CN203775142U

CN203775142U - 数字rc振荡器

Info

Publication number: CN203775142U
Application number: CN201420111580.7U
Authority: CN
Inventors: 于云丰; 黄伟; 潘文光; 肖时茂
Original assignee: WUXI ZHONGKE MICROELECTRONIC INDUSTRIAL TECHNOLOGY RESEARCH INSTITUTE Co Ltd
Current assignee: WUXI ZHONGKE MICROELECTRONIC INDUSTRIAL TECHNOLOGY RESEARCH INSTITUTE Co Ltd
Priority date: 2014-03-12
Filing date: 2014-03-12
Publication date: 2014-08-13
Anticipated expiration: 2024-03-12

Abstract

本实用新型提供一种数字RC振荡器，包括电压产生模块、OSC输出模块、可变电容Cx、可变电阻Rx以及MCU微控制器；电压产生模块用于与可变电阻Rx共同协作产生充放电电流对可变电容Cx进行充放电，以产生一个交变的电压VB，输入到OSC输出模块；OSC输出模块利用上述输入的电压VB，产生RC振荡器输出信号的同相信号Q和反相信号QN，并反馈控制电压产生模块对可变电容Cx的充放电；MCU用于设置可变电容Cx、可变电阻Rx的值以使RC振荡器获得相应的输出频率值。本实用新型具有频率精准，不易受环境温度、工艺偏差、电源电压变化影响，容易集成于SoC片上单芯片系统等特点。

Description

数字RC振荡器

技术领域

本实用新型涉及半导体集成电路，尤其是一种RC振荡器。

背景技术

RC振荡器的原理是一个稳定电流对一个电容充电，电容上下极板电压之差（实际上电容下极板接地，所以上下极板电压差就是上极板的电压）与两个标准电压进行比较，所以上极板的电压在时间参数上表现为一组三角波，三角波的波峰波谷值分别为两个标准电压，三角波的上升时间可以表示为

t_{r} = A \frac{ΔVC}{I}

这里，A是一个比例值，与充电的线性度有关，ΔV是两个标准电压之差，C是充电电容值，I是充放电电流。

三角波的下降时间就可以表示为

t_f=BCΔV/I

B是一个比例值，与放电的线性度有关。

三角波的频率也就是RC振荡器的频率值为

F_out=I/[(A+B)CΔV]=αI/ΔVC=αV/RCΔV∝1/RC

α=1/(A+B)

通过上述的推导，可以看出，RC振荡器的输出频率只与充电电流的电阻以及充电电容的乘积成反相关。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种数字RC振荡器，具有频率精准，不易受环境温度、工艺偏差、电源电压变化影响，容易集成于SoC片上单芯片系统等特点。本实用新型采用的技术方案是：

一种数字RC振荡器，包括电压产生模块、OSC输出模块、可变电容Cx、可变电阻Rx以及MCU微控制器；电压产生模块用于与可变电阻Rx共同协作产生充放电电流对可变电容Cx进行充放电，以产生一个交变的电压VB，输入到OSC输出模块；OSC输出模块利用上述输入的电压VB，产生RC振荡器输出信号的同相信号Q和反相信号QN，并反馈控制电压产生模块对可变电容Cx的充放电；MCU用于设置可变电容Cx、可变电阻Rx的值以使RC振荡器获得相应的输出频率值。

进一步地，电压产生模块包括启动电路、电流产生及偏置电路以及电流充放电电路；启动电路包括PMOS管M1p、M2p，NMOS管M0n、M1n、M2n；电流产生及偏置电路包括PMOS管M3p、M4p、M5p、M6p、M7p、M8p、M9p、M10p和NMOS管M3n、M4n、M5n、M6n、M7n、M8n、M9n；电流充放电电路包括PMOS管M11p、M12p、M13p、M14p和NMOS管M10n、M11n、M13n、M14n。

进一步地，电压产生模块的另一种结构包括包括启动电路、电流产生及偏置电路以及电流充放电电路；启动电路包括PMOS管M1p、M2p，NMOS管M0n、M1n、M2n；电流产生及偏置电路包括PMOS管M3p、M4p、M5p、M6p、M7p、M8p、M9p、M10p和NMOS管M3n、M5n、M7n、M9n，以及PNP三极管Q1和Q2；电流充放电电路包括PMOS管M11p、M12p、M13p、M14p和NMOS管M10n、M11n、M13n、M14n。

