專利名稱：一種可修調的高精度弛張振蕩器的制作方法
技術領域：
本發明涉及集成電路領域，尤其涉及一種可修調的高精度弛張振蕩器，可應用于 SOC片上系統的基準時鐘。
背景技術：
振蕩器是許多電子系統的重要組成部分。弛張振蕩器又稱充放電振蕩器，是通過 對電容在電路內已經設定的兩個閾值電平間交替充放電來進行工作。按照這種方式，電路 先弛張一個準穩狀態直至其達到某閾值電平位置；而后，電路切換并弛張到另一個準穩狀 態直至其達到另一個閾值再切換回第一個準穩狀態。該過程按此形式不斷延續下去。
弛張振蕩器的基本拓撲結構如圖1所示。其中SI代表控制開關，COMP代表包含 兩個比較閾值電平的比較器。當開關Si斷開時，電容Cl充電，比較器輸入電壓升高；當到 達一個閾值電壓后，輸出改變狀態，開關SI閉合，電容開始放電，電容電壓減小，直至比較 器另一個閾值電壓。振蕩器的輸出頻率大小由Rl、R2、Cl和比較器閾值電平共同決定。
在圖1基本結構的基礎上有多種電路實現方式，比如可以通過電阻對電容充電， 也可以通過恒流源對電容進行充電；C0MP可以由兩個比較器實現，也可以由一個比較器實 現。而不管哪種實現方式，弛張振蕩器的頻率受器件特性影響很大，因此面臨一個問題，即 在工藝偏差、電源電壓和環境溫度發生變化時，振蕩器的輸出頻率值有可能會發生較大的 偏離。對于要求頻率精確應用的場合，則必須要進行高精度的設計抑制PVT引起的變化，必 要時加上修調的方式進行調整。發明內容
為了克服現有技術的上述缺點，本發明提供了一種可修調的高精度弛張振蕩器， 采用恒流源對電容充放電的方式，同時恒流源采用高精度的變化很小的偏置電流；比較器 的兩個閾值電壓由電壓調整器提供，在電路中設置了電阻的修調，用于調節比較器的閾值 電壓從而調整振蕩器頻率，即使出現參數變化較大的情況，也可以通過修調調節到設計值； 在修調方式上采用了寄存器配置修調的方式。
本發明解決其技術問題所采用的技術方案是一種可修調的高精度弛張振蕩器， 包括振蕩發生器、高精度電流偏置產生器、電壓調整器和驅動及輸出部分，其中高精度電 流偏置產生器為振蕩發生器中的恒定電流源提供偏置，電壓調整器為振蕩發生器中的比較 器生成兩個閾值電平；振蕩發生器利用電容充放電產生振蕩波形提供給驅動及輸出部分。
所述振蕩發生器包括由四個PMOS管(110、111、112、113)構成的共源共柵電流鏡 結構、由四個NMOS管(120、121、122、123)構成的共源共柵電流鏡結構、一個電容、三個MOS 管開關(140、141、142)和一個比較器；其中PM0S管(112、113)構成恒定電流源，PMOS管 (110、111)為NMOS管提供電流偏置；NM0S管(121、123 )構成恒定電流沉，NMOS管(120、122 ) 提供偏置；所述恒定電流源和恒定電流沉在振蕩波形產生過程中對電容進行充放電；M0S 管開關(140)接在NMOS管(120、122)提供的偏置(125)和地之間，控制恒定電流沉的打開和關斷；M0S管開關(141)接在高閾值電平和比較器正端之間，MOS管開關(142)接在低閾 值電平和比較器負端之間，用于控制振蕩器工作時電容在高、低兩個閾值電平間切換。
所述高精度電流偏置產生器由自偏置運算放大器和高精度電流產生部分組成，其 中自偏置運算放大器包括一級PMOS管輸入運放結構和共源級放大結構，所述共源級放大 結構輸出電壓對高精度電流產生部分進行鉗位，同時為柵極提供電壓偏置，該電壓偏置同 時也是高精度電流偏置產生器的輸出；高精度電流產生部分包括共源共柵電流鏡，PNP管 (261)、PNP管(262)和電阻(271)通過運放正負輸入端鉗位，生成與溫度成正比的PTAT電 流；電阻(281)和電阻(282)取相同阻值，接在運放正負輸入端，在支路上生成與溫度成反 比的CTAT電流。
