TWI673952B - Rc振盪器 - Google Patents
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Abstract
一種RC振盪器，包含一閂鎖器、一第一類比開關、一第二類比開關、一第一反相器、一第二反相器、一第一動態比較器及一第二動態比較器，其特徵在於，該RC振盪器的輸出振盪信號的高電位期間和低電位期間都是由同一電流源對兩個尺寸相同的MOS電容，由零電位充電至一參考電位所花的時間決定，且該電流源係一具有溫度補償效果的電流源。
Description
本發明係關於一種RC振盪器，特別是關於一種電路複雜度較低，對稱性較高，且系統功耗及晶片面積較小的RC振盪器。
目前常見的RC振盪器的電路結構如圖1所示，其中，該RC振盪器具有一充電電流源11、一第一開關12、一第二開關13、一放電電流源14、一電容15、一第一動態比較器16、一第二動態比較器17及一RS閂鎖器18，且其中，第一開關12係用以在信號Q的控制下閘控充電電流源11以決定是否對電容15充電；第二開關13係用以在信號QB的控制下閘控放電電流源14以決定是否對電容15放電；第一動態比較器16係用以使電容15的電壓VC和一第一閾值電壓VH進行比較，以在VC高於VH時，使第一動態比較器16的輸出信號R=1（即高電位），及在VC不高於VH時，使第一動態比較器16的輸出信號R=0（即低電位）；第二動態比較器17係用以使電容15的電壓VC和一第二閾值電壓VL進行比較，以在VC低於VL時，使第二動態比較器17的輸出信號S=1（即高電位），及在VC不低於VL時，使第二動態比較器17的輸出信號S=0（即低電位）；以及RS閂鎖器18係在R=1且S=0時，輸出Q=0且QB=1，在R=0且S=1時，輸出Q=1且QB=0，及在R=0且S=0時，不改變Q和QB的狀態。
於操作時，假設初始狀態為VC=0， R=0，S=1，則Q=1，QB=0且充電電流源11對電容15充電，則當VC高於VL但未到VH時，第二動態比較器17翻轉使S=0，由於此時R=0，因此Q、QB狀態保持不變；當VC高於VH時，第一動態比較器16翻轉使R=1，由於此時S=0，因此RS閂鎖器18的輸出會變成Q=0，QB=1，從而啟動放電電流源14對電容15放電；在電容15放電的過程中，當VC未低於VL時，R=0且S=0，因此Q、QB狀態保持不變；當電容15的放電過程進展到VC低於VL時，第二動態比較器17會翻轉使S=1，由於此時R=0，因此促使RS閂鎖器18反轉，Q=1，QB=0，以使充電電流源11對電容15充電，如此周而復始，從而產生振盪信號。
由上述的分析可知，於穩態時，Q=1的持續時間係由電容15的充電時間t1決定，而Q=0的持續時間則係由電容15的放電時間t2決定，其中，t1=C*(VH-VL)/ICHG，t2=C*(VH-VL)/IDISCHG，其中，C為電容15的電容值，ICHG為充電電流源11的電流值，IDISCHG為放電電流源14的電流值，且該RC振盪器的振盪周期= t1+ t2。也就是說，藉由改變C、VH-VL、ICHG及IDISCHG中的任一個就可以調節該RC振盪器的振盪頻率。
然而，圖1的RC振盪器具有以下的缺點：(1)須兩個比較器同時工作，使得功耗較大；(2)需要產生兩個翻轉電壓，使得電路的複雜度較高、對稱性較差、輸出頻率的精確度低；(3) 振盪頻率對溫度和工藝角(process corner)的變化很敏感；以及(4)其電容器使晶片的面積增大。
為解決上述問題，本領域亟需一新穎的RC振盪器。
本發明之目的在於揭露一種新型的RC振盪器，其具有較低電路複雜度和較高對稱性，其輸出頻率受溫度和工藝角影響較小，同時兼顧較低的系統功耗和較小的晶片面積。
為達上述目的，一種RC振盪器乃被提出，其包含：
一閂鎖器，具有一第一輸入端、一第二輸入端、一第一輸出端及一第二輸出端；
一第一類比開關，用以在該第一輸出端呈現低電位時導通；
一第二類比開關，用以在該第一輸出端呈現高低電位時導通；
一第一反相器，耦接於一第一電流源和一參考地之間，且係依該第一輸出端的電壓的控制對一第一電容器進行充電或放電；
