專利名稱：一種低溫漂特性的張弛振蕩器及其調(diào)試方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及ー種張弛振蕩器，具體涉及ー種具有優(yōu)良溫度穩(wěn)定性的張弛振蕩器及其調(diào)試方法。
背景技術(shù)：
當(dāng)今社會(huì)，振蕩器(OSC)的運(yùn)用隨處可見，例如手機(jī)，手表等。然而有些應(yīng)用場合需要高精度時(shí)鐘源，如模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)，數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)，鎖相環(huán)電路(PLL)等。由于時(shí)鐘源性能的高低直接影響到上述系統(tǒng)的性能，性能優(yōu)良的振蕩器就成為了大家追逐的對(duì)象。
目前，隨著集成電路(IC)產(chǎn)業(yè)不斷向著片上集成系統(tǒng)(SOC)發(fā)展，越來越多的功能性電路都發(fā)展為片上集成的方式。由于成本較高和占用面積較大的問題，分離器件電路逐漸被集成電路代替。作為模擬、數(shù)字電路中ー個(gè)重要模塊的振蕩器，自然也由片外晶體振蕩器發(fā)展為片上集成的方式，然而片上OSC的性能會(huì)受到溫度和エ藝線的嚴(yán)重影響。傳統(tǒng)的張弛振蕩器包括偏置模塊和振蕩模塊，其中振蕩模塊包括比較器，電容和鎖存器等，如圖2所示。該種振蕩器要形成振蕩，需要為比較器提供兩個(gè)電壓分別作為其翻轉(zhuǎn)閾值(VTH1，VTH2)，該閾值之差決定了振蕩頻率。此外，對(duì)電容進(jìn)行充放電的電流⑴的溫度特性也會(huì)直接影響到振蕩頻率的溫度特性。因此，為了改善片上OSC的溫度特性，使振蕩頻率獲得優(yōu)良的溫度穩(wěn)定性，目前已有很多方法被提出，大致分為下述幾種(1)通過檢測溫度，將溫度信息轉(zhuǎn)換為控制碼對(duì)振蕩頻率進(jìn)行調(diào)整；(2)利用片外高精度電阻得到溫度穩(wěn)定的閾值電壓及充放電電流，以實(shí)現(xiàn)振蕩頻率的低溫漂特性；(3)通過使用基準(zhǔn)源提供閾值電壓和充放電電流，以使振蕩頻率獲得良好溫度的特性。上述的第一類方法不需要對(duì)偏置電路作復(fù)雜的設(shè)計(jì)，可以使用任意溫度特性的電壓作為閾值以及任意溫度特性的電 流對(duì)電容進(jìn)行充放電，但其需要其他片外功能電路模塊，不便単獨(dú)使用；上述的第二類方法不需要額外的功能電路模塊，但其需要分離器件，使用不方便，不能完全體現(xiàn)單片集成的優(yōu)勢(shì)；上述第三類方法實(shí)現(xiàn)了電路的完全集成，但需要設(shè)計(jì)基準(zhǔn)源，増加了設(shè)計(jì)難度?？傊鲜龇椒ň圆煌绞綁埣恿?OSC的使用成本。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供ー種完全片上集成的適用于任何標(biāo)準(zhǔn)CMOSエ藝的低溫漂張弛振蕩器及其調(diào)試方法。該類張弛振蕩器無需基準(zhǔn)源，使得電路的復(fù)雜度大大降低，節(jié)約設(shè)計(jì)成本。此外，配套使用的調(diào)試方法能夠在エ藝有偏差的情況下，通過一次電流調(diào)節(jié)使振蕩器的振蕩頻率重獲低溫漂特性。本發(fā)明利用開關(guān)的導(dǎo)通和斷開特性，并配合相關(guān)控制信號(hào)，使電路能夠于不同狀態(tài)之間進(jìn)行切換，從而讓電路實(shí)現(xiàn)數(shù)學(xué)上的加減操作，以使電路獲得所需的性能。本發(fā)明是通過下述電路來實(shí)現(xiàn)ー種低溫漂振蕩頻率的張弛振蕩器電路，包括偏置模塊，寄存器和振蕩模塊。