CN102545779B - 一种无晶振时钟电路 - Google Patents

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Abstract

一种无晶振时钟电路，涉及一种时钟电路。提供一种能够有效地提高时钟电路所产生的时钟信号的温度稳定性，使时钟电路产生的时钟信号频率不随外界温度的变化而变化，具有很低的温漂系数的无晶振时钟电路。设有线性稳压模块、高阶温度补偿模块和环形振荡模块；所述线性稳压器模块外接供电电压，线性稳压器模块的两个同样输出电压输出端分别接高阶温度补偿模块的输入端和环形振荡模块的输入端，线性稳压器模块的基准输出电压接高阶温度补偿模块的输入端，高阶温度补偿模块的输出端接环形振荡模块的输入端，环形振荡器模块输出最终的时钟信号。

Description

一种无晶振时钟电路
技术领域
本发明涉及一种时钟电路，尤其是涉及一种无需晶振可单片集成的高精度低温漂时钟产生电路。
背景技术
数字***中，时钟源的质量好坏直接决定了该***性能的稳定与否。通常数字***利用片外石英晶体振荡器来得到时钟源信号，石英晶振拥有优越的电压和温度特性，能够稳定地工作，但是难以集成到芯片内部，且增加了器件成本，阻碍了芯片的高度集成化。利用标准的CMOS工艺实现片内的时钟振荡器来取代片外的晶振，对于降低***的成本，提高***的集成度将很有帮助。
在标准CMOS工艺中，实现高精度时钟产生电路主要面临的问题是时钟频率会随温度的变化而变化，故实现片内时钟产生电路主要面临的挑战是如何保证时钟频率的稳定性，使振荡频率不随温度的变化而改变。
Krishnakumar Sundaresan，Phillip E.Allen等(Krishnakumar Sundaresan，Phillip E.Allen etal.Process and Temperature Compensation in a 7-MHz CMOS Clock Oscillator.IEEE JOURNALOF SOLID-STATE CIRCUITS，2006，41(2)：433-442)利用双极型晶体管的正向导通电压的温度特性来产生温度补偿电压，从而保证振荡频率的稳定性。
虞晓凡等(虞晓凡，林平分.一种带温度和工艺补偿的片上时钟振荡器.微电子学与计算机，2009，26(1)：16-20)利用类似带隙基准的电路结构来产生温度补偿电压，从而保证振荡频率的稳定性。
Chao-Fang Tsai，Wan-Jing Li等(Chao-Fang Tsai，Wan-Jing Li等.On-Chip ReferenceOscillators with Process，Supply Voltage and Temperature Compensation.International Symposiumon Next-Generation Electronics(ISNE)，2010，108-111)利用亚阈值区的NMOS管栅源电压的温度特性产生温度补偿电压，从而保证振荡频率的稳定性。
但是上述文献中提及的补偿思路都是基于PN结的正向导通电压与温度的一阶线性关系来补偿温度产生的影响，其补偿效果有限。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够有效地提高时钟电路所产生的时钟信号的温度稳定性，使时钟电路产生的时钟信号频率不随外界温度的变化而变化，具有很低的温漂系数的无晶振时钟电路。
本发明的技术方案是利用MOS管的I-V特性曲线，采用叠加的原理产生高阶的温度补偿电压，作用于时钟电路中的环形振荡模块。
本发明设有线性稳压模块、高阶温度补偿模块和环形振荡模块；
所述线性稳压器模块外接供电电压，线性稳压器模块的两个同样输出电压输出端分别接高阶温度补偿模块的输入端和环形振荡模块的输入端，线性稳压器模块的基准输出电压接高阶温度补偿模块的输入端，高阶温度补偿模块的输出端接环形振荡模块的输入端，环形振荡器模块输出最终的时钟信号。
所述线性稳压模块可设有带隙基准电路、误差放大器、调整管和反馈电阻；所述环形振荡模块可设有至少一级差分延时单元和双端转单端电路；所述带隙基准电路的带隙电压输出端接高阶温度补偿模块的输入端和误差放大器的输入端，误差放大器的另一输入端接反馈电阻，误差放大器的输出端接调整管，反馈电阻的反馈电压输出端接误差放大器的一个比较信号输入端，带隙基准电路的带隙电压输出端分别接误差放大器的另一个比较信号输入端和高阶温度补偿模块的输入端，误差放大器的调整电压输出端接调整管的栅极(控制端)，高阶温度补偿模块温度补偿电压输出端接环形振荡模块的差分延时单元输入端，差分延时单元的输出端接双端转单端电路的输入端，双端转单端电路的时钟信号输出端输出时钟信号。
所述高阶温度补偿模块可设有至少1个基本单元电路和叠加电路，其输入输出口包括：线性稳压模块提供的稳定的电源电压、线性稳压模块提供的带隙基准电压、接地端、高阶温度补偿电压。所述至少1个基本单元电路的输出端通过组合产生的电流流经电阻，产生叠加电路所需的电压波形，叠加电路接受基本单元产生的电压波形，通过电压叠加的方式，将至少两个用于叠加的电压做叠加处理，产生最终的温度补偿电压。
本发明将待稳定的电压转换成稳定的供电电压，为高阶温度补偿模块和环形振荡模块供电，稳定的供电电压可以使得环形振荡模块所产生的振荡频率不受电压的变化所影响。高阶温度补偿模块所需的带隙基准电压也由该线性稳压模块提供。
