本發(fā)明涉及一種rc張弛振蕩器，特別是涉及一種比較器失調(diào)抵消的rc張弛振蕩器。

背景技術(shù)：

時(shí)鐘電路或計(jì)時(shí)器是低功耗電子設(shè)備的關(guān)鍵模塊。例如，在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，時(shí)鐘電路作為計(jì)時(shí)器，周期性的喚醒節(jié)點(diǎn)收發(fā)信號(hào)，其功耗、集成度、頻率穩(wěn)定性性能都至關(guān)重要。rc張弛振蕩器具有低功耗，易于片上集成的特點(diǎn)，非常適合應(yīng)用在這些電子設(shè)備中。實(shí)際中振蕩器的頻率受溫度、電壓、工藝等因素影響，設(shè)計(jì)具有穩(wěn)定工作頻率的低功耗振蕩器具有重要意義。

參照圖7。文獻(xiàn)“s.l.j.gierkinkande.vantuij,acoupledsawtoothoscillatorcombininglowjitterwithhighcontrollinearity[j],ieeejournalofsolid-statecircuits,vol.37,no.6,pp.702-710,june2002.”公開了一種rc張弛振蕩器。該結(jié)構(gòu)主要包括一個(gè)電容充放電電路、兩個(gè)比較器和一個(gè)rs觸發(fā)器。在電容充放電電路中，充電電流源iref1與開關(guān)s1的一端相連組成充電支路，放電電流源iref2與開關(guān)s2一端相連組成放電支路，開關(guān)s1和開關(guān)s2的另一端連接到電容c的正端vc，電容c的負(fù)端接地。電容c的正端vc與比較器cmp1的同相端和比較器cmp2的反向端相連，比較器cmp1的反向端連接參考電壓vh，比較器cmp2的同相端連接參考電壓vl。比較器cmp1的輸出連接rs觸發(fā)器的輸入r，比較器cmp2的輸出連接rs觸發(fā)器的輸入s。rs觸發(fā)器的輸出q控制開關(guān)s1，rs觸發(fā)器的輸出控制開關(guān)s2。當(dāng)電容上的電壓vc超過參考電壓vh時(shí)，比較器cmp1的輸出翻轉(zhuǎn)，rs觸發(fā)器的輸出q變?yōu)楦唠娖?。開關(guān)s1關(guān)斷，開關(guān)s2導(dǎo)通，電容c上的電荷通過放電支路開始放電。當(dāng)電容c上的電壓vc低于參考電壓vl時(shí)，比較器cmp2的輸出翻轉(zhuǎn)，rs觸發(fā)器的輸出q變?yōu)榈碗娖?。開關(guān)s1導(dǎo)通，開關(guān)s2關(guān)斷，電容c通過充電支路開始充電，如此循環(huán)。振蕩器的周期由充電電流iref1、放電電流iref2、電容c、以及比較器的閾值電壓vh、vl決定。該rc張弛振蕩器雖然結(jié)構(gòu)簡單，但存在以下缺點(diǎn)：比較器的失調(diào)電壓隨著溫度、電壓、工藝的變化而變化，導(dǎo)致振蕩器的頻率和占空比不穩(wěn)定。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了克服現(xiàn)有rc張弛振蕩器頻率和占空比穩(wěn)定性差的不足，本發(fā)明提供一種比較器失調(diào)抵消的rc張弛振蕩器。該rc張弛振蕩器包括參考電壓產(chǎn)生電路、電容充放電電路、比較器以及反相器鏈。本發(fā)明采用電荷泵產(chǎn)生兩個(gè)相位差為180°周期性三角波信號(hào)，通過比較器對這兩個(gè)三角波信號(hào)進(jìn)行比較產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)。由于三角波信號(hào)的峰峰值由一個(gè)固定的參考電壓決定，與比較器的失調(diào)電壓無關(guān)，在每種工作狀態(tài)下電容的充放電時(shí)間保持不變，從而使振蕩器的頻率保持不變。由于比較器失調(diào)抵消，避免了比較器的失調(diào)電壓對振蕩器的頻率和占空比的影響，頻率和占空比穩(wěn)定性好。并且僅使用了一個(gè)比較器，使比較器的數(shù)量減少了一半。

