一種RC振蕩器的製作方法

2023-10-20 22:25:27 3

本發明涉及電子技術領域，尤其是一種rc振蕩器。

背景技術：

振蕩器是一種用於產生正弦波、方波等重複信號的電子元件，廣泛應用於通信、電子、航空航天、醫學等各個領域。集成電路中比較常用的為rc振蕩器，rc振蕩器是利用反相器門級輸入延時，並採用奇數級反相器首尾串聯形成的環形振蕩器，rc振蕩器中都包括一個由電阻r和電容c構成的rc迴路，這種振蕩器的工作特點是利用儲能元件(電容c)在電路兩個門限電平之間來回充電和放電：假設電路保持在一個暫穩態，當電容c的電位達到兩個門限電平中的某一個值時，電容轉換到另一個暫穩態，然後電容c上的電位往相反方向變化，當其到達另一個門限電平時，電路返回原來的暫穩態，如此循環形成振蕩，因此也可以被稱為充放電振蕩器，是一種典型的張弛振蕩器。

集成電路中的rc振蕩器的重要指標通常包括：輸出頻率的大小、輸出頻率的穩定度、輸出頻率的精度、rc振蕩器的成本和可測性。通常要求rc振蕩器的輸出頻率的穩定度和精度都較高，成本較低，可測性較好。其中，輸出頻率的穩定度是指輸出頻率受電源電壓和溫度等外界參數的影響程度；輸出頻率的精度是指寄生電阻、寄生電容和加工工藝等的影響造成的輸出頻率的偏差。如圖1示出了一種rc振蕩器的電路圖，其在常見的rc振蕩器的結構上增加了充放電模塊、電壓比較模塊、恆流源產生電路以及反饋基準模塊，這種改進可以在一定程度上提高穩定度，如圖1中的rc振蕩器的輸出頻率隨電源電壓和溫度的變化率為2.4％。如圖2示出了另一種rc振蕩器的電路圖，其採用數字修調技術和溫度補償技術，使得最終的輸出頻率的偏差範圍為0.625％，隨溫度變化率為0.9％，相比於圖1的結構進一步提高了輸出頻率的穩定度。但圖1和圖2示出的rc振蕩器的穩定度和精度依然不夠理想，不能適用於對穩定度和精度要求很高的場合，同時圖1和圖2示出的rc振蕩器的電路結構都較為複雜，會增加rc振蕩器的成本，也會增加整個晶片的成本。

技術實現要素：

本發明人針對上述問題及技術需求，提出了一種rc振蕩器，該rc振蕩器具有較好的輸出頻率精度和輸出頻率穩定度。

本發明的技術方案如下：

一種rc振蕩器，該rc振蕩器包括：電源模塊和振蕩模塊，電源模塊的輸出端連接振蕩模塊並為振蕩模塊供電，振蕩模塊包括第一反相器組、第二反相器組、第三反相器組、可變電阻、固定電阻和第一電容，第一反相器組、第二反相器組和第三反相器組均包括奇數個首尾串聯的反相器，第一反相器組的輸入端連接輸入壓點和控制信號輸入端，第一反相器組的輸出端連接輸出壓點、固定電阻和第二反相器組的輸入端，固定電阻的另一端連接可變電阻，可變電阻的另一端連接輸入壓點和第一電容，第一電容的另一端連接第二反相器組的輸出端，第二反相器組的輸出端還連接第三反相器組的輸入端，第三反相器組的輸出端連接時鐘信號輸出端；固定電阻與可變電阻的電阻電壓係數和/或電阻溫度係數互補，第一電容的電容電壓係數小於第一閾值和/或電容溫度係數小於第二閾值。

其進一步的技術方案為，可變電阻採用熔絲結構，熔絲結構的可變電阻包括n個串聯的熔絲電阻，每個熔絲電阻的兩端分別連接一個電晶體的第一端和第二端，每個電晶體的第三端連接一個熔絲壓點和一根熔絲，熔絲的另一端接地，n為正整數。

