一种高精度低功耗RC振荡器的制作方法

本发明涉及集成电路技术领域，具体设计一种高精度低功耗的rc振荡器。

背景技术：

随着大规模集成电路的发展，尤其是更多的片上系统(systemonchip,soc)应用中，振荡器电路越来越成为一个非常重要的模块。振荡器分为阻容振荡器即rc振荡器、电感电容振荡器、晶体振荡器、音叉振荡器等。rc振荡器是通过对电容进行充电和放电实现振荡信号的输出，通过调节电容或电阻的值改变振荡信号的频率。相对于其它各种类型的振荡器，rc振荡器具有结构简单，功耗较低的优点。

现有rc振荡器的输出振荡信号的频率精度偏低，容易受到电源电压、温度等影响，而且rc振荡器在目前很多soc应用中，都是用作休眠状态下的时钟信号的产生，因此振荡器的功耗直接影响到整个芯片的休眠功耗。所以如何设计出结构简单，输出频率精度较高，并且功耗较低的rc振荡器是一个很有意义的研究课题。

技术实现要素：

为解决上述技术问题，本发明提供一种rc振荡器，电路结构简单，且输出的振荡信号的频率具有较高的精度。

本发明采用的技术方案如下：一种高精度可调节低功耗rc振荡器，包括偏置电流单元电路、充放电单元电路、可调基准电压产生单元电路、抗失调比较器单元电路、脉冲输出单元电路和时钟整形输出单元电路；

偏置电流电路，接收外部偏置电压信号iref_lp及关断使能信号lp_en，输出偏置电流信号至充放电电路、可调基准电压产生电路、抗失调比较器电路；

充放电电路，接收外部关断使能信号lp_en、偏置电流电路输出的偏置电流信号、脉冲输出电路的周期性脉冲信号，输出三角波信号至抗失调比较器电路的第一输入端；

可调基准电压产生电路，接收外部偏置电压信号iref_lp、偏置电流电路产生的偏置电流信号、外部输入的调节基准电压控制信号vref_ctrl，输出基准电压信号至抗失调比较器电路的第二输入端；

抗失调比较器电路，接收外部关断使能信号lp_en、偏置电流电路产生的偏置电流信号，对充放电电路产生的三角波信号和可调基准电压产生电路生成的基准电压信号进行比较，输出周期性振荡控制信号至脉冲输出电路；

脉冲输出电路，接收抗失调比较器电路输出的周期性振荡控制信号，输出周期性脉冲信号至时钟整形输出电路、充放电电路；

时钟整形输出电路，接收外部关断使能信号lp_en、脉冲输出电路的周期性脉冲信号，输出周期性时钟信号rc_clko，并反馈正、反时钟信号至抗失调比较器电路，实现rc振荡器输出。

所述偏置电流单元电路包括pmos管p1、p2、p3、p4、p5、p6；p1、p2、p3的源极均与电源连接，栅极共连并用于输入外部偏置电压信号iref_lp，p1、p2、p3的漏极分别与p4、p5、p6的源极连接；p4、p5、p6的栅极连接并用于输入关断使能信号lp_en，p4、p5、p6的漏极分别用于输出偏置电流信号至充放电电路、可调基准电压产生电路、抗失调比较器电路。

所述可调基准电压产生电路包括7的n倍个pmos管对；每7个pmos管对为一组；

每个pmos管对包括两个pmos管；第一pmos管的源极作为pmos管对的源极，栅极作为pmos管对的栅极，漏极与第二pmos管源极连接，第二pmos管的漏极作为pmos管对的漏极，第二pmos管的栅极作为pmos管对的控制极；

所述pmos管对的源极与电源连接，栅极用于输入外部偏置电压信号iref_lp，控制极用于输入调节基准电压控制信号vref_ctrl；每一组中的第三、第四pmos管对漏极连接，第五、第六、第七pmos管对漏极连接；

各组的第一、第二、第三、第五pmos管对的漏极之间连有电阻；第一组的第一pmos管对漏极通过电阻接地；每组的第七pmos管对与下一组的第一pmos管对的漏极之间连有电阻；末组的第五pmos管对的漏极经电阻输出基准电压信号至抗失调比较器电路的第二输入端。

