CN105958943A - 弛张振荡器 - Google Patents

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Abstract

提供了一种的弛张振荡器，包括：参考电流/电压生成器、电容器、第一比较器、第二比较器、锁存器、及温度补偿电路。参考电流/电压生成器生成第一偏置电流、第一偏置电压、及第二偏置电压；电容器基于由第一偏置电流生成的充电电流进行充电，形成充电电压；第一比较器将充电电压与第一偏置电压进行比较，生成第一比较结果；第二比较器将充电电压与第二偏置电压进行比较，生成第二比较结果；锁存器基于第一比较结果和第二比较结果生成时钟信号，该时钟信号被用来控制电容器的充电与放电，并且该时钟信号的频率为弛张振荡器的输出频率；温度补偿电路感测温度变化，并且基于感测到的温度变化调节第一比较器和第二比较器的偏置电流。

Description

弛张振荡器
技术领域
本发明涉及电路领域，更具体地涉及一种弛张振荡器。
背景技术
目前存在很多种类的振荡器，其中一种是具有奇数级放大器的RC振荡器。传统的RC振荡器通过对电容器充电或者放电来产生周期性的时钟信号，其输出频率取决于RC时间常数。然而，由于传统的RC振荡器的输出频率经常会受到半导体制程变化和外部温度的影响而包含较大误差，因此传统的RC振荡器并不适用于要求输出频率较为精准的场景。
发明内容
本发明提供了一种新颖的弛张振荡器。
根据本发明实施例的弛张振荡器包括：参考电流/电压生成器、电容器、第一比较器、第二比较器、锁存器、以及温度补偿电路。其中，参考电流/电压生成器生成第一偏置电流、第一偏置电压、以及第二偏置电压；电容器基于由第一偏置电流生成的充电电流进行充电，形成充电电压；第一比较器将充电电压与第一偏置电压进行比较，生成第一比较结果；第二比较器将充电电压与第二偏置电压进行比较，生成第二比较结果；锁存器基于第一比较结果和第二比较结果生成时钟信号，该时钟信号被用来控制电容器的充电与放电，并且该时钟信号的频率为弛张振荡器的输出频率；温度补偿电路感测温度变化，并且基于感测到的温度变化调节第一比较器和第二比较器的偏置电流，从而使得第一比较器和第二比较器的传递延迟独立于温度变化保持稳定。
根据本发明实施例的弛张振荡器，还包括：电流微调电路，该电流微调电路通过将第一偏置电流划分成多份生成微调电流，其中电容器基于由微调电流生成的充电电流进行充电。
在根据本发明实施例的弛张振荡器中，温度补偿电路包括温度传感与控制器、Iptat生成器、以及电流镜。其中，温度传感与控制器感测温度变化，并且基于感测到的温度变化生成控制信号；Iptat生成器基于控制信号生成与温度成比例的第二偏置电流；电流镜基于第二偏置电流生成第三偏置电压和第四偏置电压，用于调节第一比较器和第二比较器的偏置电流。
在根据本发明实施例的弛张振荡器中，温度传感与控制器中的温度侦测部分由模数转换器实现；Iptat生成器还生成与温度成比例的第三偏置电流，第三偏置电流流经电阻产生与温度成比例的温度控制电压，该温度控制电压被模数转换器用以侦测温度。
这里，由于温度补偿电路可以根据温度变化控制第一比较器和第二比较器的传递延迟的大小，所以根据本发明实施例的弛张振荡器的输出频率不会包含由温度变化导致的误差(或者说，其输出频率中包含的由温度变化导致的误差较小)。
另外，由于电流微调电路可以通过将由参考电流/电压生成器生成的第一偏置电流划分成多份生成微调电流，所以根据本发明实施例的弛张振荡器的输出频率不会包含由半导体制程变化导致的误差(或者说，其输出频率中包含的由半导体制程变化导致的误差较小)。
附图说明
从下面结合附图对本发明的具体实施方式的描述中可以更好地理解本发明，其中：
图1是根据本发明实施例的弛张振荡器的电路图；
图2是图1所示的电流微调电路的电路图；
图3是图1所示的温度补偿电路的电路图；
图4是图3所示的Iptat生成器的电路图；
图5是图1所示的第一比较器/第二比较器的电路图；
图6是图1所示的第一比较器/第二比较器的偏置电流与温度的关系图；
图7是根据本发明实施例的弛张振荡器的输出频率的误差与传统的弛张振荡器的输出频率的误差的对比图。
具体实施方式