本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：一種比較器失調(diào)抵消的rc張弛振蕩器，其特點(diǎn)是包括參考電壓產(chǎn)生電路1、電容充放電電路2、比較器3以及反相器鏈4。參考電壓產(chǎn)生電路1的輸出vref與電容充放電電路2的輸入端相連；電容充放電電路2的輸出vramp1和輸出vramp2與比較器3的輸入端相連；比較器3的輸出vout與反相器鏈4的輸入相連；反相器鏈的輸出φ和輸出與電容充放電電路2的輸入端相連。所述參考電壓產(chǎn)生電1產(chǎn)生參考電壓vref，電容充放電電路2產(chǎn)生占空比為50％、幅度相等、相位差為180°的三角波信號(hào)vramp1和三角波信號(hào)vramp2，三角波信號(hào)vramp1和三角波信號(hào)vramp2分別輸入到比較器3的同相端和反相端產(chǎn)生占空比50％的方波信號(hào)vout，方波信號(hào)vout輸入到反相器鏈4產(chǎn)生相位差為180°的方波信號(hào)φ和方波信號(hào)方波信號(hào)φ和方波信號(hào)反饋到電容充放電電路2的輸入。所述電容充放電電路2由充電電流源iref1、放電電流源iref2、開關(guān)s1-s8、電容c、電容c1以及電容c2組成。開關(guān)s1的一端與充電電流源iref1相連，開關(guān)s1的另一端與電容c1的正端vramp1相連。開關(guān)s2的一端與放電電流源iref2相連，開關(guān)s2的另一端與電容c1的正端vramp1相連。開關(guān)s3的一端與充電電流源iref1相連，開關(guān)s3的另一端與電容c2的正端vramp2相連。開關(guān)s4的一端與放電電流源iref2相連，開關(guān)s4的另一端與電容c2的正端vramp2相連。開關(guān)s5的一端與電容c1的負(fù)端相連，開關(guān)s5的另一端與地相連。開關(guān)s6的一端與電容c2的負(fù)端相連，開關(guān)s6的另一端與地相連。開關(guān)s7的一端與電容c1的負(fù)端相連，開關(guān)s7的另一端與參考電壓vref相連。開關(guān)s8的一端與電容c2的負(fù)端相連，開關(guān)s8的另一端與參考電壓vref相連。所述比較器3的同相端與電容充放電電路2的輸出vramp1連接，反相端與電容充放電電路2的輸出vramp2連接，比較器3的輸出為vout。所述反相器鏈4由反相器inv1和反相器inv2組成。反相器inv1的輸入與比較器3的輸出vout連接，反相器inv2的輸入與反相器inv1的輸出連接。反向器inv1的輸出為反相器inv2的輸出為φ。

本發(fā)明的有益效果是：該rc張弛振蕩器包括參考電壓產(chǎn)生電路、電容充放電電路、比較器以及反相器鏈。本發(fā)明采用電荷泵產(chǎn)生兩個(gè)相位差為180°周期性三角波信號(hào)，通過比較器對這兩個(gè)三角波信號(hào)進(jìn)行比較產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)。由于三角波信號(hào)的峰峰值由一個(gè)固定的參考電壓決定，與比較器的失調(diào)電壓無關(guān)，在每種工作狀態(tài)下電容的充放電時(shí)間保持不變，從而使振蕩器的頻率保持不變。由于比較器失調(diào)抵消，避免了比較器的失調(diào)電壓對振蕩器的頻率和占空比的影響，頻率和占空比穩(wěn)定性好。并且僅使用了一個(gè)比較器，使比較器的數(shù)量減少了一半。