进一步地，可变电容Cx采用由控制字C[m:0]控制电容值的可变电容阵列；可变电阻Rx采用由控制字R[n:0]控制电阻值的可变电阻阵列。

进一步地，OSC输出模块包括两个比较器U1和U2以及一个RS触发器U3；比较器U1的同相输入端接参考电压VREF1，反相输入端接电压VB；比较器U2的反相输入端接参考电压VREF2，同相输入端接电压VB；VREF2大于VREF1；比较器U1的输出端接U3的S端，比较器U2的输出端接U3的R端，U3的Q端和端分别输出RC振荡器输出信号的同相信号Q和反相信号QN。

本实用新型的优点：结构简单而实用，而且可以与通信系统其它模块集成在同一款芯片中，提高了集成度并降低了系统成本。它适用于射频无线通信收发器、发射器、片上单芯片系统等，适用于CMOS工艺，BiCMOS工艺，甚至Bipolar工艺，SiGe、AsGa，InPGa等工艺。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图。

图2a为本实用新型的电压产生模块之一的结构示意图。

图2b为本实用新型的电压产生模块之二的结构示意图。

图3为本实用新型的OSC输出模块的结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体附图和实施例对本实用新型作进一步说明。

本实用新型所提出的数字RC振荡器，如图1所示，包括电压产生模块11、OSC输出模块12、可变电容Cx、可变电阻Rx以及MCU微控制器。

电压产生模块11用于与可变电阻Rx共同协作产生充放电电流对可变电容Cx进行充放电，以产生一个交变的电压VB，输入到OSC输出模块12；OSC输出模块12利用上述输入的电压VB，产生RC振荡器输出信号的同相信号Q和反相信号QN，并反馈控制电压产生模块11对可变电容Cx的充放电；MCU用于设置可变电容Cx、可变电阻Rx的值以使RC振荡器获得相应的输出频率值。

实施例一。

本实施例中，电压产生模块11的结构如图2a所示，包括启动电路、电流产生及偏置电路以及电流充放电电路；启动电路包括PMOS管M1p、M2p，NMOS管M0n、M1n、M2n；电流产生及偏置电路包括PMOS管M3p、M4p、M5p、M6p、M7p、M8p、M9p、M10p和NMOS管M3n、M4n、M5n、M6n、M7n、M8n、M9n；电流充放电电路包括PMOS管M11p、M12p、M13p、M14p和NMOS管M10n、M11n、M13n、M14n；

M1p的源极接正电源，栅极接自身漏极以及M2p的源极；M2p的栅极接自身漏极、M0n栅极以及M1n的漏极和栅极；M1n的源极接M2n的栅极和漏极；M2n源极接地；M0n的漏极接正电源；

M3p和M5p的源极接正电源，栅极对接；M3p的漏极接M4p的源极，M5p的漏极接自身栅极和M6p的源极；M4p和M6p的栅极对接；M4p的漏极接M0n的源极、M3n的漏极和栅极；M6p的漏极接自身栅极、M5n的漏极；M3n和M5n的栅极对接；M3n的源极接M4n的漏极和栅极，M5n的源极接M6n的漏极；M4n和M6n的栅极对接；M4n的源极接地；

M7p和M9p的源极接正电源，栅极对接；M7p的漏极接自身栅极和M8p源极，M9p的漏极接M10p的源极；M8p和M10p的栅极对接；M8p的漏极接自身栅极和M7n的漏极，M7n的栅极接M5n的栅极，M7n的源极接M8n的漏极；M8n的栅极接M6n的栅极，M8n的源极接M6n的源极；M10p的漏极接M9n的漏极和栅极，M9n的源极接地；

M8n的源极和M6n的源极连接的节点用于连接一端接地的可变电阻Rx的另一端；

M11p和M12p的源极接正电源，栅极对接；M11p的漏极接自身栅极和M10n漏极，M10n的栅极接M9n的栅极，M10n的源极接地；M12p的漏极接M13n的漏极和M14p的源极；M11n的栅极接M10n的栅极，M11n的源极接地，M11n的漏极接M13p的漏极和M14n的源极；M13n源极、M14p漏极、M13p源极、M14n漏极接在一起并连接一端接地的可变电容Cx的另一端，输出充放电电流对可变电容Cx进行充放电，产生一个电压VB；

M14p栅极和M13n栅极分别受控于RC振荡器输出信号的同相信号Q和反相信号QN；M14n栅极和M13p栅极分别受控于RC振荡器输出信号的同相信号Q和反相信号QN。

