RC振荡器及其实现方法
技术领域
本发明涉及一种振荡器及其实现方法,特别是涉及一种不依赖温度、电源电压的RC振荡器及其实现方法。
背景技术
RC振荡器即阻容振荡器(R:电阻;C:电容)。在越来越多的芯片设计中需要使用RC振荡器,随着技术的进步,对RC振荡器的要求也越来越高,在降低成本的同时对电压和温度的适应性要求越来越高。
图1是一种传统RC振荡器的示意图,如图1所示,传统的RC振荡器包括反相器(102、104及108)、电容C1、电阻R1以及反相单元106。其中反相器102的输入端耦接至节点N11,其输出端耦接至反相器104的输入端,反相器104的输出端耦接至节点N12,电容C1耦接于节点N11与N12之间,电阻R1耦接于节点N11与节点N13之间,反相单元106为一与非门,其耦接于节点N12与节点N13之间,根据致能信号EN而使RC振荡器为导通或不导通,以节省电力消耗,反相器108的输入端耦接至节点N13,其输出端用以产生输出信号110。
然而,对于传统的RC振荡器,其振荡频率往往容易受到工艺变化、温度变化及电压变化的影响而造成误差,不易获得精准的振荡频率。
综上所述,可知先前技术的RC振荡器的振荡频率易受工艺、温度及电压等变化影响导致不易获得精准振荡频率的问题,因此,实有必要提出改进的技术手段,来解决此一问题。
发明内容
为克服上述现有技术存在的不易获得精准振荡频率的问题,本发明的主要目的在于提供RC振荡器及其实现方法,使其输出频率不随温度及电源电压变化,能够产生较为精准的振荡频率。
为达上述及其它目的,本发明一种RC振荡器,至少包括:
镜像恒流源产生电路,该镜像恒流源产生电路至少产生一基准偏置电流、一M倍基准偏置电流的偏置电流以及一K倍基准偏置电流的偏置电流;
基准电压产生电路,连接于该镜像恒流源产生电路,接收该M倍基准偏置电流的偏置电流并产生大小不等的充电上限电压及放电下限电压;
比较整形电路,连接于该基准电压产生电路获得该充电上限电压与该放电下限电压,通过将该充电上限电压、该放电下限电压分别与充放电电压比较产生充电控制信号与放电控制信号;以及
充放电电路,连接于该镜像恒流源产生电路,接收该K倍基准偏置电流的偏置电流,该充放电电路在该充电控制信号与该放电控制信号的控制下对一充放电电容进行充电或放电,并将该充放电电容产生的该充放电电压输入至该比较整形电路。
进一步地,该镜像恒流源产生电路至少包括一基准电流产生电路、一M倍基准偏置电流产生电路以及一K倍基准偏置电流产生电路,其中该基准电流产生电路通过电流源和栅漏相接的第一NMOS晶体管产生该基准偏置电流;该M倍基准偏置电流产生电路至少包含第一PMOS晶体管、第二PMOS晶体管以及第二NMOS晶体管,该第一PMOS晶体管漏极与该第二NMOS晶体管漏极相连,栅极与该第二PMOS晶体管栅极相连后共同连接至其漏极,该第二NMOS晶体管栅极连接至该电流源,源极接地;该K倍基准偏置电流产生电路至少包含第三PMOS晶体管与第三NMOS晶体管,该第三PMOS晶体管栅极与该第一PMOS晶体管栅极相连,漏极与该充放电电路连接,该第三NMOS晶体管栅极接至该电流源,漏极与该充放电电路相连,其中,该第二PMOS晶体管的宽长比为该第一PMOS晶体管的M倍,该第三NMOS晶体管的宽长比为该第二NMOS晶体管的K倍。
进一步地,该基准电压产生电路至少包含相互串联的第一电阻与第二电阻,该第一电阻未与该第二电阻相连的一端连接至该第二PMOS晶体管的漏极,其共同节点处产生该充电上限电压,该第一电阻与该第二电阻的共同节点处产生该放电下限电压,该第二电阻另一端接地。
进一步地,该比较整形电路至少包含第一比较器、第二比较器以及一RS触发器,该放电下限电压与该充电上限电压分别被输入至该第一比较器的正输入端与该第二比较器的负输入端,该充放电电压被输入至该第一比较器的负输入端与该第二比较器的正输入端,并且,该第一比较器与该第二比较器的输出端分别接至该RS触发器的S端与R端,由该RS触发器输出该充电控制信号与该放电控制信号。