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對本發(fā)明作詳細(xì)說明。

附圖說明

圖1是本發(fā)明比較器失調(diào)抵消的rc張弛振蕩器的系統(tǒng)框圖。

圖2是本發(fā)明比較器失調(diào)抵消的rc張弛振蕩器的電路圖。

圖3是本發(fā)明比較器失調(diào)抵消的rc張弛振蕩器工作原理示意圖。

圖4是本發(fā)明中存在比較器失調(diào)的rc張弛振蕩器的電路圖。

圖5是本發(fā)明中存在比較器失調(diào)的rc張弛振蕩器工作原理示意圖。

圖6是本發(fā)明rc張弛振蕩器電路的具體實(shí)現(xiàn)圖。

圖7是背景技術(shù)rc張弛振蕩器的電路圖。

具體實(shí)施方式

以下實(shí)施例參照圖1～6。

本發(fā)明比較器失調(diào)抵消的rc張弛振蕩器包括參考電壓產(chǎn)生電路1、電容充放電電路2、比較器3以及反相器鏈4。

所述電容充放電電路2由充電電流源iref1、放電電流源iref2、開關(guān)s1-s8、電容c、電容c1以及電容c2組成。開關(guān)s1的一端與充電電流源iref1相連，開關(guān)s1的另一端與電容c1的正端vramp1相連。開關(guān)s2的一端與放電電流源iref2相連，開關(guān)s2的另一端與電容c1的正端vramp1相連。開關(guān)s3的一端與充電電流源iref1相連，開關(guān)s3的另一端與電容c2的正端vramp2相連。開關(guān)s4的一端與放電電流源iref2相連，開關(guān)s4的另一端與電容c2的正端vramp2相連。開關(guān)s5的一端與電容c1的負(fù)端相連，開關(guān)s5的另一端與地相連。開關(guān)s6的一端與電容c2的負(fù)端相連，開關(guān)s6的另一端與地相連。開關(guān)s7的一端與電容c1的負(fù)端相連，開關(guān)s7的另一端與參考電壓vref相連。開關(guān)s8的一端與電容c2的負(fù)端相連，開關(guān)s8的另一端與參考電壓vref相連。

所述比較器3的同相端與電容充放電電路2的輸出vramp1連接，反相端與電容充放電電路2的輸出vramp2連接，比較器3的輸出為vout。

所述反相器鏈4由反相器inv1和反相器inv2組成。反相器inv1的輸入與比較器3的輸出vout連接，反相器inv2的輸入與反相器inv1的輸出連接。反向器inv1的輸出為反相器inv2的輸出為φ。

本發(fā)明的原理：

參照圖2-3。當(dāng)電容c1的正端vramp1的電壓等于電容c2的正端vramp2的電壓時(shí)，假設(shè)電路工作狀態(tài)從φ＝0轉(zhuǎn)換到φ＝1，電容c1的負(fù)端電壓從地切換到參考電壓vref，電容c2的負(fù)端電壓從參考電壓vref切換到地。同時(shí)，電容c1的正端vramp1的電壓升高vref，電容c2的正端vramp2的電壓降低vref。電容c1的正端vramp1和電容c2的正端vramp2之間的電壓差從0變?yōu)?vref。電容c1通過充電電流源iref1進(jìn)行充電，電容c2通過放電電流源iref2進(jìn)行放電。當(dāng)電容c1的正端vramp1與電容c2的正端vramp2的電壓再次相等時(shí)，電路從狀態(tài)φ＝1轉(zhuǎn)換到狀態(tài)φ＝0。根據(jù)電路的對稱性，電路工作在狀態(tài)φ＝1和φ＝0的時(shí)間相等，均為振蕩器的時(shí)鐘周期t的一半，即t/2。

如果c1＝c2，iref1＝iref2，那么，

c1×vref＝iref1×t/2(1)