所述高精度電流產生部分還包括PNP管(263)、電阻(291)和電阻(292)。
所述電壓調整器包括帶隙基準電路、運算放大器、輸出驅動管和修調電阻開關網 絡，其中所述運算放大器通過鉗位使運放正端電壓等于運放負端的基準電路輸出電壓； 輸出驅動管用于提供電流；修調電阻開關網絡輸出振蕩發生器所需要的高閾值電平和低閾 值電平。
所述高閾值電平和低閾值電平通過外部寄存器配置開關進行改變。
所述驅動及輸出部分通過反相器(410和412)級聯，用于提高已經生成的振蕩波 形的驅動能力。
與現有技術相比，本發明的積極效果是通過高精度偏置電流的實現和比較閾值 電平的寄存器修調，可以減小工藝偏差、電源電壓或環境溫度發生變化時振蕩器的頻率變 化，使頻率修正后的值滿足設計的精度要求。
本發明將通過例子并參照附圖的方式說明，其中圖1是弛張振蕩器現有技術的示意圖；圖2是本發明的電路結構示意圖；圖3是本發明中高精度電流偏置產生器的結構示意圖；圖4是本發明中帶修調的電壓調整器的結構示意圖；圖5是本發明中部分波形的時序圖。
具體實施方式
一種可修調的高精度弛張振蕩器，如圖2所示，包括振蕩發生器100，高精度電流 偏置產生器200，電壓調整器300，驅動及輸出部分400。其中振蕩發生器100利用電容充 放電產生振蕩波形，高精度電流偏置產生器200為振蕩發生器中的恒定電流源提供偏置， 電壓調整器300生成比較器的兩個閾值電平，寄存器配置修調也包括在該部分里邊，驅動 及輸出部分400通過反相器鏈提高振蕩器波形的驅動能力并輸出波形。
振蕩發生器100 包括四個 PMOS 管 110、111、112、113 (即 M1、M2、M3、M4);四個 NMOS 管120、121、122、123 (即M5、M6、M7、M8);—個充放電電容130 (即Cl);三個MOS管開關 140、141、142 (即 S1、S2、S3);—個比較器 150 (即 C0MP);—個反相器 160。
四個PMOS管110、111、112、113構成了 PMOS管的共源共柵電流鏡結構，它們的柵極分別接高精度電流偏置產生器200輸出的偏置231 (即pbiasl)和偏置232 (即pbias2)。 其中PMOS管112 (M3)和113 (M4)構成恒定電流源，PMOS管110 (Ml)和111 (M2)為NMOS 管提供電流偏置。
四個NMOS管120、121、122、123構成了 NMOS管的共源共柵電流鏡結構，其中NMOS 管120 (M5)和122 (M6)提供偏置，NMOS管121 (M7)和123 (M8)構成恒定電流沉。恒定電流源和恒定電流沉在振蕩波形產生過程中對電容Cl進行充放電。恒定電流源和恒定電流沉電流的絕對值大小可影響振蕩器輸出頻率的大小；電流相對值的大小則可決定輸出波形的占空比。在電流沉電流是電流源電流兩倍的情況下，占空比剛好是50%。
MOS管開關140 (SI)接在NMOS管120和122產生的偏置125 (nbiasl)和地之間，控制恒定電流沉的打開和關斷；MOS管開關141 (S2)接在高閾值電平341 (VH)和比較器正端151之間，MOS管開關142 (S3)接在低閾值電平342 (VL)和比較器負端152之間， 控制振蕩器工作時電容在兩個閾值電平間切換，高閾值電平VH和低閾值電平VL由電壓調整器300產生。
充放電電容130 (Cl)連接了 P管恒定電流源、N管恒定電流沉和比較器負端152， 進行電荷的充放電。
振蕩發生器的具體工作過程描述如下當電容130還未充電時，比較器150輸出為高電平，通過控制開關142使接入比較器正端的是高閾值電平VH，同時開關140導通，從而關斷了 N管恒定電流沉的電流，此時以P管恒定電流源的電流I對電容130進行充電；當電容上電壓超過VH時，比較器輸出變為低電平，開關140關斷，N管恒定電流沉工作，若電流沉電流為27，則電容130將以電流J放電，同時接入比較器正端的也變為了低閾值電平VL， 直到電容電壓值降低到VL以下時再次發生偏轉。