高阶温度补偿模块根据外界温度的变化自动调整提供给环形振荡模块的温度补偿电压，使环形振荡模块保持固定的频率不变。该高阶温度补偿模块能产生高阶的温度补偿电压，也即随温度的升高，温度补偿控制电压不仅仅是线性或很接近线性地下降(或上升)，而是曲线式地下降(或上升)，并且此曲线的拐点数目、位置以及曲线的电压大小均可以通过高阶温度补偿模块中的参数来调节。通过高阶补偿，环形振荡模块所产生的时钟振荡信号将具有更好的温度稳定性。
环形振荡模块通过差分延时单元相互级联来产生时钟振荡信号，并利用高阶温度补偿模块提供的温度补偿电压来作为环形振荡模块的控制电压，从而保证时钟振荡信号频率不随温度的变化而变化。
本发明可用于产生精准的时钟信号，是集成电路中数字***时钟信号的来源。该时钟电路可单片生产，也即单独流片，做成高稳定的时钟芯片，也可集成到片上***SoC或者专用集成电路ASIC等等上面，做为芯片的时钟供给来源。
附图说明
图1为本发明实施例的结构组成框图。
图2为本发明实施例的线性稳压模块电路原理图。
图3为本发明实施例的差分延时单元电路原理图。
图4为本发明实施例的双端转单端电路原理图。
图5为本发明实施例的环形振荡模块电路原理图。
图6为本发明实施例的高阶温度补偿模块中基本单元的电路原理图。
图7为图6的I-V特性曲线。
图8为本发明实施例的高阶温度补偿模块中三个基本单元组合后的电路原理图。
图9为本发明实施例的VT电压产生电路原理图。
图10为本发明实施例的分压电路原理图。
图11为本发明实施例的叠加电路原理图。
具体实施方式
参见图1～5，本发明实施例设有线性稳压模块1、高阶温度补偿模块2和环形振荡模块3；
所述线性稳压器模块外接供电电压，线性稳压器模块的两个同样输出电压输出端分别接高阶温度补偿模块2的输入端和环形振荡模块3的输入端，线性稳压器模块1的基准输出电压接高阶温度补偿模块2的输入端，高阶温度补偿模块2的输出端接环形振荡模块3的输入端，环形振荡器模块输出最终的时钟信号。
参见图2，所述线性稳压模块1可设有带隙基准电路11、误差放大器(见图2中的U1)、调整管(见图2中的Q1)和反馈电阻(见图2中的R)。
图3为环形振荡模块的差分延时单元，图4为双端转单端电路原理图，三个差分延时单元和一个双端转单端电路组成的环形振荡模块电路原理图如图5所示。
所述环形振荡模块3可设有至少一级差分延时单元31和双端转单端电路32；所述带隙基准电路11的带隙电压VBEF输出端接高阶温度补偿模块2的输入端和误差放大器的输入端，误差放大器的另一输入端接反馈电阻，误差放大器的输出端接调整管，反馈电阻的反馈电压输出端接误差放大器的一个比较信号输入端，带隙基准电路11的带隙电压VBEF输出端分别接误差放大器的另一个比较信号输入端和高阶温度补偿模块2的输入端，误差放大器的调整电压输出端接调整管的栅极(控制端)，高阶温度补偿模块2温度补偿电压VCTRL输出端接环形振荡模块3的差分延时单元31输入端，差分延时单元31的输出端接双端转单端电路32的输入端，双端转单端电路32的时钟信号输出端输出时钟信号。误差放大器将反馈电阻提供的反馈电压与带隙基准产生的电压进行比较并输出调整电压，调整电压通过控制调整管的栅极，将待稳定的电压VBAT转换成稳定的电源电压VDD，带隙基准产生的带隙电压VREF拉出来供高阶温度补偿模块使用。
通过仿真可得，在外界环境温度变化的情况下，要使此环形振荡器的振荡频率保持不变，那么环形振荡器用于控制频率的的控制电压VCTRL和温度T的关系至少要用含三次方项的方程来表示，形如：
VCTTRL＝α·T+β·T2+γ·T3 (1)
其中，一次方项的系数α最大，二次方项的系数β次之，三次方项的系数γ最小。
参见6～11，所述高阶温度补偿模块2可设有至少1个基本单元电路和叠加电路，其输入输出口包括：线性稳压模块提供的稳定的电源电压、线性稳压模块提供的带隙基准电压、接地端、高阶温度补偿电压。所述至少1个基本单元电路的输出端通过组合产生的电流流经电阻，产生叠加电路所需的电压波形，叠加电路接受基本单元产生的电压波形，通过电压叠加的方式，将至少两个用于叠加的电压做叠加处理，产生最终的温度补偿电压。
高阶温度补偿模块的基本单元电路原理图如图6所示，参考电压VREFX固定，当VT从0开始增大时，通过电阻Rb的电流Ib和通过电阻Ra的电流Ia如图7所示。选取不同的VREFX，则在一个固定的VT范围内，得到的电流曲线段Ia或者Ib将是不同的。图8中，将三个此基本单元组合，选择适当的参考电压VREFL＜VREFM＜VREFH，VT为随温度线性下降的电压，其中VT由如图9所示的双极型晶体管基极-发射极电压产生，参考电压VREFL、VREFM、VREFH由线性稳压模块提供的带隙基准电压通过图10(图10中的A2为运算放大器)所示的分压电路产生，那么随着温度的升高，I1可取得图7中电流Ib的右半部分，I2可取得图7中电流Ia的中间部分，I3可取得图7中电流Ib的左半部分，I1，I2，I3通过电阻Rc2，生成的电压VOUT即是式(1)中二次方项和三次方项的电压。
上述由基本单元组成的电路不产生式(1)中一次方项的电压，故还需要一个产生一次方项电压的电路，并与上述的二次方项和三次方项电压相叠加。如图11叠加电路所示，图中的Vout由图8的电路提供，此电压通过运算放大器A1、MOS管MT和电阻Rs1转换成电流，再通过电流镜结构镜像到输出端，通过电阻Rs2，与一次方项电压(由双极型晶体管Q2产生)相叠加，最终生成温度补偿电压VCTRL。

