CN217307642U

CN217307642U - 一种宽电压范围低温漂的rc振荡电路

Info

Publication number: CN217307642U
Application number: CN202221207985.1U
Authority: CN
Inventors: 夏建宝; 陈志明; 温赠良; 钟旭恒
Original assignee: Xiamen Pengpai Microelectronics Co ltd
Current assignee: Xiamen Pengpai Microelectronics Co ltd
Priority date: 2022-05-19
Filing date: 2022-05-19
Publication date: 2022-08-26
Anticipated expiration: 2032-05-19

Abstract

本实用新型属于RC振荡电路技术领域，具体提供一种宽电压范围低温漂的RC振荡电路，包括：vref标准电路、RC充放电电路和比较器电路；所述vref标准电路包括运放及vref产生电路，所述vref产生电路由电阻串接入电源vdda和地之间产生；所述运放的正输入端接vref，所述运放的负输入端与所述RC充放电电路之间通过开关电连接；所述运放的输出端vopa与所述比较器电路的正输入端电连接，所述比较器电路的负输入端与所述RC充放电电路之间通过开关电连接。该方案常温下校准精度在0.5％以内，在宽电压(1.8‑5.5V)全温度(‑45‑125°)下绝对精度在±1％以内，且在振荡频率范围内都具有低温漂特性。

Description

一种宽电压范围低温漂的RC振荡电路

技术领域

本实用新型涉及RC振荡电路技术领域，更具体地，涉及一种宽电压范围低温漂的RC振荡电路。

背景技术

SOC或者MCU芯片需要一个与温度及电源电压不相关的输出振荡频率，现有芯片公司都能做到常温土1％，但全电压、全温度条件下则只能达到土3％左右，极少数公司可以接近土2％，这主要是内部时钟精度比较容易受到电压，尤其是温度的影响，在对时钟精度比较有要求的应用场合，通常需要额外配置板上晶体，使用晶体时钟来保证芯片的时钟精度，晶体振荡器虽受电源电压及温度波动的影响极小，但是晶体振荡器体积较大、价格昂贵等影响了晶体振荡器的使用范围。

发明内容

本实用新型针对现有技术中存在的晶体振荡器体积较大、价格昂贵等影响了晶体振荡器的使用范围的技术问题。

本实用新型提供了一种宽电压范围低温漂的RC振荡电路，包括：

vref标准电路、RC充放电电路和比较器电路；

所述vref标准电路包括运放及vref产生电路，所述vref产生电路由电阻串接入电源vdda和地之间产生；

所述运放的正输入端接vref，所述运放的负输入端与所述RC充放电电路之间通过开关电连接；所述运放的输出端vopa与所述比较器电路的正输入端电连接，所述比较器电路的负输入端与所述RC充放电电路之间通过开关电连接。

优选地，所述RC充放电电路和比较器电路均各自包括两个，且相对于所述运放的负输入端对称分布。

优选地，所述RC振荡电路还包括RC有源滤波电路，所述RC有源滤波电路包括电阻R2和电容C0，所述运放的负端一方面与所述运放的输出端vopa通过所述电容C0电连接，所述运放的负端另一方面还与所述RC充放电电路之间通过所述电阻R2电连接。

优选地，所述RC充放电电路包括电阻R和电容C，所述电阻R的一端通过开关接电源vdda，另一端通过电容C接地。

优选地，所述电源vdda为低压差线性稳压器LDO。

优选地，所述电阻R为5比特位数、32个阶梯的修调步数的可调电阻。

优选地，所述RC振荡电路还包括频率调节电路，所述频率调节电路包括串联的电阻R0和电阻R1，所述R0的一端连接电源vdda，所述R1的一端接地，所述R0的另一端及所述R1的另一端均与所述运放的正输入端电连接。

有益效果：本实用新型提供的一种宽电压范围低温漂的RC振荡电路，包括：vref标准电路、RC充放电电路和比较器电路；所述vref标准电路包括运放及vref产生电路，所述vref产生电路由电阻串接入电源vdda和地之间产生；所述运放的正输入端接vref，所述运放的负输入端与所述RC充放电电路之间通过开关电连接：所述运放的输出端vopa与所述比较器电路的正输入端电连接，所述比较器电路的负输入端与所述RC充放电电路之间通过开关电连接。该方案常温下校准精度在0.5％以内，在宽电压(1.8-5.5V)全温度(-45-125°)下绝对精度在±1％以内，且在振荡频率范围内都具有低温漂特性。

