比较器失调抵消的RC张弛振荡器

摘要

本发明公开了一种比较器失调抵消的RC张弛振荡器，用于解决现有RC张弛振荡器频率和占空比稳定性差的技术问题。技术方案是包括参考电压产生电路、电容充放电电路、比较器以及反相器链。本发明采用电荷泵产生两个相位差为180°周期性三角波信号，通过比较器对这两个三角波信号进行比较产生时钟信号。由于三角波信号的峰峰值由一个固定的参考电压决定，与比较器的失调电压无关，在每种工作状态下电容的充放电时间保持不变，从而使振荡器的频率保持不变。由于比较器失调抵消，避免了比较器的失调电压对振荡器的频率和占空比的影响，频率和占空比稳定性好。并且仅使用了一个比较器，使比较器的数量减少了一半。

权利要求

1.一种比较器失调抵消的RC张弛振荡器，其特征在于：包括参考电压产生电路(1)、电容充放电电路(2)、比较器(3)以及反相器链(4)；参考电压产生电路(1)的输出VREF与电容充放电电路(2)的输入端相连；电容充放电电路(2)的输出VRAMP1和输出VRAMP2与比较器(3)的输入端相连；比较器(3)的输出VOUT与反相器链(4)的输入相连；开关S1、S4、S5和S8由反相器链的输出 控制，开关S2、S3、S6和S7由反相器链的输出为φ控制；所述参考电压产生电路(1)产生参考电压VREF，电容充放电电路(2)产生占空比为50％、幅度相等、相位差为180°的三角波信号VRAMP1和三角波信号VRAMP2，三角波信号VRAMP1和三角波信号VRAMP2分别输入到比较器(3)的同相端和反相端产生占空比50％的方波信号VOUT，方波信号VOUT输入到反相器链(4)产生相位差为180°的方波信号φ和方波信号 方波信号φ和方波信号 反馈到电容充放电电路(2)的输入；所述电容充放电电路(2)由充电电流源IREF1、放电电流源IREF2、开关S1-S8、电容C、电容C1以及电容C2组成；开关S1的一端与充电电流源IREF1相连，开关S1的另一端与电容C1的正端VRAMP1相连；开关S2的一端与放电电流源IREF2相连，开关S2的另一端与电容C1的正端VRAMP1相连；开关S3的一端与充电电流源IREF1相连，开关S3的另一端与电容C2的正端VRAMP2相连；开关S4的一端与放电电流源IREF2相连，开关S4的另一端与电容C2的正端VRAMP2相连；开关S5的一端与电容C1的负端相连，开关S5的另一端与地相连；开关S6的一端与电容C2的负端相连，开关S6的另一端与地相连；开关S7的一端与电容C1的负端相连，开关S7的另一端与参考电压VREF相连；开关S8的一端与电容C2的负端相连，开关S8的另一端与参考电压VREF相连；所述比较器(3)的同相端与电容充放电电路(2)的输出VRAMP1连接，反相端与电容充放电电路(2)的输出VRAMP2连接，比较器(3)的输出为VOUT；所述反相器链(4)由反相器INV1和反相器INV2组成；反相器INV1的输入与比较器(3)的输出VOUT连接，反相器INV2的输入与反相器INV1的输出连接；反向器INV1的输出为 反相器INV2的输出为φ。

说明书

比较器失调抵消的RC张弛振荡器

技术领域

[0001] 本发明涉及一种RC张弛振荡器，特别是涉及一种比较器失调抵消的RC张弛振荡器。

背景技术

[0002] 时钟电路或计时器是低功耗电子设备的关键模块。例如，在无线传感器网络中，时钟电路作为计时器，周期性的唤醒节点收发信号，其功耗、集成度、频率稳定性性能都至关重要。RC张弛振荡器具有低功耗，易于片上集成的特点，非常适合应用在这些电子设备中。实际中振荡器的频率受温度、电压、工艺等因素影响，设计具有稳定工作频率的低功耗振荡器具有重要意义。