Claims (1)

1.一种无晶振时钟电路，其特征在于设有线性稳压模块、高阶温度补偿模块和环形振荡模块；
所述线性稳压模块外接供电电压，线性稳压模块的两个同样输出电压输出端分别接高阶温度补偿模块的输入端和环形振荡模块的输入端，线性稳压模块的基准输出电压接高阶温度补偿模块的输入端，高阶温度补偿模块的输出端接环形振荡模块的输入端，环形振荡模块输出最终的时钟信号；
所述线性稳压模块设有带隙基准电路、误差放大器、调整管和反馈电阻；所述环形振荡模块设有至少一级环形振荡模块的差分延时单元和双端转单端电路；所述带隙基准电路的带隙电压输出端接高阶温度补偿模块的输入端和误差放大器的输入端，误差放大器的另一输入端接反馈电阻，误差放大器的输出端接调整管，反馈电阻的反馈电压输出端接误差放大器的一个比较信号输入端，带隙基准电路的带隙电压输出端分别接误差放大器的另一个比较信号输入端和高阶温度补偿模块的输入端，误差放大器的调整电压输出端接调整管的栅极，高阶温度补偿模块温度补偿电压输出端接环形振荡模块的差分延时单元输入端，环形振荡模块的差分延时单元的输出端接双端转单端电路的输入端，双端转单端电路的时钟信号输出端输出时钟信号；
所述差分延时单元的第一PMOS管的栅极与漏极相连并连接到负输出电压Vout-，源极接电源电压VDD，第二PMOS管的源极与第一PMOS管的源极相连，栅极接控制电压VCTRL，漏极与第一PMOS管的漏极相连，第三NMOS管的栅极接正输入电压Vin+，漏极与第一PMOS管漏极相连，第四PMOS管源极接电源电压VDD，栅极和第二PMOS管栅极一起连接到控制电压VCTRL，漏极连接正输出电压Vout+，第五PMOS管的源极接电源电压VDD，漏极和栅极一起接到第四PMOS管的漏极，第六NMOS管的漏极接第四PMOS管的漏极，栅极接负输入电压Vin-，源极接第三NMOS管源极，电流源一端接第三NMOS管的源极和第六NMOS管的源极，电流源的另一端接地；
所述高阶温度补偿模块设有至少1个基本单元电路和叠加电路，其输入输出口包括：线性稳压模块提供的稳定的电源电压、线性稳压模块提供的带隙基准电压、接地端、高阶温度补偿电压，所述至少1个基本单元电路的输出端通过组合产生的电流流经电阻，产生叠加电路所需的电压波形，叠加电路接受基本单元产生的电压波形，通过电压叠加的方式，将至少两个用于叠加的电压做叠加处理，产生最终的温度补偿电压；其中所述基本单元电路由第一支路PMOS管、第二支路PMOS管、第一支路电阻、第二支路电阻和电流源组成，第一支路PMOS管的源极接电流源一端，漏极接第一支路电阻一端，栅极接参考电压；第一支路电阻的另一端接地；第二支路PMOS管的源极接第一支路PMOS管源极，栅极接随温度线性变化的电压，漏极接第二支路电阻一端，第二支路电阻的另一端接地；电流源一端和第一支路PMOS管的源极、第二支路PMOS管的源极相连，电流源的另一端接电源。
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