一种高精度振荡器的制作方法

本发明涉及电路设计领域，尤其涉及一种高精度振荡器。

背景技术：

在卡类芯片(如非接触式智能卡)的设计中，需要一个较为精确的时钟信号，但是在卡类芯片的应用中不可能外加晶振和用锁相环(phase-lockedloop，pll)来得到一个很精确的时钟，所以使用振荡器就成为其必然的选择。

但是众所周知，振荡器的输出时钟频率会受到工艺、电源电压以及温度的影响，在上述各因素发生变化时将使得振荡器的输出时钟频率误差非常大，一般振荡器的输出时钟频率误差会随工艺、电源电压以及温度变化达到20％～30％，甚至有时竟然达到了50％，这给电路设计带来了很大的困扰，无法满足电路的正常工作需求。

现有技术中大多数采用RC充放电方式或恒流充放电方式的振荡结构。如图1所示，其振荡频率受时间常数RC影响；如图2所示，其振荡频率主要受充放电电流Ip和In的影响，而Ip和In的精度往往受电阻的工艺影响。由于电阻的工艺偏差较大，受温度影响大，电流源的精度很难提高，虽然可通过自校准或修调的方法进行改善，但会大大增加成本。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是：提供一种高精度振荡器。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种高精度振荡器，包括：第一电流源电路、第二电流源电路和振荡电路；

所述振荡电路包括充放电电压差产生电路、充电电流源、放电电流源、振荡回路和电容；所述充放电电压差产生电路分别与充电电流源、放电电流源、振荡回路和电容电连接；所述第一电流源电路与充放电电压差产生电路电连接；

所述第二电流源电路通过充电电流源与振荡回路电连接，所述第二电流源电路通过放电电流源与振荡回路电连接。

本发明的有益效果在于：

本发明提供的高精度振荡器是通过由充放电电压差产生电路、充电电流源、放电电流源、振荡回路和电容组成的振荡电路代替传统的RC充放电振荡结构或者恒流充放电方式的振荡结构，采用了两种受电阻影响程度不同的电流源，分别作用在充放电电流和电容电压差上，产生了一个与电阻工艺无关的振荡频率，因此解决了传统的RC充放电振荡结构或者恒流充放电方式的振荡结构上由于电阻工艺偏差影响振荡器的输出精度，进而提高振荡器的输出精度。

附图说明

图1为本发明背景技术中RC充放电方式的电路连接示意图；

图2为本发明背景技术中恒流充放电方式的电路连接示意图；

图3为本发明的高精度振荡器的模块连接示意图；

图4为本发明的高精度振荡器的第一电流源电路连接示意图；

图5为本发明的高精度振荡器的第二电流源电路连接示意图；

图6为本发明的高精度振荡器的具体实施连接示意图；

标号说明：

1、第一电流源电路；2、第二电流源电路；3、振荡电路；31、充放电电压差产生电路；32、充电电流源；33、放电电流源；34、振荡回路；35、电容。

具体实施方式

为详细说明本发明的技术内容、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图予以说明。

本发明最关键的构思在于：由充放电电压差产生电路、充电电流源、放电电流源、振荡回路和电容组成的振荡电路代替传统的RC充放电振荡结构或者恒流充放电方式的振荡结构，消除电阻工艺影响。

请参照图3-6，本发明提供的一种高精度振荡器，包括：第一电流源电路1、第二电流源电路2和振荡电路3；

所述振荡电路3包括充放电电压差产生电路31、充电电流源32、放电电流源33、振荡回路34和电容35；所述充放电电压差产生电路31分别与充电电流源32、放电电流源33、振荡回路34和电容35电连接；

所述第一电流源电路1与充放电电压差产生电路31电连接；

所述第二电流源电路2通过充电电流源32与振荡回路34电连接，所述第二电流源电路2通过放电电流源33与振荡回路34电连接。

本发明提供的高精度振荡器是通过由充放电电压差产生电路、充电电流源、放电电流源、振荡回路和电容组成的振荡电路代替传统的RC充放电振荡结构或者恒流充放电方式的振荡结构，采用了两种受电阻影响程度不同的电流源，分别作用在充放电电流和电容电压差上，产生了一个与电阻工艺无关的振荡频率，因此解决了传统的RC充放电振荡结构或者恒流充放电方式的振荡结构上由于电阻工艺偏差影响振荡器的输出精度，进而提高振荡器的输出精度。

进一步的，所述充放电电压差产生电路包括第一场效应管MN1、第二场效应管MN2、第三场效应管MN5和电阻R3；

所述第一场效应管MN1的栅极与第二场效应管MN2的栅极电连接，所述第一场效应管MN1的源极与第二场效应管MN2的源极电连接后接地，所述第一场效应管MN1的漏极分别与第三场效应管MN5的漏极和电阻R3的一端电连接，所述电阻R3的另一端接电源，所述第二场效应管MN2的漏极与第三场效应管MN5的源极电连接，所述第三场效应管MN5的栅极与振荡回路电连接。