偏置模塊的輸出進(jìn)入振蕩模塊，為其提供參考電流；由該振蕩器外部PIN腳輸入的調(diào)節(jié)信號(hào)進(jìn)入寄存器中，寄存器的輸出控制碼也進(jìn)入振蕩模塊，對(duì)其進(jìn)行電流調(diào)節(jié)；最后由振蕩模塊輸出所需的振蕩頻率。所述的振蕩模塊是由開關(guān)結(jié)構(gòu)電路(100)，比較器，電容充放電電路(102)以及構(gòu)成(100)和(102)電路中電流的可調(diào)電流模塊(103)組成，這些電路中所含的元器件和比較器都集成于振蕩模塊上。所述的開關(guān)結(jié)構(gòu)電路(100)由一個(gè)開關(guān)(Sdev)，兩支電流(I1.I2)，一個(gè)電流舵開關(guān)(Scs)以及可提供比較器閾值電壓旳元件(I)與元件⑵組成。其中，兩支電流(I1U2)分別為兩個(gè)可調(diào)電流模塊(103)的輸出，開關(guān)(Sdev)與其中ー個(gè)提供比較器閾值電壓的元件⑵并聯(lián)，電流舵開關(guān)(Ses)控制電流(I2)的切換，并且開關(guān)(Sdev)和電流舵開關(guān)(Scs)均受比較器輸出信號(hào)(Vwt+/Xut_)的控制。所述的電容充放電電路(102)由電容器(C)、電容充放電電流(Icto)和電流舵開關(guān)(Sdm)組成。其中，電容充放電電流(Idm)由可調(diào)電流模塊(103)構(gòu)成。 所述的可調(diào)電流模塊(103)由圖4所示的以偏置模塊提供的電流(Im)為參考并以2進(jìn)制方式遞增的電流源構(gòu)成。開關(guān)結(jié)構(gòu)電路(100)用于產(chǎn)生比較器輸入端的閾值電壓(VTH1，Vth2)，可調(diào)電流模塊(103)用于對(duì)エ藝偏差造成的振蕩頻率溫度特性的退化進(jìn)行修正。根據(jù)前述開關(guān)電路的特點(diǎn)，無論開關(guān)結(jié)構(gòu)電路(100)中的元件(1、2)為比較器提供何種溫度特性的閾值電壓(VTH1，VTH2)，該發(fā)明的振蕩器的振蕩頻率都可擁有良好的溫度穩(wěn)定性，即開關(guān)結(jié)構(gòu)電路(100)中的元件(1、2)可以是電阻，晶體管，ニ極管等。下面對(duì)本發(fā)明的低溫漂特性的振蕩器的電路エ作原理進(jìn)行詳細(xì)闡述。本發(fā)明的低溫漂特性的振蕩器的振蕩模塊的電路連接圖如圖3所示。該振蕩模塊包含有開關(guān)結(jié)構(gòu)電路(100)，比較器，電容充放電電路(102)以及構(gòu)成(100)和(102)電路中電流的可調(diào)電流模塊(103)。其中，可調(diào)電流模塊(103)中的開關(guān)序列(S1NS111)受寄存器輸出控制碼的控制，從而對(duì)輸出電流大小進(jìn)行調(diào)節(jié)，如圖4所示。本發(fā)明的低溫漂特性的振蕩器中的開關(guān)結(jié)構(gòu)電路(100)的工作原理如下I.控制開關(guān)結(jié)構(gòu)電路(100)中開關(guān)(Sdev)的周期信號(hào)在半個(gè)周期內(nèi)使得該開關(guān)(Sdev)處于導(dǎo)通狀態(tài)，即開關(guān)結(jié)構(gòu)中僅有ー個(gè)元件(I)有效；2.控制開關(guān)結(jié)構(gòu)電路(100)中開關(guān)(Sdev)的周期信號(hào)在另外半個(gè)周期內(nèi)使得該開關(guān)(Sdev)處于斷開狀態(tài)，即開關(guān)結(jié)構(gòu)中的兩個(gè)元件(1，2)均有效。3.控制開關(guān)結(jié)構(gòu)電路(100)中電流舵開關(guān)(S?！