阅读说明：本技术 一种对温度不敏感的高精度宽范围张弛振荡器 (High-precision wide-range relaxation oscillator insensitive to temperature ) 是由 不公告发明人 于 2020-06-17 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种对温度不敏感的高精度宽范围张弛振荡器,包括偏置电压(101)、基准电流(102)、可编程电流镜(103)、张弛振荡器单元(104)和整形逻辑(105)模块；通过偏置电压(101)、基准电流(102)和可编程电流镜(103)为张弛振荡器单元提供可编程充放电电流,实现多频段输出的宽范围频率特性；通过基准电流(102)中的频率调节和温度补偿技术,实现各频段输出频率的粗调和微调,产生高精度的输出时钟；同时利用电阻的正温度系数特性和三极管的负温度系数特性,达到全温度范围内振荡器输出频率对温度不敏感的良好温漂特性；整形逻辑(105)将张弛振荡器单元输出波形进行比较、倍频以及反馈控制电容充放电,最终输出目标频率的时钟信号。本专利提出的张弛振荡器具有输出频率范围宽精度高和对温度不敏感特性。(The invention discloses a high-precision wide-range relaxation oscillator insensitive to temperature, which comprises a bias voltage (101), a reference current (102), a programmable current mirror (103), a relaxation oscillator unit (104) and a shaping logic (105) module; programmable charge and discharge current is provided for the relaxation oscillator unit through a bias voltage (101), a reference current (102) and a programmable current mirror (103), so that the wide-range frequency characteristic of multi-band output is realized; the coarse adjustment and the fine adjustment of the output frequency of each frequency range are realized through the frequency adjustment and temperature compensation technology in the reference current (102), and a high-precision output clock is generated; meanwhile, the positive temperature coefficient characteristic of the resistor and the negative temperature coefficient characteristic of the triode are utilized to achieve the good temperature drift characteristic that the output frequency of the oscillator is insensitive to temperature within the full temperature range; the shaping logic (105) compares and multiplies the output waveform of the relaxation oscillator unit, feeds back and controls the charging and discharging of the capacitor, and finally outputs a clock signal with a target frequency. The relaxation oscillator provided by the patent has the characteristics of wide output frequency range, high precision and insensitivity to temperature.)

一种对温度不敏感的高精度宽范围张弛振荡器

技术领域

本发明主要涉及高性能时钟设计领域，尤其指一种对温度不敏感的高精度宽范围张弛振荡器结构，该结构采用可编程电流镜实现宽频率范围时钟输出，同时基于电阻的正温度特性和三极管的负温度特性进行温漂系数补偿，使得产生对温度不敏感的高精度宽范围时钟成为现实。

背景技术

振荡器是许多电子系统的重要组成部分，从微处理器的时钟产生到蜂窝电话中的载波合成，振荡器无处不在，而且在不同的应用中，对振荡器的结构和性能参数要求存在很大的差别。振荡器一般分为张弛振荡器（也称为RC 振荡器）、电感电容振荡器、晶体振荡器、音叉振荡器等。张弛振荡器是应用最为普遍的一种振荡器结构，其通过对电容充放电实现振荡信号输出，调节充放电电流或电容的大小能够调节振荡信号的频率。相对于其它各种类型的振荡器，张弛振荡器具有结构简单，成本较低以及功耗较小的优点，所以在一些 SOC芯片中，例如单片机 (Micro Control Unit，MCU) 中张弛振荡器非常常见。但是它受工作电压和温度变化的影响较大，工艺相关性较差，这都会降低振荡信号的频率精度，一般认为其误差在1%~10%之间，所以如何提高其精度是一个非常有意义的研究课题。

传统的张弛振荡器电路如图1所示，包括两反相器INV1/INV2，缓冲器BUF，电阻R及电容C。当整个电路开始运行时，即时间t为0时，假设节点 Va电压为0，节点Vb电压为1，节点Vc电压为0；在T1时间内(即0<t<T1时)，节点Vb通过电阻R向电容C进行充电，节点Va处的电压升高；当t＝T1时，节点Va处电压达到反相器INV1的翻转电压，反相器INV1翻转，则节点Vb电压翻转为0，节点Vc处电压翻转为1；当T1<t<T2时，节点Va通过电阻R对电容C进行放电，使节点Va处电压降低；当t＝T2时，反相器INV1翻转，节点Vb电压翻转为1，反相器INV2翻转，节点Vc电压为0；当t＝T3时，节点Vb电压又发生翻转，节点Vc电压翻转，如此反复进行下去，具体波形如图2所示；且通过缓冲器BUF输出时钟CLK。