該振蕩器的頻率取決于電容值大小、充放電電流和高低閾值電平之差。因此設計了高精度的電流偏置，以減小電源電壓和溫度對頻率的影響，電流偏置結構見圖3 ;對于工藝等的偏差，則通過在電壓調整器中修調高低閾值電平的方式將頻率值調整拉回至設計值，結構見圖4。
圖3是高精度電流偏置產生器200的電路結構圖，由自偏置運算放大器210和高精度電流產生部分250組成。
自偏置運算放大器210中，MOS管211、212、213、214、219和220構成了技術人員熟知的一級PMOS管輸入運放結構；M0S管215、216、217和218組成的共源級放大結構生成了電壓偏置231 (pbiasl)和電壓偏置232 (pbias2)，此兩個電壓偏置起到了對高精度電流產生部分250進行鉗位的作用，同時為柵極提供電壓偏置，電壓偏置231 (pbiasl)和電壓偏置232 (pbias2)同時也是高精度電流偏置產生器200的輸出。
高精度電流產生部分250中，PMOS管251到256構成了共源共柵電流鏡，可減小偏置電流的失配，同時抑制電源電壓變化對電流的影響。PNP管261 (Q1)、PNP管262 (Q2) 和電阻271 (Rl)通過運放正負輸入端鉗位，生成了技術人員熟知的與溫度成正比的PTAT 電流，電流值等于Λ VBE除以Rl的電阻值。電阻281 (R3)和電阻282 (R2)取相同阻值， 同樣接在運放正負輸入端，在支路上 生成了與溫度成反比的CTAT電流，電流值等于VBE除以R2或R3的電阻值。通過設置適當的電阻值，將PTAT電流和CTAT電流相加，可以得到經過一次補償的隨溫度系數變化很小的電流。為了進一步減小溫度系數，引入了非線性補償，PNP管263 (Q3)、電阻291 (R4)和電阻292 (R5)即起到了減小非線性項的作用。
通過電壓偏置231 (pbiasl)和電壓偏置232 (pbias2)，高精度電流偏置發生器 200可輸出隨電源電壓和溫度變化很小的偏置電流。由于電流絕對值與電阻值直接相關，在 電阻工藝角偏差時，偏置電流仍然會有一定變化，從而影響輸出頻率的變化。因此通過修調 高低閾值電平來修正頻率影響，修調部分在電壓調整器300中，電路結構如圖4所示。
圖4是電壓調整器300的電路結構示意圖，包括帶隙基準電路310、運算放大器 320、輸出驅動管330和修調電阻開關網絡340。
運算放大器320通過鉗位使運放正端電壓322等于運放負端的基準電路輸出電壓 321，輸出驅動管330提供足夠的電流。其中帶隙基準電路310和運算放大器320的電路結 構在此不再詳細說明。
修調電阻開關網絡340輸出振蕩發生器100所需要的高閾值電平341和低閾值電 平342，且可以通過外部寄存器配置開關改變閾值電平的值。在圖4中，高閾值電平電壓值 341固定，而低閾值電平電壓值342可通過開關配置。也可根據需要固定低閾值電平，配置 高閾值電平；或者兩個閾值電平分別進行配置。配置的位數和開關個數取決于修調范圍、所 需精度及占用資源考慮等。圖4中采用16位配置，0SCTRM[15:0]16位控制線345分別連 接到開關SO至S15的柵極，在外部寄存器控制下，有且僅有一個開關導通，從而為低閾值電 平342配置一個需要的電壓值。從R3到R17的電阻值相等，因此電壓的配置是等步長變化 的。
為減小輸出端口數，0SCTRM[15:0]控制線345前可接4線-16線譯碼器譯碼，將 端口數縮減為4，實現過程具體不再詳細說明。
如圖2所示，驅動及輸出部分400通過反相器410和412級聯，提高已經生成的振 蕩波形的驅動能力，輸出為430 (CLK)0