下面将详细描述本发明的各个方面的特征和示例性实施例。在下面的详细描述中，提出了许多具体细节，以便提供对本发明的全面理解。但是，对于本领域技术人员来说很明显的是，本发明可以在不需要这些具体细节中的一些细节的情况下实施。下面对实施例的描述仅仅是为了通过示出本发明的示例来提供对本发明的更好的理解。本发明决不限于下面所提出的任何具体配置和算法，而是在不脱离本发明的精神的前提下覆盖了元素、部件和算法的任何修改、替换和改进。在附图和下面的描述中，没有示出公知的结构和技术，以便避免对本发明造成不必要的模糊。
理论上，如果实现恒定的参考偏置，弛张振荡器可以产生精准的输出频率。通常，弛张振荡器利用恒定电流对电容器充电或者放电，产生独立于半导体制程变化和外部温度的恒定的输出频率。然而，由于不理想的器件效应导致的比较器的传递延迟，尤其是在低温或者高温条件下，弛张振荡器的输出频率包含较大误差。
为了在从低温到高温的较大温度范围内产生用于例如，微控制器的精准的输出频率，本发明提出了一种新颖的弛张振荡器。
根据本发明的弛张振荡器包括参考电流/电压生成器、电容器、第一比较器、第二比较器、锁存器、以及温度补偿电路。其中，参考电流/电压生成器生成第一偏置电流、第一偏置电压、以及第二偏置电压；电容器基于由第一偏置电流生成的充电电流进行充电，形成充电电压；第一比较器将充电电压与第一偏置电压进行比较，生成第一比较结果；第二比较器将充电电压与第二偏置电压进行比较，生成第二比较结果；锁存器基于第一比较结果和第二比较结果生成时钟信号，该时钟信号被用来控制电容器的充电与放电，并且该时钟信号的频率为弛张振荡器的输出频率；温度补偿电路感测温度变化，并且基于感测到的温度变化调节第一比较器和第二比较器的偏置电流，从而使得第一比较器和第二比较器的传递延迟独立于温度变化保持稳定。
图1至图5示出了根据本发明实施例的弛张振荡器、及其各个部分的示例电路图。下面结合附图，详细描述根据本发明实施例的弛张振荡器。
图1是根据本发明实施例的弛张振荡器的电路图。如图1所示，根据本发明实施例的弛张振荡器包括参考电流/电压生成器10、电流微调电路20、第一电流源CS1、第二电流源CS2、第一开关SW1、第二开关SW2、温度补偿电路30、第一比较器41、第二比较器42、电容器C、以及RS锁存器50，其中：
参考电流/电压生成器10生成无关于供应电源及温度变化的偏置电流Iref(即，第一偏置电流)、偏置电压VrefH(即，第一偏置电压)、以及偏置电压VrefL(即，第二偏置电压)。
电流微调电路20接收由参考电流/电压生成器10生成的偏置电流Iref，并且通过将偏置电流Iref分成2N等份生成微调电流Itrm_out，即Itrm_out＝Iref/2N，以降低半导体制程对弛张振荡器的输出频率的影响。
第一电流源CS1接收由电流微调电路20生成的微调电流Itrm_out，将微调电流Itrm_out镜射到第二电流源CS2，由第二电流源CS2基于微调电电流Itrm_out提供用于对电容器C进行充电的充电电流Ic。
第一开关SW1和第二开关SW2控制电容器C的充电与放电，其中当第一开关SW1闭合、第二开关SW2关断时电容器C充电，当第二开关SW2闭合、第一开关SW1关断时电容器C放电。
第一比较器41将偏置电压VrefH与电容器C的充电电压Vc进行比较，在偏置电压VrefH大于充电电压Vc时输出低电平，在偏置电压VrefH小于充电电压Vc时输出高电平。
第二比较器42将偏置电压VrefL与电容器C的充电电压Vc进行比较，在偏置电压VrefL大于充电电压Vc时输出高电平，在偏置电压VrefL小于充电电压Vc时输出低电平。
温度补偿电路30根据温度变化控制第一比较器41和第二比较器42的偏置电流，进而控制第一比较器41和第二比较器42的传递延迟的大小，以降低温度变化对弛张振荡器的输出频率的影响。
RS锁存器50基于第一比较器41和第二比较器42的输出电平(即，第一比较结果和第二比较结果)，在第一输出端Q输出时钟信号CLK，该时钟信号CLK的频率即为弛张振荡器的输出频率。这里，RS锁存器50的第一输入端S接收第一比较器41的输出电平，RS锁存器50的第二输入端R接收第二比较器42的输出电平。
在图1所示的弛张振荡器中，第一开关SW1的闭合与关断由RS锁存器50的第一输出端Q的输出电平控制，第二开关SW2的闭合与关断由RS锁存器50的第二输出端的输出电平控制。也就是说，第一开关SW1和第二开关SW2的闭合与关断是由RS锁存器输出的时钟信号CLK控制的。具体地，当RS锁存器50的第一输出端Q输出高电平时，第一开关SW1闭合；当RS锁存器50的第二输出端输出高电平时，第二开关SW2闭合。