其進一步的技術方案為，每個熔絲壓點的另一端連接一個繼電器，繼電器的另一端連接第二電容，第二電容的另一端接地。

其進一步的技術方案為，電源模塊包括帶隙基準模塊和穩壓模塊，帶隙基準模塊的輸出端連接穩壓模塊的輸入端，穩壓模塊的輸出端連接振蕩模塊。

其進一步的技術方案為，帶隙基準模塊包括第一pmos管、第二pmos管、第三pmos管、第四pmos管、第一nmos管、第二nmos管、第三nmos管、第四nmos管、第一電阻、第二電阻、第三電阻、pnp型的第一三極體、pnp型的第二三極體和pnp型的第三三極體；第一nmos管的柵極與第二nmos管的柵極互連且連接第一nmos管的漏極，第一nmos管的漏極還連接第一pmos管的源極，第一pmos管的漏極連接電源端，第一pmos管的柵極接地，第一nmos管的源極連接第一電阻，第一電阻的另一端接地；第二nmos管的漏極連接第三nmos管的漏極，第二nmos管的源極連接第三nmos管的源極，第三nmos管的柵極與第四nmos管的柵極互連且連接第四nmos管的漏極，第三nmos管的漏極還連接第二pmos管的源極和偏置電壓，第二pmos管的漏極連接電源端，第四nmos管的漏極還連接第三pmos管的源極，第三pmos管的漏極連接電源端，第二pmos管的柵極與第三pmos管的柵極互連且連接第二pmos管的源極，第三nmos管的源極還連接第二電阻，第二電阻的另一端連接第一三極體的發射極，第一三極體的基極和集電極分別接地，第四nmos管的源極還連接第二三極體的發射極，第二三極體的基極和集電極分別接地；第四pmos管的柵極連接偏置電壓，第四pmos管的漏極連接電源端，第四pmos管的源極連接第三電阻，第三電阻的另一端連接第三三極體的發射極，第三三極體的基極和集電極分別接地，第四pmos管與第三電阻的公共端連接帶隙基準模塊的輸出端。

其進一步的技術方案為，穩壓模塊包括第五pmos管、第六pmos管、第七pmos管、第八pmos管、第五nmos管、第六nmos管、第七nmos管、第八nmos管、第九nmos管、第三電容、第四電容、第四電阻和第五電阻；第七nmos管的柵極與第八nmos管的柵極互連且連接第七nmos管的漏極，第七nmos管的源極和第八nmos管的源極分別接地，第七nmos管的漏極還連接第五pmos管的源極，第五pmos管的柵極連接偏置電壓，第五pmos管的漏極連接電源端，第八nmos管的漏極分別連接第五nmos管的源極和第六nmos管的源極，第五nmos管的柵極接地，第六nmos管的柵極連接穩壓模塊的輸入端，第五nmos管的漏極連接第六pmos管的源極，第六nmos管的漏極連接第七pmos管的源極，第六pmos管的柵極與第七pmos管的柵極互連且連接第六pmos管的源極，第六pmos管的漏極與第七pmos管的漏極分別連接電源端，第七pmos管的源極還分別連接第八pmos管的柵極和第三電容，第三電容的另一端連接第四電容，第四電容的另一端接地，第三電容與第四電容的公共端連接第八pmos管的源極和穩壓模塊的輸出端，第八pmos管的漏極連接電源端，第八pmos管的源極還連接第四電阻，第四電阻的另一端連接第五電阻，第五電阻的另一端接地，第四電阻與第五電阻的公共端接地，第八pmos管的源極還連接第九nmos管的柵極，第九nmos管的源極和漏極分別接地。

其進一步的技術方案為，固定電阻為具備負電阻電壓係數和負電阻溫度係數的高阻多晶電阻，可變電阻為具備正電阻電壓係數和正電阻溫度係數的阱電阻，電容為雙多晶電容。

其進一步的技術方案為，時鐘信號輸出端設置有測試壓點，測試壓點用于振蕩頻率測試。

本發明的有益技術效果是：

1、採用電阻溫度係數和/或電阻電壓係數互補的固定電阻和可變電阻，以及採用電容溫度係數和電容電壓係數都較小的電容，可以較少輸出頻率隨電源電壓和溫度的變化，也減少輸出頻率隨寄生參數和加工工藝的影響，提高輸出頻率穩定度和精度。

