一種用于振蕩器的修調電路及其修調方法
2023-05-03 02:15:11
專利名稱：一種用于振蕩器的修調電路及其修調方法
技術領域：
本發明涉及集成電路振蕩器技術，更具體地，涉及一種用於高精度電阻電容振蕩器的修調電路及其修調方法。
背景技術：
高精度時鐘產生器是數模混合集成電路及數字集成電路的主要模塊。晶體振蕩器可以提供與工藝、電源電壓和溫度無關的穩定時鐘，但它與集成電路工藝不兼容，同時有相對較高的成本，這樣它的應用就受到了一些限制。隨著CMOS集成電路工藝和SOC技術的發展，越來越多的時鐘產生器採用C MOS電路進行實現。電阻電容振蕩器(RC Oscillator)是一種可由標準CMOS工藝實現的常用振蕩器類型。它可以用做時鐘產生器，以產生需要的時鐘頻率。電阻電容振蕩器包含了很多不同的類型，如馳張振蕩器(Relaxation Oscillator)、環形振蕩器(Ring Oscillator)等等。馳張結構的電容電阻振蕩器由四個部分組成電壓和電流基準、計時電路、比較器和RS鎖存器。在振蕩器工作時，通過比較器和RS觸發器的共同作用，使得兩個電容依次充電放電，振蕩器的周期就是兩個電容充電時間的總和T = 2Vref*C/Iref = 2Vref*C/ (Vref/R) = 2RC從上面的公式可以看出，其中，Vref為基準電壓，Iref為基準電流，電容電阻振蕩器的振蕩頻率或者周期T由電阻R和電容C決定。在實際應用中，工藝廠生產出晶片的電容和電阻值都有一定的工藝誤差，從上面的公式可以看出，這個誤差會直接影響振蕩器的振蕩頻率。為了解決這個工藝誤差問題，在晶片正常使用之前，需要利用頻率修調(trimming)的方法來修正振蕩器所產生的時鐘頻率。常用的頻率修調的方法有兩種對電容進行修調和對電阻進行修調。圖2所示為當前常用的對電阻進行修調的方法，它通過控制不同開關的導通來實現總電阻阻值的變化。圖3所示為當前常用的對電容進行修調的方法，它通過控制不同開關的導通來實現總電容容值的變化。圖2和圖3所示的修調方法有一些缺點首先，如果希望達到較高的精度，就需要較多的開關數目，這就佔用了較多的晶片面積。同時更多的開關會增加邏輯控制部分的複雜程度；其次，開關本身具有導通電阻，這個導通電阻會對振蕩器的精度產生不利的影響。
發明內容
為克服上述的現有缺陷，本發明提出一種用于振蕩器的修調電路及其修調方法。該修調電路包括參考電壓VREF輸出端、參考電流IREF輸出端、輸入電壓Vl端；其中該修調電路包括第一組串聯電阻鏈，參考電壓輸出端通過第一組開關，分別與該第一組串聯電阻鏈中的第一部分電阻彼此之間的連接點相連接；該第一組串聯電阻鏈中的第二部分電阻彼此之間的連接點分別與第二組開關的一端相連接，第二組開關的另一端分別連接至運算放大器的負極，其中運算放大器的負極電壓為輸入電壓Vl ;運算放大器的正極分別與第三組開關相連接，第三組開關的另一端除了第一開關直接連接至場效應管的源漏極的其中一端，其餘開關分別與第二組串聯電阻鏈中的第三部分電阻之間相互的連接點相連接；運算放大器的輸出端連接至該場效應管的柵極，該場效應管的源漏極的另一端連接至參考電流。同時本發明提供了一種新型的修調方法，該修調方法將修調分為三個階段輸入電壓Vl值的修調、基準電壓VREF的修調和基準電流IREF的修調與一些現存的、通過電流鏡來調節電流IREF的修調方法不同，這種新型的修調方法通過調整電阻串兩端電壓的方法來實現對參考電流IREF的調節。在振蕩器的精度要求較高時，多個電流鏡的匹配難度較大，而本方法中有限個數的電阻匹配相對容易實現，因此這種方法可以實現更高精度的修調。這種新型修調方法只要求對有限的電阻有較好的匹配精度，它對版圖設計的要求較低，也更容易避免工藝偏差的影響。由於容易實現版圖的良好匹配，這種修調方法可以實現很高精度的振蕩器頻率輸出。