返闹芷谛盘?hào)在半個(gè)周期內(nèi)使得該開關(guān)(Scs)處于導(dǎo)通狀態(tài)，即開關(guān)結(jié)構(gòu)電路(100)中的兩支電流(I1, I2)均接入元件通路。4.控制開關(guān)結(jié)構(gòu)電路(100)中電流舵開關(guān)(Scs)的周期信號(hào)在另外半個(gè)周期內(nèi)使得該開關(guān)(Ses)處于斷開狀態(tài)，即開關(guān)結(jié)構(gòu)電路(100)中僅ー支電流(I1)接入元件通路。5.根據(jù)開關(guān)結(jié)構(gòu)電路(100)中的兩個(gè)元件(1，2)提供的電壓的溫度特性，選擇開關(guān)(Sdev)和電流舵開關(guān)(Scs)的控制信號(hào)是同相還是反相，從而實(shí)現(xiàn)不受溫度變化影響的穩(wěn)定的振蕩頻率。


圖I為本發(fā)明的低溫漂特性的張弛振蕩器的系統(tǒng)框圖。
圖2為傳統(tǒng)的張弛振蕩器的振蕩模塊示意圖。圖3為本發(fā)明的低溫漂特性的張弛振蕩器的振蕩模塊示意圖。其中，(100)為開關(guān)結(jié)構(gòu)電路，(102)為電容充放電電路，(103)為可調(diào)電流模塊。圖4為本發(fā)明的低溫漂特性的張弛振蕩器的可調(diào)電流模塊(103)示意圖。其中，開關(guān)序列(S1-Sm)的通斷受寄存器輸出控制碼的控制。圖5為本發(fā)明的低溫漂特性的張弛振蕩器的開關(guān)結(jié)構(gòu)電路(100)中元件(1、2)為電阻的振蕩模塊示意圖。圖6為本發(fā)明的低溫漂特性的張弛振蕩器的振蕩頻率隨溫度變化關(guān)系的仿真曲線。其中，開關(guān)結(jié)構(gòu)電路(101)中的兩個(gè)電阻(R1, R2)的溫度系數(shù)均是負(fù)值。圖中，“開關(guān)電阻”曲線表示使用了本發(fā)明中的開關(guān)結(jié)構(gòu)電路(101)的振蕩頻率隨溫度變化關(guān)系的仿真曲線，其中電阻(R1, R2)、電流(I1, I2, Ichar)及電容(C)的取值詳見具體實(shí)施方式
中的情況 I。圖7為本發(fā)明的低溫漂特性的張弛振蕩器的振蕩頻率隨溫度變化關(guān)系的仿真曲線。其中，開關(guān)結(jié)構(gòu)電路(101)中的電阻R1的溫度系數(shù)是負(fù)數(shù)，R2的溫度系數(shù)是正數(shù)。圖中，“開關(guān)電阻”曲線表示使用了本發(fā)明中的開關(guān)結(jié)構(gòu)電路(101)的振蕩頻率隨溫度變化關(guān)系的仿真曲線，其中電阻(R1, R2)、電流(I1, I2, Ichar)及電容(C)的取值詳見具體實(shí)施方式
中的情況2。圖8為本發(fā)明的低溫漂特性的張弛振蕩器的振蕩頻率的溫度特性受エ藝誤差造成的電阻偏差的影響的仿真曲線。其中“電阻偏離20%”(エ藝最大偏差量)表示開關(guān)結(jié)構(gòu)電路(101)中的電阻R1的阻值比具體實(shí)施方式
情況I中的阻值大20%，R2的阻值則小20%的情況(最差情況)。圖中，“電流修調(diào)后”曲線表示本發(fā)明的振蕩器在上述情況下，模擬調(diào)試過后的振蕩頻率的溫度特性的仿真曲線。圖9為本發(fā)明的低溫漂特性的張弛振蕩器的振蕩頻率隨エ藝誤差造成的電阻變化的仿真曲線。該仿真曲線是在具體實(shí)施方式
的情況I下得到。圖10為本發(fā)明的低溫漂特性的張弛振蕩器在圖9所示情況下，模擬調(diào)試過后其振蕩頻率隨エ藝誤差造成的電阻變化的仿真曲線。該仿真曲線是在具體實(shí)施方式