进一步的，所述第一电流源电路包括第四场效应管MP3、第五场效应管MP4、第六场效应管MN6、第七场效应管MN7和第一电阻R1；

所述第四场效应管MP3的漏极接电源，所述第四场效应管MP3的栅极分别与第五场效应管MP4的栅极、第四场效应管MP3的源极和第六场效应管的漏极电连接；

所述第五场效应管MP4通过第一电阻接电源，所述第五场效应管MP4的源极分别与第六场效应管的栅极、第七场效应管的栅极和第七场效应管的漏极电连接，所述第五场效应管MP4的源极与第一场效应管的栅极电连接；

所述第六场效应管的源极和第七场效应管的源极电连接后接地。

进一步的，所述充电电流源包括第八场效应管MP1；所述放电电流源包括第九场效应管MN3；所述第二电流源电路包括第一比较器COM2、第十场效应管MP5、第十一场效应管MP6、第十二场效应管MN8、第十三场效应管MN9和第二电阻R2；所述第一比较器包括第一正向输入端、第一反向输入端和第一输出端；

所述第一正向输入端与外设的基准电压电路电连接；

所述第一输出端与第十二场效应管的栅极电连接，所述第十二场效应管的漏极分别与第十场效应管的源极、第十场效应管的栅极和第十一场效应管的栅极电连接，所述第十二场效应管的漏极与第八场效应管的栅极电连接，所述第八场效应管的漏极接电源，所述第八场效应管的源极与振荡回路电连接，所述第十场效应管的漏极与第十一场效应管的漏极电连接后接电源，所述第十一场效应管的源极分别与第十三场效应管的漏极和第十三场效应管的栅极电连接，所述第十一场效应管的源极与第九场效应管的栅极电连接，所述第九场效应管的漏极与振荡回路电连接，所述第九场效应管的源极接地，所述第十三场效应管的源极接地；

所述第一反向输入端分别与第十二场效应管的源极和第二电阻的一端电连接，所述第二电阻的另一端接地。

进一步的，所述振荡回路包括第十四场效应管MP2、第十五场效应管MN4、第二比较器CMP和反相器INV；所述第二比较器包括第二正向输入端、第二反向输入端和第二输出端；

所述第十四场效应管的漏极与第八场效应管的源极电连接，所述第十四场效应管的源极分别与第十五场效应管的漏极、第二反向输入端和电容的一端电连接，所述电容的另一端接地，所述第十四场效应管的栅极与第三场效应管的栅极、第十五场效应管的栅极和反相器的输出端电连接；

所述第十五场效应管的源极与第九场效应管的漏极电连接，所述反相器的输入端与第二输出端电连接；所述第二正向输入端与第三场效应管的漏极电连接。

请参照图3-6，本发明的实施例一为：

本发明提供的一种高精度振荡器，能够消除电阻工艺影响，采用了两种受电阻影响程度不同的电流源(第一电流源电路和第二电流源电路)，采用了恒流充放电方式形成振荡电路，采用的电阻为同一种类型。两种电流源分别为与电阻的平方成反比的电流源A和与电阻成反比的电流源B。

振荡电路中的充放电电压差△V受电流源A的控制，通过一个开关来控制电流源A是否给电阻提供电流，则在电阻上形成两个不一样大小的电压，两个电压的差即为充放电电压差△V，最终得到的充放电电压差与电阻成反比；

振荡电路中的充放电电流受电流源B的控制，与电阻成反比。

由Q＝C*△V＝I*T可知，振荡器的振荡频率(或周期)是一个与电阻工艺无关的值。

本发明提供的一种振荡器，包括电流源A电路(即为第一电流源电路)、电流源B电路(即为第二电流源电路)、振荡电路；

所述第一电流源电路包括第四场效应管、第五场效应管、第六场效应管、第七场效应管和第一电阻；所述第四场效应管的漏极接电源，所述第四场效应管的栅极分别与第五场效应管的栅极、第四场效应管的源极和第六场效应管的漏极电连接；所述第五场效应管通过第一电阻接电源，所述第五场效应管的源极分别与第六场效应管的栅极、第七场效应管的栅极和第七场效应管的漏极电连接，所述第五场效应管的源极与第一场效应管的栅极电连接；所述第六场效应管的源极和第七场效应管的源极电连接后接地。

上述的第一电流源电路为电流源A电路如图4所示，采用恒gm基准电流结构，其电流与电阻的平方成反比；其中第四场效应管、第五场效应管、第六场效应管、第七场效应管和第一电阻R1。其中电流I_A的表达式如下：

由上述电流I_A的表达式可知，其电流与电阻R1的平方成反比；

所述第二电流源电路包括第一比较器、第十场效应管、第十一场效应管、第十二场效应管、第十三场效应管和第二电阻R2；所述第一比较器包括第一正向输入端、第一反向输入端和第一输出端；所述第一正向输入端与外设的基准电压电路Vref电连接；所述第一输出端与第十二场效应管的栅极电连接，所述第十二场效应管的漏极分别与第十场效应管的源极、第十场效应管的栅极和第十一场效应管的栅极电连接，所述第十二场效应管的漏极与第八场效应管的栅极电连接，所述第八场效应管的漏极接电源，所述第八场效应管的源极与振荡回路电连接，所述第十场效应管的漏极与第十一场效应管的漏极电连接后接电源，所述第十一场效应管的源极分别与第十三场效应管的漏极和第十三场效应管的栅极电连接，所述第十一场效应管的源极与第九场效应管的栅极电连接，所述第九场效应管的漏极与振荡回路电连接，所述第九场效应管的源极接地，所述第十三场效应管的源极接地；所述第一反向输入端分别与第十二场效应管的源极和第二电阻的一端电连接，所述第二电阻的另一端接地。

