专利名称：一种低温漂特性的张弛振荡器及其调试方法
技术领域：
本发明涉及ー种张弛振荡器，具体涉及ー种具有优良温度稳定性的张弛振荡器及其调试方法。
背景技术：
当今社会，振荡器(OSC)的运用随处可见，例如手机，手表等。然而有些应用场合需要高精度时钟源，如模数转换器(ADC)，数模转换器(DAC)，锁相环电路(PLL)等。由于时钟源性能的高低直接影响到上述系统的性能，性能优良的振荡器就成为了大家追逐的对象。
目前，随着集成电路(IC)产业不断向着片上集成系统(SOC)发展，越来越多的功能性电路都发展为片上集成的方式。由于成本较高和占用面积较大的问题，分离器件电路逐渐被集成电路代替。作为模拟、数字电路中ー个重要模块的振荡器，自然也由片外晶体振荡器发展为片上集成的方式，然而片上OSC的性能会受到温度和エ艺线的严重影响。传统的张弛振荡器包括偏置模块和振荡模块，其中振荡模块包括比较器，电容和锁存器等，如图2所示。该种振荡器要形成振荡，需要为比较器提供两个电压分别作为其翻转阈值(VTH1，VTH2)，该阈值之差决定了振荡频率。此外，对电容进行充放电的电流⑴的温度特性也会直接影响到振荡频率的温度特性。因此，为了改善片上OSC的温度特性，使振荡频率获得优良的温度稳定性，目前已有很多方法被提出，大致分为下述几种(1)通过检测温度，将温度信息转换为控制码对振荡频率进行调整；(2)利用片外高精度电阻得到温度稳定的阈值电压及充放电电流，以实现振荡频率的低温漂特性；(3)通过使用基准源提供阈值电压和充放电电流，以使振荡频率获得良好温度的特性。上述的第一类方法不需要对偏置电路作复杂的设计，可以使用任意温度特性的电压作为阈值以及任意温度特性的电 流对电容进行充放电，但其需要其他片外功能电路模块，不便単独使用；上述的第二类方法不需要额外的功能电路模块，但其需要分离器件，使用不方便，不能完全体现单片集成的优势；上述第三类方法实现了电路的完全集成，但需要设计基准源，増加了设计难度。总之上述方法均以不同方式増加了 OSC的使用成本。
发明内容
本发明的目的是提供ー种完全片上集成的适用于任何标准CMOSエ艺的低温漂张弛振荡器及其调试方法。该类张弛振荡器无需基准源，使得电路的复杂度大大降低，节约设计成本。此外，配套使用的调试方法能够在エ艺有偏差的情况下，通过一次电流调节使振荡器的振荡频率重获低温漂特性。本发明利用开关的导通和断开特性，并配合相关控制信号，使电路能够于不同状态之间进行切換，从而让电路实现数学上的加減操作，以使电路获得所需的性能。本发明是通过下述电路来实现ー种低温漂振荡频率的张弛振荡器电路，包括偏置模块，寄存器和振荡模块。偏置模块的输出进入振荡模块，为其提供參考电流；由该振荡器外部PIN脚输入的调节信号进入寄存器中，寄存器的输出控制码也进入振荡模块，对其进行电流调节；最后由振荡模块输出所需的振荡频率。所述的振荡模块是由开关结构电路(100)，比较器，电容充放电电路(102)以及构成(100)和(102)电路中电流的可调电流模块(103)组成，这些电路中所含的元器件和比较器都集成于振荡模块上。所述的开关结构电路(100)由一个开关(Sdev)，两支电流(I1.I2)，一个电流舵开关(Scs)以及可提供比较器阈值电压旳元件(I)与元件⑵组成。其中，两支电流(I1U2)分别为两个可调电流模块(103)的输出，开关(Sdev)与其中ー个提供比较器阈值电压的元件⑵并联，电流舵开关(Ses)控制电流(I2)的切換，并且开关(Sdev)和电流舵开关(Scs)均受比较器输出信号(Vwt+/Xut_)的控制。所述的电容充放电电路(102)由电容器(C)、电容充放电电流(Icto)和电流舵开关(Sdm)组成。其中，电容充放电电流(Idm)由可调电流模块(103)构成。 所述的可调电流模块(103)由图4所示的以偏置模块提供的电流(Im)为參考并以2进制方式递增的电流源构成。开关结构电路(100)用于产生比较器输入端的阈值电压(VTH1，Vth2)，可调电流模块(103)用于对エ艺偏差造成的振荡频率温度特性的退化进行修正。根据前述开关电路的特点，无论开关结构电路(100)中的元件(1、2)为比较器提供何种温度特性的阈值电压(VTH1，VTH2)，该发明的振荡器的振荡频率都可拥有良好的温度稳定性，即开关结构电路(100)中的元件(1、2)可以是电阻，晶体管，ニ极管等。