在图1所示的弛张振荡器中，RS锁存器50的初始状态如下：第一输出端Q输出高电平、第二输出端输出低电平，以控制第一开关SW1处于闭合状态、第二开关SW2处于关断状态。
在图1所示的弛张振荡器中，由于温度补偿电路30可以根据温度变化控制第一比较器41和第二比较器42的传递延迟的大小，所以弛张振荡器的输出频率不会包含由温度变化导致的误差(或者说，弛张振荡器的输出频率中包含的由温度变化导致的误差较小)。另外，由于电流微调电路20可以通过将由参考电流/电压生成器40生成的偏置电流Iref分成2N等份生成微调电流Itrm_out，所以弛张振荡器的输出频率不会包含由半导体制程变化导致的误差(或者说，弛张振荡器的输出频率中包含的由半导体制程变化导致的误差较小)。
需要说明的是，根据本发明实施例的弛张振荡器可以仅包括电流微调电路20和温度补偿电路30中的任意一者，也可以同时包括电流微调电路20和温度补偿电路30二者。当根据本发明实施例的弛张振荡器仅包括电流微调电路20而不包括温度补偿电路30时，图1所示的电路图中不包括温度补偿电路30、以及温度补偿电路30与第一比较器41和第二比较器42之间的电连接线。当根据本发明实施例的弛张振荡器仅包括温度补偿电路30而不包括电流微调电路20时，图1所示的电路图中不包括电流微调电路20、第一电流源CS1、以及与它们相关的电连接线，并且由参考电流/电压生成器10生成的参考电流Iref被直接提供给第二电流源CS2。另外，应该理解的是，由电流微调电路20生成的微调电流Itrm_out也可以被直接提供给第二电流源CS2，而无需经由第一电流源CS1的镜射。
图2是图1所示的电流微调电路的电路图。在图2中，Trm<0>、Trm<1>、..Trm<n>是控制功率开关的信号，Itrm_out是由电流微调电路20生成的微调电流(即，电流微调电路20的输出电流)。
图3是图1所示的温度补偿电路的电路图。如图3所示，温度补偿电路30包括温度传感与控制器31、Iptat生成器32、以及电流镜33。其中，温度传感与控制器31感测温度变化，并基于感测到的温度变化输出控制信号Sel<0：N>(N表示有N个位)；Iptat生成器32基于温度传感与控制器31生成的控制信号Sel<0：N>，生成与温度成正比的电流cmp_iptat(即，第二偏置电流)；电流镜33对Iptat生成器32生成的电流cmp_iptat进行镜像，生成两个偏置电压vbn和vbp(即，第三偏置电压和第四偏置电压)，用于控制第一比较器41和第二比较器42的偏置电流进而控制它们的传递延迟的大小。
在一些实施例中，如果使用模数转换器(ADC)作为温度传感与控制器31中的温度侦测部分(即，该温度侦测部分由模数转换器实现)，则Iptat生成器32需要额外生成与温度成正比的电流Iptat_res(即，第三偏置电流)；电流Iptat_res流经电阻产生与温度成正比的电压Vptat(即，温度控制电压)，电压Vptat被传送给模数转换器用以判断环境温度的高低。
在一些实施例中，模数转换器也可以通过以下方式实现温度侦测：利用电压调节器生成参考电压；经过一连串的电阻分压从参考电压生成N个参考分压(这N个参考分压相互不相等)；使用N个比较器分别将N个参考分压与电压Vptat进行比较，并将该N个比较器的输出连接到Iptat生成器32(该N个比较器的输出形成上述控制信号Sel<0：N>)，从而控制第一比较器41和第二比较器42的偏置电流进而控制它们的传递延迟。这里，每一个比较器代表一个温度侦测点，使用N个比较器代表能侦测N个温度点，比较器的数量由实际应用决定。
图4是图3所示的Iptat生成器的电路图。如图4所示，Iptat生成器32包括启动电路320、热敏电阻321、电流镜322、功率开关323、以及功率开关集合324。其中，启动电路320是温度补偿电路30的启动电路；当温度补偿电路30开启时，启动电路320使电流镜322开始工作；热敏电阻321是负温度系数热敏电阻；功率开关323输出与温度成正比的电流Iptat_res，依据温度传感与控制器31中的温度侦测部分的架构决定是否需要此功率开关；功率开关集合324接收来自温度感测与控制器31的控制信号Sel<0：N>，基于该控制信号来调节电流cmp_iptat的大小。