因此，振蕩器的周期t為

振蕩器的周期t由參考電壓vref、充放電電流iref1、放電電流iref2、電容c1以及電容c2決定。

參照圖4-5。當(dāng)比較器3存在失調(diào)電壓電壓vos時(shí)，電路在狀態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)，電容c1/電容c2正端vramp1/vramp2上升或下降的電壓值仍然為參考電壓vref。當(dāng)電路工作在φ＝0的狀態(tài)時(shí)，充電電流源iref1對電容c1進(jìn)行充電，電容c1的正端vramp1的電壓上升，放電電流源iref2對電容c2進(jìn)行放電，電容c2的正端電壓vramp2的電壓下降。當(dāng)電容c1的正端vramp1比電容c2的正端vramp2的電壓高vos時(shí)，比較器3的輸出vout翻轉(zhuǎn)，電路轉(zhuǎn)換到φ＝1的工作狀態(tài)，電容c1的正端vramp1與電容c2的正端vramp2的電壓差從vos變?yōu)?vref+vos。電路工作在φ＝1的狀態(tài)時(shí)，充電電流源iref1對電容c2進(jìn)行充電，電容c2的正端vramp2的電壓上升；放電電流源iref2對電容c1進(jìn)行放電，電容c1的正端vramp1的電壓下降。當(dāng)電容c1的正端vramp1比電容c2的診斷vramp2的電壓高vos時(shí)，比較器3的輸出vout翻轉(zhuǎn)，電路轉(zhuǎn)換到φ＝0的工作狀態(tài)。電容c1的正端vramp1與電容c2的正端vramp2的電壓差從vos變?yōu)?2vref+vos。因此，在φ＝0的狀態(tài)下，vramp1-vramp2從初始值-2vref+vos變?yōu)樽罱K值vos，變化量為2vref。在φ＝1的狀態(tài)下，vramp1-vramp2從初始值2vref+vos變?yōu)樽罱K值vos，變化量為-2vref。在兩種狀態(tài)下，vramp1-vramp2的變化值與比較器3沒有失調(diào)時(shí)的變化值相等，兩種狀態(tài)的持續(xù)的時(shí)間沒有發(fā)生變化。因此，比較器3存在失調(diào)電壓時(shí)振蕩器的頻率和占空比仍然保持不變。

本發(fā)明rc張弛振蕩器的電路給出如下具體實(shí)施例：

參照圖6。rc張弛振蕩器由參考電壓產(chǎn)生電路1、電容充放電電路2、比較器3以及反相器鏈4組成。

所述參考電壓產(chǎn)生電路1由參考電流源iref、pmos管m1、pmos管m2、電阻r以及電容c組成。pmos管m1、pmos管m2，其柵極相連，構(gòu)成電流鏡結(jié)構(gòu)；其源極相連，并連接到電源。pmos管m1的漏極與參考電流源iref相連。pmos管m2的漏極與電阻r的一端vref相連。電阻r與電容c并聯(lián)，一端連接到節(jié)點(diǎn)vref，另一端接地。

參考電流iref由電流產(chǎn)生電路產(chǎn)生，通過pmos管m1鏡像到pmos管m2。流過pmos管m2的電流流過電阻r和電容c，在節(jié)點(diǎn)vref產(chǎn)生與電阻r和參考電流iref成正比的參考電壓。