如图1所示的张弛振荡器，时钟CLK的周期t＝RC*ln[(1+Ksw) (2-Ksw)/(Ksw-Ksw^2)]，其中Ksw为反相器翻转阈值电压与电源电压的比值，一般取值0.5，经过简化以后t＝RC*ln9≈2.2RC，时钟CLK的频率f＝1/(2.2RC)。电阻R一般采用P+Poly（P型多晶硅）模型，电容C采用MOS电容。由于多晶硅电阻随温度、电压、工艺角有±10％的变化，MOS电容随电压、温度、工艺角的变化超过±10％，还有反相器、缓冲器等引入的延时变化最终导致输出时钟CLK频率可能存在±20％的偏差。

因此，有必要提供一种改进的张弛振荡器来克服上述缺陷。

解决上述技术问题，本发明提出了一种对温度不敏感的高精度宽范围振荡器。该振荡器包括偏置电压模块（101）、基准电流（102）、可编程电流镜（103）、张弛振荡器单元（104）和整形逻辑（105）模块；通过偏置电压模块（101）、基准电流（102）和可编程电流镜（103）为张弛振荡器单元提供可编程电流源，实现多频段宽范围的频率特性；通过频率调节和温度补偿技术，实现振荡器各频段输出频率的粗调和微调，产生高精度的输出时钟；同时利用电阻的正温度系数特性和三极管的负温度系数特性，达到全温度范围内振荡器输出频率对温度不敏感的良好温漂特性；整形逻辑（105）将张弛振荡器单元输出波形进行比较、倍频以及反馈控制电容充放电，最终输出对温度不敏感的高精度可靠时钟。

发明内容

本发明要主要解决的问题在于：针对现有技术存在的问题，本发明提供一种对温度不敏感的高精度宽范围张弛振荡器，该振荡器通过负反馈技术产生基准电流，电流大小可以表示为I_REF=V_REF1/R_eq1+（V_REF1-V_BE）/R_eq2，其中Req1为R3/R5/R7/R9形成电阻串支路的等效电阻，V_BE为第一三极管Q1的B端和E端的电压差，Req2为R4/R6/R8电阻串的等效电阻；通过可编程电流镜设置目标频率所对应频段的电流源大小，基于输出频率与目标频率的频差，采用Coarse_Code对粗调电阻阵列R5/R6进行阻值调节，从而改变基准电流大小，最终实现输出频率的粗调；当频差进入粗调误差范围内粗调结束，开始进入微调模式；通过Fine_Code选择不同节点进行反馈，调节Va节点电压，同样达到调节基准电流的效果，继而实现输出频率微调；最后基于电阻的正温度系数和三极管的负温度系数特性，调节电阻R7的阻值，实现不同温度时输出时钟频率的一致性。

为解决上述技术问题，本发明提出的解决方案为：包括偏置电压（101）、基准电流（102）、可编程电流镜（103）、张弛振荡器单元（104）和整形逻辑（105）模块；其中偏置电压模块中第一NMOS管NM1的漏极和栅极均接电流源I_REF的输出端，源极和衬底接地，电流源I_REF的输入端接电源，第二NMOS管NM2的栅极接第一NMOS管NM1的栅极，漏极接第一电阻R1的一端和第一PMOS管PM1的栅极，源极和衬底接地，第一电阻R1的另一端接第一PMOS管PM1的漏极，第一PMOS管PM1的衬底接电源，源极接第二PMOS管PM2的漏极，第二PMOS管PM2的栅极接地，源极和衬底接电源。