[0003] 参照图7。文献“S.L.J.Gierkink and E.van Tuij,A coupled sawtooth oscillator combining low jitter with high control linearity[J],IEEE Journal of Solid-State Circuits,vol.37,no.6,pp.702-710,June 2002.”公开了一种RC张弛振荡器。该结构主要包括一个电容充放电电路、两个比较器和一个RS触发器。在电容充放电电路中，充电电流源IREF1与开关S1的一端相连组成充电支路，放电电流源IREF2与开关S2一端相连组成放电支路，开关S1和开关S2的另一端连接到电容C的正端VC，电容C的负端接地。电容C的正端VC与比较器CMP1的同相端和比较器CMP2的反向端相连，比较器CMP1的反向端连接参考电压VH，比较器CMP2的同相端连接参考电压VL。比较器CMP1的输出连接RS触发器的输入R，比较器CMP2的输出连接RS触发器的输入S。RS触发器的输出Q控制开关S1，RS触发器的输出 控制开关S2。当电容上的电压VC超过参考电压VH时，比较器CMP1的输出翻转，RS触发器的输出Q变为高电平。开关S1关断，开关S2导通，电容C上的电荷通过放电支路开始放电。当电容C上的电压VC低于参考电压VL时，比较器CMP2的输出翻转，RS触发器的输出Q变为低电平。开关S1导通，开关S2关断，电容C通过充电支路开始充电，如此循环。振荡器的周期由充电电流IREF1、放电电流IREF2、电容C、以及比较器的阈值电压VH、VL决定。该RC张弛振荡器虽然结构简单，但存在以下缺点：比较器的失调电压随着温度、电压、工艺的变化而变化，导致振荡器的频率和占空比不稳定。

发明内容

[0004] 为了克服现有RC张弛振荡器频率和占空比稳定性差的不足，本发明提供一种比较器失调抵消的RC张弛振荡器。该RC张弛振荡器包括参考电压产生电路、电容充放电电路、比较器以及反相器链。本发明采用电荷泵产生两个相位差为180°周期性三角波信号，通过比较器对这两个三角波信号进行比较产生时钟信号。由于三角波信号的峰峰值由一个固定的参考电压决定，与比较器的失调电压无关，在每种工作状态下电容的充放电时间保持不变，从而使振荡器的频率保持不变。由于比较器失调抵消，避免了比较器的失调电压对振荡器的频率和占空比的影响，频率和占空比稳定性好。并且仅使用了一个比较器，使比较器的数量减少了一半。

[0005] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种比较器失调抵消的RC张弛振荡器，其特点是包括参考电压产生电路1、电容充放电电路2、比较器3以及反相器链4。参考电压产生电路1的输出VREF与电容充放电电路2的输入端相连；电容充放电电路2的输出VRAMP1和输出VRAMP2与比较器3的输入端相连；比较器3的输出VOUT与反相器链4的输入相连；反相器链的输出φ和输出 与电容充放电电路2的输入端相连。所述参考电压产生电1产生参考电压VREF，电容充放电电路2产生占空比为50％、幅度相等、相位差为180°的三角波信号VRAMP1和三角波信号VRAMP2，三角波信号VRAMP1和三角波信号VRAMP2分别输入到比较器3的同相端和反相端产生占空比50％的方波信号VOUT，方波信号VOUT输入到反相器链4产生相位差为180°的方波信号φ和方波信号 方波信号φ和方波信号 反馈到电容充放电电路2的输入。所述电容充放电电路2由充电电流源IREF1、放电电流源IREF2、开关S1-S8、电容C、电容C1以及电容C2组成。开关S1的一端与充电电流源IREF1相连，开关S1的另一端与电容C1的正端VRAMP1相连。开关S2的一端与放电电流源IREF2相连，开关S2的另一端与电容C1的正端VRAMP1相连。开关S3的一端与充电电流源IREF1相连，开关S3的另一端与电容C2的正端VRAMP2相连。开关S4的一端与放电电流源IREF2相连，开关S4的另一端与电容C2的正端VRAMP2相连。开关S5的一端与电容C1的负端相连，开关S5的另一端与地相连。开关S6的一端与电容C2的负端相连，开关S6的另一端与地相连。开关S7的一端与电容C1的负端相连，开关S7的另一端与参考电压VREF相连。开关S8的一端与电容C2的负端相连，开关S8的另一端与参考电压VREF相连。所述比较器3的同相端与电容充放电电路2的输出VRAMP1连接，反相端与电容充放电电路2的输出VRAMP2连接，比较器3的输出为VOUT。所述反相器链4由反相器INV1和反相器INV2组成。反相器INV1的输入与比较器3的输出VOUT连接，反相器INV2的输入与反相器INV1的输出连接。反向器INV1的输出为反相器INV2的输出为φ。