圖5反映了部分波形的時序圖，包括比較器150正端151和負端152的波形，以及 振蕩器輸出430的波形。
權利要求
1.一種可修調的高精度弛張振蕩器，其特征在于包括振蕩發生器、高精度電流偏置產生器、電壓調整器和驅動及輸出部分，其中高精度電流偏置產生器為振蕩發生器中的恒定電流源提供偏置，電壓調整器為振蕩發生器中的比較器生成兩個閾值電平；振蕩發生器利用電容充放電產生振蕩波形提供給驅動及輸出部分。
2.根據權利要求1所述的一種可修調的高精度弛張振蕩器，其特征在于所述振蕩發生器包括由四個PMOS管(110、111、112、113)構成的共源共柵電流鏡結構、由四個NMOS管(120、121、122、123)構成的共源共柵電流鏡結構、一個電容、三個MOS管開關(140、141、142)和一個比較器；其中PM0S管(112、113)構成恒定電流源，PMOS管(110、111)為NMOS管提供電流偏置；NM0S管(121、123)構成恒定電流沉，NMOS管(120、122)提供偏置；所述恒定電流源和恒定電流沉在振蕩波形產生過程中對電容進行充放電；M0S管開關(140)接在NMOS管(120、122)提供的偏置(125)和地之間，控制恒定電流沉的打開和關斷；M0S管開關(141)接在高閾值電平和比較器正端之間，MOS管開關(142)接在低閾值電平和比較器負端之間，用于控制振蕩器工作時電容在高、低兩個閾值電平間切換。
3.根據權利要求1所述的一種可修調的高精度弛張振蕩器，其特征在于所述高精度電流偏置產生器由自偏置運算放大器和高精度電流產生部分組成，其中自偏置運算放大器包括一級PMOS管輸入運放結構和共源級放大結構，所述共源級放大結構生成電壓偏置對高精度電流產生部分進行鉗位，同時為柵極提供電壓偏置，電壓偏置同時也是高精度電流偏置產生器的輸出；高精度電流產生部分包括共源共柵電流鏡，PNP管(261)、PNP管(262)和電阻(271)通過運放正負輸入端鉗位，生成與溫度成正比的PTAT電流；電阻(281)和電阻(282)取相同阻值，接在運放正負輸入端，在支路上生成與溫度成反比的CTAT電流。
4.根據權利要求3所述的一種可修調的高精度弛張振蕩器，其特征在于所述高精度電流產生部分還包括PNP管(263)、電阻(291)和電阻(292)。
5.根據權利要求1所述的一種可修調的高精度弛張振蕩器，其特征在于所述電壓調整器包括帶隙基準電路、運算放大器、輸出驅動管和修調電阻開關網絡，其中所述運算放大器通過鉗位使運放正端電壓等于運放負端的基準電路輸出電壓；輸出驅動管用于提供電流；修調電阻開關網絡輸出振蕩發生器所需要的高閾值電平和低閾值電平。
6.根據權利要求5所述的一種可修調的高精度弛張振蕩器，其特征在于所述高閾值電平和低閾值電平通過外部寄存器配置開關進行改變。
7.根據權利要求1所述的一種可修調的高精度弛張振蕩器，其特征在于所述驅動及輸出部分通過反相器(410和412)級聯，用于提高已經生成的振蕩波形的驅動能力。
全文摘要
本發明公開了一種可修調的高精度弛張振蕩器，包括振蕩發生器、高精度電流偏置產生器、電壓調整器和驅動及輸出部分，其中高精度電流偏置產生器為振蕩發生器中的恒定電流源提供偏置，電壓調整器為振蕩發生器中的比較器生成兩個閾值電平；振蕩發生器利用電容充放電產生振蕩波形提供給驅動及輸出部分。本發明的積極效果是通過高精度偏置電流的實現和比較閾值電平的寄存器修調，可以減小工藝偏差、電源電壓或環境溫度發生變化時振蕩器的頻率變化，使頻率修正后的值滿足設計的精度要求。
文檔編號H03B5/04GK103051286SQ201310013329
公開日2013年4月17日 申請日期2013年1月15日 優先權日2013年1月15日
發明者朱翔, 陳新, 胡楊川 申請人:成都三零嘉微電子有限公司