2、採用帶隙基準模塊和穩壓模塊組合構成電源模塊，帶隙基準模塊功耗低、易啟動且對工藝的依賴程度低，可以產生一個幾乎不隨溫度和電源電壓變化的基準電壓；穩壓模塊具有成本低噪音小的有點，可以將基準電壓提高為了一穩定的工作電壓；帶隙基準模塊和穩壓模塊的組合可以在為振蕩模塊供電的同時，進一步輸出頻率隨電源電壓和溫度的變化，提高輸出頻率的穩定度。

3、採用新型的熔絲結構，可以有效避免將寄生參數引入到rc迴路中，可以進一步提高輸出頻率的精度。

4、在時鐘信號輸出端設置測試壓點，通過該測試壓點進行振蕩頻率測試，該測試壓點在rc迴路之外，避免將寄生參數引入到rc迴路中，進一步提高了輸出頻率的精度。

5、能夠精確測得rc振蕩器輸出信號進入其他模塊前的頻率，整個rc振蕩器的可測性好，另外整個rc振蕩器中採用標準cmos工藝中的器件，整體結構簡單，降低了晶片成本。

附圖說明

圖1是本發明的rc振蕩器的電路結構示意圖。

圖2是本發明的rc振蕩器中的振蕩模塊的電路圖。

圖3是高阻多晶電阻的電阻電壓係數和電阻溫度係數圖。

圖4是阱電阻的電阻電壓係數和電阻溫度係數圖。

圖5是振蕩模塊中的可變電阻的新型的熔絲結構的電路圖。

圖6是本發明的rc振蕩器中的帶隙基準模塊的電路圖。

圖7是本發明的rc振蕩器中的穩壓模塊的電路圖。

圖8是本發明的rc振蕩器的仿真圖。

圖9是本發明的rc振蕩器的仿真圖。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明的具體實施方式做進一步說明。

請參考圖1，其示出了本發明公開的一種rc振蕩器的電路結構示意圖，該rc振蕩器包括電源模塊和振蕩模塊，電源模塊的輸出端連接振蕩模塊並為振蕩模塊供電，振蕩模塊包括兩個輸入端和兩個輸出端，兩個輸入端分別為輸入壓點osci和控制信號輸入端ctrl_osc，兩個輸出端分別為輸出壓點osco和時鐘信號輸出端clock，其中，輸入壓點osci用於傳輸輸入信號，控制信號輸入端ctrl_osc用於控制rc振蕩器工作，當控制信號輸入端ctrl_osc為高電平時，該rc振蕩器停振，當控制信號輸入端ctrl_osc為低電平時，該rc振蕩器正常工作，輸出壓點osco用於傳輸輸出信號，時鐘信號輸出端clock用於輸出時鐘信號，該時鐘信號進入集成電路中的其他部分，即為整個集成電路提供時鐘。可選的，電源模塊包括帶隙基準模塊和穩壓模塊，帶隙基準模塊的輸出端連接穩壓模塊的輸入端，穩壓模塊的輸出端連接振蕩模塊，帶隙基準模塊用於提供幾乎不隨溫度和電源電壓變化的基準電壓vref，該基準電壓vref通常為1.25v，穩壓模塊可以為低壓差線性穩壓器(lowdropoutregulator，ldo)，該穩壓模塊將帶隙基準模塊提供的基準電壓vref轉換為穩定的工作電壓vldo，通常是將1.25v的基準電壓vref提高為2.5v的工作電壓vldo，該工作電壓用于振蕩模塊的電源電壓。

請參考圖2示出的振蕩模塊的電路結構圖，該振蕩模塊包括第一反相器組、第二反相器組、第三反相器組、可變電阻rv、固定電阻rs和第一電容c1。第一反相器組、第二反相器組和第三反相器組均包括奇數個首尾串聯的反相器，如圖2所示，第一反相器組包括首尾串聯的或非門nor、第一反相器t1和第二反相器t2，第一反相器組的輸入端連接輸入壓點osci和控制信號輸入端ctrl_osc，因此第一反相器組中的第一級的反相器通常為或非門nor，輸入壓點osci和控制信號輸入端ctrl_osc作為或非門nor的兩個輸入信號，或非門nor的輸出端連接後級的反相器，當控制信號輸入端ctrl_osc為低電平使得rc振蕩器正常工作時，該或非門nor相當於一個反相器，也即第一反相器組實際包括3個首尾串聯的反相器；第二反相器組包括3個首尾串聯的反相器，分別為第三反相器t3、第四反相器t4和第五反相器t5；第三反相器組包括一個反相器為第六反相器t6。第一反相器組的輸出端連接輸出壓點osco、固定電阻rs和第二反相器組的輸入端，固定電阻rs的另一端連接可變電阻rv，可變電阻rv的另一端連接輸入壓點osci和第一電容c1，第一電容c1的另一端連接第二反相器組的輸出端，第二反相器組的輸出端還連接第三反相器組的輸入端，第三反相器組的輸出端連接時鐘信號輸出端clock。固定電阻rs、可變電阻rv、第二反相器組和第一電容c1組成rc迴路，該rc振蕩器的振蕩頻率由該rc迴路決定，主要由該rc迴路的電阻和電容的值決定，從理論上來說，rc振蕩器的振蕩頻率與該rc迴路中的電阻r和電容c的關係如下：

