一種張弛振蕩器電路的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明之一種張弛振蕩器電路，包括溫度補(bǔ)償電流和電壓產(chǎn)生電路、溫度計編碼控制模塊以及張弛振蕩頻率產(chǎn)生模塊，其中：該溫度補(bǔ)償電流產(chǎn)生電路包括兩寄生三極管、若干電阻以及誤差放大器，其中：寄生三極管一的發(fā)射極與該誤差放大器的反向輸入端以及MP3的源極相連，寄生三極管二的發(fā)射極通過電阻一與該誤差放大器的同向輸出端以及MP4的源極相連，并包括采用MP1、MP2、MP3和MP4實(shí)現(xiàn)寬擺幅的級聯(lián)電流鏡，以及所述溫度補(bǔ)償電壓產(chǎn)生電路利用該溫度補(bǔ)償電流產(chǎn)生電路的電流和電阻三產(chǎn)生張弛振蕩中的參考電壓以及電容的閾值電壓，藉由此等電路結(jié)構(gòu)及其結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了該張弛振蕩器電路的設(shè)計與構(gòu)造，從而達(dá)成了方便批量生產(chǎn)且能縮減產(chǎn)品成本的良好效果。
【專利說明】一種張弛振蕩器電路
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明提供一種CMOS集成電路，尤其是指一種低成本、高精度且頻率易控制的張 弛振蕩器電路。
【背景技術(shù)】
[0002]片上振蕩器是低成本集成電路系統(tǒng)(SOC)不可或缺的一部分，用來提供相應(yīng)數(shù)字 電路所需要的時鐘信號，為了保證系統(tǒng)工作的可靠性，需要補(bǔ)償片上時鐘頻率隨溫度和電 源電壓的變化。普通CMOS工藝兼容的振蕩器電路有RC振蕩器、電流/電容張弛振蕩器等。 其中，張弛振蕩器容易實(shí)現(xiàn)50%的占空比，容易補(bǔ)償輸出頻率漂移，因此被廣泛應(yīng)用。
[0003]張弛振蕩器頻率穩(wěn)定性補(bǔ)償?shù)膫鹘y(tǒng)做法比較多，典型的有:
1.現(xiàn)有技術(shù)的《一種消除溫度和電壓影響的RC振蕩器電路》中所描述，振蕩器的參考 電壓U=i*Rl，充電電流I=i*R2/R3，該現(xiàn)有技術(shù)中的電流i的溫度系數(shù)決定了 I的溫度系 數(shù)，但是參考電壓的溫度系數(shù)由i的溫度系數(shù)和電阻Rl的溫度系數(shù)共同決定，因此參考電 壓U和充電電流I之間沒有匹配關(guān)系，在振蕩器電路實(shí)際工作過程中隨溫度的變化比較大， 有待改進(jìn)；
2.現(xiàn)有技術(shù)的《溫度補(bǔ)償電路和方法》，張弛振蕩器的充電電流Ich=Vref/ (Rntc+Rptc)，其中，Vref為帶隙參考電壓，Rntc為負(fù)溫度系數(shù)電阻，Rptc為正溫度系數(shù)電 阻，通過不同類型電阻的溫度系數(shù)抵消來實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償?shù)某潆婋娏?，專利中沒有給出振蕩 器的參考電壓產(chǎn)生方式。由于不同類型的片上電阻不能做到較好的匹配，而且張弛振蕩器 的參考電壓與振蕩輸出頻率直接相關(guān)，因此該專利中的振蕩器頻率隨工藝偏差、溫度變化 比較明顯，適合理論研究，在實(shí)際應(yīng)用中不易批量生產(chǎn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的目的在于提供一種張弛振蕩器電路，其結(jié)合片上 溫度和電壓補(bǔ)償?shù)恼袷幤麟娐?，達(dá)成了產(chǎn)品精度高、頻率易控制的良好效果，同時有效地解 決了批量生產(chǎn)產(chǎn)品存在不一致的技術(shù)問題，也為縮減產(chǎn)品成本起到了良好效果。