[0006] 本发明的有益效果是：该RC张弛振荡器包括参考电压产生电路、电容充放电电路、比较器以及反相器链。本发明采用电荷泵产生两个相位差为180°周期性三角波信号，通过比较器对这两个三角波信号进行比较产生时钟信号。由于三角波信号的峰峰值由一个固定的参考电压决定，与比较器的失调电压无关，在每种工作状态下电容的充放电时间保持不变，从而使振荡器的频率保持不变。由于比较器失调抵消，避免了比较器的失调电压对振荡器的频率和占空比的影响，频率和占空比稳定性好。并且仅使用了一个比较器，使比较器的数量减少了一半。

[0007] 下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细说明。

附图说明

[0008] 图1是本发明比较器失调抵消的RC张弛振荡器的系统框图。

[0009] 图2是本发明比较器失调抵消的RC张弛振荡器的电路图。

[0010] 图3是本发明比较器失调抵消的RC张弛振荡器工作原理示意图。

[0011] 图4是本发明中存在比较器失调的RC张弛振荡器的电路图。

[0012] 图5是本发明中存在比较器失调的RC张弛振荡器工作原理示意图。

[0013] 图6是本发明RC张弛振荡器电路的具体实现图。

[0014] 图7是背景技术RC张弛振荡器的电路图。

具体实施方式

[0015] 以下实施例参照图1～6。

[0016] 本发明比较器失调抵消的RC张弛振荡器包括参考电压产生电路1、电容充放电电路2、比较器3以及反相器链4。

[0017] 所述电容充放电电路2由充电电流源IREF1、放电电流源IREF2、开关S1-S8、电容C、电容C1以及电容C2组成。开关S1的一端与充电电流源IREF1相连，开关S1的另一端与电容C1的正端VRAMP1相连。开关S2的一端与放电电流源IREF2相连，开关S2的另一端与电容C1的正端VRAMP1相连。开关S3的一端与充电电流源IREF1相连，开关S3的另一端与电容C2的正端VRAMP2相连。开关S4的一端与放电电流源IREF2相连，开关S4的另一端与电容C2的正端VRAMP2相连。开关S5的一端与电容C1的负端相连，开关S5的另一端与地相连。开关S6的一端与电容C2的负端相连，开关S6的另一端与地相连。开关S7的一端与电容C1的负端相连，开关S7的另一端与参考电压VREF相连。开关S8的一端与电容C2的负端相连，开关S8的另一端与参考电压VREF相连。

[0018] 所述比较器3的同相端与电容充放电电路2的输出VRAMP1连接，反相端与电容充放电电路2的输出VRAMP2连接，比较器3的输出为VOUT。

[0019] 所述反相器链4由反相器INV1和反相器INV2组成。反相器INV1的输入与比较器3的输出VOUT连接，反相器INV2的输入与反相器INV1的输出连接。反向器INV1的输出为 反相器INV2的输出为φ。

