专利名称：具有温度补偿的振荡器的制作方法
技术领域：
本发明属于电路设计领域，特别是集成电路上具有温度补偿的振荡器。
背景技术：
在很多应用，例如随机存储器刷新/通讯系统的时基，温度特性相关的器件驱动等中需要高稳定的振荡器，例如其输出频率相对于电源电压/温度/时间需稳定等。通常频率相对于温度的变化在-40°C到80°C之间超过了 20%，因此温度补偿设计变成了片上振荡器设计的一大关键.片上振荡器的设计通常的架构是控制电流对电容进行充放电来实现，当电容一端的电压达到上限时，控制逻辑控制放电；当电容一端的电压达到下限时，控制逻辑控制充电。频率则取决于上下限电压差和充放电电流，可以表示成温度的方程表达式(1)Freq(T) = (1/ (1/1 (T) +1/IL (T))) / (Vswing (T) ,(1)其中Iu是充电电流，Il是放电电流，Vswing是电压差，C是电容。
充放电电流一般是设计成相等.因此方程(1)可以表示为O):Freq (T) = I(T)/(2*VSffING (T) *C)，(2)VSWING ⑴=VUPPEE ⑴-VLOWEK ⑴，(3)其中Iu =込=I，VSWINe是上限电压VUPreK，和下限电压Votek之差，如方程(3)所示。 因此频率的温度特性受到Vs■和电流I温度特性的影响。为了获得频率的温度补偿，我们可以分别对Vsrae和I进行补偿，或者两者一起。参见图1，在先技术(US 7, 227, 422)通过偏置电流流经电阻来获得上下限电压； 偏置电流和充放电电流具有相同的温度系数，因为它们是通过电流镜产生的；其中频率 Freq = I/[2*1* (R1-R2) *C] = 1/[2* (R1-R2) *C]。通常电容C的温度系数远小于电阻，因此，为了获得温度无关的频率，R1-R2需和温度无关。该在先技术中，通过使用大阻值小温度系数的R1，和小阻值大温度系数的R2使得R1-R2与温度无关。但是不同种类的电阻在工艺上难以匹配，而且电阻阻值随工艺的变化较大，因此这种方法在集成电路上不容易实现.参见图2，在先技术(US 5，870，345)通过一个具有正温度系数的电流和一个具有负温度系数的电路来实现一个与温度无关的电流，i。= I^i2 ；同时具有一个与温度无关的参考电压VREF ；温度无关的频率通过温度无关的电流和电压获得。电流I1是通过压控的 FET来实现，具有正温度系数；电流12通过电源电压流经电阻来实现，具有负温度系数。为了实现恰好的补偿来获得温度无关的i。，需要精确地控制FET电压和电阻，但这两者通常是随工艺变化而不利实现的。并且i2需要考虑电容上的电压变化，实现稳定的12将非常困难。
发明内容
本发明的目的在于提供一种实现温度补偿功能的振荡器，其温度补偿采用了更少的温度特性器件，降低了其对于工艺的依赖度，具有更好的健壮性。
为了实现以上目的，本发明一方面提供一种振荡器温度补偿的方法，所述振荡器包括充放电电流对一电容在上下限电压之间充放电，所述方法包括使用具有相同一阶温度系数K1的充电电流Iu和放电电流込；使用一个上限电压Vuppek，其温度特性取决于上述的电流之温度系数！^和另一个电路器件之一阶温度系数Κκ;以及使用一个下限电压Vumk,并由以下方程所决定Vlowee = -V
UPPERO _ ivR
/K1，其中V
UPPERO 是V UPPER 在室温下的值。本发明第二方面提供一种带有温度补偿的振荡器，其中包括一个参考电流，其具有一阶温度系数K1 ；若干电流镜用来从参考电流获得充电电流以及放电电流；具有一阶温度系数Kk的电阻，一端接地，一端串联在参考自Ikef的电流源输出端，用于产生一个上限电压Vuppek ；—个与温度无关的下限电压Votek ；控制器、两个开关，以及电容，所述电容下极板接地，上极板通过开关连接至充电电流源输出端和放电电流漏输入端；控制器和开关用于控制所述的充电电流在电容上极板电压V。ap到达V_K时对电容充电，放电电流在电容上极板电压V。ap到达Vuppek时对电容放电。下面将通过实施例来具体阐述本发明的细节。以下公布的细节仅是帮助公众增加对于本发明的理解而非限定本发明。