下面对本发明的低温漂特性的振荡器的电路エ作原理进行详细阐述。本发明的低温漂特性的振荡器的振荡模块的电路连接图如图3所示。该振荡模块包含有开关结构电路(100)，比较器，电容充放电电路(102)以及构成(100)和(102)电路中电流的可调电流模块(103)。其中，可调电流模块(103)中的开关序列(S1NS111)受寄存器输出控制码的控制，从而对输出电流大小进行调节，如图4所示。本发明的低温漂特性的振荡器中的开关结构电路(100)的工作原理如下I.控制开关结构电路(100)中开关(Sdev)的周期信号在半个周期内使得该开关(Sdev)处于导通状态，即开关结构中仅有ー个元件(I)有效；2.控制开关结构电路(100)中开关(Sdev)的周期信号在另外半个周期内使得该开关(Sdev)处于断开状态，即开关结构中的两个元件(1，2)均有效。3.控制开关结构电路(100)中电流舵开关(S。》的周期信号在半个周期内使得该开关(Scs)处于导通状态，即开关结构电路(100)中的两支电流(I1, I2)均接入元件通路。4.控制开关结构电路(100)中电流舵开关(Scs)的周期信号在另外半个周期内使得该开关(Ses)处于断开状态，即开关结构电路(100)中仅ー支电流(I1)接入元件通路。5.根据开关结构电路(100)中的两个元件(1，2)提供的电压的温度特性，选择开关(Sdev)和电流舵开关(Scs)的控制信号是同相还是反相，从而实现不受温度变化影响的稳定的振荡频率。
图I为本发明的低温漂特性的张弛振荡器的系统框图。
图2为传统的张弛振荡器的振荡模块示意图。图3为本发明的低温漂特性的张弛振荡器的振荡模块示意图。其中，(100)为开关结构电路，(102)为电容充放电电路，(103)为可调电流模块。图4为本发明的低温漂特性的张弛振荡器的可调电流模块(103)示意图。其中，开关序列(S1-Sm)的通断受寄存器输出控制码的控制。图5为本发明的低温漂特性的张弛振荡器的开关结构电路(100)中元件(1、2)为电阻的振荡模块示意图。图6为本发明的低温漂特性的张弛振荡器的振荡频率随温度变化关系的仿真曲线。其中，开关结构电路(101)中的两个电阻(R1, R2)的温度系数均是负值。图中，“开关电阻”曲线表示使用了本发明中的开关结构电路(101)的振荡频率随温度变化关系的仿真曲线，其中电阻(R1, R2)、电流(I1, I2, Ichar)及电容(C)的取值详见具体实施方式
中的情况 I。图7为本发明的低温漂特性的张弛振荡器的振荡频率随温度变化关系的仿真曲线。其中，开关结构电路(101)中的电阻R1的温度系数是负数，R2的温度系数是正数。图中，“开关电阻”曲线表示使用了本发明中的开关结构电路(101)的振荡频率随温度变化关系的仿真曲线，其中电阻(R1, R2)、电流(I1, I2, Ichar)及电容(C)的取值详见具体实施方式
中的情况2。图8为本发明的低温漂特性的张弛振荡器的振荡频率的温度特性受エ艺误差造成的电阻偏差的影响的仿真曲线。其中“电阻偏离20%”(エ艺最大偏差量)表示开关结构电路(101)中的电阻R1的阻值比具体实施方式
情况I中的阻值大20%，R2的阻值则小20%的情况(最差情況)。图中，“电流修调后”曲线表示本发明的振荡器在上述情况下，模拟调试过后的振荡频率的温度特性的仿真曲线。图9为本发明的低温漂特性的张弛振荡器的振荡频率随エ艺误差造成的电阻变化的仿真曲线。该仿真曲线是在具体实施方式
的情况I下得到。图10为本发明的低温漂特性的张弛振荡器在图9所示情况下，模拟调试过后其振荡频率随エ艺误差造成的电阻变化的仿真曲线。该仿真曲线是在具体实施方式
的情况I下得到。
具体实施例方式下面结合附图以电阻作为开关结构电路(100)中的元件(1、2)为例给出本发明的低温漂特性的张弛振荡器的电路实现的具体实施步骤。在此说明，下述的电路实现只是ー个优选实例，并不影响该低温漂张弛振荡器电路实现方法的一般性。该电路实现首先需根据开关结构电路(101)中电阻(R1;R2)温度系数的正负，选择开关(Sdev)的控制信号，如图5所示。其中包含下面两种情況I)开关结构电路(101)中电阻(RpR2)的温度系数同号，即同为正数或同为负数；2)开关结构电路(101)中电阻(R1, R2)的温度系数异号，即其中ー个的温度系数为正数，另ー个的温度系数为负数。在情况I)电阻(ル、R2)的温度系数为同号的具体实施步骤步骤I.由于开关结构电路(101)中电阻(R1, R2)的温度系数同号，开关(Sdev)的控制信号应选择为ν_+，即与电流舵开关(Sj同相。步骤2.根据上述步骤的操作，比较器输入端的两个阈值电压可以用如下式子表示
