电路,当第一输出端为有效电平时,接入所述比较器的负输入端,当所述第二输出端为有效电平时,接入所述比较器的正输入端。
依照本实用新型实施例提供的RC振荡器,所述第一电阻一端连接电源,另一端连接所述第一开关的漏极、所述第一开关的源极连接所述第一电容的一端,所述第一电容另一端接地,所述第一开关的栅极连接所述第一输出端,所述第五开关的漏极连接在所述第一电容和所述第一开关的连接点,所述第五开关的源极接地,所述第五开关的栅极连接所述第二输出端。
依照本实用新型实施例提供的RC振荡器,所述第二电阻一端连接电源,另一端连接所述第四开关的漏极、所述第四开关的源极连接所述第二电容的一端,所述第二电容另一端接地,所述第四开关的栅极连接所述第二输出端,所述第六开关的漏极连接在所述第二电容和所述第四开关的连接点,所述第六开关的源极接地,所述第六开关的栅极连接所述第一输出端。
依照本实用新型实施例提供的RC振荡器,所述第二电阻通过第三开关连接到所述基准电压产生电路,所述第一电阻通过第二开关所述基准电压产生电路,当所述第一输出端输出有效电平时,所述第三开关导通,所述第二开关截止,当所述第二输出端输出有效电平时,所述第三开关截止,所述第二开关导通。
依照本实用新型实施例提供的RC振荡器,所述开关选择电路进一步包括:
第七开关,其栅极连接所述第一输出端,漏极连接所述第一充电电路、其源极连接所述比较器的正输入端;
第八开关,其栅极连接所述第二输出端,漏极连接所述基准电压产生电路、其源极连接所述比较器的正输入端;
第九开关,其栅极连接所述第一输出端,漏极连接所述基准电压产生电路、其源极连接所述比较器的负输入端;
第十开关,其栅极连接所述第二输出端,漏极连接所述第二充电电路、其源极连接所述比较器的负输入端。
依照本实用新型实施例提供的RC振荡器,所述第一输出端和所述第二输出端的电压在高电平时为有效电平。
依照本实用新型实施例提供的RC振荡器,所述第一电阻和第二电阻的阻值相同,所述第一电容和所述第二电容的电容量相同。
依照本实用新型实施例提供的RC振荡器,所述第一、第二、第三、第四、第五、第六、第七、第八、第九第十开关均为NMOS晶体管。
采用本实用新型实施例提供的RC振荡器,通过电阻替代电流源给电容充电,可以减少器件的噪声。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案,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实用新型的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动性的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是现有技术的一种RC振荡器的原理图;
图2是本实用新型实施例提供的一种RC振荡电路的原理图;
图3是本实用新型实施例提供的RC振荡电路的时序图;
图4是本实用新型实施例中的比较器的一种实施例的结构图;
图5是本实用新型实施例中的噪声频谱图。
具体实施方式
下面通过附图和实施例,对本实用新型的技术方案做进一步的详细描述。
为实现上述目的,本实用新型实施例提供了一种低功耗RC振荡器,其包括比较器205、两相不交叠时钟产生电路206,第一充电电路201、第二充电电路202、开关选择电路203、基准电压产生电路204。
所述两相不交叠时钟产生电路206根据所述比较器205的输出端的输出电压,周期性生成两相不交叠的高、低电平时钟信号,其具有第一、第二两个输出端(Φ1、Φ2),所述两个输出端分别控制所述第一充电电路201和所述第二充电电路202,所述比较器优选高速比较器,例如图4所述的实施例,不多赘述。
其中,所述第一充电电路201包括第一电阻R1、第一电容C1、第一、第五开关(S1、S5),所述第二充电电路202包括第二电阻R2、第二电容C2、第四、第六开关(S4、S6);所述比较器205具有正输入端POS、负输入端NEG以及输出端,输出端作为两相不交叠时钟产生电路206的输入,基准电压产生电路204包括第三电阻R3和第三电容C3,两者并联。
在第一充电电路201中,所述R1一端连接电源,另一端连接所述S1的漏极、所述S1的源极连接所述C1的一端,所述C1另一端接地,所述S1的栅极连接所述两相不交叠时钟产生电路206的第一输出端Φ1,所述S5的漏极连接在C1和S1的连接点,所述S5的源极接地,所述S5的栅极连接所述两相不交叠时钟产生电路206D第二输出端Φ2。
在第二充电电路202中,R2一端连接电源,另一端连接S4的漏极、S4的源极连接C2的一端,C2另一端接地,S4的栅极连接两相不交叠时钟产生电路206的第二输出端Φ2,S6的漏极连接在C2和S4的连接点,S6的源极接地,栅极连接两相不交叠时钟产生电路206的第一输出端Φ1。
