一种张弛振荡器电路的制作方法
【专利摘要】本发明之一种张弛振荡器电路，包括温度补偿电流和电压产生电路、温度计编码控制模块以及张弛振荡频率产生模块，其中：该温度补偿电流产生电路包括两寄生三极管、若干电阻以及误差放大器，其中：寄生三极管一的发射极与该误差放大器的反向输入端以及MP3的源极相连，寄生三极管二的发射极通过电阻一与该误差放大器的同向输出端以及MP4的源极相连，并包括采用MP1、MP2、MP3和MP4实现宽摆幅的级联电流镜，以及所述温度补偿电压产生电路利用该温度补偿电流产生电路的电流和电阻三产生张弛振荡中的参考电压以及电容的阈值电压，藉由此等电路结构及其结合，实现了该张弛振荡器电路的设计与构造，从而达成了方便批量生产且能缩减产品成本的良好效果。
【专利说明】一种张弛振荡器电路
【技术领域】
[0001]本发明提供一种CMOS集成电路，尤其是指一种低成本、高精度且频率易控制的张 弛振荡器电路。
【背景技术】
[0002]片上振荡器是低成本集成电路系统(SOC)不可或缺的一部分，用来提供相应数字 电路所需要的时钟信号，为了保证系统工作的可靠性，需要补偿片上时钟频率随温度和电 源电压的变化。普通CMOS工艺兼容的振荡器电路有RC振荡器、电流/电容张弛振荡器等。 其中，张弛振荡器容易实现50%的占空比，容易补偿输出频率漂移，因此被广泛应用。
[0003]张弛振荡器频率稳定性补偿的传统做法比较多，典型的有:
1.现有技术的《一种消除温度和电压影响的RC振荡器电路》中所描述，振荡器的参考 电压U=i*Rl，充电电流I=i*R2/R3，该现有技术中的电流i的温度系数决定了 I的温度系 数，但是参考电压的温度系数由i的温度系数和电阻Rl的温度系数共同决定，因此参考电 压U和充电电流I之间没有匹配关系，在振荡器电路实际工作过程中随温度的变化比较大， 有待改进；
2.现有技术的《温度补偿电路和方法》，张弛振荡器的充电电流Ich=Vref/ (Rntc+Rptc)，其中，Vref为带隙参考电压，Rntc为负温度系数电阻，Rptc为正温度系数电 阻，通过不同类型电阻的温度系数抵消来实现温度补偿的充电电流，专利中没有给出振荡 器的参考电压产生方式。由于不同类型的片上电阻不能做到较好的匹配，而且张弛振荡器 的参考电压与振荡输出频率直接相关，因此该专利中的振荡器频率随工艺偏差、温度变化 比较明显，适合理论研究，在实际应用中不易批量生产。
【发明内容】
[0004]为解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种张弛振荡器电路，其结合片上 温度和电压补偿的振荡器电路，达成了产品精度高、频率易控制的良好效果，同时有效地解 决了批量生产产品存在不一致的技术问题，也为缩减产品成本起到了良好效果。
[0005]为实现上述目的，本发明之一种张弛振荡器电路，包括温度补偿模块、温度计编码 控制模块以及张弛振荡频率产生模块，所述温度补偿模块包括温度补偿电流产生电路和温 度补偿电压产生电路，其中:该温度补偿电流产生电路包括两寄生三极管、若干电阻以及 误差放大器，其中:寄生三极管一的发射极与该误差放大器的反向输入端以及MP3的源极 相连，寄生三极管二的发射极通过电阻一与该误差放大器的同向输出端以及MP4的源极相 连，并包括采用MP1、MP2、MP3和MP4实现宽摆幅的级联电流镜，以及所述温度补偿电压产生 电路利用该温度补偿电流产生电路的电流和电阻三产生张弛振荡中的参考电压以及电容 的阈值电压。
[0006]在本实施例中，所述若干电阻为晶硅电阻，并包括电阻二和电阻四，所述电阻一、 二、三及四是同一种类型的电阻且尺寸大小相同。[0007]在本实施例中，所述温度计编码控制模块包括实现输出频率单调调节的基本逻辑 门电路。
[0008]在本实施例中，所述张弛振荡频率产生模块包括对称充放电电路及RS触发器。
[0009]在本实施例中，所述张弛振荡频率产生模块的全温度范围在_40°C ?125°C之间。