一第二反相器，耦接於該第一電流源和所述參考地之間，且係依該第二輸出端的電壓的控制對一第二電容器進行充電或放電；
一第一動態比較器，具有一偏置電流輸入端、一正輸入端、一負輸入端、一強制輸入端及一輸出端，其中，該偏置電流輸入端係與所述第一類比開關耦接，該正輸入端係與一參考電壓耦接，該負輸入端係與該第一電容器的電壓耦接，該強制輸入端係與該第一輸出端耦接，且該輸出端係與該閂鎖器的所述第一輸入端耦接，其中，當所述第一類比開關導通時，一第二電流源即可提供一偏置電流以致能該第一動態比較器，而當所述第一類比開關被斷開時，該第一動態比較器的電壓比較操作即被禁能，及當該第一輸出端呈現高電位時，該第一動態比較器的所述輸出端會被強制為高電位；以及
一第二動態比較器，具有一偏置電流輸入端、一正輸入端、一負輸入端、一強制輸入端及一輸出端，其中，該偏置電流輸入端係與所述第二類比開關耦接，該正輸入端係與所述參考電壓耦接，該負輸入端係與該第二電容器的電壓耦接，該強制輸入端係與該第二輸出端耦接，且該輸出端係與該閂鎖器的所述第二輸入端耦接，其中，當所述第二類比開關導通時，該第二電流源即提供一偏置電流以致能該第二動態比較器，而當所述第二類比開關被斷開時，該第二動態比較器的電壓比較操作即被禁能，及當該第二輸出端呈現高電位時，該第二動態比較器的所述輸出端會被強制為高電位。
在一實施例中，該第一類比開關係由一第一PMOS和第一NMOS連接而成。
在一實施例中，該第二類比開關係由一第二PMOS和一第二NMOS 連接而成。
在一實施例中，該第一反相器係由一第三PMOS和一第三NMOS疊接而成。
在一實施例中，該第二反相器係由一第四PMOS和一第四NMOS疊接而成。
在一實施例中，該第一電容器係由一第五PMOS實現，且該第二電容器係由一第六PMOS實現。
在一實施例中，該第一電流源和該第二電流源均由一電流源電路產生，該電流源電路具有一電流鏡電路及複數個輸出電流調整單元，該電流鏡電路係用以依一偏壓電流產生所述第一電流源的一第一電流和所述第二電流的一第二電流，且各所述輸出電流調整單元均可透過其內部一類比開關的控制被選通以調整所述第一電流和所述第二電流的大小。
在一實施例中，該偏壓電流係由一偏壓電流產生電路產生，該偏壓電流產生電路包含一正溫度係數電流源電路、一第一輸出電流調整電路、一負溫度係數電流源電路及一第二輸出電流調整電路，其中，該正溫度係數電流源電路和該第一輸出電流調整電路係用以產生一正溫度係數電流，且該負溫度係數電流源電路和該第二輸出電流調整電路係用以產生一負溫度係數電流，且該偏壓電流係由該正溫度係數電流和該負溫度係數電流組成。
為使 貴審查委員能進一步瞭解本發明之結構、特徵及其目的，茲附以圖式及較佳具體實施例之詳細說明如後。
請參照圖2，其繪示本發明之RC振盪器之一實施例電路圖。
如圖2所示，該RC振盪器包含一第一動態比較器100a、一第二動態比較器100b、一閂鎖器110、一第一輸出反相器111、一第二輸出反相器112、一第一PMOS 121a、一第二PMOS 121b、一第一NMOS 122a、一第二NMOS 122b、一第三PMOS 123a、一第四PMOS 123b、一第三NMOS 124a、一第四NMOS 124b、一第五PMOS 125a、一第六PMOS 125b、一第一電流源131及一第二電流源132。相對於現有技術，本發明之RC振盪器電路中以尺寸相同之第五PMOS 125a及第六PMOS 125b取代電容器C，以縮小晶片面積。換言之，第五PMOS 125a及第六PMOS 125b於本發明之RC振盪器中係各用做一電容器。
閂鎖器110具有一第一輸入端R、一第二輸入端S、一第一輸出端Q及一第二輸出端QB，第二輸出端QB係與第一輸出反相器111耦接以提供一振盪信號OSC。
第一PMOS 121a係和第一NMOS 122a連接成一第一類比開關以在Q=0時導通，第二PMOS 121b係和第二NMOS 122b連接成一第二類比開關以在Q=1時導通，也就是說，所述第一類比開關的導通期間和所述第二類比開關的導通期間係互斥。