所述基准电压产生电路204包括第三电阻R3和第三电容C3,C3与R3并联,R3一端接地,另一端连接到所述开关选择电路203,当第一输出端Φ1为有效电平时,接入所述比较器205的负输入端NEG,当所述第二输出端Φ2为有效电平时,接入所述比较器205的正输入端POS。
开关选择电路206进一步包括第七开关S7,其栅极连接所述第一输出端Φ1,漏极连接所述第一充电电路201、其源极连接所述比较器205的正输入端POS;第八开关S8,其栅极连接所述第二输出端Φ2,漏极连接所述基准电压采集电路204、其源极连接所述比较器205的正输入端POS;第九开关S9,其栅极连接所述第一输出端Φ1,漏极连接所述基准电压采集电路204、其源极连接所述比较器205的负输入端NEG;第十开关S10,其栅极连接所述第二输出端Φ2,漏极连接所述第二充电电路202、其源极连接所述比较器205的负输入端NEG。
在本实用新型实施例中,所有的开关均为NMOS晶体管,但是,所属领域的技术人员应当理解,可以将全部的NMOS晶体管替换为PMOS晶体管,并通过有效电平的控制,完成相同的工作,或者同时采用PMOS和NMOS晶体管作为开关。
当Φ1为有效电平时,所述电源通过所述第一充电电路201为C1充电,所述开关选择电路203控制所述比较器205的正输入端POS,采集C1的电压,所述比较器205的负输入端NEG,从所述基准电压产生电路204采集基准电压Vref,当C1的电压达到所述基准电压Vref的阈值时,经过所述比较器205的延时,所述比较器205的输出电压反转;
所述比较器205的输出电压反转后,所述两相不交叠时钟产生电路206的第二输出端Φ2输出有效电平,所述电源通过所述第二充电电路202为C2充电,所述开关选择电路控制所述比较器205的负输入端NEG,采集C2的电压,所述比较器205的正输入端POS,从所述基准电压产生电路204采集基准电压Vref,当所述C2的电压达到所述基准电压的阈值时,经过所述比较器205的延时,所述比较器205的输出电压反转,Φ1输出有效电平。
R2通过S3连接到所述基准电压产生电路204,R1通过S2所述基准电压产生电路204,当Φ1输出有效电平时,S3导通,S2截止,当Φ1输出有效电平时,S3截止,S2导通。
在本实用新型实施例中,Φ1和Φ2均为高电平有效,低电平无效,在采用不同的MOS管等器件时,也有可能Φ1和Φ2均为高电平无效,低电平有效。
在一种理想的情况下,所述第一电阻和第二电阻的阻值相同,所述第一电容和所述第二电容的电容量相同,也就是说R1=R2,C1=C2。
当Φ1为高,Φ2为低时,图2中与Φ1连接的NMOS管导通,与Φ2连接的NMOS管关断,电源通过R1给C1充电,当电容C1电压V1充至基准电压的阈值R3/(R2+R3)时,经过比较器205的延时td,比较器205输出翻转,Φ2为高,Φ1为低;所有与Φ2连接的NMOS管导通,与Φ1连接的的NMOS管截止,电源通过R2给C2充电,当电容C2电压V2充至基准阈值R3/(R1+R3)时,经过比较器的延时td,比较器再次翻转,完成一个周期。其输出电平状态,如图2所示。
两相不交叠时钟产生电路206根据由比较器205输出产生Φ1和Φ2两个不交叠的时钟信号,如果没有两相不交叠时钟,这样V1(或V2)在充电开始时会受干扰,V1电压在开始时会受上下两个开关导通电阻的影响,引入噪声;V1(或V2)不是由0开始上升,也会造成振荡频率的偏差。开关s7~s10是为减少s2、s3寄生电阻的影响,直接从Vref处取电压。
在理想的情况下,R1=R2,C1=C2,电阻不存在失配。忽略比较器205延时,在Φ1为高电平时,电容C1的充电时间为:
在Φ2为高电平时,电容C2充电时间为:
则一个时钟周期长度为:
假设比较器205有offset(偏差)电压Vos,忽略比较器205延时,在Φ1为高电平时,C1充电时间为:
在Φ2为高电平时,电容C2充电时间为:
则一个时钟周期长度为:
可见与传统结构相比,Vos的影响大为减少。
假设R1与R2存在失配,R2=R1+△R,在Φ1为高电平时,电容C1充电时间改写为:
在Φ2为高电平时,电容C2的充电时间为:
则一个时钟周期长度为:
经推导易知,无论R1、R2、R3取何值,t12+t22对△R的影响具有一定抵消作用,从而减小了jitter。
另外,在IC制造中,电阻的匹配度高于MOS管,这也使△R的值相对较小,从而使得功耗和抖动都变小。
采用本实用新型实施例提供的低噪声低功耗RC振荡器,通过斩波(chopping)技术减少比较器的噪声,通过电阻替代电流源给电容充电,可以减少器件的噪声。由图4在相同的功耗下,新结构的噪声低于传统RC振荡器;而相同噪声下,新结构的RC振荡器功耗低于传统RC振荡器。