基准电流（102）包括第一放大器AMP（1021）、选择逻辑（1022）、微调模块（1023）、粗调电阻阵列（1024）和温度补偿单元（1025），其中选择逻辑输入信号为Fine_Code、Va、Vc和Vd，输出信号接到第一放大器AMP（1021）的负输入端；由第三PMOS管PM3、第四PMOS管PM4、第五PMOS管PM5、R3/R5/R7/R9形成的电阻串支路、R4/R6/R8形成的电阻串、第一三极管Q1、选择逻辑和第一放大器AMP组成的负反馈系统产生稳定的基准电流，通过Fine_Code选择不同的反馈点实现频率微调，通过Coarse_Code调节电阻R5和R6实现频率粗调，通过改变电阻R7实现不同温度下输出频率的一致性。

可编程电流镜（103）包括电阻R2/R3、PMOS管PM8~PMK，通过控制信号Ctrl_0~Ctrl_N对多路电流通路进行导通控制，实现张弛振荡器充放电电流大小调节，最终实现输出频率宽的工作特性。

张弛振荡器单元（104）中第三NMOS管NM3的栅极和第六PMOS管PM6的栅极均接控制信号VN，第三NMOS管NM3的漏极同时接到第一充放电电容C1的一端、第六PMOS管PM6的漏极和第五NMOS管NM5的源极，源极和衬底接地，第四NMOS管NM4的栅极和第七PMOS管PM7的栅极均接到控制信号VP，第四NMOS管NM4的漏极同时接到第二充放电电容C2的一端、第七PMOS管PM7的漏极和第六NMOS管NM6的源极，源极和衬底接地，第七PMOS管PM7的源极接可编程电流镜的输出端，衬底接电源，第一充放电电容C1的另一端接地，第二充放电电容C2的另一端接地，第五NMOS管NM5的栅极接控制信号VP，漏极同时接节点V0和第六NMOS管NM6的漏极，衬底接地，第六NMOS管NM6的栅极接控制信号VN，衬底接地。

整形逻辑（105）的输入信号包括参考电压V_REF2和张弛振荡器单元的输出信号V0，输出信号为VP、VN和VOUT信号。

上述的张弛振荡器，其特征在于：整形逻辑包括比较器CMP（1051）、边沿检测电路（1056）、与门（1052）、二分频器（1053）、RS触发器（1055）、第一反相器（1054）和第二反相器（1057）模块，其中CMP的正相输入端接V0，反相输入端接V_REF2，输出信号V1接与门（1052）的一个输入端，与门（1052）的另一都输入端接边沿检测电路的输出信号V5，与门（1052）的输出V2接到二分频器的输入端，二分频器输出端同时接到边沿检测电路的输入端、第一反相器（1054）的输入端和RS触发器的S输入端，RS触发器的R输入端接第一反相器（1054）的输出端，RS触发器的输出信号VN同时接第二反相器（1057）的输入端、第六NMOS管NM6的栅极、第三NMOS管NM3栅极和第六PMOS管PM6的栅极，输出信号VP同时接第五NMOS管NM5的栅极、第四NMOS管NM4栅极和第七PMOS管PM7的栅极。

上述的张弛振荡器，其特征在于：整形逻辑通过边沿检测逻辑获取张弛振荡器第一充放电电容C1和第二充放电电容C2的充放电输出沿跳变信息，同时通过二分频器对检测输出波形进行分频，获得占空比为50%的时钟信号VOUT。

上述的张弛振荡器，其特征在于：整个振荡器工作过程分为频段选择阶段、频率粗调阶段、频率微调阶段和温度补偿阶段，各阶段原理可以描述为：

频段选择阶段：根据实际工作频率通过Ctrl_0~Ctrl_N控制信号对可编程电流镜电流大小进行设置，获得目标频段的时钟信号输出。

频率粗调阶段：通过观察输出信号VOUT的时钟频率，并根据VOUT时钟频率与目标频率的偏差通过Coarse_Code对电阻R5和R6进行相应的调节；当VOUT时钟频率低于目标频率时，通过Coarse_Code减小电阻R5和R6的阻值；反之则增大电阻R5和R6的电阻值；通过调节R5和R6的电阻值，逐渐减小二者频差，当频差进入粗调误差范围内时，粗调工作完成，进入频率微调阶段。