圖I為一種馳張型電容電阻振蕩器的結構圖；圖2為當前常用的對電阻進行修調的方法；圖3為當前常用的對電容進行修調的方法；圖4為根據本發明的修調電路結構和方法的示意圖；圖5為根據本發明的特定修調電路的結構和方法的示意圖；圖6為根據本發明的另一特定修調電路的結構和方法的示意圖。 如圖所示，為了能明確實現本發明的實施例的結構，在圖中標註了特定的結構和器件，但這僅為示意需要，並非意圖將本發明限定在該特定結構、器件和環境中，根據具體需要，本領域的普通技術人員可以將這些器件和環境進行調整或者修改，所進行的調整或者修改仍然包括在後附的權利要求的範圍中。
具體實施例方式下面結合附圖和具體實施例對本發明提供的一種用於高精度電阻電容振蕩器的修調方法進行詳細描述。同時，在這裡做以說明的是，為了使實施例更加詳盡，下面的實施例為最佳、優選實施例，對於一些公知技術本領域技術人員也可採用其他替代方式而進行實施；而且附圖部分僅是為了更具體的描述實施例，而並不旨在對本發明進行具體的限定。本發明涵蓋任何在本發明的精髓和範圍上做的替代、修改、等效方法以及方案。為了使公眾對本發明有徹底的了解，在以下本發明優選實施例中詳細說明了具體的細節，而對本領域技術人員來說沒有這些細節的描述也可以完全理解本發明。另外，為了避免對本發明的實質造成不必要的混淆，並沒有詳細說明眾所周知的方法、過程、流程、元件和電路
坐寸ο在本發明的實施例中，首先提出一種用于振蕩器的新型修調電路，該修調電路包括參考電壓VREF輸出端、參考電流IREF輸出端、輸入電壓Vl端；其中該修調電路包括第一組串聯電阻鏈，參考電壓輸出端通過第一組開關，分別與該第一組串聯電阻鏈中的第一部分電阻彼此之間的連接點相連接；該第一組串聯電阻鏈中的第二部分電阻彼此之間的連接點分別與第二組開關的一端相連接，第二組開關的另一端分別連接至運算放大器的負極，其中運算放大器的負極電壓為輸入電壓Vl ;運算放大器的正極分別與第三組開關相連接，第三組開關的另一端除了第一開關直接連接至場效應管的源漏極的其中一端，其餘開關分別與第二組串聯電阻鏈中的第三部分電阻之間相互的連接點相連接；運算放大器的輸出端連接至該場效應管的柵極，該場效應管的源漏極的另一端連接至參考電流。
該修調電路的優選實施例如圖4所示，包括參考電壓VREF輸出端、參考電流IREF輸出端、輸入電壓Vl ;其中該修調電路包括第一組串聯電阻鏈，第一組串聯電阻鏈的電阻數量P可根據實際需要來增加，優選於P大於η與m中的最大者，再加上I，即，P = max (n，m)+l。該第一組串聯電阻鏈一端接電壓V0，另一端接地。參考電壓(VREF)輸出端通過開關kll、kl2. .. kin (η彡1，其中η為自然數)與該第一組串聯電阻鏈中的η+1個電阻之間相互的連接點相連接，其中開關kll、kl2. . . kin之間並聯連接。同時，該第一組串聯電阻鏈中的m+1個電阻之間的連接點分別與開關k21、k22. ..k2m的一端(m彡1，其中m為自然數)相連接，開關k21、k22. . . k2m的另一端分別連接至運算放大器的負極，其中，開關k21、k22. . . k2m的另一端相連接的連接點的電壓，即運算放大器的負極電壓為輸入電壓VI，開關k21、k22. . . k2m並聯連接。η+1個電阻與m+1個電阻之間可以是第一組串聯電阻鏈中部分相同的電阻，也可以是第一組串聯電阻鏈中完全不同的電阻。運算放大器的正極分別與開關k31、k32. . . k3o的一端(ο彡1，其中ο為自然數)相連接，開關k31、k32. . . k3o的另一端除了開關K31直接連接至場效應管的源漏極的其中一端，其餘開關k32、k33. . . k3o分別與第二組串聯電阻鏈中的ο個電阻之間相互的連接點相連接，其中開關k31、k32. . . k3o並聯連接，第二組串聯電阻鏈的電阻數量q可根據實際需要來增加，其中優選於q ^ O，該第二組串聯電阻鏈的一端接場效應管的源漏極的其中一端，另一端接地。