一种补偿比较器延迟的RC振荡器

一种补偿比较器延迟的rc振荡器
技术领域
1.本发明涉及半导体集成电路，尤其是一种补偿比较器延迟的rc振荡器，用于超低功耗物联网(iot)和智能穿戴设备中。

背景技术：

2.传统rc振荡器主要是由基准电流、充放电电容、比较器和充放电控制电路组成。来自偏置电路的电流i流经电阻r产生了参考电压v1＝ir，输入到比较器的反向输入端。另一支路的电流i主要作用是对电容进行周期性充放电，在充电时产生了电压v2，再与比较器反相输入端参考电压v1进行比较。当v2低于v1时，比较器输出低电平，控制电容的放电开关打开，电容持续充电。当v2高于v1时，比较器输出高电平，控制电容的放电开关闭合，电容快速放电。这个过程不断循环，电容上极板上的电压v2表现为一组锯齿波，比较器的输出端波形表现为一组方波，最终得到一定频率的时钟信号。
3.锯齿波的斜率为
[0004][0005]
其中i为充电电流值，c为电容容值。
[0006]
所以锯齿波上升时间可以表示为
[0007]
tr＝rc
[0008]
由于比较器存在延迟，所以实际上锯齿波的上升时间为
[0009]
t’r
＝rc+t
delay
[0010]
所以传统振荡器输出频率为
[0011][0012]
通过上述推导，可以看出rc振荡器的输出频率不但与电阻r与电容c的乘积有关，还与比较器的延迟有关。在低功耗的场景下，比较器的延迟较大。由于比较器的延迟受 pvt的影响，所以频率的稳定性受pvt的影响比较大，不利于产生高精度高稳定性的振荡频率。因此本发明通过延迟补偿模块来调整充电电流来消除比较器延迟的影响。