[0010]在本实施例中，所述张弛振荡频率产生模块的输出频率漂移小于5%。
[0011]本发明与现有技术相比，其有益效果:一是结构简单，易于批量生产；二是在批量 生产中能保持产品的一致性；三是产品的频率特性稳定；四是可有效降低生产成本。
【专利附图】
【附图说明】
[0012]图1是本发明之较佳实施例的方框结构示意图。
[0013]图2是图1中温度补偿电流产生电路的结构示意图。
[0014]图3是图1中温度补偿电压产生电路的结构示意图。
[0015]图4是图1中温度计编码控制模块之充电电流Ich示意图。
[0016]图5是图1中张弛振荡频率产生模块的结构示意图。
【具体实施方式】
[0017]为详细说明本发明之技术内容、构造特征、所达成目的及功效，以下兹例举实施例 并配合附图详予说明。
[0018]请参阅图1并结合参阅图2和图3所示，一种张弛振荡器电路，包括温度补偿模块
10、温度计编码控制模块20以及张弛振荡频率产生模块30，其中:所述温度补偿模块10包 括温度补偿电流产生电路11和温度补偿电压产生电路12，其中:
请结合参阅图2及图3所示，所述温度补偿电流产生电路11，包括寄生三极管、电阻、 误差放大器以及CMOS，其中:产生温度补偿电流是由寄生三极管BE结负温度系数电压、 PTAT正温度系数电压、非硅化P+多晶硅电阻获得，具体说来:利用普通CMOS工艺中的寄生 衬底PNP三极管的基极和发射极电压VBE (Q_N1)、VBE (Q_N8)，该电压随温度变化呈负温度 系数，而VBE(Q_N1)与VBE(Q_N8)的差值电压呈现正温度系数。因此，负温度系数电流为 Intc=VBE(Q_N1)/R2，正温度系数电流 Iptc= (VBE(Q_N1)-VBE(Q_N8))/R1，其中 Rl 和 R2 是 非硅化P+多晶硅电阻(小的负温度系数)，温度补偿后的张弛振荡器充电电流Ich=Iptc + Intc,而EAMP误差放大器起到钳位作用，R2和R3两端的电压相等且等于VBE (Q_N1)，Rl 两端的电压等于VBE(Q_N1)_ VBE(Q_N8)，该电路中R2=R3，所以R1/R2/R3对应的电流分 别为:I(R2)=I(R3)=VBE(Q_N1)/R2=VBE(Q_N1)/R3, I (Rl) = (VBE(Q_N1)-VBE(Q_N8))/Rl。 CMOS工艺中三极管的电压、电流关系为:Ic=Is*(exp(VBE/VT))，因此VBE(Q_N1)- VBE(Q_ N8)=VT*ln(n)，其中VT=KT/q，n为Q_N1和Q_N8三极管的发射区面积的比值。综上关系 有:IchO=I (MP2) =I (MPl) =I (R3) +I (Rl) =VBE (Q_N1) /R3+ (VT*ln (n)) /Rl，该公式中 VBE (Q_ NI)随温度变化表现为负温度系数，VT随温度变化表现为正温度系数，因此通过设计电路 中的器件参数可以保证IchO在T=27°C表现为零温度系数，达到温度补偿的目的。另外， 该电路采用MP1/MP2/MP3/MP4实现了宽摆幅的级联电流镜，提高了电源抑制比，使得电源 电压大小对温度补偿电流IchO的影响可以忽略不计；结合图3所示，所述温度补偿电压产 生电路12，其中:该Rl的电流大小为正温度系数电流I(PTAT)= (VT*ln(n))/Rl，R2和R3的电流大小为负温度系数电流I (VBE (Q_N1) /R2) = I (VBE (Q_N1) /R3)，流过R4的电流大小 IchO=I (Rl)+I (R2),该电流是零温度系数电流。电路中R1/R2/R3/R4采用负温度温度系数 较小的非硅化P+多晶硅电阻，而Vcmp=IchO*R4，因此Vcmp是经过温度补偿的略带负温度系 数的电压，通过R4电阻的大小设定Vcmp电压小于MOS电容的阈值电压,符合后续张弛振荡 器电路的要求。