图5为本实用新型实施例的噪声能量谱,由频谱可以计算,计数0.1s时间,均方根误差1.213ppm;计数1s时间,均方根误差0.819ppm。随着计时时间的延长,抖动越小,这是本结构噪声减少技术的作用。适合在系统中进行精确计时。
以上所述的具体实施方式,对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明,所应理解的是,以上所述仅为本实用新型的具体实施方式而已,并不用于限定本实用新型的保护范围,凡在本实用新型的精神和原则之内,所做的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种RC振荡器,其特征在于,包括比较器、两相不交叠时钟产生电路,第一充电电路、第二充电电路、开关选择电路、基准电压产生电路,其中,所述第一充电电路包括第一电阻、第一电容、第一、第五开关,所述第二充电电路包括第二电阻、第二电容、第四、第六开关;所述比较器具有正输入端、负输入端以及输出端;
所述两相不交叠时钟产生电路根据所述比较器的输出端的输出电压,周期性生成两相不交叠的高、低电平时钟信号,其具有第一、第二两个输出端,所述两个输出端分别控制所述第一充电电路和所述第二充电电路;
当所述第一输出端为有效电平时,所述电源通过所述第一充电电路为所述第一电容充电,所述开关选择电路控制所述比较器的正输入端,采集所述第一电容的电压,所述比较器的负输入端,从所述基准电压产生电路采集基准电压,当所述第一电容的电压达到所述基准电压时,经过所述比较器的延时,所述比较器的输出电压反转;
所述比较器的输出电压反转后,所述两相不交叠时钟产生电路的第二输出端为有效电平,所述电源通过所述第二充电电路为所述第二电容充电,所述开关选择电路控制所述比较器的负输入端,采集所述第二电容的电压,所述比较器的正输入端,从所述基准电压产生电路采集基准电压,当所述第二电容的电压达到所述基准电压时,经过所述比较器的延时,所述比较器的输出电压反转,所述第一输出端输出有效电平。
2.如权利要求1所述的RC振荡器,其特征在于,所述基准电压产生电路包括第三电阻和第三电容,所述第三电容与所述第三电阻并联,所述第三电阻一端接地,另一端连接到所述开关选择电路,当第一输出端为有效电平时,接入所述比较器的负输入端,当所述第二输出端为有效电平时,接入所述比较器的正输入端。
3.如权利要求1所述的RC振荡器,其特征在于,所述第一电阻一端连 接电源,另一端连接所述第一开关的漏极、所述第一开关的源极连接所述第一电容的一端,所述第一电容另一端接地,所述第一开关的栅极连接所述第一输出端,所述第五开关的漏极连接在所述第一电容和所述第一开关的连接点,所述第五开关的源极接地,所述第五开关的栅极连接所述第二输出端。
4.如权利要求1所述的RC振荡器,其特征在于,所述第二电阻一端连接电源,另一端连接所述第四开关的漏极、所述第四开关的源极连接所述第二电容的一端,所述第二电容另一端接地,所述第四开关的栅极连接所述第二输出端,所述第六开关的漏极连接在所述第二电容和所述第四开关的连接点,所述第六开关的源极接地,所述第六开关的栅极连接所述第一输出端。
5.如权利要求1所述的RC振荡器,其特征在于,所述第二电阻通过第三开关连接到所述基准电压产生电路,所述第一电阻通过第二开关连接到所述基准电压产生电路,当所述第一输出端输出有效电平时,所述第三开关导通,所述第二开关截止,当所述第二输出端输出有效电平时,所述第三开关截止,所述第二开关导通。
6.如权利要去1至5任一项所述的RC振荡器,其特征在于,所述开关选择电路进一步包括:
第七开关,其栅极连接所述第一输出端,漏极连接所述第一充电电路、其源极连接所述比较器的正输入端;
第八开关,其栅极连接所述第二输出端,漏极连接所述基准电压产生电路、其源极连接所述比较器的正输入端;
第九开关,其栅极连接所述第一输出端,漏极连接所述基准电压产生电路、其源极连接所述比较器的负输入端;
第十开关,其栅极连接所述第二输出端,漏极连接所述第二充电电路、其源极连接所述比较器的负输入端。
7.如权利要求1至5任一项所述的RC振荡器,其特征在于,所述第一输出端和所述第二输出端的电压在高电平时为有效电平。
8.如权利要求1至5任一项所述的RC振荡器,其特征在于,所述第一电阻和第二电阻的阻值相同,所述第一电容和所述第二电容的电容量相同。
9.如权利要求1至5任一项所述的RC振荡器,其特征在于,所述第一、第二、第三、第四、第五、第六、第七、第八、第九第十开关均为NMOS晶体管。
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