图1所示为在先技术之一。图2所示为另一在先技术。图3所示为根据本发明的一个优选实施例的电路结构图。图4所示为根据本发明的一个优选实施例的电路工作流程图。图5所示为根据本发明的一个优选实施例中带隙基准电路的结构图。图6所示为本发明一个优选实施例的测量结果，以及和其他结构振荡器结构的结果的比较。
具体实施例图3所示为本发明所述具有温度补偿的振荡器的一个优选实施例。其中包括一个电流参考源301提供参考电流Ikef，以及电流镜302-306，用于提供电流IK3，Iu和Il ；上述电流具有相同的温度特性。一个电容310，其上极板用于产生一个摆动电压(swing voltage) Vswing ；一个带隙基准320，用于提供一个温度无关参考电压Vkef ；—个缓冲器322用于增强参考电压驱动能力；一个电阻分压器323，由电阻Rl和R2组成，用于从Vkef提供Votek ；—个电阻R3，一端接地，另一端接偏置电流Ik3，用于提供上限电压Vuppek ；以及控制器330，用于控制开关331-332，对电容310进行充放电。图4所示为振荡器的工作流程。工作期间，在控制器330控制下，开关331和332 之一被合上，另一个则被断开；当开关331被合上时，充电电流Iu对电容310充电，拉升电容310上极板电压Veap ；当Veap达到Vuppek时，振荡器输出信号V。s。逻辑翻转，且控制器330 断开开关331，同时合上开关332 ；放电电路込对电容310放电，拉低V。s。；当Vcap低于V_K 时，振荡器输出信号V。s。逻辑翻转，且控制器330断开开关332，同时合上开关331 ；充电电流Iu对电容310充电，将V。ap拉VUPreK。上述充放电过程不断重复，因此振荡器输出振荡信号V。s。。振荡频率取决于充放电电流和上下限电压差。通常充放电电流大小被设计为一致以获得50%的时钟占空比。控制器330通常是由两个比较器和RS触发器组成，和图1所示在先技术中比较器110、120，以及触发器130的连接类似，为公知技术，此处不再赘述。图5所示为参考电流Ikef的获得电路，为一带隙基准。由电路理论可知，所述参考电流Ikef通过以下方程决定Ikef = Δ Vbe/R4，其中Δ Vbe是两个BJT的Vbe之差，R4和R3是同一类型电阻，具有相同温度系数Κκ。由此可知的Ikef温度系数来自于两部分，一是AVbe 温度系数，为正值；二是R4温度系数Κκ，通常为负值。于是Ikef温度系数会出现高阶温度系数，但当较小时，这个高阶的温度系数可以忽略，我们仍然认为参考电流Ikef具有一阶温度系数K”还可以有其他方法来获得具有一阶温度系数的参考电流，例如PTAT电流。下面将从理论推导上解释温度补偿是如何实现的，以及实现之条件。图3所示的电压/电流和温度的关系可以用如下的方程式表达Ir^T)=!-*^+!^*^-!;)),(4)I(T) = Iu(T) = Il(T) =A1^Ieef(T) = A1^Ieefo* (1+ * (T-T0)),(5)IE3 (T) = A2^Ieef ⑴=A2*I删* (1+ * (T-T0))，(6)VLOWEE(T) = VKEF*R2/(R1+R2) = VLOWEE,(7)R3 ⑴=R3。* (1 +Κκ* (T-T0))，(8) Vuppee ⑴=R3 ⑴ *IK3 ⑴=R3。* (1+Kk* (T-T0)) *A2*I_* (!+K1* (T-T0))= R30*A2*IEEF0* (1+Kk* (T-T0)) * (1+ * (T-T0))= R30*A2*IEEF0* (1+ (ΚΧ+ΚΕ) * (T-T0) + * * (T-T0)2)^ R30*A2*IEEF0* (1+ (K^Ke) * (T-T0))= VUPPEEO* (1 + (KJKK) * (T-T0))，= VUPPEKQ* (ΚΧ+ΚΕ) * (1/(ΚΧ+ΚΕ) + (T-T0))，(9)其中Ikefci是室温Ttl下参考电流Ikef ;Kx是Ikef的一阶温度系数(本发明所述的温度补偿指一阶温度补偿，因而所述的温度系数除特别指明外都是一阶温度系数)^是1 和 Il相对于Ikef的电流比；A2是Ik3相对于Ikef的电流比；Κκ是电阻R3的温度系数。