第三PMOS 123a係和第三NMOS 124a疊接成一第一反相器，該第一反相器係耦接於第一電流源131和一參考地之間，且係依閂鎖器110之第一輸出端Q的電壓控制對第五PMOS 125a所形成的一第一電容器進行充電或放電；第四PMOS 123b係和第四NMOS 124b疊接成一第二反相器，該第二反相器係耦接於第一電流源131和所述參考地之間，且係依閂鎖器110之第二輸出端QB的電壓控制對第六PMOS 125b所形成的一第二電容器進行充電或放電。
第一電流源131具有一第一電流I1，用以對第五PMOS 125a所形成的所述第一電容器或第六PMOS 125b所形成的所述第二電容器進行充電；第二電流源132具有一第二電流I2，係用以對第一動態比較器100a或第二動態比較器100b提供偏置電流。
第一動態比較器100a具有一偏置電流輸入端、一正輸入端、一負輸入端、一強制輸入端及一輸出端，其中，該偏置電流輸入端係與所述第一類比開關耦接，該正輸入端係與一參考電壓VREF耦接，該負輸入端係與該第一電容器的電壓VA耦接，該強制輸入端係與第一輸出端Q耦接，且該輸出端係與閂鎖器110的第一輸入端R耦接，其中，當所述第一類比開關導通時，第二電流I2即可提供一偏置電流以致能第一動態比較器100a，而當所述第一類比開關被斷開時，第一動態比較器100a的電壓比較操作即被禁能。另外，當第一輸出端Q=1時，第一動態比較器100a的所述輸出端會被強制為高電位。
第二動態比較器100b具有一偏置電流輸入端、一正輸入端、一負輸入端、一強制輸入端及一輸出端，其中，該偏置電流輸入端係與所述第二類比開關耦接，該正輸入端係與一參考電壓VREF耦接，該負輸入端係與該第二電容器的電壓VB耦接，該強制輸入端係與第二輸出端QB耦接，且該輸出端係與閂鎖器110的第二輸入端S耦接，其中，當所述第二類比開關導通時，第二電流I2即可提供一偏置電流以致能第二動態比較器100b，而當所述第二類比開關被斷開時，第二動態比較器100b的電壓比較操作即被禁能。另外，當第二輸出端QB=1時，第二動態比較器100b的所述輸出端會被強制為高電位。
於操作時，當閂鎖器110之第一輸入端R為低電位、第二輸入端S為高電位時，整個電路的動作順序如下：
(1)第一輸出端Q為高電位，第二輸出端QB為低電位，使得所述第一類比開關被斷開且所述第二類比開關導通以禁能第一動態比較器100a的電壓比較操作並致能第二動態比較器100b的電壓比較操作，所述第一反相器的第三PMOS 123a被斷開且第三NMOS 124a被導通，所述第二反相器的第四PMOS 123b被導通且第四NMOS 124b被斷開，以及第一動態比較器100a的所述輸出端被強制為高電位以使第一輸入端R和第二輸入端S均呈現高電位；
(2)第五PMOS 125a所形成的所述第一電容器經第三NMOS 124a的導通通道被放電，第一電流源131的第一電流I1經由第四PMOS 123b的導通通道對第六PMOS 125b所形成的所述第二電容器充電；以及
(3)當所述第二電容器在經一充電時間後的電壓VB高於參考電壓VREF時，第二動態比較器100b的輸出電壓會由高變低以使第二輸入端S由高電位變為低電位，此時，由於第一輸入端R呈現高電位而第二輸入端S呈現低電位，所以Q會輸出低電位， QB會輸出高電位。
另外，當閂鎖器110之第一輸入端R為高電位、第二輸入端S為低電位時，整個電路的動作順序如下：
(1)第一輸出端Q為低電位，第二輸出端QB為高電位，使得所述第一類比開關被導通且所述第二類比開關斷開以致能第一動態比較器100a的電壓比較操作並禁能第二動態比較器100b的電壓比較操作，所述第一反相器的第三PMOS 123a被導通且第三NMOS 124a被斷開，所述第二反相器的第四PMOS 123b被斷開且第四NMOS 124b被導通，以及第二動態比較器100b的所述輸出端被強制為高電位以使第一輸入端R和第二輸入端S均呈現高電位；
(2) 第六PMOS 125b所形成的所述第二電容器經第四NMOS 124b的導通通道被放電，第一電流源131的第一電流I1經由第三PMOS 123a的導通通道對第五PMOS 125a所形成的所述第一電容器充電；以及