图5是图1所示的第一比较器/第二比较器的电路图，其中的偏置电压vbp和vbn接线端分别与图3中的vbp和vbn接线端互相连接。图6是图1所示的第一比较器/第二比较器的偏置电流与温度的关系图，其中X轴表示温度，Y轴表示偏置电流。
通常，比较器的偏置电流(图6中虚线示出)与温度无关，故为一条水平线，无法针对温度的高低来控制比较器的传递延迟的大小。但是，在根据本发明实施例的弛张振荡器中，温度补偿电路30可以感测温度变化并基于温度变化自动调整第一比较器41和第二比较器42的偏置电流的大小，从而可以针对温度变化来控制第一比较器41和第二比较器42的传递延迟的大小。
例如，以室温25度为基准点，第一比较器41/第二比较器42的传递延迟在温度降低时将会变小，此时就需要通过减小第一比较器41/第二比较器42的偏置电流来保持第一比较器41/第二比较器42的传递延迟稳定；第一比较器41/第二比较器42的传递延迟在温度升高时将会变大，此时就需要通过增大第一比较器41/第二比较器42的偏置电流来保持第一比较器41/第二比较器42的传递延迟稳定。
在一些实施例中，对偏置电流进行调整的温度设定点是由温度传感与控制器31决定的，温度传感与控制器31可以自由选择在任何一个温度点对偏置电流进行调整，偏置电流的大小可以由Iptat生成器32调整。
图7是根据本发明实施例的弛张振荡器的输出频率的误差与传统的弛张振荡器的输出频率的误差的对比图。如图7所示，根据本发明实施例的弛张振荡器的输出频率的误差较小，并且误差的变化幅度也比较小；而传统的弛张振荡器的输出频率的误差较大，并且误差的变化幅度很大。
综上所述，根据本发明实施例的弛张振荡器通过控制比较器的传递延迟，可以产生无关于温度变化的较为精准的输出频率。进一步地，根据本发明实施例的弛张振荡器通过将偏置电流Iref分成2N等份，可以产生无关于半导体制程变化的较为精准的输出频率。
需要说明的是，本发明可以以其他的具体形式实现，而不脱离其精神和本质特征。例如，特定实施例中所描述的电路结构可以被修改，而***体系结构并不脱离本发明的基本精神。因此，当前的实施例在所有方面都被看作是示例性的而非限定性的，本发明的范围由所附权利要求而非上述描述定义，并且，落入权利要求的含义和等同物的范围内的全部改变从而都被包括在本发明的范围之中。

Claims (5)

1.一种弛张振荡器，包括：
参考电流/电压生成器；
电容器；
第一比较器；
第二比较器；
锁存器；以及
温度补偿电路，其中
所述参考电流/电压生成器生成第一偏置电流、第一偏置电压、以及第二偏置电压，
所述电容器基于由所述第一偏置电流生成的充电电流进行充电，形成充电电压，
所述第一比较器将所述充电电压与所述第一偏置电压进行比较，生成第一比较结果，
所述第二比较器将所述充电电压与所述第二偏置电压进行比较，生成第二比较结果，
所述锁存器基于所述第一比较结果和所述第二比较结果，生成时钟信号，所述时钟信号被用来控制所述电容器的充电与放电，并且所述时钟信号的频率为所述弛张振荡器的输出频率，
所述温度补偿电路感测温度变化，并且基于感测到的温度变化调节所述第一比较器和所述第二比较器的偏置电流，从而使得所述第一比较器和所述第二比较器的传递延迟独立于温度变化保持稳定。
2.如权利要求1所述的弛张振荡器，还包括：
电流微调电路，该电流微调电路通过将所述第一偏置电流划分成多份生成微调电流，其中
所述电容器基于由所述微调电流生成的所述充电电流进行充电。
3.如权利要求1所述的弛张振荡器，其中，所述温度补偿电路包括：
温度传感与控制器；
Iptat生成器；以及
电流镜，其中
所述温度传感与控制器感测温度变化，并且基于感测到的温度变化生成控制信号，
所述Iptat生成器基于所述控制信号生成与温度成比例的第二偏置电流，
所述电流镜基于所述第二偏置电流生成第三偏置电压和第四偏置电压，用于调节所述第一比较器和所述第二比较器的偏置电流。
4.如权利要求3所述的弛张振荡器，其中，所述温度传感与控制器中的温度侦测部分由模数转换器实现。
5.如权利要求4所述的弛张振荡器，其中，所述Iptat生成器还生成与温度成比例的第三偏置电流，所述第三偏置电流流经电阻产生与温度成比例的温度控制电压，所述温度控制电压被所述模数转换器用以侦测温度。
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