[0019]请结合参阅图4所示，所述温度计编码控制模块20系控制Ich电流大小的电路， 其是电路调整工艺角(corner)引起的频率漂移，具体说来，是利用温度计编码单调性好的 优势，结合设有的振荡器中心频率可以得到精确的控制，由于输出频率由充放电电流和MOS 电容共同决定，因此可以增加温度计编码位数来达到所要求的输出频率精度且不影响频率 的温度和电压特性；在本实施例中，dinl和dinO是数字控制输入二进制码，ctl2、cltl及 cltO是温度计编码输出控制信号，其中CtlO为dinl和dinO的逻辑或非输出，ctll为dinl 的逻辑取反输出，ctl2为dinl和dinO的逻辑与非输出；在本实施例中，Ichl/Ich2/Ich3 电流为前述温度补偿电流IchO的镜像电流，因此也具有零温度系数。上述温度计编码信号 cltl2/ctll/ctl0控制相应的MOS开关，从而实现了对Ich充电电流大小的单调控制。可以 按照精度要求选择相应二进制控制码位数，从而实现振荡器频率的精确控制。
[0020]请结合参阅图5所示，所述张弛振荡频率产生模块30，采用传统的对称充放电结 构和RS触发器实现，由于电流对MOS电容的充放电过程完全对称，因此可以很好的控制 时钟信号的占空比，而时钟信号占空比对于数字电路系统至关重要。例如:假设初始状态 vcl=l，则vc2=0, MPlO和MNll晶体管关断，MNlO和MPll晶体管打开，零温度系数电流Ich 通过MPll对电容MCAP2充电，MCAPl电容通过MNlO晶体管放电到0电位。当MCAP2电容上 的电压vo2达到温度补偿电压Vcmp时，比较器输出I电平,此时vol电压低于Vcmp电压， 其对应比较器输出为0电平。由或非门组成的RS触发器可得:vcl=0，vc2=l，此时MPlO和 丽11打开，MPl I和丽10关断，零温度系数电流Ich通过MPlO对M0SCAP1充电，MCAP2通过 MNll对地放电,重复之前的分析有:vcl=l, vc2=0。图5所示电路按照上述分析过程不断循 环产生振荡时钟信号。由于该电路的充放电过程完全对称，因此输出信号的占空比为50%， 另外，充放电时间由零温度系数电流Ich和温度补偿电压Vcmp确定，因此温度、电源电压对 输出频率的影响比较小，适合片上系统时钟应用。
[0021]综上所述，仅为本发明之较佳实施例，不以此限定本发明的保护范围，凡依本发明 专利范围及说明书内容所作的等效变化与修饰，皆为本发明专利涵盖的范围之内。
【权利要求】
1.一种张弛振荡器电路，包括温度补偿模块、温度计编码控制模块以及张弛振荡频率 产生模块，所述温度补偿模块包括温度补偿电流产生电路和温度补偿电压产生电路，其特 征在于:该温度补偿电流产生电路包括两寄生三极管、若干电阻以及误差放大器，其中:寄 生三极管一的发射极与该误差放大器的反向输入端以及MP3的源极相连，寄生三极管二的 发射极通过电阻一与该误差放大器的同向输出端以及MP4的源极相连，并包括采用MP1、 MP2、MP3和MP4实现宽摆幅的级联电流镜，以及所述温度补偿电压产生电路利用该温度补 偿电流产生电路的电流和电阻三产生张弛振荡中的参考电压以及电容的阈值电压。
2.如权利要求1所述的张弛振荡器电路，其特征在于:所述若干电阻为晶硅电阻，并包 括电阻二和电阻四，所述电阻一、二、三及四是同一种类型的电阻且尺寸大小相同。
3.如权利要求1所述的张弛振荡器电路，其特征在于:所述温度计编码控制模块包括 实现输出频率单调调节的基本逻辑门电路。
4.如权利要求1所述的张弛振荡器电路，其特征在于:所述张弛振荡频率产生模块包 括对称充放电电路及RS触发器。
5.如权利要求4所述的张弛振荡器电路，其特征在于:所述张弛振荡频率产生模块的 全温度范围在_40°C?125°C之间。
6.如权利要求5所述的张弛振荡器电路，其特征在于:所述张弛振荡频率产生模块的 输出频率漂移小于5%。
【文档编号】H03K3/023GK103501168SQ201310501775
【公开日】2014年1月8日 申请日期:2013年10月23日 优先权日:2013年10月23日
【发明者】曾宏博, 徐建强, 朱彬承, 林昕 申请人:天利半导体（深圳）有限公司