权利要求
1.一种低温漂特性的张弛振荡器，其特征在于该张弛振荡器由偏置模块，寄存器和振荡模块组成，偏置模块的输出进入振荡模块，为其提供参考电流；由该振荡器外部PIN脚输入的调节信号进入寄存器中，并且寄存器的输出控制码也进入振荡模块，对其进行电流调节；最后由振荡模块输出所需的振荡频率。
2.根据权利要求I所述的低温漂特性的张弛振荡器，其特征在于所述的振荡模块是由开关结构电路(100)、比较器、电容充放电电路(102)以及构成(100)和(102)电路中电流的可调电流模块(103)组成，这些电路中所含的元器件和比较器都集成于振荡模块上。
3.根据权利要求2所述的低温漂特性的张弛振荡器，其特征在于所述的开关结构电路(100)由一个开关(Sdev)、两支电流(I1U2)、一个电流舵开关(Scs)以及可提供比较器阈值电压的元件(I)与元件(2)组成，其中，两支电流(Ip I2)分别为两个可调电流模块(103)的输出，开关(Sdev)与其中一个提供比较器阈值电压的元件(2)并联，电流舵开关(S。》控制电流(I2)的切换，并且开关(Sdev)和电流舵开关(Scs)均受比较器输出信号(Vm+zXt)的控制。
4.根据权利要求2所述的低温漂特性的张弛振荡器，其特征在于所述的电容充放电电路(102)由电容器(C)、电容充放电电流(I.)和电流舵开关(Scto)组成，其中，电容充放电电流(Iehar)由可调电流模块(103)构成。
5.根据权利要求2所述的低温漂特性的张弛振荡器，其特征在于所述的可调电流模块(103)由以偏置模块提供的电流(IMf)为参考并以2进制方式递增的电流源构成。
6.根据权利要求3所述的低温漂特性的张弛振荡器，其特征在于提供比较器阈值电压的元件(I)、元件(2)可为电阻、晶体管或二极管等。
7.实现权利要求I所述的低温漂特性的张弛振荡器的调试方法，其特征在于设计振荡模块和调试振荡器包括如下步骤 1).在振荡模块电路设计时，将比较器的正向输入端接入电容充放电电路(102)，负向输入端接入开关结构电路(100)； 2).根据开关结构电路(100)中两个元件(1、2)为比较器提供的阈值电压的温度系数的正负，选择开关(Sdev)的控制信号； 3).根据开关结构电路(100)中两个元件(1、2)为比较器提供的阈值电压的温度系数的大小，确定上述两个元件相关参数(如元件为电阻时则计算阻值，元件为晶体管时则计算晶体管的数目，元件为二极管时则计算PN结面积等)，并计算开关结构电路(100)中两支电流(I1, I2)的大小； 4).根据所需振荡频率计算电容(C)值和电容充放电电流值(Icto)； 5).在测试时，用已有技术对本发明的振荡器芯片进行测试，根据振荡器输出的频率值及其频率值随温度的变化关系是否满足要求，确定PIN脚输入的调节信号，该调节信号进入芯片后转换为相应控制码，分别控制不同可调电流模块(103)中开关序列的通断，改变其输出电流大小，进而调整开关结构电路(100)中的两支电流(I1U2)的比例及电容充放电电路(102)中电流(Itto)的大小，使本发明的振荡器的振荡频率回归到所需值并且重获低温漂特性。
全文摘要
一种低温漂特性的张弛振荡器及其调试方法，涉及振荡器领域。该振荡器电路包括偏置模块，寄存器和振荡模块。振荡模块是由开关结构电路，比较器，电容充放电电路组成。该振荡器以开关结构电路为核心，配合电流调节方式的调试方法，实现张弛振荡器单片集成的同时，使振荡器振荡频率获得了优良的温度稳定性。本发明公开的开关结构电路是为了使张弛振荡器获得良好的温度稳定性，根据电路工作原理，开关结构电路中的元件无论给比较器提供何种温度特性旳阈值电压，均可使张弛振荡器拥有良好的温度稳定性。本发明的低温漂张弛振荡器及其调试方法适用于任何标准CMOS工艺。
文档编号H03K3/02GK102664605SQ201210069920
公开日2012年9月12日 申请日期2012年3月16日 优先权日2012年3月16日
发明者于奇, 冯纯益, 刘洋, 宁宁, 张军, 徐振涛, 范洋, 钱可强 申请人:电子科技大学