(3)當所述第一電容器在經一充電時間後的電壓VA高於參考電壓VREF時，第一動態比較器100a的輸出電壓會由高變低以使第一輸入端R由高電位變為低電位，此時，由於第一輸入端R呈現低電位而第二輸入端S呈現高電位，所以Q會輸出高電位， QB會輸出低電位。
也就是說，每經過一段所述的充電時間，Q就會由高電位變為低電位或由低電位變為高電位，如此，便可產生一周期性的振盪信號。
也就是說，本發明的RC振盪器的振盪週期T可透過以下公式計算：
C為前述由第五PMOS 125a及第六PMOS 125b形成之電容，td為所述的充電時間，VREF為參考電壓，I1為第一電流。由前述的公式可看出，圖2所示的RC振盪器的振盪週期的精度主要是受電容C和第一電流I1的影響，亦即受溫度和工藝角變化的影響。
為了降低第一電流I1對溫度和工藝角變化的敏感度，本發明進一步提出一電流源電路。請一併參照圖3及圖4，其繪示本發明所採之一電流源電路之一實施例電路圖。如圖3所示，一電流源電路140包括一電流鏡電路141及複數個輸出電流調整單元142，其中，電流鏡電路141係用以依一偏壓電流IBIAS產生第一電流I1和第二電流I2，且各輸出電流調整單元142均可透過其內部一類比開關的控制被選通以調整第一電流I1和第二電流I2的大小，從而補償工藝角對頻率造成的偏差。一般會將第一電流I1和第二電流I2預設配置為一中間值，以保證中心頻率在兩個方向上有最大的調整範圍。
另外，該電流源電路進一步包含如圖4所示的一偏壓電流產生電路150以產生偏壓電流IBIAS，偏壓電流產生電路150包含一正溫度係數電流源電路151、一第一輸出電流調整電路152、一負溫度係數電流源電路153及一第二輸出電流調整電路154，其中，正溫度係數電流源電路151和第一輸出電流調整電路152係用以產生一正溫度係數電流IPTAT，且負溫度係數電流源電路153和第二輸出電流調整電路154係用以產生一負溫度係數電流ICTAT，且IBIAS係由正溫度係數電流IPTAT和負溫度係數電流ICTAT組成。
也就是說， IPTAT和ICTAT都由固定電流部分和可調電流組成：
其中，I3為IPTAT之固定電流，Ip為IPTAT的可調單位電流，n1為第一輸出電流調整電路152內部的電流調整單元的數位配置(為1、2、4、8的任一組合)選通數，I4為ICTAT的固定電流，In為ICTAT的可調單位電流，n2為第二輸出電流調整電路154內部的電流調整單元的數位配置(為1、2、4、8的任一組合)選通數。I3與Ip有相同的正溫度係數Kp，I4與In有相同的負溫度係數Kn。
假設
則可得出以下公式 I
BIAS= I
PTAT+ I
CTAT
將I
BIAS對溫度T求導數可得：
Kp與Kn均由工藝和結構決定，通過配置n1和n2，可使RC振盪器之頻率不受溫度影響。
藉由前述所揭露的設計，本發明乃具有以下的優點：
1. 對兩個動態比較器採用相同的翻轉電壓，使結構完全對稱，匹配度較高，複雜度降低，節省面積。
2. 兩個動態比較器交替開關，降低系統功耗。
3. 本發明設計具有溫度補償的基準電流IBIAS，充放電電流與動態比較器偏置電流均以同一基準電流源IBIAS通過鏡像產生，使RC振盪器頻率不隨溫度變化。
4. 本發明對基準電流源IBIAS增加數位修調電路，用以校正RC振盪器頻率受工藝角影響的偏差。
5. 用MOS電容代替片上電容，一方面降低電容對溫度的敏感度，另一方面減小晶片面積。
本案所揭示者，乃較佳實施例，舉凡局部之變更或修飾而源於本案之技術思想而為熟習該項技藝之人所易於推知者，俱不脫本案之專利權範疇。
綜上所陳，本案無論目的、手段與功效，皆顯示其迥異於習知技術，且其首先發明合於實用，確實符合發明之專利要件，懇請 貴審查委員明察，並早日賜予專利俾嘉惠社會，是為至禱。
11‧‧‧充電電流源
12‧‧‧第一開關
13‧‧‧第二開關
14‧‧‧放電電流源
15‧‧‧電容
16‧‧‧第一動態比較器
17‧‧‧第二動態比較器
18‧‧‧RS閂鎖器
100a‧‧‧第一動態比較器
100b‧‧‧第二動態比較器
110‧‧‧閂鎖器
111‧‧‧第一輸出反相器
112‧‧‧第二輸出反相器
121a‧‧‧第一PMOS
121b‧‧‧第二PMOS