所述電容充放電電路2由電流鏡像電路、電容c1、電容c1的充電支路、電容c1的放電支路、電容c2、電容c2的充電支路、電容c2的放電支路以及pmos管m11-m14組成。pmos管m1、pmos管m3、pmos管m4，其柵極相連，構(gòu)成電流鏡結(jié)構(gòu)；其源極相連，并連接到電源。nmos管m5、nmos管m6，其柵極相連，構(gòu)成電流鏡結(jié)構(gòu)；其源極相連，并連接到地。電容c1的充電支路由pmos管m4、pmos管m7組成。pmos管m4的漏極與pmos管m7的源極相連，構(gòu)成電容c1的充電支路。nmos管m6的漏極與nmos管m8的源極相連，構(gòu)成電容c1的放電支路。pmos管m7的漏極和nmos管m8的漏極與電容c1的正端vramp1相連。pmos管m4的漏極與pmos管m9的源極相連，構(gòu)成電容c2的充電支路。nmos管m6的漏極與nmos管m10的源極相連，構(gòu)成電容c2的放電支路。pmos管m9的漏極和nmos管m10的漏極與電容c2的正端vramp2相連。pmos管m11-m14為開關(guān)器件。電容c1的負(fù)端與nmos管m11和nmos管m12的漏極相連；nmos管m11的源極接地，nmos管m12的源極連接參考電壓vref；nmos管m11的柵極連接信號(hào)nmos管m12的柵極連接信號(hào)φ。電容c2的負(fù)端與nmos管m13和nmos管m14的漏極相連；nmos管m13的源極接地，nmos管m14的源極連接參考電壓vref；nmos管m14的柵極連接信號(hào)nmos管m13的柵極連接信號(hào)φ。

電容充放電電路2工作在兩種狀態(tài)下。當(dāng)φ＝0時(shí)，pmos管m7、nmos管m8、nmos管m12以及nmos管m13的柵極為低電平，pmos管m9、nmos管m10、nmos管m11以及nmos管m14的柵極為高電平。pmos管m7、nmos管m10、nmos管m11以及nmos管m14導(dǎo)通，nmos管m8、pmos管m9，nmos管m12以及nmos管m13關(guān)斷。電容c1的正端vramp1通過pmos管m7連接到pmos管m4的漏極，電容c1的負(fù)端通過nmos管m11連接到地。電容c2的正端vramp2通過nmos管m10連接到nmos管m6的漏極，電容c2的負(fù)端通過nmos管m14連接到參考電壓vref。電容充放電電路2的輸出vramp1的電壓上升，而電容充放電電路2的輸出vramp2的電壓下降。當(dāng)電容充放電電路2的輸出vramp1的電壓超過電容充放電電路2的輸出vramp2電壓時(shí)，比較器3的輸出vout翻轉(zhuǎn)，電路轉(zhuǎn)換到φ＝1的工作狀態(tài)。在φ＝1的狀態(tài)下，pmos管m7、nmos管m8、nmos管m12以及nmos管m13的柵極為高電平，pmos管m9、nmos管m10、nmos管m11以及nmos管m14的柵極為低電平。pmos管m7、nmos管m10、nmos管m11以及nmos管m14關(guān)斷，nmos管m8、pmos管m9，nmos管m12以及nmos管m13導(dǎo)通。電容c1的正端vramp1通過nmos管m8連接到nmos管m6的漏極，電容c1的負(fù)端通過nmos管m12連接到參考電壓vref。電容c2的正端vramp2通過pmos管m9連接到pmos管m4的漏極，電容c2的負(fù)端通過nmos管m13連接到地。電容充放電電路2的輸出vramp1的電壓下降，而電容充放電電路2的輸出vramp2的電壓上升。當(dāng)電容充放電電路2的輸出vramp2的電壓超過電容充放電電路2的輸出vramp1電壓時(shí)，比較器的輸出vout翻轉(zhuǎn)，電路轉(zhuǎn)換到φ＝0的工作狀態(tài)。

所述比較器3的同相端與電容充放電電路2的輸出vramp1連接，反相端與電容充放電電路2的輸出vramp2連接，比較器3的輸出為vout。

所述反相器鏈4由反相器inv1和反相器inv2組成。反相器inv1的輸入與比較器3的輸出vout連接，反相器inv2的輸入與反相器inv1的輸出連接。反向器inv1的輸出為反相器inv2的輸出為φ。