附图说明

图1为传统的RC振荡电路图；

图2为本实用新型提供的一种宽电压范围低温漂的RC振荡电路图；

图3为本实用新型提供的一种宽电压范围低温漂的RC振荡电路的振荡波形图；

图4为本实用新型提供的一种宽电压范围低温漂的RC振荡电路的振荡频率随k的变化图；

图5为本实用新型提供的一种宽电压范围低温漂的RC振荡电路的运放与比较器电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本实用新型的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本实用新型，但不用来限制本实用新型的范围。

图1为本实用新型提供的一种一种宽电压范围低温漂的RC振荡电路，包括：vref标准电路、RC充放电电路和比较器电路；

该方案常温下校准精度在0.5％以内，在宽电压(1.8-5.5V)全温度(-45-125°)下绝对精度在±1％以内，且在振荡频率范围内都具有低温漂特性。

其中，所述电源vdda为低压差线性稳压器LDO。RC振荡电路还包括RC有源滤波电路，所述RC有源滤波电路包括电阻R2和电容C0，所述运放的负端一方面与所述运放的输出端vopa通过所述电容C0电连接，所述运放的负端另一方面还与所述RC充放电电路之间通过所述电阻R2电连接。

传统的RC振荡电路见附图1，将电容上的电压固定在近似VREFL和VREFH之间，根据电流对电容充放电公式

当电容C上的电压VC低于VREFL时，s＝0PMOS开关导通Ipbias电流源对电容进行充电；当电容上的电压高于VREFH时，s＝1NMOS开关导通Inbias电流源对电容进行放电，这样电路输出周期性的时钟(只需图中的S后面加一些数字buffer即可产生时钟)。但是该电路在实际实现时有如下几个问题：1.不同工作电压和温度下，比较器延时td的不同会导致振荡器频率的变化。2.电流源Ipbias和Inbias在VC电压变化时会产生变化，导致振荡频率发生变化。

附图2为本申请实施例提供的RC振荡电路，振荡波形如附图3，图2中比较器部分、RC充放电电路左右完全对称。所以以左边电路来叙述振荡电路的工作原理。其中RC充放电电路包括电阻R和电容C，这里的电阻R为Rtemptrim的简写，电容C为Ctrim的简写。

其中，所述RC充放电电路包括电阻R和电容C，所述电阻R的一端通过开关接电源vdda，另一端通过电容C接地。

电阻R2和电容C0组成有源滤波电路，当电阻R2＞＞Rtemptrim时，可以看出：在电容充电时Vosca的电压为：

同时在低频下电阻R2两端的电压相等，为简单起见假设运放是理想的，即运放的正负端电压相等(运放的虚短特性)，可以得出

即半个振荡周期内Vosca对时间的积分面积应该对于vref对时间的积分面积。

所述RC振荡电路还包括频率调节电路，所述频率调节电路包括串联的电阻R0和电阻R1，所述R0的一端连接电源vdda，所述R1的一端接地，所述R0的另一端及所述R1的另一端均与所述运放的正输入端电连接。

所述RC振荡电路还包括频率调节电路，所述频率调节电路包括串联的电阻R0和电阻R1，所述R0的一端连接电源vdda，所述R1的一端接地，所述R0的另一端及所述R1的另一端均与所述运放的正输入端电连接。令k＝vref/vdda。

联立式(1)和(2)得：

已知频率f_rcosc＝1/T，所以从公式(3)可以看出，f_rcosc只与k、Rtemptrim、Ctrim相关和芯片工作电压以及比较器的延时td无关。实际实现中，考虑到运放毕竟不是理想的运放，运放的增益跟电压还是有点弱相关，所以把RC振荡电路放到低压差线性稳压器LDO下面，这样效果更好。只用考虑k、Rtemptrim、Ctrim这三个参数的温度特性。由于k＝vref/vdda，可以用同类型的电阻串分压的形式保证k的零温度系数，同时CMOS工艺中C的温度系数基本可以忽略(大概在10个ppm左右)，所以只用将Rtemptrim设计成接近零温度系数即可(实际实现时可以用Rtemptrim的温度系数去抵消轻微的Ctrim的温度系数)。CMOS工艺中一般poly电阻具有负温度系数的特性而diffusion电阻具有正的温度系数特性，可以用这两种类型电阻设计出接近零温度系数的电阻。考虑到实际的工艺受process corner影响，把Rtemptrim做成5bit 32个step的TRIM修调(即电阻R为5比特位数、32个阶梯的修调步数的可调电阻)，每个step 0.5％的温度变化，整个温度特性可以覆盖±8％，足以应付主流的CMOS工艺(如果工艺比较糟糕可以适当增加Rtemptrim比特位数)。这样就设计出宽电压范围低温漂的RC振荡电路。