122a‧‧‧第一NMOS
122b‧‧‧第二NMOS
123a‧‧‧第三PMOS
123b‧‧‧第四PMOS
124a‧‧‧第三NMOS
124b‧‧‧第四NMOS
125a‧‧‧第五PMOS
125b‧‧‧第六PMOS
131‧‧‧第一電流源
132‧‧‧第二電流源
140‧‧‧電流源電路
141‧‧‧電流鏡電路
142‧‧‧輸出電流調整單元
150‧‧‧偏壓電流產生電路
151‧‧‧正溫度係數電流源電路
152‧‧‧第一輸出電流調整電路
153‧‧‧負溫度係數電流源電路
154‧‧‧第二輸出電流調整電路
圖1繪示現有技術之RC振盪器之電路示意圖。 圖2繪示本發明之RC振盪器之一實施例電路圖。 圖3繪示本發明所採之一電流源電路之一實施例電路圖。 圖4繪示圖3之電流源電路之一偏壓電流產生電路之一實施例電路圖。
Claims (7)
- 一種RC振盪器，包含：一閂鎖器，具有一第一輸入端、一第二輸入端、一第一輸出端及一第二輸出端；一第一類比開關，用以在該第一輸出端呈現低電位時導通；一第二類比開關，用以在該第一輸出端呈現高低電位時導通；一第一反相器，耦接於一第一電流源和一參考地之間，且係依該第一輸出端的電壓的控制對一第一電容器進行充電或放電；一第二反相器，耦接於該第一電流源和所述參考地之間，且係依該第二輸出端的電壓的控制對一第二電容器進行充電或放電；一第一動態比較器，具有一偏置電流輸入端、一正輸入端、一負輸入端、一強制輸入端及一輸出端，其中，該偏置電流輸入端係與所述第一類比開關耦接，該正輸入端係與一參考電壓耦接，該負輸入端係與該第一電容器的電壓耦接，該強制輸入端係與該第一輸出端耦接，且該輸出端係與該閂鎖器的所述第一輸入端耦接，其中，當所述第一類比開關導通時，一第二電流源即可提供一偏置電流以致能該第一動態比較器，而當所述第一類比開關被斷開時，該第一動態比較器的電壓比較操作即被禁能，及當該第一輸出端呈現高電位時，該第一動態比較器的所述輸出端會被強制為高電位；以及一第二動態比較器，具有一偏置電流輸入端、一正輸入端、一負輸入端、一強制輸入端及一輸出端，其中，該偏置電流輸入端係與所述第二類比開關耦接，該正輸入端係與所述參考電壓耦接，該負輸入端係與該第二電容器的電壓耦接，該強制輸入端係與該第二輸出端耦接，且該輸出端係與該閂鎖器的所述第二輸入端耦接，其中，當所述第二類比開關導通時，該第二電流源即提供一偏置電流以致能該第二動態比較器，而當所述第二類比開關被斷開時，該第二動態比較器的電壓比較操作即被禁能，及當該第二輸出端呈現高電位時，該第二動態比較器的所述輸出端會被強制為高電位；其中，該第一電流源和該第二電流源均由一電流源電路產生，該電流源電路具有一電流鏡電路及複數個輸出電流調整單元，該電流鏡電路係用以依一偏壓電流產生所述第一電流源的一第一電流和所述第二電流的一第二電流，且各所述輸出電流調整單元均可透過其內部一類比開關的控制被選通以調整所述第一電流和所述第二電流的大小。
- 如請求項1所述之RC振盪器，其中，該第一類比開關係由一第一PMOS和第一NMOS連接而成。
- 如請求項1所述之RC振盪器，其中，該第二類比開關係由一第二PMOS和一第二NMOS連接而成。
- 如請求項1所述之RC振盪器，其中，該第一反相器係由一第三PMOS和一第三NMOS疊接而成。
- 如請求項1所述之RC振盪器，其中，該第二反相器係由一第四PMOS和一第四NMOS疊接而成。
- 如請求項1所述之RC振盪器，其中，該第一電容器係由一第五PMOS實現，且該第二電容器係由一第六PMOS實現。
- 如請求項1所述之RC振盪器，其中，該偏壓電流係由一偏壓電流產生電路產生，該偏壓電流產生電路包含一正溫度係數電流源電路、一第一輸出電流調整電路、一負溫度係數電流源電路及一第二輸出電流調整電路，其中，該正溫度係數電流源電路和該第一輸出電流調整電路係用以產生一正溫度係數電流，且該負溫度係數電流源電路和該第二輸出電流調整電路係用以產生一負溫度係數電流，且該偏壓電流係由該正溫度係數電流和該負溫度係數電流組成。
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