频率微调阶段：通过Fine_Code选择不同的节点电压进行反馈电压，继而调节节点Va的电压，从而通过调节基准电流实现频率调节；当输出频率偏高时，选择Va节点进行反馈，降低输出频率；当输出频率偏低时，选择Vc/Vd节点进行反馈，提高输出频率；当频差进入微调范围内，微调工作完成，进入温度补偿阶段。

温度补偿阶段：通过频率粗调和微调控制码对应的有效阻值，获得左右两条电流支路的电阻比例，基于可调电阻R7不同阻值大小对应的温度系数补偿权重采用Temp_Code对R7阻值进行调节；当输出时钟频率随着温度的升高而升高时，通过Temp_Code增大R7对应温度系数权重的阻值；当输出时钟频率随着温度升高而降低时，通过Temp_Code降低R7对应温度系数权重的阻值，最终获得良好温漂特性的输出时钟信号。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、具有输出频率范围宽的特性。与传统的张弛振荡器相比，本发明采用可编程电流镜技术为张弛振荡器的电流源提供较宽动态范围，实现输出频率范围宽的特性；

2、具有高精度的输出时钟特性。与传统的张弛振荡器相比，本发明采用负反馈技术为可编程电流提供精确的基准电流，同时通过调节反馈点到地的等效电阻实现基准电流改变，继而实现输出时钟频率的粗调和细调，最终得到高精度的输出时钟信号；

3、全温度范围内输出时钟频率具有较好的一致性。与传统张弛振荡器相比，本发明基于电阻的正温度系数和三极管的负温度特性，通过调节电阻的阻值实现全温度范围内输出时钟频率不随温度变化而变化的良好一致性。

附图说明

图1是传统技术的张弛振荡器的结构示意图。

图2是传统技术的张弛振荡器输出波形图。

图3是本发明张弛振荡器的结构示意图。

图4是本发明整形逻辑模块的结构示意图。

图5是本发明基准电流模块中AMP的结构示意图。

图6是本发明基准电流模块中选择逻辑的结构示意图。

图7是本发明微调模式默认值对应的基准电流结构示意图。

图8是本发明微调模式最大调节能力对应的基准电流结构示意图。

图9是本发明微调模式最小调节能力对应的基准电流结构示意图。

图10是本发明张弛振荡器正常工作时不同节点的输出波形。

具体实施方式

以下将结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

请参阅图3所示，本发明的一种对温度不敏感的高精度宽范围振荡器，主要包括偏置电压（101）、基准电流（102）、可编程电流镜（103）、张弛振荡器单元（104）和整形逻辑（105）模块。

结合图3所示，该振荡器主要包括上电初始化阶段、频段选择阶段、频率粗调和细调阶段以及温度补偿阶段，具体实施方式如下：

1、上电初始化阶段

上电初始化阶段，张弛振荡器主要基于偏置电压（101）为基准电流（102）和可编程电流镜（103）提供正确的偏置电压，可编程电流源的控制信号Ctrl_0~Ctrl_N、微调控制码Fine_Code、粗调控制码Carse_Code以及温度补偿控制码Temp_Code基于默认值(中间控制码)产生相应的基准电流和电流源，此时基准电流产生电路如图7所示，其大小可以表示为：

I_REF= V_a/R_eq1+（V_a-V_BE）/R_eq2

Va=8*V_REF/5-3/10*(V_c+V_d)

其中k为微调控制码对应的十进制数，取值为0~7；Req1为R3/R5/R7/R9形成电阻串支路的等效电阻，V_BE为第一三极管Q1的B端和E端的电压差，Req2为R4/R6/R8电阻串的等效电阻；电流源电流大小可以表示为：

I_source=N*I_REF

张弛振荡单元（104）基于VP和VN控制信号实现对C1/C2的充放电，输出对应的锯齿波波形，整形逻辑对张弛振荡器的锯齿波波形进行比较产生对应的脉冲信号，该信号被边沿采样实现锯齿波到周期脉冲信号的整形，并通过二分频实现初始频率的时钟信号输出，同时反馈到张弛振荡单元控制对C1/C2的充放电，各节点输出波形如图10所示。