上述电路的核心是电流产生及偏置电路，它的主要作用是产生两个工作于亚阈值区的MOS管栅源级电压的差值，这个差值会远远小于MOS管工作于饱和区或者线性区的差值，有效地降低RC振荡器的功耗。图2a中，M4n的栅源极电压比M6n和M8n的栅源极电压大。电流充放电电路中M10n和M11p均为镜像电流源，而M11n和M12p则是作为电荷泵放电电流沉和充电电流源。Q与QN分别是RC振荡器输出信号的同相信号和反相信号。充电开关是由M13n和M14p组成的充电差分对，放电开关是由M13p和M14n组成的放电差分对，这里充放电开关都是PMOS与NMOS对，分别由Q和QN控制，可以减小开、关电流的不匹配，提高了输出频率的稳定性，降低了噪声。电压产生模块与可变电阻Rx共同协作产生对可变电容进行充放电的电流，通过改变可变电阻Rx就能得到充放电电流值，改变充放电电流值和可变电容值即可改变RC振荡器输出频率值。产生的充放电电流对可变电容Cx进行充放电，产生了一个电压VB值，输入到OSC输出模块12。

OSC输出模块12，如图3所示，包括两个比较器U1和U2以及一个RS触发器U3；比较器U1的同相输入端接参考电压VREF1，反相输入端接电压VB；比较器U2的反相输入端接参考电压VREF2，同相输入端接电压VB；VREF2大于VREF1；比较器U1的输出端接U3的S端，比较器U2的输出端接U3的R端，U3的Q端和端分别输出RC振荡器输出信号的同相信号Q和反相信号QN。

OSC输出模块12的工作原理为，两个比较器的输入分别为两个预先设定的参考标准，VREF1和VREF2，VB与这两个预先设定的参考标准进行比较：当充电电流对可变电容Cx进行充电，VB一直在升高，当VB升高至VREF2，RS触发器U3被触发，Q和QN打开电压产生模块11中放电差分对，放电电流对可变电容Cx放电，VB下降，当VB下降到VREF1，RS触发器U3被触发，Q和QN打开电压产生模块11中充电差分对，充电电流对可变电容Cx充电，VB上升，这样一个完整的RC振荡器震荡周期就完成了。这两个预先设定的参考标准的数值决定了RC振荡器充放电时间的长短，采用比较器而非迟滞器的好处就在于前者可以获得更高的增益，而且受工艺等参数影响小。OSC输出模块12采用RS触发器对两个比较器的输出进行逻辑操作，使得输出信号的正负两路信号更接近于两相信号，减小了对电压产生模块11中充放电开关MOS对的控制信号之间延迟。

可变电容Cx采用由控制字C[m:0]控制电容值的可变电容阵列；可变电阻Rx采用由控制字R[n:0]控制电阻值的可变电阻阵列。通过MCU就可以设置可变电容Cx、可变电阻Rx的值。通过调整可变电阻阵列以改变电压产生模块11输出的充放电电流大小，再结合通过调整可变电容阵列的值，就可以精确设置RC振荡器的输出频率值。

实施例二。

在实施例二中，电压产生模块11的结构与实施例一有些不一样，其它部分的结构同实施例一。

如图2b所示，本实施例中，电压产生模块11包括启动电路、电流产生及偏置电路以及电流充放电电路。

启动电路包括PMOS管M1p、M2p，NMOS管M0n、M1n、M2n；电流产生及偏置电路包括PMOS管M3p、M4p、M5p、M6p、M7p、M8p、M9p、M10p和NMOS管M3n、M5n、M7n、M9n，以及PNP三极管Q1和Q2；电流充放电电路包括PMOS管M11p、M12p、M13p、M14p和NMOS管M10n、M11n、M13n、M14n；

M3p和M5p的源极接正电源，栅极对接；M3p的漏极接M4p的源极，M5p的漏极接自身栅极和M6p的源极；M4p和M6p的栅极对接；M4p的漏极接M0n的源极、M3n的漏极和栅极；M6p的漏极接自身栅极、M5n的漏极；M3n和M5n的栅极对接；M3n的源极接Q1的集电极，Q1的基极和发射极接地；

M7p和M9p的源极接正电源，栅极对接；M7p的漏极接自身栅极和M8p源极，M9p的漏极接M10p的源极；M8p和M10p的栅极对接；M8p的漏极接自身栅极和M7n的漏极，M7n的栅极接M5n的栅极，M7n的源极接M5n的源极；M10p的漏极接M9n的漏极和栅极，M9n的源极接地；Q2的基极和发射极接地；