運輸放大器的輸出端連接至該場效應管的柵極，該場效應管的源漏極的另一端連接至參考電流IREF。在這裡需要說明的是，雖然圖4中畫出的開關與電阻一一對應，然而該附圖僅是示意性的，是一種最佳的實施例，而並非對其具體結構的限定，對於本領域技術人員應當理解第一組、第二組串聯電阻鏈可以根據設計的需要具有任意多個，同時，每一個開關也不必與串聯電阻鏈中的電阻——對應，例如開關K11與K12之間可以連接包含兩個以上的電阻。這些均包含在本發明的保護範圍內。同時本發明提出了一種應用于振蕩器的新型修調方法，這種方法使用較少的控制開關就可以實現對振蕩器振蕩頻率的修調。同時，與現有的修調技術不同，本方法沒有引入額外的開關電阻，因此可以實現較高的修調精度。這裡需要說明的是設置開關調節電阻並不等於會引入開關電阻，因為這些添加的開關並沒有電流流過。這種新型的修調方法將修調分為三個階段輸入電壓Vl值的修調、基準電壓VREF的修調和基準電流IREF的修調。具體地，通過開關k21、k22. . . k2m可以將電壓Vl調整為m種不同的數值；通過開關kll、kl2. . . kin可以將基準電壓VREF調整為η種不同的數值；同樣通過開關k31、k32. . . k3o可以將基準電流IREF調整為ο種不同的數值。這樣就產生了 m*n*o種不同的頻率值。 與傳統的、對電容進行修調方法相比，這種新型的修調方法具有修調範圍較大、修調精度較高、使用開關數較少的特點(需要m+n+o個開關就可以實現傳統方法需要m*n*n個開關才能實現的修調效果)。由於這種新型的修調方法使用的開關數較少，同時避免了對修調電容的使用，所以在一些應用中能減少30 %左右的面積。這種新型的修調方法將修調分為三個階段輸入電壓Vl值的修調、基準電壓VREF的修調和基準電流IREF的修調，如圖4所示。與傳統的一級修調或兩級修調相比，三級修調可以實現更大的修調範圍和更精確的頻率輸出使用m+n+o個開關就可以實現傳統的一級修調需要m*n*n個開關才能實現的修調效果。這種新型的修調方法與兩級修調相比，也很大的節省了修調需要的開關數。與一些現存的、通過電流鏡來調節電流IREF的修調方法不同，這種新型的修調方法通過調整電阻串兩端電壓的方法來實現對參考電流IREF的調節。在振蕩器的精度要求較高時，多個電流鏡的匹配難度較大，而本方法中有限個數的電阻匹配相對容易實現，因此這種方法可以實現更高精度的修調。如圖4所示，這種新型修調方法只要求對有限的電阻有較好的匹配精度，它對版圖設計的要求較低，也更容易避免工藝偏差的影響。由於容易實現版圖的良好匹配，這種修調方法可以實現很高精度的振蕩器頻率輸出。這種新型的修調方法有多種實現方式，第一種方式如下通過對k21、k22. . . k2m開關位置的設定(即，通過控制不同開關k21、k22. . . k2m的導通來實現總電阻阻值的變化)，使得電壓Vl (VI的不同可以決定充電電流的不同，從而決定震蕩器的輸出頻率)有最大的變化範圍，這些開關的位置就確定了修調頻率的最大範圍。對這一級進行修調，使得振蕩器的輸出頻率達到第一級修調的範圍。通過對kll、kl2... kin開關位置的設定，使得參考電壓VREF有中等的變化範圍，以便對修調頻率進行較準確的控制，對這一級進行修調，使得振蕩器的輸出頻率達到第二級修調的範圍。在這裡需要說明的是，第二級修調、第三級修調只是簡單表達修調範圍的大小，其中優選的第一級的變化範圍可以使頻率變化從+50%到-50%，第二級的變化範圍可以使頻率變化從+5 %到_5 %，第三級的變化範圍可以使頻率變化從+1 %到-I %。其中頻率變化越小越具有更高的精度。