技术实现要素：

[0013]
为了解决现有技术中rc振荡器频率受比较器延迟影响的缺陷。本发明专利提供一种采用调整电容充电电流的延迟补偿模块来调整电容充电速度，从而补偿比较器延迟造成的周期变长，频率降低的问题。这样达到了消除比较器延迟带来的频率偏移的目的，使得 rc振荡器频率不随制造工艺变化、供电电压变化、温度变化而变化。实现较高的频率稳定性。用于低功耗的物联网和智能穿戴设备中。
[0014]
本发明专利解决其技术问题所采用的技术方案是：一种补偿比较器延迟的rc 振荡器，包括恒跨导偏置电流产生模块、参考电压生成电路、电容充放电电路、比较器、延迟检
测电路、电容充电电流调整模块、过充波形产生模块、频率校准模块。所述恒跨导偏置电流产生模块用于产生电容的充放电电流，比较器的偏置电流，并且具有恒定跨导特性；所述参考电压生成电路用产生比较器的参考电压，接入比较器的负输入端；所述电容充放电电路在比较器输出信号控制下对电容充电放电，产生锯齿波送入比较器的正输入端；所述比较器完成电容电压与参考电压的比较，并输出控制电容充放电的控制信号；所述延迟检测电路中的比较器和控制电容充放电电路的比较器结构完全相同，过充波形产生模块生成过充波形输入到延迟检测电路中的比较器，使得其与控制电容充放电电路的比较器的延迟完全相同，所以延迟检测电路可以通过数字逻辑电路提取比较器的延迟；所述电容充电电流调整模块在延迟检测电路输出信号控制下调整电容充电电流大小；所述频率校准模块对电容进行修调，保证不同制造工艺变化情况下振荡器输出信号能达到精确的初始频率。
[0015]
进一步地，恒跨导偏置电流产生模块包括pmos管mp3、mp4，nmos管mn1、 mn2、mn5，电阻rs。
[0016]
mp4源极接正电源，栅极接自身漏极以及mp3的栅极；rs一端接正电源，一端接 mp3的源极；mp3的体端接自身的源极，源极接电阻rs，漏极接mn2的漏极；mn1的漏极接mp4的漏极，mn1的源极接地，栅极接mn2的栅极；mn2的栅极接自身的漏极；mn5 的源接地，漏接输出端iout，栅极接mn2的栅极。
[0017]
进一步地，参考电压生成电路包括pmos管mp1、mp3，电阻r1。
[0018]
mp1的漏极接恒跨导偏置电流产生模块的输出端，mp1的栅极接自身的漏极，mp1 的源极接正电源；mp3的源极接正电源，栅极接mp1的栅极，漏极接电阻r1的正端；电阻 r1的正端接比较器的负输入端，电阻r1的负端接地。
[0019]
进一步地，电容充放电电路包括pmos管mp1、mp5，电容c1，开关sw1。
[0020]
mp1的漏极接恒跨导偏置电流产生模块的输出端，mp1的栅极接自身的漏极，mp1 的源极接正电源；mp5的源极接正电源，栅极接mp1的栅极，漏极接电容c1的正端；电容c1的正端接比较器的正输入端，电容c1的负输入端接地；开关sw1的正端接c1的正端，开关sw1的负端接c1的负端，开关sw1的控制端接比较器的输出端。
[0021]
进一步地，比较器电路包括pmos管mp1、mp2、mp3、mp4、mp5，nmos管 mn6、mn7、mn8、mn9。
[0022]
mp3的栅接偏置电压vbp，源极接正电源，漏极接mp1的源极；mp1的栅极为比较器的负输入端，mp1的源极接mp2的源极，mp1的漏极接mn6的漏极；mp2的栅极为比较器的正输入端，mp2的漏极接mn7的漏极；mn6的栅极接自身的漏极，mn6的源极接地；mn7的栅极接自身的漏极，mn7的源极接地；mn8的栅极接mn6的栅极，mn8的源极接地，mn8的漏极接mp4的漏极；mp4的栅接自身的漏极，mp4的源极接正电源；mp5 的栅极接mp4的栅极，mp5的源极接正电源，mp5的漏极接mn9的漏极；mn9的栅极接 mn7的栅极，mn9的漏极即为比较器的输出端，mn9的源极接地。
[0023]
进一步地，延迟检测电路包括斩波开关sw4、比较器cmp2、反相器、或非门、过充波形产生电路。斩波开关sw4包括反相器，nmos管mn1、mn2、mn3、mn4；比较器cmp2与前文所述比较器结构相同；过充波形产生电路包括pmos管mp1、mp2，开关 sw2，电阻r2，电容c2；
[0024]
斩波开关的mn1的漏极接输入端in1，mn1的源极接输出端out2，mn1的栅极接反相器的输出端；mn2的栅极接反相器的输出端，mn2的漏极接输入端in2，mn2的源极接输出端
out1；mn3的栅极接开关控制信号sw_ctr,mn3的漏极接输入端in1，mn3 的源极接输出端out1；mn4的漏极接输入端in2，mn4的源极接输出端out2。斩波开关的输入端in1接参考电压v1,输入端in2接过充波形产生电路的输出电压v3，输出端out1 接比较器cmp2的正输入端，输出端out2接比较器cmp2的负输入端。比较器的cmp2的输出端接反相器inv2的输入端。或非门nor1的两个输入端分别接cout和coutn1信号，输出端接或非门nor3的输入端2；或非门nor2的两个输入端分别接coutn和cout1 信号，输出端接或非门nor3的输入端1；或非门nor3输出端接反相器inv3的输入端。过充波形产生电路的mp1的漏极接恒跨导偏置电流产生模块的输出端，mp1的栅极接自身的漏极，mp1的源极接正电源；mp2的源极接正电源，栅极接mp1的栅极，漏极接电容c2的正端；电容c2的负端接地；开关sw2的正端接c2的正端，开关sw2的负端接电阻r2的正端，开关sw2的控制信号接反相器inv3的输出端；电阻r2的负端接地。