在方程 (7)中，因为电阻Rl和R2是采用相同材料和结构的同一类型电阻，因而具有相同的温度系数，电阻比例R2/ (R1+R2)和温度无关，因此V_K与温度无关；在方程(9)中Vuppek在室温Ttl 的值可以表示为Vuppeeo = R30*A2*IEEF0(10)方程(9)采用了一阶近似，二阶的温度特性被舍弃，二阶部分可以表示为Vuppeeeeeoe = RSo^A^I^o^K^K,* (T-T0)2= Vupph^Ki*Kr* (T-To)2(11)这将给频率的温度系数带来一个小误差。将方程(7)的Votek(T)和方程(8)的VuppeJT)代入方程(3)可以得到摆动电压
VsWING (T)VSWING (T) = VUPPEE (T) -VLOWEE (T)= Vuppeeo* (KJKk) * ((l-VLOffEE/VUPPEEO) / (K^Ke) + (T-T0))(12)将方程(5)中I(T)和方程(12)中Vswing(T)代入方程(2)可以得到
Freq (T)= I(T)/(2*VSWING (T) *C)= (A1Wkefc^Ki/ (2*C*Vuppeko* (KJKk) )) * (!/K1+ (T-T0)) / ((l-VLOffEE/VUPPEEO) / (κχ+κΕ) +(T-T0))= (4*1·*!^/(2*OV臓#( + )) WFcdmpCD(13)其中频率的温度相关部分Ftomp⑴为Fcomp (T) = (IA1+ (T-T0)) / ((1-VL0WEE/VUPPEE0) / (K^Ke) + (T-T0)) (14)当频率和温度无关时Fcqmp⑴=1，因此，IA1+ (T-T0) = (l-VLOffEE/VUPPEEO) / (KJKk) + (T-T0)，简化后， IA1 = (1-VL0WEE/VUPPEE0) / (KJKK)，(K^KE) = K1* (1-VLOWEE/VUPPEEO)，Ke =-K^(VloweeAuPPeeo),(15)因此得到Vlowee = -Vuppeeo^KeZKi(16)其中KK，K1可以从工艺文件中得到。通常K1是一个正的温度系数，来自 PTAT(Proportional To Absolute Temperature)电流；而Kk为片上半导体电阻，例如多晶硅电阻的温度系数，通常是一个负的温度系数；为了使得Vumk小于VUPP·，通常的Kk绝对值小于K1，实际上是远小于。当Fcqmp (T)为 1 时Freq = Α^Ι^^Κ^/(2*C*VUPPEE0* ( + ))(18)将方程(10)中Vuppekq代入方程(18)，Freq = A^I^K^/ (2*C*R30*A2*IEEF0* (K^Ke))，= A1^K1*/ Q*C*R3。*A2* (Kj+Kr) )，(19)SA1 = A2，贝 IJFreq = K1*/ (2*C*R3Q* (K^Ke) )(20)当Kk 远远小于 K1 时 Freq ^ 1*/ (2*C*R30)(21)负温度系数电阻在集成电路工艺中是容易获得的，例如某工艺中的多晶硅电阻具有温度系数Kk = -5e-4/°C。考虑一个IOMHz输出频率的振荡器设计，电容310为5pF ；参考电流Ikef温度系数K1 = 5e-3/°C，室温下电流值为IOuA ；于是
K1/ (Kj+Kr) = 5*1(Γ3/(5*1(Γ3-5*1(Γ4) = 1· 11 Al = IOand A2 = 2，从方程(19)可以得到 R30 = 1. 11*5/(2*5*10_12*107) = 55. 5Kohm, Vuppero = 1*Ieef0*R30 = 55. 5K*20uA = 1. 11V, and Vlowee = 1. 11*5*1(T4/5*1(T3 = 0. IlV ；
* lower
图6所示为本实施例在某工艺下流片后测量的结果，其中OSCl为采用了本发明所述温度补偿结构的振荡器，其频率随温度的变化在-40°C 90°C范围内为3. 75% ；而相同的芯片上，未采用温度补偿的振荡器0SC2的相应变化高达14. 83%。实际上，从仿真来看， OSCl的相应变化可以做到0. 66%，一阶温度系数被完全补偿。
