一種采用半周期預(yù)充電補(bǔ)償技術(shù)的電阻電容型弛豫振蕩器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種電阻電容型弛豫振蕩器，具體涉及一種采用半周期預(yù)充電補(bǔ)償技 術(shù)的電阻電容型弛豫振蕩器，屬于集成電路設(shè)計(jì)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 電阻電容型弛豫振蕩器具有快速啟動(dòng)、低功耗、低成本、在CMOS工藝中片上集成 等優(yōu)點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于超低功耗需求場(chǎng)景下的時(shí)鐘產(chǎn)生電路，如無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的定時(shí) 喚醒電路等。
[0003] 電阻電容型弛豫振蕩器（RelaxationOscillator)是一種利用RC振蕩產(chǎn)生周期 性方波的電路，其基本原理是利用對(duì)電容進(jìn)行周期性的充放電，從而產(chǎn)生周期性的振蕩輸 出。如圖1所示，一個(gè)完整的傳統(tǒng)電阻電容型弛豫振蕩器包括參考電流IREF產(chǎn)生電路、一個(gè) 參考電阻器R、兩個(gè)計(jì)時(shí)電容器C1和C2(振蕩器輸出50%占空比時(shí)C1和C2值相等為C)、 兩個(gè)電壓比較器C0MP1和C0MP2、一個(gè)SR鎖存器以及四個(gè)充放電開關(guān)S1、S2、S3和S4。參 考電流產(chǎn)生電路產(chǎn)生兩路相同的電流IREF，一路流過(guò)電阻產(chǎn)生參考電壓VREF=Iref*R，另一路 電流給兩個(gè)計(jì)時(shí)電容器Cl和C2輪流充電。首先充電電流IREF給計(jì)時(shí)電容器Cl充電，電容 C1上的電壓逐漸升高至VREF，比較器C0MP1發(fā)生翻轉(zhuǎn)使得SR鎖存器的S信號(hào)從低電平變?yōu)?高電平，則Q為高電平且QB為低電平，從而電容C1停止充電并放電，充電電流IREF開始為 計(jì)時(shí)電容器C2充電，以此循環(huán)往復(fù)，兩個(gè)計(jì)時(shí)電容器通過(guò)Q和QB的控制交替充放電，使電 路不停產(chǎn)生振蕩輸出；理想情況下由CVref=IREFT(]se/2可得振蕩器周期為T(]se= 2RC，則振 蕩頻率為
[0004]
(1)
[0005] 實(shí)際情況下，由于比較器中放大器的放大倍數(shù)并非無(wú)窮大，并且比較器的輸入到 輸出存在一定的時(shí)間延遲，因此計(jì)時(shí)電容器上的電壓VC1/VC2與參考電壓VREF相等時(shí)，比較 器的輸出不會(huì)立刻發(fā)生翻轉(zhuǎn)。只有當(dāng)計(jì)時(shí)電容器上的電壓超過(guò)參考電壓一定值時(shí)，比較器 才能夠檢測(cè)到這個(gè)微小的電平差，通過(guò)放大并經(jīng)過(guò)一定延遲后使得輸出發(fā)生翻轉(zhuǎn)。此外， SR鎖存器的S/R輸入到Q/QB輸出之間也存在一定的時(shí)間延遲。如圖2所示，從比較器輸 入（即計(jì)時(shí)電容器上的電壓升高到參考電壓的時(shí)刻）到SR鎖存器輸出（即產(chǎn)生Q信號(hào)的 翻轉(zhuǎn)）之間存在時(shí)間延遲
[0006] td=tc〇MP+tsR^ ⑵其中traMp和tSR分別表示比較器和SR鎖存器的延遲 時(shí)間，則圖1中的電阻電容型弛豫振蕩器的實(shí)際振蕩周期則為TQse= 2(RC+td)，實(shí)際振蕩頻 率為
[0007]
(3)