的情況I下得到。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖以電阻作為開關(guān)結(jié)構(gòu)電路(100)中的元件(1、2)為例給出本發(fā)明的低溫漂特性的張弛振蕩器的電路實(shí)現(xiàn)的具體實(shí)施步驟。在此說明，下述的電路實(shí)現(xiàn)只是ー個(gè)優(yōu)選實(shí)例，并不影響該低溫漂張弛振蕩器電路實(shí)現(xiàn)方法的一般性。該電路實(shí)現(xiàn)首先需根據(jù)開關(guān)結(jié)構(gòu)電路(101)中電阻(R1;R2)溫度系數(shù)的正負(fù)，選擇開關(guān)(Sdev)的控制信號(hào)，如圖5所示。其中包含下面兩種情況I)開關(guān)結(jié)構(gòu)電路(101)中電阻(RpR2)的溫度系數(shù)同號(hào)，即同為正數(shù)或同為負(fù)數(shù)；2)開關(guān)結(jié)構(gòu)電路(101)中電阻(R1, R2)的溫度系數(shù)異號(hào)，即其中ー個(gè)的溫度系數(shù)為正數(shù)，另ー個(gè)的溫度系數(shù)為負(fù)數(shù)。在情況I)電阻(ル、R2)的溫度系數(shù)為同號(hào)的具體實(shí)施步驟步驟I.由于開關(guān)結(jié)構(gòu)電路(101)中電阻(R1, R2)的溫度系數(shù)同號(hào)，開關(guān)(Sdev)的控制信號(hào)應(yīng)選擇為ν_+，即與電流舵開關(guān)(Sj同相。步驟2.根據(jù)上述步驟的操作，比較器輸入端的兩個(gè)閾值電壓可以用如下式子表示
權(quán)利要求
1.一種低溫漂特性的張弛振蕩器，其特征在于該張弛振蕩器由偏置模塊，寄存器和振蕩模塊組成，偏置模塊的輸出進(jìn)入振蕩模塊，為其提供參考電流；由該振蕩器外部PIN腳輸入的調(diào)節(jié)信號(hào)進(jìn)入寄存器中，并且寄存器的輸出控制碼也進(jìn)入振蕩模塊，對(duì)其進(jìn)行電流調(diào)節(jié)；最后由振蕩模塊輸出所需的振蕩頻率。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的低溫漂特性的張弛振蕩器，其特征在于所述的振蕩模塊是由開關(guān)結(jié)構(gòu)電路(100)、比較器、電容充放電電路(102)以及構(gòu)成(100)和(102)電路中電流的可調(diào)電流模塊(103)組成，這些電路中所含的元器件和比較器都集成于振蕩模塊上。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的低溫漂特性的張弛振蕩器，其特征在于所述的開關(guān)結(jié)構(gòu)電路(100)由一個(gè)開關(guān)(Sdev)、兩支電流(I1U2)、一個(gè)電流舵開關(guān)(Scs)以及可提供比較器閾值電壓的元件(I)與元件(2)組成，其中，兩支電流(Ip I2)分別為兩個(gè)可調(diào)電流模塊(103)的輸出，開關(guān)(Sdev)與其中一個(gè)提供比較器閾值電壓的元件(2)并聯(lián)，電流舵開關(guān)(S?！房刂齐娏?I2)的切換，并且開關(guān)(Sdev)和電流舵開關(guān)(Scs)均受比較器輸出信號(hào)(Vm+zXt)的控制。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的低溫漂特性的張弛振蕩器，其特征在于所述的電容充放電電路(102)由電容器(C)、電容充放電電流(I.)和電流舵開關(guān)(Scto)組成，其中，電容充放電電流(Iehar)由可調(diào)電流模塊(103)構(gòu)成。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的低溫漂特性的張弛振蕩器，其特征在于所述的可調(diào)電流模塊(103)由以偏置模塊提供的電流(IMf)為參考并以2進(jìn)制方式遞增的電流源構(gòu)成。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的低溫漂特性的張弛振蕩器，其特征在于提供比較器閾值電壓的元件(I)、元件(2)可為電阻、晶體管或二極管等。
