阅读说明：本技术 一种采用预充电技术的rc振荡器 (RC oscillator adopting pre-charging technology ) 是由 姚若河 戴罡 于 2020-06-02 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种采用预充电技术的RC振荡器,该RC振荡器电路包括主振荡器电路和预充电控制电路,所述主振荡器电路完成对电容的充放电以及提供振荡器电路的输出信号。所述的预充电控制电路对主振荡器电路中的环路延时进行测量,并通过控制电路控制主振荡器的充电过程,使得在对电容组的其中一条支路充电完成时,能立即开始对另一条支路开始充电,而无需经历延时。在延时时间结束后,测量电路触发控制电路控制主振荡器回到正常的充电模式；经预充电控制电路控制主振荡器电路的工作方式,可以实现电容两条支路充电没有时间间隔,使得振荡器的振荡周期不包含环路延时,从而补偿了环路延时对振荡器振荡周期的影响,提高了输出频率的精度。(The invention discloses an RC oscillator adopting a pre-charging technology, which comprises a main oscillator circuit and a pre-charging control circuit, wherein the main oscillator circuit completes the charging and discharging of a capacitor and provides an output signal of the oscillator circuit. The pre-charging control circuit measures the loop delay in the main oscillator circuit and controls the charging process of the main oscillator through the control circuit, so that when one branch of the capacitor bank is charged, the other branch can be immediately charged without delay. After the delay time is over, the measuring circuit triggers the control circuit to control the main oscillator to return to a normal charging mode; the working mode of the main oscillator circuit is controlled by the pre-charging control circuit, so that the two branches of the capacitor can be charged without time intervals, the oscillation period of the oscillator does not contain loop delay, the influence of the loop delay on the oscillation period of the oscillator is compensated, and the precision of the output frequency is improved.)

一种采用预充电技术的RC振荡器

技术领域

本发明涉及集成电路领域，特别涉及一种对输出频率稳定的RC振荡器。

背景技术

随着通信技术的快速发展，可携带通信设备应用的越发广泛。而RC振荡器作为可集成的片上时钟源，对其的研究设计也越来越普遍。而要设计输出信号频率稳定的RC振荡器即成为研究的重要课题。由于RC振荡器电路中存在的环路延时会随温度等因素而发生波动，从而导致振荡器的输出频率不稳定，所以对振荡器电路的输出频率进行温度补偿是非常有必要的。

专利CN101977035A中公布了一种温度补偿失调消除的RC振荡器，包括基准电流产生模块和时钟信号产生模块。其中，基准电流产生模块由两个运算放大器、两个电流源、两个场效应管、电阻和减法器组成,时钟信号产生模块由比较器、缓冲器、电容、电流源和电流镜构成,电流镜的输入端连接减法器的输出端,比较器的输出控制振荡器的所有开关,比较器的输出端经缓冲器后成为振荡器的输出时钟信号。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术不足，提供了一种采用预充电技术的RC振荡器，该RC振荡器通过预充电控制电路测量振荡器电路中的环路延时，并通过控制电路控制主振荡器电路的充电过程，使得主振荡器电路能在对一条支路的电容充电完成后立即开始对另一条支路充电，而无需经历环路延时。使得振荡器电路的振荡周期不包含环路延时，从而补偿了环路延时对振荡器输出频率的影响，提高了RC振荡器输出频率的精度。

为实现以上目的，本发明采取如下技术方案：

一种采用预充电技术的RC振荡器，其特征在于，包括主振荡器电路和预充电控制电路。所述的主振荡器电路完成对电容的充放电，实现电路振荡，并输出振荡波形；所述的预充电控制电路，包括延时测量电路以及控制电路部分，通过控制电路控制主振荡器的充电过程，使得主振荡器电路对一条支路的电容充电完成时，能控制充电恒流源立即开始对另一支路的电容充电，而无需经历主振荡器中所固有的环路延时，从而使得振荡器电路的振荡周期不包含环路延时部分。并基于延时测量电路，在延时时间结束后，测量电路触发控制电路，控制主振荡器回到正常的充电模式。经预充电控制电路与主振荡器电路组成的新的电路拓扑，可以消除主振荡器拓扑结构中的环路延时对输出频率的影响，提高振荡器输出频率的精度。