[0025]
进一步地，电容充电电流调整模块包括pmos管mp1，mp4，开关sw3。
[0026]
mp1的漏极接恒跨导偏置电流产生模块的输出端，mp1的栅极接自身的漏极，mp1 的源极接正电源；mp4的栅极接mp1的栅极，源极接正电源，漏极接开关sw3的正端；sw3 的负端接电容c1的正端。
[0027]
进一步地，频率校准模块包括电容c、c0、c1、c2、c3、c4、c5、c6、c7，开关a0、a1、a2、a3、a4、a5、a6、a7；
[0028]
电容c0、c1、c2、c3、c4、c5、c6、c7的正端都接p端，开关a0、a1、a2、 a3、a4、a5、a6、a7的负端都接n端，电容c0、c1、c2、c3、c4、c5、c6、c7的负端分别接到开关a0、a1、a2、a3、a4、a5、a6、a7的正端。电容c的正端接p端，电容c 的负端接n端。
[0029]
本发明专利的优点在于：
[0030]
1.采用延迟补偿模块对延迟进行测量，增大电容充电速度，抵消了比较器延迟带来的频率降低。
[0031]
2.由于补偿了比较器延迟，所以避免了比较器延迟随制造工艺变化、供电电压变化、温度变化而变化造成的输出频率不稳定。实现了较高的频率稳定性。
[0032]
3.结构简单实用，可以与其他数字或模拟电路模块集成到一颗芯片内，相比于片外晶体振荡器节省了芯片管脚和印刷电路板面积，降低了成本。
附图说明
[0033]
图1为本发明的原理图；
[0034]
图2为本发明的实施实例的示意图；
[0035]
图3a为本发明的比较器的示意图；
[0036]
图3b为本发明的修调电容的示意图；
[0037]
图3c为本发明的恒跨导偏置的示意图；
[0038]
图3d为本发明的斩波开关的示意图；
具体实施方式
[0039]
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
[0040]
本发明所提出的补偿比较器延迟的rc振荡器，如图1所示，包括恒跨导偏置11、参
考电压生成电路12、电容充放电电路13、比较器14、二分频电路15、过充波形产生电路16、延迟检测电路17、充电电流调整电路18。
[0041]
所述恒跨导偏置电路产生电路所需偏置电流，当电压和温度改变时由于恒跨导特性，使得比较器的增益带宽积恒定不变；所述参考电压生成电路产生比较器的参考电平；所述电容充放电电路配合比较器的输出控制信号对电容进行充放电，产生锯齿波形；所述二分频电路比较器输出信号进行分频整形；所述过充波形产生电路产生电容充电时超过参考电平时的过充波形；所述延迟检测电路利用过充波形检测到比较器延迟时间，输出充电电流调整信号；所述充电电流调整电路调整电容充电电流大小，补偿比较器延迟带来的频率降低。
[0042]
实施例一。
[0043]
此例中的补偿比较器延迟的rc振荡器，如图2所示，包括恒跨导偏置11、参考电压生成电路12’、电容充放电电路13’、比较器14、二分频电路15’、过充波形产生电路16’、延迟检测电路17’、充电电流调整电路18’。
[0044]
本实施例中的比较器电路14的电路结构如图3a所示，包括pmos管mp3、mp1、 mp2、mp4、mp5，nmos管mn6、mn7、mn8、mn9。它的主要作用是比较参考信号v1和电容c1正端信号v2，输出比较结果控制开关sw1的开启和关断。当v1》v2时，比较器输出低电平，关断开关sw1，电流对电容c1充电。当v1《v2时，比较器输出高电平，开启开关sw1，电容c1通过开关sw1放电。本实施例中的修调电容20’的结构如图3b所示，包括电容c、c0、 c1、c2、c3、c4、c5、c6、c7，开关a0、a1、a2、a3、a4、a5、a6、a7；如果开关闭合，则对应的电容接入到电路中，总的电容增大，使得振荡器输出频率降低；如果开关断开，则对应的电容没有接入到电流中，总的电容减小，使得振荡器的输出信号频率提高。工艺的变化会使得初始频率不准确，通过改变修调码t《8:1》改变接入电路中的电容值，使得初始频率达到需要的精度。本实施例中的恒跨导偏置11’的结构如图3c所示，包括pmos管mp3、mp4， nmos管mn1、mn2、mn5，电阻rs。由于所以偏置电流为所以由此电流偏置的mos的跨导为此跨导与电源电压和mos器件参数都无关。本实施例中的斩波开关19’的结构如图3d所示，包括nmos管 mn1、mn2、mn3、mn4，反相器inv。它的主要作用是在cout翻转的时候交换比较器cmp2 的输入端触发cmp2翻转。此时sw2断开，对电容c2进行充电，由于比较器cmp2存在与cmp1 相同的延迟时间，所以在cmp2翻转之前，利用数字逻辑电路nor1、nor2、nor3提取cmp2 的延迟时间，在这段时间里控制sw3闭合，对电容c1的充电电流加倍，电压v2的上升速度提高2倍，补偿了由于cmp1延迟造成的时间滞后。使得振荡器输出信号的周期不受比较器延迟的影响。