[0005]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明之一種張弛振蕩器電路，包括溫度補(bǔ)償模塊、溫度計編碼 控制模塊以及張弛振蕩頻率產(chǎn)生模塊，所述溫度補(bǔ)償模塊包括溫度補(bǔ)償電流產(chǎn)生電路和溫 度補(bǔ)償電壓產(chǎn)生電路，其中:該溫度補(bǔ)償電流產(chǎn)生電路包括兩寄生三極管、若干電阻以及 誤差放大器，其中:寄生三極管一的發(fā)射極與該誤差放大器的反向輸入端以及MP3的源極 相連，寄生三極管二的發(fā)射極通過電阻一與該誤差放大器的同向輸出端以及MP4的源極相 連，并包括采用MP1、MP2、MP3和MP4實(shí)現(xiàn)寬擺幅的級聯(lián)電流鏡，以及所述溫度補(bǔ)償電壓產(chǎn)生 電路利用該溫度補(bǔ)償電流產(chǎn)生電路的電流和電阻三產(chǎn)生張弛振蕩中的參考電壓以及電容 的閾值電壓。
[0006]在本實(shí)施例中，所述若干電阻為晶硅電阻，并包括電阻二和電阻四，所述電阻一、 二、三及四是同一種類型的電阻且尺寸大小相同。[0007]在本實(shí)施例中，所述溫度計編碼控制模塊包括實(shí)現(xiàn)輸出頻率單調(diào)調(diào)節(jié)的基本邏輯 門電路。
[0008]在本實(shí)施例中，所述張弛振蕩頻率產(chǎn)生模塊包括對稱充放電電路及RS觸發(fā)器。
[0009]在本實(shí)施例中，所述張弛振蕩頻率產(chǎn)生模塊的全溫度范圍在_40°C ?125°C之間。
[0010]在本實(shí)施例中，所述張弛振蕩頻率產(chǎn)生模塊的輸出頻率漂移小于5%。
[0011]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其有益效果:一是結(jié)構(gòu)簡單，易于批量生產(chǎn)；二是在批量 生產(chǎn)中能保持產(chǎn)品的一致性；三是產(chǎn)品的頻率特性穩(wěn)定；四是可有效降低生產(chǎn)成本。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0012]圖1是本發(fā)明之較佳實(shí)施例的方框結(jié)構(gòu)示意圖。
[0013]圖2是圖1中溫度補(bǔ)償電流產(chǎn)生電路的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0014]圖3是圖1中溫度補(bǔ)償電壓產(chǎn)生電路的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0015]圖4是圖1中溫度計編碼控制模塊之充電電流Ich示意圖。
[0016]圖5是圖1中張弛振蕩頻率產(chǎn)生模塊的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0017]為詳細(xì)說明本發(fā)明之技術(shù)內(nèi)容、構(gòu)造特征、所達(dá)成目的及功效，以下茲例舉實(shí)施例 并配合附圖詳予說明。
[0018]請參閱圖1并結(jié)合參閱圖2和圖3所示，一種張弛振蕩器電路，包括溫度補(bǔ)償模塊
10、溫度計編碼控制模塊20以及張弛振蕩頻率產(chǎn)生模塊30，其中:所述溫度補(bǔ)償模塊10包 括溫度補(bǔ)償電流產(chǎn)生電路11和溫度補(bǔ)償電壓產(chǎn)生電路12，其中:
請結(jié)合參閱圖2及圖3所示，所述溫度補(bǔ)償電流產(chǎn)生電路11，包括寄生三極管、電阻、 誤差放大器以及CMOS，其中:產(chǎn)生溫度補(bǔ)償電流是由寄生三極管BE結(jié)負(fù)溫度系數(shù)電壓、 PTAT正溫度系數(shù)電壓、非硅化P+多晶硅電阻獲得，具體說來:利用普通CMOS工藝中的寄生 襯底PNP三極管的基極和發(fā)射極電壓VBE (Q_N1)、VBE (Q_N8)，該電壓隨溫度變化呈負(fù)溫度 系數(shù)，而VBE(Q_N1)與VBE(Q_N8)的差值電壓呈現(xiàn)正溫度系數(shù)。