2、频段选择阶段

基于上电初始化过程，张弛振荡器产生初始频率的时钟信号，同时基于目标频率选择对应的可编程电流源控制码Ctrl_0~Ctrl_N，将输出频率调节到与目标频率同一频段的频率范围内，输出频率可以表示为：

Fre=N*I_REF/(2*C*V₁)

其中N*I_REF为电流镜的电流大小，C为第一/二电容值，V1为张弛振荡器输出节点V0的最大电压值。

3、频率粗调阶段

频率粗调阶段主要是根据频段选择后的输出时钟频率与目标时钟频率之间的频差，通过粗调控制码Carse_Code对粗调电阻阵列R5/R6进行调节，继而改变基准电流从而调节可编程电流源电流大小；当VOUT时钟频率低于目标频率时，通过Coarse_Code减小电阻R5和R6的阻值；反之则增大电阻R5和R6的电阻值；通过调节R5和R6的电阻值，逐渐减小二者频差，当频差进入粗调误差范围内时，粗调工作完成，进入频率微调阶段；整个粗调过程基准电流可以表示为：

I_REF= V_a/R_eq1+（V_a-V_BE）/R_eq2

Va=8*V_REF/(1+k)-(7-k)/2/(1+k)*(V_c+V_d)

其中k为微调码对应的十进制数，取值为0~7；Req1为R3/R5/R7/R9形成电阻串支路的等效电阻，V_BE为第一三极管Q1的B端和E端的电压差，Req2为R4/R6/R8电阻串的等效电阻。

4、频率微调阶段

微调阶段主要通过Fine_Code选择不同的节点电压进行反馈电压，继而调节节点Va的电压，从而通过调节基准电流实现频率调节；当输出频率偏高时，选择Va节点进行反馈，降低输出频率；当输出频率偏低时，选择Vc/Vd节点进行反馈，提高输出频率；对于不同的微调控制码，其对应基准电流产生电路如图8和图9所示。当频差进入微调范围内，微调工作完成，进入温度补偿阶段。

5、温度补偿阶段

温度补偿阶段：通过频率粗调和微调控制码对应的有效阻值，获得左右两条电流支路的电阻比例，基于可调电阻R7不同阻值大小对应的温度系数补偿权重采用Temp_Code对R7阻值进行调节；假设其中电阻对温度表现出正温度系数λ1，第一三极管Q1的VBE电压表现出负温度系数-λ2，因此只要保证在不同温度下两条之路的电流变化量相同，方向相反，则可以实现不同温度下电流I_REF不变，基于图3可以得出：

(R₄+R₆+R₈)*I_R+V_BE=Va

(R₃+R₅+R₇+R₉)*I_L =Va

其中I_L和I_R分别表示纯电阻支路电流和带三极管支路电流，假设R_L=R₃+ R₅+R₇+R₉=K₁*R_SH*(1+λ₁*T)，R_R=R₄+R₆+R₈= K₂* R_SH *(1+λ₁*T)，V_BE=V_BE0*(1-λ₂*T)，其中R_SH为电阻的方阻，λ₁和-λ₂分别为电阻和三极管V_BE电压的温度系数，V_BE0为三极管在常温下的工艺参数，T为环境温度，上式可以简化为：

I1=[Va-V_BE0*(1-λ₂T)]/[K₁*R_SH*(1+λ₁*T)]+ Va/[K₂* R_SH *(1+λ₁*T)]

根据对温度不敏感的输出频率特性，即可理解为随着温度变化基准电流不变，因此通过对上式进行对温度T求导，以及简化处理，最后可以得到如下表达式：

K1/K2=(λ₁+λ₂)/ λ₁*( V_BE0/Va-1)

最后基于上述表达式对R7进行调节，实现K₁和K₂的比例；当输出时钟频率随着温度的升高而升高时，通过Temp_Code增大R7对应温度系数权重的阻值；当输出时钟频率随着温度升高而降低时，通过Temp_Code降低R7对应温度系数权重的阻值，最终获得良好温漂特性的输出时钟信号。

以上各模块的示意图和实现是指具有该功能的所有实现方案。以上各图所示的电路仅为示例，将器件简单地替换所引起的电路变化亦属于本发明的保护范围，本发明的保护范围应以权利要求书为准。