优选地，所述的主振荡器电路，包括第一恒流源，第二充电恒流源，充电电容组，比较电路和触发器电路。

优选地，所述的第一恒流源和第二充电恒流源均与所述的充电电容组相连，且提供相同的充电电流。所述的充电电容组与所述的比较电路连接，所述的比较电路的输出连接在所述的触发器电路输入端，所述的触发器电路输出即为振荡器电路的输出。

优选地，所述的预充电控制电路，包括控制电路和延时测量电路。

优选地，所述的延时测量电路的输入与所述的触发器电路输出以及充电电容组相连，其输出与控制电路相连接。所述的控制电路的输出与所述的第二充电恒流源相连。

本发明相对于现有技术具有如下的优点和效果：

1、本发明基于预充电控制电路，控制主振荡器对电容组充电过程，使得一条支路的电容充电完成后，另一条能立即开始充电，从而振荡周期不包含环路延时，避免了受其波动导致的输出频率不稳定。

2、本发明相较于现有技术基于环路延时各部分温度系数不同而相互抵消的方式，本发明通过将环路延时作为整体来消除其对振荡周期影响的补偿方式，弱化了对触发器电路，以及比较电路的设计约束，增强了电路应用范围。

3、本发明中所采用的预充电控制电路主要由逻辑门电路组成，相较于现有的较为复杂的数字trimming技术，本发明的预充电控制电路设计更高效，从而使得电路成本更低，整体电路拓扑结构更简单。

4、本发明中相较于现有的基于数模混合电路和时间数字转换器(TDC)电路测量延时的技术，本发明基于逻辑门电路测量环路延时，且测量电路只在测量延时的环节工作，而其余时间不消耗能量，从而使得电路的功耗更低。

附图说明

图1为现有技术中振荡器的基本原理示意图；

图2为本发明采用预充电技术的振荡器基本原理示意图；

图3为现有技术与本发明采用预充电技术的振荡器工作波形对比示意图；

图4为本发明采用预充电技术的RC振荡器的电路结构示意图

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案以及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不限于本发明。

本实施例中的技术方案为解决上述问题，总体思路如下：

如图2所示为本发明采用预充电技术的RC振荡器基本原理图，包括主振荡器电路和预充电控制电路。所述的主振荡器电路完成对电容的充放电，实现电路振荡，并输出振荡波形；所述的预充电控制电路，包括延时测量电路以及控制电路部分，通过控制电路控制主振荡器的充电过程，使得主振荡器电路对一条支路的电容充电完成时，能控制充电恒流源立即开始对另一支路的电容充电，而无需经历主振荡器中所固有的环路延时，从而使得振荡器电路的振荡周期不包含环路延时部分。并基于延时测量电路，在延时时间结束后，测量电路触发控制电路，控制主振荡器回到正常的充电模式。经预充电控制电路与主振荡器电路组成的新的电路拓扑，可以消除主振荡器拓扑结构中的环路延时对输出频率的影响，提高振荡器输出频率的精度。

所述的主振荡器电路包括三个充电电流源，参考电压产生支路，充放电电电路，开关阵列以及触发器电路。

优选地，所述的三个充电电流源由第一电流源I1，第二电流源I2和第三电流源I3组成。其中，第二电流源I2为第一个充电恒流源，第三电流源I3为第二充电恒流源。三个电流源提供的电流大小相等。

优选地，所述的参考电压产生电路包括第一MOS管M1和第一电阻R1构成。第一MOS管栅极和漏极相连，漏极与第一电流源I1的一端相连，第一电流源I1的另一端与电源电压相连；第一电阻R1由正负温度系数的电阻组合而成，其一端与第一MOS管的源极相连，另一端与地相连。其中第一MOS管的源极节点电压即为参考电压V_ref。

优选地，所述的充放电电路包括第二MOS管M2，第三MOS管M3，第一电容C1以及第二电容C2组成。其中，第二MOS管M2和第三MOS管M3为比较电路，第一电容C1和第二电容C2为充电电容组。第二MOS管的栅极与第一MOS管的栅极相连，源极与第一电容C1的一端相连，第一电容C1的另一端与地相连；第三MOS管的栅极与第二MOS管的栅极相连，源极与第二电容C2的一端相连，第二电容C2的另一端与地相连。