上述的第二电流源电路为电流源B电路如图5所示，采用基准电压产生的与电阻成反比的电流；其中采用基准电压产生基准电流I_B的表达式如下：

由上述电流I_B的表达式可知，其电流与电阻R2成反比。

所述的振荡电路如图6所示，包括充放电电压差产生电路、充放电电流源和振荡回路。

所述充放电电压差产生电路包括第一场效应管MN1、第二场效应管MN2、第三场效应管MN5和电阻R3；所述第一场效应管的栅极与第二场效应管的栅极电连接，所述第一场效应管的源极与第二场效应管的源极电连接后接地，所述第一场效应管的漏极分别与第三场效应管的漏极和电阻的一端电连接，所述电阻的另一端接电源，所述第二场效应管的漏极与第三场效应管的源极电连接，所述第三场效应管的栅极与振荡回路电连接。所述充电电流源包括第八场效应管MP1；所述放电电流源包括第九场效应管MN3。

其中第八场效应管MP1和第九场效应管MN3由第二电流源电路(电流源B)镜像得到，与电阻成反比。第一场效应管MN1和第二场效应管MN2由电流源A镜像得到，与电阻的平方成反比。最终在第二比较器的第二正向输入端A点处得到两个不同的电压点，作为电容C的上限与下限电压，得到一个与电阻成反比的电容充放电电压差。

所述振荡回路包括第十四场效应管MP2、第十五场效应管MN4、第二比较器CMP和反相器INV；所述第二比较器包括第二正向输入端A、第二反向输入端B和第二输出端；

所述第十四场效应管的漏极与第八场效应管的源极电连接，所述第十四场效应管的源极分别与第十五场效应管的漏极、第二反向输入端和电容的一端电连接，所述电容的另一端接地，所述第十四场效应管的栅极与第三场效应管的栅极、第十五场效应管的栅极和反相器的输出端电连接；所述第十五场效应管的源极与第九场效应管的漏极电连接，所述反相器的输入端与第二输出端电连接；所述第二正向输入端与第三场效应管的漏极电连接。

所述电容电压差产生电路由两个电流源、一个开关和一个电阻组成。电流源I1和电流源I2由电流源A镜像得到。电流源I1与电阻R3形成通路，电流源I2受开关管MN5控制是否与R3形成通路，则流过R3的电流为I1或(I1+I2)，所以A点的电压为：

V_A＝VDD-R3*I1或者V_A＝VDD-R3*(I1+I2)；

其中V_A＝VDD-R3*I1将作为电容上充电的最高电压V_H，V_A＝VDD-R3*(I1+I2)将作为电容上放电的最低电压V_L，即在振荡过程中，电容上的压差△VB的表达式如下：

其中k2为电流I2与电流源A电流I_A的倍数；

所述的充放电恒流源由电流源B提供，即充放电电流为：

其中k1表示为充放电电流与电流源B电流I_B的倍数。

所述的振荡回路由比较器、反相器控制的振荡回路。当V_A>V_B时，比较器输出高电平，MN5和MN4管关断，MP2管导通。此时V_A上的电压为最高电压V_H，电容通过恒流源充电，V_B电压逐渐升高；当电容上的电压V_B升高到略大于V_H时，比较器输出低电平，MN5和MN4管导通，MP2管关断，此时V_A上的电压为最低电压V_L，电容开始放电，V_B电压逐渐降低；当电容上的电压V_B降低到略小于V_L时，比较器输出又变回高电平，重复之前动作，形成振荡电路。如果涉及的充放电电流相同，则振荡频率f的表达式如下：

优选的，如果电阻R1、R2、R3采用的是同一类型的电阻，则振荡频率f的表达式可简化为：

其中是一个与电阻工艺无关的常数。

通过本发明提供的振荡器，从上述的振荡频率可知得到表达式中的参数与电阻的阻值无关，因此与电阻的工艺无关，从而解决了传统的RC充放电振荡结构或者恒流充放电方式的振荡结构上由于电阻工艺偏差影响振荡器的输出精度，进而提高振荡器的输出精度。

综上所述，本发明提供的一种高精度振荡器是通过由充放电电压差产生电路、充电电流源、放电电流源、振荡回路和电容组成的振荡电路代替传统的RC充放电振荡结构或者恒流充放电方式的振荡结构，使得到的最终频率与电阻工艺无关，因此解决了传统的RC充放电振荡结构或者恒流充放电方式的振荡结构上由于电阻工艺偏差影响振荡器的输出精度，进而提高振荡器的输出精度。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等同变换，或直接或间接运用在相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。