即振蕩頻率fosc與電阻r和電容c的大小成反比，除了電阻r和電容c之外，還有一些其他因素會對振蕩頻率fosc產生影響，統一由k這一係數表示。其中，電阻r包括接入到rc迴路中的固定電阻rs、可變電阻rv，以及rc迴路中的寄生電阻，電容c包括rc迴路中的第一電容c1以及rc迴路中的寄生電容，如圖2中示出了寄生電容cp。寄生電阻和寄生電容可能是集成電路版圖布局布線造成的，也有可能是對振蕩器進行振蕩頻率測試時由測試儀器引入的，這些寄生電阻和寄生電容會導致rc振蕩器的實際振蕩頻率與設計值之間存在偏差。

在本發明中，固定電阻rs與可變電阻rv的電阻電壓係數和/或電阻溫度係數互補，通過選擇不同的阻值組合進行互補補償，第一電容c1的電容電壓係數小於第一閾值和/或電容溫度係數小於第二閾值，從而削弱電源電壓/溫度對rc迴路中電阻和電容的影響，以減少振蕩頻率隨電源電壓和溫度的變化，第一閾值和第二閾值的大小是預設值。可選的，固定電阻rs為具備負電阻電壓係數和負電阻溫度係數的高阻多晶電阻，高阻多晶電阻的電阻電壓係數和電阻溫度係數請分別參考圖3中的(a)和(b)。可變電阻rv為具備正電阻電壓係數和正電阻溫度係數的阱電阻，阱電阻和高阻多晶電阻的電阻電壓係數和電阻溫度係數請分別參考圖4中的(a)和(b)，具體設計時需要考慮這兩種電阻的方塊值，以決定固定電阻rs與可變電阻rv組成的電阻中這兩部分的阻值大小。電容c1為兩層多晶之間的雙多晶電容，電容c1的電容值可以為8pf，這種電容的電容電壓係數和電容溫度係數均較小、性能穩定且寄生電容小。