技术特征：

1.一种补偿比较器延迟的rc振荡器电路，包括恒跨导偏置电流产生模块、参考电压生成电路、电容充放电电路、比较器、延迟检测电路、电容充电电流调整模块、过充波形产生模块、频率校准模块。其特征在于，所述延迟检测电路包括斩波开关sw4、比较器cmp2、反相器、或非门、过充波形产生电路。斩波开关sw4包括反相器，nmos管mn1、mn2、mn3、mn4；比较器cmp2与前文所述比较器结构相同；过充波形产生电路包括pmos管mp1、mp2，开关sw2，电阻r2，电容c2；斩波开关的mn1的漏极接输入端in1，mn1的源极接输出端out2，mn1的栅极接反相器的输出端；mn2的栅极接反相器的输出端，mn2的漏极接输入端in2，mn2的源极接输出端out1；mn3的栅极接开关控制信号sw_ctr,mn3的漏极接输入端in1，mn3的源极接输出端out1；mn4的漏极接输入端in2，mn4的源极接输出端out2。斩波开关的输入端in1接参考电压v1,输入端in2接过充波形产生电路的输出电压v3，输出端out1接比较器cmp2的正输入端，输出端out2接比较器cmp2的负输入端。比较器的cmp2的输出端接反相器inv2的输入端。或非门nor1的两个输入端分别接cout和coutn1信号，输出端接或非门nor3的输入端2；或非门nor2的两个输入端分别接coutn和cout1信号，输出端接或非门nor3的输入端1；或非门nor3输出端接反相器inv3的输入端。过充波形产生电路的mp1的漏极接恒跨导偏置电流产生模块的输出端，mp1的栅极接自身的漏极，mp1的源极接正电源；mp2的源极接正电源，栅极接mp1的栅极，漏极接电容c2的正端；电容c2的负端接地；开关sw2的正端接c2的正端，开关sw2的负端接电阻r2的正端，开关sw2的控制信号接反相器inv3的输出端；电阻r2的负端接地。所述电容充电电流调整模块包括pmos管mp1，mp4，开关sw3。mp1的漏极接恒跨导偏置电流产生模块的输出端，mp1的栅极接自身的漏极，mp1的源极接正电源；mp4的栅极接mp1的栅极，源极接正电源，漏极接开关sw3的正端；sw3的负端接电容c1的正端。

技术总结

本发明公开了一种补偿比较器延迟的RC振荡器，涉及半导体集成电路领域。该振荡器包括恒跨导偏置电流产生模块、参考电压生成电路、电容充放电电路、比较器、延迟检测电路、电容充电电流调整模块、过充波形产生模块、频率校准模块。所述RC振荡器通过延迟检测电路提取比较器的延迟时间，在延迟时间内通过控制电容充电电流加倍，补偿由于比较器延迟造成的时间滞后。由于比较器延迟随制造工艺变化、供电电压变化、温度变化而变化，本发明补偿了比较器延迟，从而提高了RC振荡器输出信号频率的稳定性。性。性。

技术研发人员：

张国俊 邹鹭翔 王天佑

受保护的技术使用者：

电子科技大学

技术研发日：

2022.09.20

技术公布日：

2022/12/19