[0008] 即振蕩器的振蕩頻率由于延遲時(shí)間td的存在而變小。延遲時(shí)間td的存在從兩個(gè) 方面影響振蕩器的頻率精度：第一，延遲時(shí)間td的存在使振蕩器的頻率偏移1A2RC)，頻率 變低；第二，延遲時(shí)間td隨工藝波動(dòng)、電源電壓波動(dòng)以及溫度波動(dòng)的變化較大，從而使得振 蕩器的頻率隨工藝、電壓和溫度變化產(chǎn)生不同程度的偏移，頻率精度急劇下降。延遲時(shí)間td 的影響使得在切換頻率的應(yīng)用時(shí)電阻電容型弛豫振蕩器無(wú)法準(zhǔn)確切換到相應(yīng)的頻率。傳統(tǒng) 上降低延遲時(shí)間td產(chǎn)生的影響主要是依靠減小t,的絕對(duì)值，使其占時(shí)鐘周期2RC的比例減 小即RC?td，這樣延遲時(shí)間的波動(dòng)對(duì)頻率的影響也可以忽略。然而這會(huì)帶來(lái)比較器以及SR 鎖存器的功耗的急劇增加，從而提高了整個(gè)振蕩器的功耗，這種方案并不適用于超低功耗 的應(yīng)用需求；另外這種方案從原理上無(wú)法完全消除延遲時(shí)間、對(duì)振蕩器頻率的影響。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 針對(duì)惡化電阻電容型弛豫振蕩器頻率精度的延遲時(shí)間td，本發(fā)明提出一種半周期 預(yù)充電補(bǔ)償?shù)募夹g(shù)，該技術(shù)可以從根本上消除比較器和SR鎖存器產(chǎn)生的延遲時(shí)間td在振 蕩器周期中引入的誤差，使得2RC，從而也從根源上消除振蕩器頻率隨工藝波動(dòng)、電 源電壓波動(dòng)以及溫度波動(dòng)的變化，提高了振蕩器的頻率精度。
[0010] 本發(fā)明的技術(shù)方案為：
[0011] -種新型的電阻電容型弛豫振蕩器，其特征在于利用計(jì)時(shí)電容器在每個(gè)周期中空 閑的半個(gè)周期進(jìn)行預(yù)充電以補(bǔ)償比較器和鎖存器產(chǎn)生的延遲時(shí)間、，進(jìn)一步的，所述的采 用半周期預(yù)充電補(bǔ)償技術(shù)的新型電阻電容型弛豫振蕩器包括一個(gè)參考電壓產(chǎn)生電路、兩個(gè) 計(jì)時(shí)電容器充放電電路、兩個(gè)參考電壓切換電路、兩個(gè)比較器、一個(gè)SR鎖存器、一個(gè)充放電 控制邏輯產(chǎn)生電路和兩個(gè)輸出緩沖器。所述的新型電阻電容型弛豫振蕩器通過(guò)一個(gè)振蕩器 控制信號(hào)〇SC_CTRL進(jìn)行控制，產(chǎn)生兩路互為反相的時(shí)鐘輸出；在控制信號(hào)0SC_CTRL為低電 平時(shí)，振蕩器處于復(fù)位狀態(tài)，兩路時(shí)鐘輸出中一路恒為高電平，一路恒為低電平；在控制信 號(hào)0SC_CTRL為高電平時(shí)，振蕩器處于工作狀態(tài)；在控制信號(hào)0SC_CTRL上升沿到來(lái)之后的第 一個(gè)振蕩周期，振蕩頻率為V(2RC+td)，從第二個(gè)周期開始，振蕩頻率為消除了延遲時(shí)間td 后的頻率1A2RC)。
[0012] 進(jìn)一步的，所述新型電阻電容型弛豫振蕩器，每一個(gè)振蕩周期可以分為兩個(gè)階段： 正常充電階段和預(yù)充電階段，每半個(gè)周期為一個(gè)階段。傳統(tǒng)電阻電容型弛豫振蕩器因比較 器和SR鎖存器的延遲時(shí)間td產(chǎn)生的誤差可以用計(jì)時(shí)電容器上的過(guò)充電電壓Vtd表征，Vtd為 每個(gè)周期充電階段計(jì)時(shí)電容器上的最高電壓與參考電壓VREF的差值。半周期預(yù)充電補(bǔ)償技 術(shù)的基本原理如圖4所示，是將振蕩器的每個(gè)振蕩周期分為兩個(gè)階段，在計(jì)時(shí)電容器正常 充電階段開始前的空閑的半個(gè)周期內(nèi)，對(duì)計(jì)時(shí)電容器進(jìn)行預(yù)充電至電壓為Vb_，從而計(jì)時(shí) 電容器開始正常充電階段時(shí)其充電起始電壓為Vb_;通過(guò)控制預(yù)充電電流和預(yù)充電時(shí)間使 得Vb_=Vtd，則比較器和SR鎖存器產(chǎn)生的延遲時(shí)間td在振蕩器的振蕩周期中產(chǎn)生的誤差 可以消除，使得振蕩器的振蕩頻率完全由電阻和電容決定f<3Se= 1A2RC)。
[0013] 進(jìn)一步的，所述新型電阻電容型弛豫振蕩器，兩個(gè)比較器的正輸入端口分別接兩 個(gè)計(jì)時(shí)電容器上的電壓，負(fù)輸入端口分別接參考電壓。該參考電壓通過(guò)一個(gè)控制信號(hào)的控 制，分別利用兩個(gè)參考電壓選擇電路進(jìn)行切換；在正常充電階段比較器的負(fù)輸入端口的參 考電壓切換為VREF，在預(yù)充電階段比較器的負(fù)輸入端口的參考電壓切換為零。