Rtemptrim值固定下来后，频率就之和k和Ctrim相关，先固定Ctrim的值，看下振荡频率f_rcosc和系数k的关系。以设计24MHz频率振荡电路来举例，实际电路中采取把k固定在0.25到0.75之间，用9bit来修调，保证每步k的变化在0.1％以内。如附图4所示，当k＝0.25时频率为63.13MHz，当k＝0.5时频率为24MHz，当k＝0.75时频率为9.755MHz。振荡频率的变化范围为9.755M-63.13MHz(如需要更宽的频率范围可以把k范围进一步扩大)，而且在振荡的任意一个频率点处由于Rtemptrim都一样，且不受比较器延时td的影响，所以本振荡电路在振荡范围内的任意频率上都具有低温漂特性。当k每变化0.1％时，频率的每个step变化在0.3％-0.5％之间，呈现中间变化小两头变化大的特性，所以在实际电路中，可以对Ctrim先进行粗调，用4bit每个step大概在10％左右来粗调振荡频率(同时振荡频率范围被进一步拓宽)，使得k在0.5附近来确保设计电路在不同的process corner下能振荡到想要的目标频率，且具有更好的细调step频率精度。

最后将运放和比较器的主体电路画在附图5中，比较器电路与运放电路类似，只是去掉了用于补偿相位的MOS电容M1和增加几档电流控制以确保比较器能够正常工作。取k的值在0.25-0.75之间，所以上面的运放需要输入rail to rail的运放。比较器的负端为电源电压vdda对电容充电，电压变化也会从0变化到很高，如附图3所示，比较器正端的电压为运放OPA的输出，也会变化很大(取决于vref和比较器的延时td)，所以比较器也需要输入railto rail。至此就设计出了一种宽电压范围低温漂的RC振荡电路。

尽管已描述了本实用新型的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本实用新型范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本实用新型进行各种改动和变型而不脱离本实用新型的精神和范围。这样，倘若本实用新型的这些修改和变型属于本实用新型权利要求及其等同技术的范围之内，则本实用新型也意图包括这些改动和变型在内。

Claims

1.一种宽电压范围低温漂的RC振荡电路，其特征在于，包括：

vref标准电路、RC充放电电路和比较器电路；

2.根据权利要求1所述的宽电压范围低温漂的RC振荡电路，其特征在于，所述RC充放电电路和比较器电路均各自包括两个，且相对于所述运放的负输入端对称分布。

3.根据权利要求1所述的宽电压范围低温漂的RC振荡电路，其特征在于，所述RC振荡电路还包括RC有源滤波电路，所述RC有源滤波电路包括电阻R2和电容C0，所述运放的负端一方面与所述运放的输出端vopa通过所述电容C0电连接，所述运放的负端另一方面还与所述RC充放电电路之间通过所述电阻R2电连接。

4.根据权利要求1所述的宽电压范围低温漂的RC振荡电路，其特征在于，所述RC充放电电路包括电阻R和电容C，所述电阻R的一端通过开关接电源vdda，另一端通过电容C接地。

5.根据权利要求1所述的宽电压范围低温漂的RC振荡电路，其特征在于，所述电源vdda为低压差线性稳压器LDO。

6.根据权利要求4所述的宽电压范围低温漂的RC振荡电路，其特征在于，所述电阻R为5比特位数、32个阶梯的修调步数的可调电阻。

7.根据权利要求1所述的宽电压范围低温漂的RC振荡电路，其特征在于，所述RC振荡电路还包括频率调节电路，所述频率调节电路包括串联的电阻R0和电阻R1，所述R0的一端连接电源vdda，所述R1的一端接地，所述R0的另一端及所述R1的另一端均与所述运放的正输入端电连接。