[0020] 本发明的原理：

[0021] 参照图2-3。当电容C1的正端VRAMP1的电压等于电容C2的正端VRAMP2的电压时，假设电路工作状态从φ＝0转换到φ＝1，电容C1的负端电压从地切换到参考电压VREF，电容C2的负端电压从参考电压VREF切换到地。同时，电容C1的正端VRAMP1的电压升高VREF，电容C2的正端VRAMP2的电压降低VREF。电容C1的正端VRAMP1和电容C2的正端VRAMP2之间的电压差从0变为2VREF。电容C1通过充电电流源IREF1进行充电，电容C2通过放电电流源IREF2进行放电。当电容C1的正端VRAMP1与电容C2的正端VRAMP2的电压再次相等时，电路从状态φ＝1转换到状态φ＝0。根据电路的对称性，电路工作在状态φ＝1和φ＝0的时间相等，均为振荡器的时钟周期T的一半，即T/2。

[0022] 如果C1＝C2，IREF1＝IREF2，那么，

[0023] C1×VREF＝IREF1×T/2  (1)

[0024] 因此，振荡器的周期T为

[0025]

[0026] 振荡器的周期T由参考电压VREF、充放电电流IREF1、放电电流IREF2、电容C1以及电容C2决定。

[0027] 参照图4-5。当比较器3存在失调电压电压VOS时，电路在状态转换时，电容C1/电容C2正端VRAMP1/VRAMP2上升或下降的电压值仍然为参考电压VREF。当电路工作在φ＝0的状态时，充电电流源IREF1对电容C1进行充电，电容C1的正端VRAMP1的电压上升，放电电流源IREF2对电容C2进行放电，电容C2的正端电压VRAMP2的电压下降。当电容C1的正端VRAMP1比电容C2的正端VRAMP2的电压高VOS时，比较器3的输出VOUT翻转，电路转换到φ＝1的工作状态，电容C1的正端VRAMP1与电容C2的正端VRAMP2的电压差从VOS变为2VREF+VOS。电路工作在φ＝1的状态时，充电电流源IREF1对电容C2进行充电，电容C2的正端VRAMP2的电压上升；放电电流源IREF2对电容C1进行放电，电容C1的正端VRAMP1的电压下降。当电容C1的正端VRAMP1比电容C2的诊断VRAMP2的电压高VOS时，比较器3的输出VOUT翻转，电路转换到φ＝0的工作状态。电容C1的正端VRAMP1与电容C2的正端VRAMP2的电压差从VOS变为-2VREF+VOS。因此，在φ＝0的状态下，VRAMP1-VRAMP2从初始值-2VREF+VOS变为最终值VOS，变化量为2VREF。在φ＝1的状态下，VRAMP1-VRAMP2从初始值2VREF+VOS变为最终值VOS，变化量为-2VREF。在两种状态下，VRAMP1-VRAMP2的变化值与比较器3没有失调时的变化值相等，两种状态的持续的时间没有发生变化。因此，比较器3存在失调电压时振荡器的频率和占空比仍然保持不变。

[0028] 本发明RC张弛振荡器的电路给出如下具体实施例：

[0029] 参照图6。RC张弛振荡器由参考电压产生电路1、电容充放电电路2、比较器3以及反相器链4组成。

[0030] 所述参考电压产生电路1由参考电流源IREF、PMOS管M1、PMOS管M2、电阻R以及电容C组成。PMOS管M1、PMOS管M2，其栅极相连，构成电流镜结构；其源极相连，并连接到电源。PMOS管M1的漏极与参考电流源IREF相连。PMOS管M2的漏极与电阻R的一端VREF相连。电阻R与电容C并联，一端连接到节点VREF，另一端接地。

[0031] 参考电流IREF由电流产生电路产生，通过PMOS管M1镜像到PMOS管M2。流过PMOS管M2的电流流过电阻R和电容C，在节点VREF产生与电阻R和参考电流IREF成正比的参考电压。