7.實(shí)現(xiàn)權(quán)利要求I所述的低溫漂特性的張弛振蕩器的調(diào)試方法，其特征在于設(shè)計(jì)振蕩模塊和調(diào)試振蕩器包括如下步驟 1).在振蕩模塊電路設(shè)計(jì)時(shí)，將比較器的正向輸入端接入電容充放電電路(102)，負(fù)向輸入端接入開關(guān)結(jié)構(gòu)電路(100)； 2).根據(jù)開關(guān)結(jié)構(gòu)電路(100)中兩個(gè)元件(1、2)為比較器提供的閾值電壓的溫度系數(shù)的正負(fù)，選擇開關(guān)(Sdev)的控制信號(hào)； 3).根據(jù)開關(guān)結(jié)構(gòu)電路(100)中兩個(gè)元件(1、2)為比較器提供的閾值電壓的溫度系數(shù)的大小，確定上述兩個(gè)元件相關(guān)參數(shù)(如元件為電阻時(shí)則計(jì)算阻值，元件為晶體管時(shí)則計(jì)算晶體管的數(shù)目，元件為二極管時(shí)則計(jì)算PN結(jié)面積等)，并計(jì)算開關(guān)結(jié)構(gòu)電路(100)中兩支電流(I1, I2)的大小； 4).根據(jù)所需振蕩頻率計(jì)算電容(C)值和電容充放電電流值(Icto)； 5).在測試時(shí)，用已有技術(shù)對(duì)本發(fā)明的振蕩器芯片進(jìn)行測試，根據(jù)振蕩器輸出的頻率值及其頻率值隨溫度的變化關(guān)系是否滿足要求，確定PIN腳輸入的調(diào)節(jié)信號(hào)，該調(diào)節(jié)信號(hào)進(jìn)入芯片后轉(zhuǎn)換為相應(yīng)控制碼，分別控制不同可調(diào)電流模塊(103)中開關(guān)序列的通斷，改變其輸出電流大小，進(jìn)而調(diào)整開關(guān)結(jié)構(gòu)電路(100)中的兩支電流(I1U2)的比例及電容充放電電路(102)中電流(Itto)的大小，使本發(fā)明的振蕩器的振蕩頻率回歸到所需值并且重獲低溫漂特性。
全文摘要
一種低溫漂特性的張弛振蕩器及其調(diào)試方法，涉及振蕩器領(lǐng)域。該振蕩器電路包括偏置模塊，寄存器和振蕩模塊。振蕩模塊是由開關(guān)結(jié)構(gòu)電路，比較器，電容充放電電路組成。該振蕩器以開關(guān)結(jié)構(gòu)電路為核心，配合電流調(diào)節(jié)方式的調(diào)試方法，實(shí)現(xiàn)張弛振蕩器單片集成的同時(shí)，使振蕩器振蕩頻率獲得了優(yōu)良的溫度穩(wěn)定性。本發(fā)明公開的開關(guān)結(jié)構(gòu)電路是為了使張弛振蕩器獲得良好的溫度穩(wěn)定性，根據(jù)電路工作原理，開關(guān)結(jié)構(gòu)電路中的元件無論給比較器提供何種溫度特性旳閾值電壓，均可使張弛振蕩器擁有良好的溫度穩(wěn)定性。本發(fā)明的低溫漂張弛振蕩器及其調(diào)試方法適用于任何標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝。
文檔編號(hào)H03K3/02GK102664605SQ201210069920
公開日2012年9月12日 申請(qǐng)日期2012年3月16日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月16日
發(fā)明者于奇, 馮純益, 劉洋, 寧寧, 張軍, 徐振濤, 范洋, 錢可強(qiáng) 申請(qǐng)人:電子科技大學(xué)