优选地，所述的开关阵列包括四个MOS开关，均由NMOS实现，分别为第一开关sw1，第二开关sw2，第三开关sw3以及第四开关sw4。第一开关sw1一端与第二电流源I2相连，另一端与第二MOS管的漏极相连，第二电流源I2另一端与电源电压相连；第二开关sw2一端与第三MOS管漏极相连，另一端与第二电流源I2相连；第三开关sw3一端与第三电流源I3相连，另一端与第二MOS管M2源极相连，第三电流源I3另一端连接电源电压；第四开关sw4一端与第三开关sw3相连，另一端与第三MOS管源极相连；

优选地，所述的触发器电路由第一SR触发器构成，其S输入端与第二MOS管M2漏极相连，R输入端与第三MOS管漏极相连，Q1输出端与第一开关sw1的栅极相连，控制其闭合，Q1B输出端与第二开关sw2的栅极相连，控制其闭合。

所述的预充电控制电路包括延时测量电路和控制电路。其中，延时测量电路完成对主振荡器环路延时的测量，控制电路控制主振荡器的充电过程。

优选地，所述的延时测量电路包括两组测量电路，均由逻辑门电路组成。所述的第一组测量电路由第一非门，第二非门，第三非门，第四非门以及第一与门组成。第一非门输入端与第一电容C1的上极板节点电压Vc1，输出与第二非门输入连接，第二非门输出与第一与门输入连接；第三非门的输入端与第一SR触发器的输出Q1连接，输出与第四非门输入连接，第四非门的输出连接第一与门的另一个输入端；第一与门的输出T1与第四开关sw4的栅极相连。所述的第二组测量电路由第五非门，第六非门，第七非门，第八非门以及第二与门组成。第五非门输入端与第二电容C1的上极板节点电压Vc2，输出与第六非门输入连接，第六非门输出与第二与门输入连接；第七非门的输入端与第一SR触发器的输出Q1B连接，输出与第八非门输入连接，第八非门的输出连接第二与门的另一个输入端；第二与门的输出T2与第三开关sw3的栅极相连。

优选地，所述的控制电路由第九非门，第十非门，第五开关sw5，第六开关sw6，第七开关sw7以及第八开关sw8组成。第九非门的输入端与第一与门的输出T1相连，输出T1’与第七开关sw7的栅极相连，控制其闭合；第十非门输入端与第二与门的输出T2相连，输出T2’与第五开关sw5的栅极相连，控制其闭合；第五开关sw5一端与第二MOS管源极相连，另一端与第六开关sw6相连，第六开关sw6另一端接地；第七开关sw7一端与第三MOS管M3源极相连，另一端与第八开关sw8相连，第八开关sw8另一端接地。第一SR触发器Q1输出端与第八开关sw8的栅极相连，Q1B输出端与第六开关sw6的栅极相连，分别控制两个开关的闭合。

如图2所示，本实施例采用预充电技术RC振荡器的工作原理是：结合如图3所示的振荡器工作波形可知，初始状态时，振荡器输出Q1＝1，Q1B＝0，此时主振荡器电路对电容C1充电，当电容C1充电完成时，也即电压Vc1达到参考电压Vref时，Vc1触发延时测量电路，使得控制信号T1变为高电平，从而主振荡器中电流源I3开始对电容C2充电。此时振荡器输出状态还未改变，电流源I2继续对电容C1充电，经环路延时后，振荡器输出切换，Q1回到低电平，Q1B变为高电平。延时时间结束，Q1触发延时测量电路，使得T1回到低电平，I3停止充电，此时主振荡器电路回到正常充电模式，电流源I2对电容C2继续充电。同样的，当电容C2上的电压Vc2达到参考电压Vref时，Vc2触发延时测量电路，使得控制信号T2变为高电平，从而主振荡器中电流源I3开始对电容C1充电。此时振荡器输出状态还未改变，电流源I2继续对电容C2充电，经环路延时后，振荡器输出切换，Q1B回到低电平。延时时间结束，Q1B触发延时测量电路，使得T2回到低电平，I3停止充电，此时主振荡器电路回到正常充电模式，电流源I2对电容C1开始充电。以此往复循环。

根据如图3所示的振荡器工作波形可以看出，主振荡器在对两条充电之路充电的过程中，无需经历环路延时，就可以实现当一条支路充电完成时，立即开始对另一条支路充电，从而保证振荡器的振荡周期中不包含环路延时，进而减小了环路延时的波动带来的振荡周期漂移，提高了振荡器输出频率的精度。

以上所述实施例的描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以权利要求所述为准。