进一步地,该充放电电路至少包含该充放电电容及相互连接的第一开关与第二开关,该第一开关未与该第二开关相连的一端连接至该第三PMOS晶体管的漏极,该第一开关与该第二开关共同连接点与该充放电电容连接,并共同连接至该第一比较器的负输入端与该第二比较器的正输入端以提供该充放电电压,该第二开关另一端连接至该第三NMOS晶体管的漏极,其中,该第一开关的断开与闭合由该充电控制信号控制,该第二开关的断开与闭合由该放电控制信号控制。
进一步地,该充放电电路还包括一假负载电路,该假负载电路与该第一开关、该第二开关并联连接在该第三PMOS晶体管与该第三NMOS晶体管之间,用于避免充电-放电-充电转变瞬间的过冲电流/电压。
进一步地,该假负载电路至少包括第三开关、第四NMOS晶体管、第四开关及第四PMOS晶体管,该第三开关一端连接至该第三PMOS晶体管漏极,另一端连接至该第四NMOS晶体管漏极,该第四NMOS晶体管源极接地;第四开关的一端连接于该第三NMOS晶体管漏极,另一端连接于该第四PMOS晶体管漏极,该第四PMOS晶体管源极接电源电压。
为实现上述及其他目的,本发明还提供了一种RC振荡器的实现方法,包括如下步骤:
将该第一比较器与该第二比较器的延迟设计成远小于该RC振荡器的振荡周期;
采用低温度系数和低电压系数的电阻电容;以及
采用校正电路调整直流偏移。
进一步地,该延迟最好小于该振荡周期的五十分之一。
进一步地,该低温度系数和低电压系数的电阻可通过将多晶电阻工艺与正温度系数的电阻工艺结合获得。
与现有技术相比,本发明一种RC振荡器及其实现方法采用两个高速比较器来检测振荡信号,控制电路对充放电电容进行充电或放电,由于高速比较器所使用的两个基准电压(充电上限电压与放电下限电压)由一个正比于基准偏置电流M倍的偏置电流流经电阻产生,而充放电电流则正比于基准偏置电流K倍,因此本发明RC振荡器的振荡频率不依赖于基准偏置电流,而仅取决于电阻和充放电电容的电容,那么使用低温度系数和低电压漂移的电阻和电容即可获得不依赖于温度和电源电压的RC振荡器。
附图说明
图1为传统RC振荡器的示意图;
图2为本发明RC振荡器之较佳实施例的结构示意图;
图3为本发明RC振荡器较佳实施例的频率温度特性图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例并结合附图说明本发明的实施方式,本领域技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其它优点与功效。本发明亦可通过其它不同的具体实例加以施行或应用,本说明书中的各项细节亦可基于不同观点与应用,在不背离本发明的精神下进行各种修饰与变更。
图1为本发明一种RC振荡器的结构示意图。如图1所示,本发明一种RC振荡器包括:镜像恒流源产生电路101、基准电压产生电路102、比较整形电路103以及充放电电路104。
图2为本发明一种RC振荡器的较佳实施例的示意图,请同时参考图1及图2,镜像恒流源产生电路101包括基准电流产生电路、M倍偏置电流产生电路以及K倍偏置电流产生电路,基准电流产生电路用于产生基准偏置电流Ibias,其包括一电流源以及第一NMOS晶体管MN1,第一NMOS晶体管MN1源极接地,栅极与漏极短接后与电流源Ibias相连以形成偏置电流,在本发明较佳实施例中,第一NMOS晶体管MN1的宽长比为WMN1/LMN1;M倍偏置电流产生电路202用于产生一个正比于基准偏置电流Ibias为M倍的偏置电流,其包括第一PMOS晶体管MP1、第二PMOS晶体管MP2以及第二NMOS晶体管MN2,第二PMOS晶体管MP2的宽长比为第一PMOS晶体管的M倍(如第一PMOS晶体管宽长比为WMP1/LMP1,则第二PMOS晶体管MP2的宽长比WMP2/LMP2则为M*(WMP1/LMP1)),第二NMOS晶体管漏极与第一PMOS晶体管MP1漏极相连,其栅极连接于电流源Ibias,源极接地,第一PMOS晶体管MP1与第二PMOS晶体管栅极短接后并连至第一PMOS晶体管PMOS晶体管的漏极,源极接电源电压Vcc;K倍偏置电流产生电路203,用于产生一个正比于基准偏置电流Ibias为K倍的偏置电流,其包括第三PMOS晶体管MP3与第三NMOS晶体管,第三PMOS晶体管MP3栅极与第一PMOS晶体管MP1栅极相接后接至第一PMOS晶体管MP1的漏极,第三PMOS晶体管MP3宽长比WMP3/LMP3为第一PMOS晶体管MP1的K倍,第三NMOS晶体管源极接地,栅极接至电流源Ibias,漏极接至充放电电路104,其中,第一NMOS晶体管与第二NMOS晶体管的宽长比相同,但不以此为限,第三NMOS晶体管的宽长比WMN2/LMN2为第二NMOS晶体管的K倍,即为K*(WMN2/LMN2)。在本发明较佳实施例中,各晶体管的宽度与长度之间的关系可综合为:LMP1=LMP2=LMP3;WMP2/M=WMP3/K=WMP1;LMN1=LMN2=LMN3;K*WMN2=WMN3。
基准电压产生电路102连接于M倍偏置电流产生电路,用于产生两个基准电压(充电上限电压VrefH与放电下限电压VvrefL)至比较整形电路104,在本发明较佳实施例中,基准电压产生电路102至少包含两个串联的电阻R1与R2,电阻R1未与电阻R2相连的一端连接至第二PMOS晶体管的漏极,电阻R2未与电阻R1相连的一端接地,其中,电阻R1与第二PMOS晶体管之间节点产生充电上限电压VrefH,电阻R1与R2之间节点产生放电下限电压VvrefL,输出至比较整形电路103。
比较整形电路103至少包含两个比较器(COMP1、COMP2)与一个RS触发器,在本发明较佳实施例中,比较器COMP1与COMP2均为高速比较器,比较器COMP1的正输入端连接至基准电压产生电路102,用于获得放电下限电压VrefL,比较器COMP2的负输入端也连接至基准电压产生电路102,用于获得充电上限电压VrefH,比较器COMP1的负输入端与比较器COMP2的正输入端分别连接至充放电电路104以获得充放电电压,而比较器COMP1与比较器COMP2的输出端分别连接至RS触发器的S端与R端,通过RS触发器输出充电控制信号charge与放电控制信号discharge,比较整形电路103主要通过充电上限电压VrefH、放电下限电压VrefL与充放电电路104产生的充放电电压进行比较,产生控制充放电电路104的充放电控制信号。以控制充放电电路104进行充放电。
充放电电路104连接于K倍偏置电流产生电路203,具体地说,充放电电路104连接于K倍偏置电路产生电路203第三PMOS晶体管MP3的漏极,以获得正比于基准偏置电流IbiasK倍的充放电电流,其至少包括相互串联的两个开关(K1及K2)和一充放电电容C,其中,开关K1与K2的断开与闭合分别由比较整形电路103输出的充电控制信号charge与放电控制信号discharge控制,开关K1未与开关K2相连的一端连接于第三PMOS晶体管MP3的漏极,而开关K2未与K1相连的一端连接于第三NMOS晶体管MN3的漏极,开关K1与K2的共同节点连接至充放电电容C,并连接至比较器COMP1的负输入端与比较器COMP2的正输入端,充放电电容C的另一端接地。
为避免充电-放电-充电转变瞬间的过冲电流/电压,本发明较佳实施例的充放电电路104还可包含一假负载电路204。假负载电路204与开关K1、K2并联连接于第三PMOS晶体管MP3与第三NMOS晶体管MN3之间,其至少包括开关K3、第四NNOS晶体管MN4、开关K4以及第四PMOS晶体管MP4,开关K3的一端连接于第三PMOS晶体管MP3漏极,另一端连接于第四NMOS晶体管MN4的漏极,第四NMOS晶体管源极接地;开关K4的一端连接于第三NMOS晶体管MN3的漏极,另一端连接于第四PMOS晶体管MP4的漏极,第四PMOS晶体管源极接电源电压Vcc。