可選的，可變電阻rv採用熔絲結構，通過熔絲調節可變電阻rv的阻值大小，從而調節整個rc迴路中的電阻，由於在集成電路加工過程中，每一個器件的參數都存在一個範圍，比如某一個工藝中的阱電阻典型值為每方塊1kω，最小和最大值分別為每方塊0.9kω和1.1kω，只要阱電阻的方塊值落在以上範圍內，則工藝都是合格的，因此實際加工完成後，器件的電阻、電容值與設計值之間都是存在差異的；另外，集成電路圓片上的不同位置處的電阻、電容值也是各不相同的，原因也是由集成電路製造工藝所造成的。為了消除這種差異對振蕩頻率的影響，可以通過熔絲結構進行調整，對rc迴路中的電阻適當增加或適當減小，以便削弱工藝加工對輸出頻率的影響，提高其精度。由於在對熔絲進行調整時，中測探針上存在寄生電容，這些寄生電容cp會通過中測探針引入rc迴路中，因此為了減小寄生電容cp對振蕩頻率的影響，本發明採用一種新型的熔絲結構，請參考圖5，該熔絲結構的可變電阻包括n個串聯的熔絲電阻，n為正整數，該n個熔絲電阻的阻值大小通常不相等，在本發明中，以n＝5為例，該5個熔絲電阻分別為r、2r、4r、8r和16r，實際實現時，熔絲電阻的數量和每個熔絲電阻的阻值可以自行設定。每個熔絲電阻的兩端分別連接一個電晶體的第一端和第二端，也即每個熔絲電阻分別與一個電晶體並聯，每個電晶體的第三端連接一個熔絲壓點fpad和一根熔絲，且通常情況下，每個電晶體均通過反相器連接熔絲壓點和熔絲，也即電晶體的第三端連接反相器的輸出端，反相器的輸入端分別連接熔絲壓點fpad和熔絲；熔絲的另一端接地，如圖5所示的熔絲結構中包括5個熔絲壓點fpad(分別為fpad1、fpad2、fpad3、fpad4和fpad5)，每個熔絲壓點與其連接的熔絲和電阻對應，比如fpad1與r對應，fpad2與2r對應，以此類推。可選的，電晶體為nmos管，則電晶體的第一端和第二端分別為nmos管的源極和漏極，電晶體的第三端為nmos管的柵極。在本發明提供的新型的熔絲結構中，熔絲並沒有直接接入電阻鏈上，而是通過熔絲壓點fpad接地，同時熔絲壓點fpad控制一個跟熔絲電阻並聯的nmos管。在該熔絲結構中，當熔絲不需要熔斷時，熔絲壓點fpad為低電平，nmos管控制信號為高電平，nmos管導通，電阻短路，相當於熔絲沒有熔斷；當熔絲需要熔斷時，fpad為高電平，nmos管控制信號為低電平，該nmos管不導通，電阻起作用，相當於熔絲被熔斷，該熔絲結構的熔斷方式包括如下兩種：

在第一種熔斷方式中，通過電容放電來實現，則在圖5示出的熔絲結構中，每個熔絲壓點的另一端還連接一個繼電器(圖中未示出)，繼電器的另一端連接第二電容，第二電容的另一端接地，第二電容通常為100μf。用5v電壓給第二電容充滿電，如果某根熔絲需要燒斷，則該熔絲對應的繼電器閉合，電容放電把該熔絲燒斷。

在第二種熔斷方式中，通過圓片測試儀實現，由於圓片測試儀的通道輸出電流能達到500ma，因此可以直接將測試儀的通道接到熔絲壓點上，通過加5v高電平的方式把熔絲壓點對應的熔絲燒斷。

集成電路圓片測試時每個中測探針上的寄生的電容通常在幾個pf這一數量級，以2pf為例，經過仿真，在採用本發明提供的新型的熔絲結構後，實際測得中心頻率與設計值之間的差異不超過1％。

另外，在對集成電路圓片進行振蕩頻率測試時，常見的做法是將探針扎在輸出壓點osco端，從而讀取該點的頻率，這一做法同樣會將中測探針上的寄生電容cp引入rc迴路中，因此，在發明中，振蕩模塊的時鐘信號輸出端clock設置有測試壓點，該測試壓點用于振蕩頻率測試，振蕩頻率測試時，通過將探針扎在該測試壓點讀取頻率進行測試，這一做法改變了振蕩頻率測試時探針接觸rc振蕩器的位置，由於是在rc迴路之外的節點上個測試，因此可以避免中測探針上寄生電容對振蕩頻率的影響。