[0032] 所述电容充放电电路2由电流镜像电路、电容C1、电容C1的充电支路、电容C1的放电支路、电容C2、电容C2的充电支路、电容C2的放电支路以及PMOS管M11-M14组成。PMOS管M1、PMOS管M3、PMOS管M4，其栅极相连，构成电流镜结构；其源极相连，并连接到电源。NMOS管M5、NMOS管M6，其栅极相连，构成电流镜结构；其源极相连，并连接到地。电容C1的充电支路由PMOS管M4、PMOS管M7组成。PMOS管M4的漏极与PMOS管M7的源极相连，构成电容C1的充电支路。NMOS管M6的漏极与NMOS管M8的源极相连，构成电容C1的放电支路。PMOS管M7的漏极和NMOS管M8的漏极与电容C1的正端VRAMP1相连。PMOS管M4的漏极与PMOS管M9的源极相连，构成电容C2的充电支路。NMOS管M6的漏极与NMOS管M10的源极相连，构成电容C2的放电支路。PMOS管M9的漏极和NMOS管M10的漏极与电容C2的正端VRAMP2相连。PMOS管M11-M14为开关器件。电容C1的负端与NMOS管M11和NMOS管M12的漏极相连；NMOS管M11的源极接地，NMOS管M12的源极连接参考电压VREF；NMOS管M11的栅极连接信号 NMOS管M12的栅极连接信号φ。电容C2的负端与NMOS管M13和NMOS管M14的漏极相连；NMOS管M13的源极接地，NMOS管M14的源极连接参考电压VREF；NMOS管M14的栅极连接信号 NMOS管M13的栅极连接信号φ。

[0033] 电容充放电电路2工作在两种状态下。当φ＝0时，PMOS管M7、NMOS管M8、NMOS管M12以及NMOS管M13的栅极为低电平，PMOS管M9、NMOS管M10、NMOS管M11以及NMOS管M14的栅极为高电平。PMOS管M7、NMOS管M10、NMOS管M11以及NMOS管M14导通，NMOS管M8、PMOS管M9，NMOS管M12以及NMOS管M13关断。电容C1的正端VRAMP1通过PMOS管M7连接到PMOS管M4的漏极，电容C1的负端通过NMOS管M11连接到地。电容C2的正端VRAMP2通过NMOS管M10连接到NMOS管M6的漏极，电容C2的负端通过NMOS管M14连接到参考电压VREF。电容充放电电路2的输出VRAMP1的电压上升，而电容充放电电路2的输出VRAMP2的电压下降。当电容充放电电路2的输出VRAMP1的电压超过电容充放电电路2的输出VRAMP2电压时，比较器3的输出VOUT翻转，电路转换到φ＝1的工作状态。在φ＝1的状态下，PMOS管M7、NMOS管M8、NMOS管M12以及NMOS管M13的栅极为高电平，PMOS管M9、NMOS管M10、NMOS管M11以及NMOS管M14的栅极为低电平。PMOS管M7、NMOS管M10、NMOS管M11以及NMOS管M14关断，NMOS管M8、PMOS管M9，NMOS管M12以及NMOS管M13导通。电容C1的正端VRAMP1通过NMOS管M8连接到NMOS管M6的漏极，电容C1的负端通过NMOS管M12连接到参考电压VREF。电容C2的正端VRAMP2通过PMOS管M9连接到PMOS管M4的漏极，电容C2的负端通过NMOS管M13连接到地。电容充放电电路2的输出VRAMP1的电压下降，而电容充放电电路2的输出VRAMP2的电压上升。当电容充放电电路2的输出VRAMP2的电压超过电容充放电电路2的输出VRAMP1电压时，比较器的输出VOUT翻转，电路转换到φ＝0的工作状态。

[0034] 所述比较器3的同相端与电容充放电电路2的输出VRAMP1连接，反相端与电容充放电电路2的输出VRAMP2连接，比较器3的输出为VOUT。

[0035] 所述反相器链4由反相器INV1和反相器INV2组成。反相器INV1的输入与比较器3的输出VOUT连接，反相器INV2的输入与反相器INV1的输出连接。反向器INV1的输出为 反相器INV2的输出为φ。