[0014] 進(jìn)一步的，所述新型電阻電容型弛豫振蕩器，預(yù)充電階段的充電電流與正常充電 階段的充電電流相等，預(yù)充電階段與正常充電階段使用的是同一個(gè)比較器；正常充電階段 的充電時(shí)間通過(guò)一個(gè)控制信號(hào)控制，預(yù)充電階段的充電時(shí)間通過(guò)另一個(gè)控制信號(hào)控制。
[0015] 進(jìn)一步的，所述新型電阻電容型弛豫振蕩器，比較器參考電壓控制信號(hào)、預(yù)充電控 制信號(hào)、正常充電控制信號(hào)以及放電控制信號(hào)通過(guò)充放電控制邏輯產(chǎn)生電路給出，充放電 控制邏輯產(chǎn)生電路利用S信號(hào)、R信號(hào)、Q信號(hào)、QB信號(hào)以及外部所給的振蕩器控制信號(hào) 0SC_CTRL進(jìn)行控制，產(chǎn)生振蕩器所需的各內(nèi)部控制信號(hào)。
[0016] 進(jìn)一步的，所述新型電阻電容型弛豫振蕩器，SR鎖存器通過(guò)振蕩器控制信號(hào)0SC_ CTRL進(jìn)行控制，復(fù)位其初始電壓。
[0017] 進(jìn)一步的，所述新型電阻電容型弛豫振蕩器，充電電流IC1、IC2均與IREF相等；
[0018] 進(jìn)一步的，所述新型電阻電容型弛豫振蕩器，參考電壓產(chǎn)生電路產(chǎn)生參考電壓 VREF，參考電阻由正溫度系數(shù)電阻和負(fù)溫度系數(shù)電阻串聯(lián)而成。
[0019] 進(jìn)一步的，所述新型電阻電容型弛豫振蕩器，計(jì)時(shí)電容器可以由電容陣列構(gòu)成，通 過(guò)切換電容值，根據(jù)電容值的比例可精確切換振蕩頻率；
[0020] 進(jìn)一步的，新型電阻電容型弛豫振蕩器，輸出緩沖器由兩個(gè)反相器級(jí)聯(lián)構(gòu)成。
[0021] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)：
[0022] (1)振蕩器頻率精度高，半周期預(yù)充電補(bǔ)償技術(shù)從根本上完全消除比較器和SR鎖 存器產(chǎn)生的延遲時(shí)間td的影響，使振蕩器的頻率精度大大提高，不受PVT波動(dòng)的影響；
[0023] (2)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，本發(fā)明充利用空閑的半個(gè)周期進(jìn)行預(yù)充電，增加的充放電控制邏輯 產(chǎn)生電路和參考電壓切換電路的控制信號(hào)由電路本身的內(nèi)部信號(hào)產(chǎn)生；
[0024] (3)增加的硬件代價(jià)小從而具有成本低的優(yōu)勢(shì)，且不增加整個(gè)電路的靜態(tài)功耗從 而保持了電阻電容型弛豫振蕩器的超低功耗應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)；
[0025] (4)啟動(dòng)速度快，在振蕩器控制信號(hào)有效后，振蕩器僅需一個(gè)周期的時(shí)間即可進(jìn)入 頻率精確的穩(wěn)定振蕩過(guò)程。
【附圖說(shuō)明】
[0026] 圖1是傳統(tǒng)弛豫振蕩器結(jié)構(gòu)圖；
[0027] 圖2是傳統(tǒng)弛豫振蕩器工作原理圖；
[0028] 圖3是采用半周期預(yù)充電補(bǔ)償技術(shù)的弛豫振蕩器結(jié)構(gòu)圖；
[0029] 圖4是半周期預(yù)充電補(bǔ)償技術(shù)原理圖；
[0030] 圖5是半周期預(yù)充電補(bǔ)償技術(shù)的控制邏輯時(shí)序圖。
【具體實(shí)施方式】
[0031] 下面通過(guò)具體實(shí)施例，并配合附圖，對(duì)本發(fā)明做詳細(xì)的說(shuō)明。
[0032] 圖3是本發(fā)明所提出的具有半周期預(yù)充電補(bǔ)償?shù)男滦碗娮桦娙菪统谠フ袷幤鞯?結(jié)構(gòu)。振蕩器主要包括一個(gè)參考電壓產(chǎn)生電路、兩個(gè)計(jì)時(shí)電容器充放電電路、兩個(gè)參考電壓 切換電路、兩個(gè)比較器、一個(gè)SR鎖存器、一個(gè)充放電控制邏輯產(chǎn)生電路和兩個(gè)輸出緩沖器。
[0033