因此，負(fù)溫度系數(shù)電流為 Intc=VBE(Q_N1)/R2，正溫度系數(shù)電流 Iptc= (VBE(Q_N1)-VBE(Q_N8))/R1，其中 Rl 和 R2 是 非硅化P+多晶硅電阻(小的負(fù)溫度系數(shù))，溫度補(bǔ)償后的張弛振蕩器充電電流Ich=Iptc + Intc,而EAMP誤差放大器起到鉗位作用，R2和R3兩端的電壓相等且等于VBE (Q_N1)，Rl 兩端的電壓等于VBE(Q_N1)_ VBE(Q_N8)，該電路中R2=R3，所以R1/R2/R3對應(yīng)的電流分 別為:I(R2)=I(R3)=VBE(Q_N1)/R2=VBE(Q_N1)/R3, I (Rl) = (VBE(Q_N1)-VBE(Q_N8))/Rl。 CMOS工藝中三極管的電壓、電流關(guān)系為:Ic=Is*(exp(VBE/VT))，因此VBE(Q_N1)- VBE(Q_ N8)=VT*ln(n)，其中VT=KT/q，n為Q_N1和Q_N8三極管的發(fā)射區(qū)面積的比值。綜上關(guān)系 有:IchO=I (MP2) =I (MPl) =I (R3) +I (Rl) =VBE (Q_N1) /R3+ (VT*ln (n)) /Rl，該公式中 VBE (Q_ NI)隨溫度變化表現(xiàn)為負(fù)溫度系數(shù)，VT隨溫度變化表現(xiàn)為正溫度系數(shù)，因此通過設(shè)計電路 中的器件參數(shù)可以保證IchO在T=27°C表現(xiàn)為零溫度系數(shù)，達(dá)到溫度補(bǔ)償?shù)哪康?。另外?該電路采用MP1/MP2/MP3/MP4實(shí)現(xiàn)了寬擺幅的級聯(lián)電流鏡，提高了電源抑制比，使得電源 電壓大小對溫度補(bǔ)償電流IchO的影響可以忽略不計；結(jié)合圖3所示，所述溫度補(bǔ)償電壓產(chǎn) 生電路12，其中:該Rl的電流大小為正溫度系數(shù)電流I(PTAT)= (VT*ln(n))/Rl，R2和R3的電流大小為負(fù)溫度系數(shù)電流I (VBE (Q_N1) /R2) = I (VBE (Q_N1) /R3)，流過R4的電流大小 IchO=I (Rl)+I (R2),該電流是零溫度系數(shù)電流。電路中R1/R2/R3/R4采用負(fù)溫度溫度系數(shù) 較小的非硅化P+多晶硅電阻，而Vcmp=IchO*R4，因此Vcmp是經(jīng)過溫度補(bǔ)償?shù)穆詭ж?fù)溫度系 數(shù)的電壓，通過R4電阻的大小設(shè)定Vcmp電壓小于MOS電容的閾值電壓,符合后續(xù)張弛振蕩 器電路的要求。
[0019]請結(jié)合參閱圖4所示，所述溫度計編碼控制模塊20系控制Ich電流大小的電路， 其是電路調(diào)整工藝角(corner)引起的頻率漂移，具體說來，是利用溫度計編碼單調(diào)性好的 優(yōu)勢，結(jié)合設(shè)有的振蕩器中心頻率可以得到精確的控制，由于輸出頻率由充放電電流和MOS 電容共同決定，因此可以增加溫度計編碼位數(shù)來達(dá)到所要求的輸出頻率精度且不影響頻率 的溫度和電壓特性；在本實(shí)施例中，dinl和dinO是數(shù)字控制輸入二進(jìn)制碼，ctl2、cltl及 cltO是溫度計編碼輸出控制信號，其中CtlO為dinl和dinO的邏輯或非輸出，ctll為dinl 的邏輯取反輸出，ctl2為dinl和dinO的邏輯與非輸出；在本實(shí)施例中，Ichl/Ich2/Ich3 電流為前述溫度補(bǔ)償電流IchO的鏡像電流，因此也具有零溫度系數(shù)。上述溫度計編碼信號 cltl2/ctll/ctl0控制相應(yīng)的MOS開關(guān)，從而實(shí)現(xiàn)了對Ich充電電流大小的單調(diào)控制?？梢?按照精度要求選擇相應(yīng)二進(jìn)制控制碼位數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)振蕩器頻率的精確控制。