通過對k31、k32. . . k3o開關位置的設定，使得參考電流IREF具有最小的變化範圍，從而使頻率變化越小，對這一級進行修調，使得振蕩器的輸出頻率達到第三極修調的範圍，以滿足設計的精度。第二種方式如下通過對kll、kl2... kin開關位置的設定，使得參考電壓VREF有最大的變化範圍，這些開關的位置就確定了修調頻率的最大範圍。對這一級進行修調，使得振蕩器的輸出頻率達到第一級修調的範圍。通過對k21、k22. . . k2m開關位置的設定，使得電壓Vl有中等的變化範圍，以便對修調頻率進行較準確的控制。對這一級進行修調，使得振蕩器的輸出頻率達到第二級修調的範圍。通過對k31、k32. . . k3o開關位置的設定，使得參考電流IREF具有最小的變化範圍，這些開關的位置就確定了修調的精度。對這一級進行修調，使得振蕩器的輸出頻率達到第二級修調的範圍，以滿足 設計的精度。第三種方式如下如圖5所示，當η的值為I時，即參考電壓VREF為一固定數值，振蕩器的修調僅通過電壓Vl和參考電流IREF的變化來實現。通過對k21、k22. . . k2m開關位置的設定，使得電壓Vl有最大的變化範圍，這些開關的位置就確定了修調頻率的最大範圍。對這一級進行修調，使得振蕩器的輸出頻率達到下一級修調的範圍。通過對k31、k32. . . k3o開關位置的設定，使得參考電流IREF具有最小的變化範圍，這些開關的位置就確定了修調的精度。對這一級進行修調，使得振蕩器的輸出頻率滿足設計的精度。第四種方式如下如圖6所示，當m的值為I時，即Vl為一固定數值，振蕩器的修調僅通過參考電壓VREF和參考電流IREF的變化來實現。通過對kll、kl2... kin開關位置的設定，使得參考電壓VREF有最大的變化範圍，這些開關的位置就確定了修調頻率的最大範圍。對這一級進行修調，使得振蕩器的輸出頻率達到下一級修調的範圍。通過對k31、k32. . . k3o開關位置的設定，使得參考電流IREF具有最小的變化範圍，這些開關的位置就確定了修調的精度。對這一級進行修調，使得振蕩器的輸出頻率滿足設計的精度。本申請主張的修調方法包括但不限於上面提到的四種情況，本申請主張通過調節參考電壓VREF和電壓Vl及參考電流IREF的大小，並對不同的參考電壓VREF、電壓Vl和參考電流IREF數值進行組合來實現對振蕩器輸出頻率的修調。圖4中的參考電壓VREF、電壓Vl和參考電流IREF信號有許多種產生方式，本申請主張通過對產生的參考電壓VREF、電壓Vl和參考電流IREF的信號進行控制、並對參考電壓VREF,電壓Vl和參考電流IREF信號進行組合來實現振蕩器振蕩頻率改變的修調方法。圖4 中的開關 kll、kl2. · · kin, k21、k22. · · k2m, k31、k32. · · k3o 有許多實現和控制方式，例如使用熔斷fuse、一次性可編程OTP及邏輯控制等方法。本申請主張對上述開關進行控制，從而對參考電壓VREF和參考電流IREF的信號進行控制，以實現對振蕩頻率的修調。本申請所主張的方法不僅僅可以應用在馳張型振蕩器上，同樣也可以應用在某些結構的環形振蕩器，及一些其他類型的振蕩器中。最後應說明的是，以上實施例僅用以描述本發明的技術方案而不是對本技術方法進行限制，本發明在應用上可以延伸為其他的修改、變化、應用和實施例，並且因此認為所有這樣的修改、變化、應用、實施例都在本發明的精神和教導範圍內。
權利要求
1.一種用于振蕩器的修調電路，該修調電路包括參考電壓輸出端、參考電流輸出端、輸入電壓Vl端；其特徵在於 其中該修調電路包括第一組串聯電阻鏈，參考電壓VREF輸出端通過第一組中的開關，分別與該第一組串聯電阻鏈中的第一部分電阻彼此之間的連接點相連接； 該第一組串聯電阻鏈中的第二部分電阻彼此之間的連接點分別與第二組開關的一端相連接，第二組開關的另一端分別連接至運算放大器的負極，其中運算放大器的負極電壓為輸入電壓Vl ; 運算放大器的正極分別與第三組開關相連接，第三組開關的另一端除了第一開關直接連接至場效應管的源漏極的其中一端外，其餘開關分別與第二組串聯電阻鏈中的第三部分電阻相互之間的連接點相連接；運算放大器的輸出端連接至該場效應管的柵極，該場效應管的源漏極的另一端連接至參考電流IREF。