請參考圖6，其示出了本發明中的帶隙基準模塊的電路圖，該帶隙基準模塊包括第一pmos管p1、第二pmos管p2、第三pmos管p3、第四pmos管p4、第一nmos管n1、第二nmos管n2、第三nmos管n3、第四nmos管n4、第一電阻r1、第二電阻r2、第三電阻r3、pnp型的第一三極體q1、pnp型的第二三極體q2和pnp型的第三三極體q3。第一nmos管n1的柵極與第二nmos管n2的柵極互連且連接第一nmos管n1的漏極，第一nmos管n1的漏極還連接第一pmos管p1的源極，第一pmos管p1的漏極連接電源端vdd，第一pmos管p1的柵極接地，第一nmos管n1的源極連接第一電阻r1，第一電阻r1的另一端接地；第二nmos管n2的漏極連接第三nmos管n3的漏極，第二nmos管n2的源極連接第三nmos管n3的源極，第三nmos管n3的柵極與第四nmos管n4的柵極互連且連接第四nmos管n4的漏極，第三nmos管n3的漏極還連接第二pmos管p2的源極和偏置電壓vbias，第二pmos管p2的漏極連接電源端vdd，第四nmos管n4的漏極還連接第三pmos管p3的源極，第三pmos管p3的漏極連接電源端vdd，第二pmos管p2的柵極與第三pmos管p3的柵極互連且連接第二pmos管p2的源極，第三nmos管n3的源極還連接第二電阻r2，第二電阻r2的另一端連接第一三極體q1的發射極，第一三極體q1的基極和集電極分別接地，第四nmos管n4的源極還連接第二三極體q2的發射極，第二三極體q2的基極和集電極分別接地；第四pmos管p4的柵極連接偏置電壓vbias，第四pmos管p4的漏極連接電源端vdd，第四pmos管p4的源極連接第三電阻r3，第三電阻r3的另一端連接第三三極體q3的發射極，第三三極體q3的基極和集電極分別接地，第四pmos管p4與第三電阻r3的公共端連接帶隙基準模塊的輸出端vref。本發明對帶隙基準模塊中的各個器件的參數不作限定，這種帶隙基準模塊的功耗低、容易啟動、對工藝依賴程度低，在-40℃-125℃的溫度範圍內，可以獲得接近零溫度係數的輸出電壓，因此該模塊可以在溫度和電壓不穩定的環境中輸出一個幾乎不隨溫度和電源電壓變化的穩定的1.25v基準電壓。

請參考圖7，其示出了本發明中的穩壓模塊的電路圖，該穩壓模塊包括第五pmos管p5、第六pmos管p6、第七pmos管p7、第八pmos管p8、第五nmos管n5、第六nmos管n6、第七nmos管n7、第八nmos管n8、第九nmos管n9、第三電容c3、第四電容c4、第四電阻r4和第五電阻r5。第七nmos管n7的柵極與第八nmos管n8的柵極互連且連接第七nmos管n7的漏極，第七nmos管n7的源極和第八nmos管n8的源極分別接地，第七nmos管n7的漏極還連接第五pmos管p5的源極，第五pmos管p5的柵極連接偏置電壓vbias，第五pmos管p5的漏極連接電源端vdd，第八nmos管n8的漏極分別連接第五nmos管n5的源極和第六nmos管n6的源極，第五nmos管n5的柵極接地，第六nmos管n6的柵極連接穩壓模塊的輸入端vref，第五nmos管n5的漏極連接第六pmos管p6的源極，第六nmos管n6的漏極連接第七pmos管p7的源極，第六pmos管p6的柵極與第七pmos管p7的柵極互連且連接第六pmos管p6的源極，第六pmos管p6的漏極與第七pmos管p7的漏極分別連接電源端vdd，第七pmos管p7的源極還分別連接第八pmos管p8的柵極和第三電容c3，第三電容c3的另一端連接第四電容c4，第四電容c4的另一端接地，第三電容c3與第四電容c4的公共端連接第八pmos管p8的源極和穩壓模塊的輸出端vlbo，第八pmos管p8的漏極連接電源端vdd，第八pmos管p8的源極還連接第四電阻r4，第四電阻r4的另一端連接第五電阻r5，第五電阻r5的另一端接地，第四電阻r4與第五電阻r5的公共端接地，第八pmos管p8的源極還連接第九nmos管n9的柵極，第九nmos管n9的源極和漏極分別接地。本發明對穩壓模塊中的各個器件的參數不作限定，這種穩壓模塊成本低、噪音小、可以看生一個穩定的2.5v工作電壓。

本發明公開的rc振蕩器的中心頻率為32khz，針對這一中心頻率進行電壓特性和溫度特性進行仿真：在常溫條件下，不同工藝條件的振蕩頻率隨電源電壓的變化曲線如圖8所示，可以看出，電源電壓在2～5v變化過程中，輸出中心頻率變化約為0.15％。在電源電壓為3.3v的條件下，不同工藝條件的振蕩頻率隨溫度的變化曲線如圖9所示，可以看出，溫度在-40～125℃範圍內，輸出中心頻率變化約為0.08％。由此可以看出，本發明公開的rc振蕩器的精度和穩定度都較優。

以上所述的僅是本發明的優選實施方式，本發明不限於以上實施例。可以理解，本領域技術人員在不脫離本發明的精神和構思的前提下直接導出或聯想到的其他改進和變化，均應認為包含在本發明的保護範圍之內。