[0020]請結(jié)合參閱圖5所示，所述張弛振蕩頻率產(chǎn)生模塊30，采用傳統(tǒng)的對稱充放電結(jié) 構(gòu)和RS觸發(fā)器實(shí)現(xiàn)，由于電流對MOS電容的充放電過程完全對稱，因此可以很好的控制 時鐘信號的占空比，而時鐘信號占空比對于數(shù)字電路系統(tǒng)至關(guān)重要。例如:假設(shè)初始狀態(tài) vcl=l，則vc2=0, MPlO和MNll晶體管關(guān)斷，MNlO和MPll晶體管打開，零溫度系數(shù)電流Ich 通過MPll對電容MCAP2充電，MCAPl電容通過MNlO晶體管放電到0電位。當(dāng)MCAP2電容上 的電壓vo2達(dá)到溫度補(bǔ)償電壓Vcmp時，比較器輸出I電平,此時vol電壓低于Vcmp電壓， 其對應(yīng)比較器輸出為0電平。由或非門組成的RS觸發(fā)器可得:vcl=0，vc2=l，此時MPlO和 麗11打開，MPl I和麗10關(guān)斷，零溫度系數(shù)電流Ich通過MPlO對M0SCAP1充電，MCAP2通過 MNll對地放電,重復(fù)之前的分析有:vcl=l, vc2=0。圖5所示電路按照上述分析過程不斷循 環(huán)產(chǎn)生振蕩時鐘信號。由于該電路的充放電過程完全對稱，因此輸出信號的占空比為50%， 另外，充放電時間由零溫度系數(shù)電流Ich和溫度補(bǔ)償電壓Vcmp確定，因此溫度、電源電壓對 輸出頻率的影響比較小，適合片上系統(tǒng)時鐘應(yīng)用。
[0021]綜上所述，僅為本發(fā)明之較佳實(shí)施例，不以此限定本發(fā)明的保護(hù)范圍，凡依本發(fā)明 專利范圍及說明書內(nèi)容所作的等效變化與修飾，皆為本發(fā)明專利涵蓋的范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種張弛振蕩器電路，包括溫度補(bǔ)償模塊、溫度計編碼控制模塊以及張弛振蕩頻率 產(chǎn)生模塊，所述溫度補(bǔ)償模塊包括溫度補(bǔ)償電流產(chǎn)生電路和溫度補(bǔ)償電壓產(chǎn)生電路，其特 征在于:該溫度補(bǔ)償電流產(chǎn)生電路包括兩寄生三極管、若干電阻以及誤差放大器，其中:寄 生三極管一的發(fā)射極與該誤差放大器的反向輸入端以及MP3的源極相連，寄生三極管二的 發(fā)射極通過電阻一與該誤差放大器的同向輸出端以及MP4的源極相連，并包括采用MP1、 MP2、MP3和MP4實(shí)現(xiàn)寬擺幅的級聯(lián)電流鏡，以及所述溫度補(bǔ)償電壓產(chǎn)生電路利用該溫度補(bǔ) 償電流產(chǎn)生電路的電流和電阻三產(chǎn)生張弛振蕩中的參考電壓以及電容的閾值電壓。
2.如權(quán)利要求1所述的張弛振蕩器電路，其特征在于:所述若干電阻為晶硅電阻，并包 括電阻二和電阻四，所述電阻一、二、三及四是同一種類型的電阻且尺寸大小相同。
3.如權(quán)利要求1所述的張弛振蕩器電路，其特征在于:所述溫度計編碼控制模塊包括 實(shí)現(xiàn)輸出頻率單調(diào)調(diào)節(jié)的基本邏輯門電路。
4.如權(quán)利要求1所述的張弛振蕩器電路，其特征在于:所述張弛振蕩頻率產(chǎn)生模塊包 括對稱充放電電路及RS觸發(fā)器。
5.如權(quán)利要求4所述的張弛振蕩器電路，其特征在于:所述張弛振蕩頻率產(chǎn)生模塊的 全溫度范圍在_40°C?125°C之間。
6.如權(quán)利要求5所述的張弛振蕩器電路，其特征在于:所述張弛振蕩頻率產(chǎn)生模塊的 輸出頻率漂移小于5%。
【文檔編號】H03K3/023GK103501168SQ201310501775
【公開日】2014年1月8日 申請日期:2013年10月23日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月23日
【發(fā)明者】曾宏博, 徐建強(qiáng), 朱彬承, 林昕 申請人:天利半導(dǎo)體（深圳）有限公司