M7n的源极和M5n的源极连接的节点用于连接可变电阻Rx的一端，Q2的集电极用于连接可变电阻Rx的另一端；

M11p和M12p的源极接正电源，栅极对接；M11p的漏极接自身栅极和M10n 漏极，M10n的栅极接M9n的栅极，M10n的源极接地；M12p的漏极接M13n的漏极和M14p的源极；M11n的栅极接M10n的栅极，M11n的源极接地，M11n的漏极接M13p的漏极和M14n的源极；M13n源极、M14p漏极、M13p源极、M14n漏极接在一起并连接一端接地的可变电容Cx的另一端，输出充放电电流对可变电容Cx进行充放电，产生一个电压VB；

上述电路的核心是电流产生及偏置电路，它的主要作用是产生两个三极管基极-发射极电压差值，这个差值只与KT（K为伯尔曼常数，T为开尔文温度）以及发射极面积比例的对数值有关，合理设置发射极面积比例可以有效地降低RC振荡器的功耗。电流充放电电路中M10n和M11p均为镜像电流源，而M11n和M12p则是作为电荷泵放电电流沉和充电电流源。Q与QN分别是RC振荡器输出信号的同相信号和反相信号。充电开关是由M13n和M14p组成的充电差分对，放电开关是由M13p和M14n组成的放电差分对，这里充放电开关都是PMOS与NMOS对，分别由Q和QN控制，可以减小开、关电流的不匹配，提高了输出频率的稳定性，降低了噪声。电压产生模块11与可变电阻Rx共同协作产生对可变电容Cx进行充放电的电流，通过改变可变电阻Rx就能得到充放电电流值，改变充放电电流值和可变电容值即可改变RC振荡器输出频率值。产生的充放电电流对可变电容Cx进行充放电，产生了一个电压VB值，输入到OSC输出模块12。

Claims

1. 一种数字RC振荡器，其特征在于：包括电压产生模块(11)、OSC输出模块(12)、可变电容Cx、可变电阻Rx以及MCU微控制器；

电压产生模块(11)用于与可变电阻Rx共同协作产生充放电电流对可变电容Cx进行充放电，以产生一个交变的电压VB，输入到OSC输出模块(12)；OSC输出模块(12)利用上述输入的电压VB，产生RC振荡器输出信号的同相信号Q和反相信号QN，并反馈控制电压产生模块(11)对可变电容Cx的充放电；MCU用于设置可变电容Cx、可变电阻Rx的值以使RC振荡器获得相应的输出频率值。

2.如权利要求1所述的数字RC振荡器，其特征在于：

电压产生模块(11)包括启动电路、电流产生及偏置电路以及电流充放电电路；启动电路包括PMOS管M1p、M2p，NMOS管M0n、M1n、M2n；电流产生及偏置电路包括PMOS管M3p、M4p、M5p、M6p、M7p、M8p、M9p、M10p和NMOS管M3n、M4n、M5n、M6n、M7n、M8n、M9n；电流充放电电路包括PMOS管M11p、M12p、M13p、M14p和NMOS管M10n、M11n、M13n、M14n；

3.如权利要求1所述的数字RC振荡器，其特征在于：

电压产生模块(11)包括包括启动电路、电流产生及偏置电路以及电流充放电电路；启动电路包括PMOS管M1p、M2p，NMOS管M0n、M1n、M2n；电流产生及偏置电路包括PMOS管M3p、M4p、M5p、M6p、M7p、M8p、M9p、M10p和NMOS管M3n、M5n、M7n、M9n，以及PNP三极管Q1和Q2；电流充放电电路包括PMOS管M11p、M12p、M13p、M14p和NMOS管M10n、M11n、M13n、M14n；

4.如权利要求2或3所述的数字RC振荡器，其特征在于：

可变电容Cx采用由控制字C[m:0]控制电容值的可变电容阵列；可变电阻Rx采用由控制字R[n:0]控制电阻值的可变电阻阵列。

5.如权利要求4所述的数字RC振荡器，其特征在于：

OSC输出模块(12)包括两个比较器U1和U2以及一个RS触发器U3；比较器U1的同相输入端接参考电压VREF1，反相输入端接电压VB；比较器U2的反相输入端接参考电压VREF2，同相输入端接电压VB；VREF2大于VREF1；比较器U1的输出端接U3的S端，比较器U2的输出端接U3的R端，U3的Q端和端分别输出RC振荡器输出信号的同相信号Q和反相信号QN。