2.根據權利要求I所述的修調電路，其特徵在於，第一組開關為kll、kl2.. . kln，其中η彡1，η為自然數；第二組開關為k21、k22. . . k2m，其中m彡1，m為自然數；第一組串聯電阻鏈的電阻數量P為P = max (n, m) +1。
3.根據權利要求I所述的修調電路，其特徵在於，該第一組串聯電阻鏈一端接電壓，另一端接地；該第二組串聯電阻鏈一端連接至場效應管的源漏極的其中一端，另一端接地。
4.根據權利要求I所述的修調電路，其特徵在於，第三組開關為k31、k32.. . k3o，其中ο彡1，η為自然數；第二組串聯電阻鏈的電阻數量q為q彡O。
5.根據權利要求I所述的修調電路，其特徵在於，第一部分電阻與第二部分電阻是第一組串聯電阻鏈中部分相同的電阻，或第一組串聯電阻鏈中完全不同的電阻。
6.根據權利要求1-5中任一項所述的修調電路，其特徵在於，所述開關使用熔斷、一次性可編程及邏輯控制單元。
7.一種用於權利要求1-6中任一項所述的修調電路的修調方法，包括 輸入電壓Vl值的修調； 基準電壓VREF的修調； 基準電流IREF的修調； 上述三個步驟的次序不分先後。
8.根據權利要求7所述的修調方法，其特徵在於，進一步包括 通過對第二組開關位置的設定，使得電壓Vl有最大的變化範圍； 通過對第一組開關位置的設定，使得參考電壓VREF有中等的變化範圍，以便對修調頻率進行較準確的控制； 通過對第三組開關位置的設定，使得參考電流IREF具有最小的變化範圍，對這一級進行修調，使得振蕩器的輸出頻率滿足設計的精度。
9.根據權利要求7所述的修調方法，其特徵在於，進一步包括 通過對第一組開關位置的設定，使得參考電壓VREF有最大的變化範圍； 通過對第二組開關位置的設定，使得電壓Vl有中等的變化範圍，以便對修調頻率進行較準確的控制； 通過對第三組開關位置的設定，使得參考電流IREF具有最小的變化範圍，這些開關的位置就確定了修調的精度。
10.根據權利要求7所述的修調方法，其特徵在於，進一步包括 當η的值為I時，即參考電壓VREF為一固定數值時， 通過對第二組開關位置的設定，使得電壓Vl有最大的變化範圍，這些開關的位置就確定了修調頻率的最大範圍； 通過對第三組開關位置的設定，使得參考電流IREF具有最小的變化範圍，這些開關的位置就確定了修調的精度。
11.根據權利要求7所述的修調方法，其特徵在於，進一步包括 當m的值為I時，即電壓Vl為一固定數值， 通過對第一組開關位置的設定，使得參考電壓VREF有最大的變化範圍，這些開關的位置就確定了修調頻率的最大範圍； 通過對第二組開關位置的設定，使得參考電流IREF具有最小的變化範圍，這些開關的位置就確定了修調的精度。
全文摘要
本發明提供一種用於高精度電阻電容振蕩器的修調方法，這種修調方法使用三級修調的方式來實現輸入電壓V1值的修調、基準電壓VREF的修調和基準電流IREF的修調。根據開關位置的不同，三級修調中某一級為粗調，另一級為中調，其餘的一級為精調。通過三級修調，使得振蕩器的輸出頻率達到設計的精度。這種修調方法通過調整電阻串兩端電壓的方法來實現對參考電流IREF的調節。本方法中有限個數的電阻匹配相對容易實現，可以實現更高精度的修調。
文檔編號H03K3/013GK102624359SQ20121010718
公開日2012年8月1日 申請日期2012年4月12日 優先權日2012年4月12日
發明者孫有陽, 張慧泉, 張斌, 張琢 申請人:佛山華芯微特科技有限公司