综上所述，本发明的优点在于(1)结构简单；通过一种类型的电阻的温度系数，由方程式(16)即可获得温度无关的振荡器频率；补偿不依赖于精确的电阻值，而取决于电阻比例，因此在集成电路工艺下容易实现；(2)降低了对工艺的依赖和工艺变化的敏感性；由于不需要不同类型电阻或其它器件之间的版图的匹配，以及温度系数的匹配，本发明所述的振荡器及温度补偿方法降低了对工艺的依赖，可以方便地应用在不同工艺下；由于不需要精确的电阻值，所以温度补偿且随工艺参数的变化小，可以实现更健壮的温度补偿。
权利要求
1.一种振荡器的温度补偿方法，所述振荡器包括充放电电流对一电容在上下限电压之间充放电，所述方法包括使用具有相同的一阶温度系数K1的充电电流Iu和放电电流込；使用一个上限电压Vuppek，其温度特性取决于上述的电流之温度系数K1和另一个电路器件之一阶温度系数Κκ;以及使用一个下限电压VOTEK，并由以下方程所决定VLOWER — "^UPPEEO 5^Ke /K1，其中VUPPERO 是V UPPER 在室温下的值。
2.如权力要求1所述的方法，其中K1为正数；其中Kk为负数；且K1大于Kk绝对值。
3.如权力要求1所述的方法，其中充电电流Iu和放电电流込参考自电流Ikef；所述参考电流Ikef通过以下方程决定Ikef= AVbe/R4，其中Δ Vbe是两个BJT的Vbe之差，其中电阻 R4具有Kk的一阶温度系数。
4.如权力要求1 3任一所述的方法，其中Vuppeki是由具有一阶温度系数K1的电流源流经电阻(R3)得到，其中该电阻(R3)具有Kk的一阶温度系数。
5.如权力要求1所述的方法，其中Vumk由一个参考电压Vkef通过电阻分压器得到，所述电阻分压器之电阻是和R3同一类型电阻，具有相同一阶温度系数。
6.一种具有温度补偿的振荡器，其中包括一个参考电流，其具有一阶温度系数K1 ；若干电流镜用来从参考电流Ikef获得充电电流Iu以及放电电流l· ；具有一阶温度系数Kk的电阻 (R3)，一端接地，一端串联在参考自Ikef的电流源输出端，用于产生一个上限电压Vuppek ； — 个与温度无关的下限电压Votek ；控制器、两个开关，以及电容，所述电容下极板接地，上极板通过开关连接至充电电流源输出端和放电电流漏输入端；控制器和开关用于控制所述的充电电流在电容上极板电压V。s。到达Votek时对电容充电，放电电流在电容上极板电压V。s。到达Vuppek时对电容放电。
7.如权力要求6所述的振荡器，其中=-1.* / ，其中Vuppeki是Vuppek在室温下的值。
8.如权力要求6所述的振荡器，还包括一个带隙基准用于提供Ikef，所述参考电流Ikef 通过以下方程决定Ikef= AVbe/R4，其中Δ Vbe是两个BJT的Vbe之差，R4和R3是同一类型， 具有相同温度系数。
9.如权力要求6 8任一所述的振荡器，其中带隙基准用于提供一个温度无关的参考电压Vkef，Vumk由Vkef得到。
10.如权利要求9所述的振荡器，其中Votek由参考电压Vkef通过电阻分压器得到，所述电阻分压器包括电阻Rl和R2，它们和R3同一类型，具有相同温度系数，且使得VOTEK = Vkef*R1/(R1+R2)。
全文摘要
一种振荡器温度补偿的方法和振荡器。本发明提供一种振荡器温度补偿的方法，所述振荡器包括充放电电流对一电容在上下限电压之间充放电，所述方法包括使用具有相同一阶温度系数KI的充电电流IU和放电电流IL；使用一个上限电压VUPPER，其温度特性取决于上述的电流之温度系数KI和另一个电路器件之一阶温度系数KR；以及使用一个下限电压VLOWER，并由以下方程所决定VLOWER＝-VUPPER0*KR/KI，其中VUPPER0是VUPPER在室温下的值。本发明还提供一种应用上述温度补偿方法的振荡器。本发明所述振荡器具有结构简单，温度补偿随工艺变化小，容易迁移，健壮性好等优点。
文档编号H03B5/04GK102420568SQ20111028910
公开日2012年4月18日 申请日期2011年9月26日 优先权日2011年9月26日
发明者李晓 申请人:李晓