以下将配合图2进一步说明本发明较佳实施例的工作原理:当充放电电容C的充放电电压低于放电下限电压VrefL时,比较器COMP1输出高电平,RS触发器正端输出高电平的充电控制信号charge(charge为“1”),此时开关K1与开关K4闭合,开关K3与开关K4断开,电流经由第三PMOS晶体管MP3和开关K1向电容充电,充电电流为KIbias,另一路电流经由开关K4和第四PMOS晶体管给第三NMOS晶体管MN3提供电流,以保证第三NMOS晶体管状态的连续性,减少瞬态影响;随着充放电电容C的充放电电压升高至大于放电下限电压VrefL而小于充电上限电压VrefH时,比较器的输出均为“1”,此时,RS触发器保持当前状态,继续充电,而当充放电电容C的充放电电压高于充电上限电压VrefH时,RS触发器输出的充电控制信号charge为低电平,而放电控制信号discharge为高电平(charge为“0”,discharge为“1”),则充放电电容C通过开关K2开始放电,当充放电电容C放电至其充放电电压低于放电下限电压VrefL时,则又开始充电,如此循环反复。
综上,根据图2,可以得出下列关于本发明较佳实施例振荡频率的方程式:
Tosc=((VrefH-VrefL)*C/Icharge+td))+((VrefH-VrefL)*C/Idischarge+td))
VrefH-VrefL=R1*I*M
Icharge=I*K
Idischarge=I*K
结合上述方程,可以得到
Tosc=2*R1*C(M/K)+2*td
其中,Tosc为RC振荡器的振荡周期,VrefH、VrefH为充电上限电压与放电下限电压,t d为比较器的延迟,C为充放电电容C的电容,Icharge为充电电流,Idischarge为放电电流,I为基准偏置电流,根据上述方程式,可见本发明RC振荡器的振荡周期仅与电阻R1的电阻、充放电电容C的电容及比较器的延迟td有关。
那么,根据上述方程式,为了得到精准的RC振荡器的振荡频率,则通过如下步骤实现:
首先,将td设计得足够小,比如,td<(1/50)*Tosc,通常td和电源电压相关,但td足够小时,td随电源电压变化通常很小,当td<(1/50)*Tosc时,几乎可以忽略,那么Tosc则与电源电压无关;
其次,用现代工艺可以采用低温度系数和低电压系数的电阻电容,如rppolyu多晶电阻和MIM(金属-绝缘-金属)电容,将rppolyu工艺与正温度系数的电阻工艺结合可以得到温度系数很低的电阻,这样就能获得振荡频率不依赖温度和电源电压的RC振荡器;
最后,由于工艺变化会造成裸片间有一定的直流偏移的差异,采用校正电路可以调整直流偏移。
图3为本发明RC振荡器较佳实施例的频率温度特性图,其表示本发明较佳实施例频率随温度变化的情况。其中横轴是温度,纵轴为频率的相对变化,可见本发明较佳实施例的频率随温度变化非常小,本发明RC振荡器的振荡频率不依赖温度系数。
可见,本发明确可提供一种精准产生振荡频率的RC振荡器,其输出频率不随温度和电源电压变化。本发明通过两个高速比较器来检测振荡信号,控制电路对充放电电容进行充电或放电,由于高速比较器所使用的两个基准电压(充电上限电压与放电下限电压)由一个正比于基准偏置电流M倍的偏置电流流经电阻产生,而充放电电流则正比于基准偏置电流K倍,因此本发明RC振荡器的振荡频率不依赖于基准偏置电流,而仅取决于电阻和充放电电容的电容,那么使用低温度系数和低电压漂移的电阻和电容即可获得不依赖于温度和电源电压的RC振荡器。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效,而非用于限制本发明。任何本领域技术人员均可在不违背本发明的精神及范畴下,对上述实施例进行修饰与改变。因此,本发明的权利保护范围,应如权利要求书所列。