所述抗失调比较器单元电路包括第一开关转换电路和第二开关转换电路；所述第一开关转换电路、第二开关转换电路的clk_ctrl端、clk_ctrln端分别用于输入时钟整形输出电路反馈的正时钟信号、反时钟信号；第一开关转换电路的第一输入端、第二输入端分别用于输入三角波信号、基准电压信号；第一开关转换电路的输出端y1、输出端y2分别与nmos管n3的栅极、nmos管n4的栅极；n3、n4的源极连接，用于输入偏置电流电路输出的偏置电流信号；n3漏极、n4的漏极分别与nmos管n5的源极、nmos管n6的源极连接；n5、n6的栅极互连，并与第二开关转换电路的第一输入端连接，n5漏极、n6漏极接地；n5的源极、n6源极分别与第二开关转换电路的输出端y1、输出端y2连接；第二开关转换电路的第二输入端与pmos管p35的栅极、nmos管n7的栅极、nmos管n8的源极连接；p35源极与电源连接；n7的源极与p35漏极连接，用于输出周期性振荡控制信号至脉冲输出电路；n7漏极、n8漏极接地；n8栅极用于输入外部关断使能信号lp_en。

开关转换电路包括四个开关电路；第一开关电路的时钟端clkn、第三开关电路的时钟端clkn用于输入时钟整形输出电路的正时钟信号，第二开关电路的时钟端clkn、第四开关电路的时钟端clkn用于输入时钟整形输出电路的反时钟信号；第一开关电路至第四开关电路中，每个开关电路的时钟端clk与下一个开关电路的时钟端clkn连接；第二开关电路的输入端、第三开关电路的输入端连接，并作为开关转换电路的第一输入端；第一开关电路的输入端、第四开关电路的输入端连接，并作为开关转换电路的第二输入端；第一开关电路的输出端、第二开关电路的输出端连接，并作为开关转换电路的输出端y1；第三开关电路的输出端、第四开关电路的输出端连接，并作为开关转换电路的输出端y2。

所述脉冲输出电路包括顺序连接的两个反相器；第一反相器的输入端用于输入抗失调比较器电路的周期性振荡控制信号comp_o，输出端用于反馈周期性脉冲信号rc_ctrl至充放电电路；第二反相器输出端输出周期性脉冲信号rc_clki至时钟整形输出电路。

所述时钟整形输出电路包括触发器和反相器；所述触发器的时钟端用于输入周期性脉冲信号rc_clki；复位端用于输入关断使能信号lp_en，输出端输出正时钟信号至抗失调比较器单元电路，还经反相器输出反时钟信号至抗失调比较器单元电路；触发器的输出反向端与数据端连接，并经另一个反相器输出周期性时钟信号rc_clko。

本发明的有益效果及优点：

本发明通过结构简单的设计方法，在只采用一个比较器的情况下，有效的避免比较器失调电压的影响，实现低功耗设计，并可以通过外接温度传感处理等其它控制模块，通过调整可调基准电压产生电路的调节基准电压控制信号，实现不同环境下的高精度的时钟输出功能。

附图说明

图1为本发明实施例电路结构图。

图2为偏置电流单元电路图。

图3为充放电单元电路图。

图4为可调基准电压产生单元电路图。

图5为抗失调比较器单元电路单元电路图。

图6为开关转换电路单元电路图。

图7为脉冲输出单元电路图。

图8为时钟整形输出单元电路图。

图9为本发明较佳实施例各信号仿真曲线图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明提供的技术方案做进一步的说明。

本发明提供的rc振荡器包括偏置电流电路，充放电电路、可调基准电压产生电路、抗失调比较器电路、脉冲输出电路、时钟整形输出电路。其中，

所述的偏置电流电路接收电压偏置信号，输出用于为充放电电路、可调基准电压产生电路、抗失调比较器电路提供其工作所需的偏置电流信号，并具有电流关断功能。

进一步的，所述充放电电路在脉冲输出电路产生的第一反馈信号的控制下输出周期性三角波信号至抗失调比较器电路的第一输入端。

进一步的，所述可调基准电压产生电路由外部调节信号的控制下输出可调节电压的基准信号至抗失调比较器电路的第二输入端。

进一步的，所述抗失调比较器电路接收充放电电路产生的三角波信号和可调基准电压产生电路生成的基准电压信号，在时钟整形输出电路产生的两个正反时钟反馈信号的控制下，产生周期性振荡控制信号输出至整形电路。

进一步的，所述脉冲输出电路，接收抗失调比较器电路输出的周期性振荡控制信号，输出周期性脉冲信号至时钟整形输出电路及输出第一反馈信号至充放电电路。

进一步的，所述时钟整形输出电路，接收脉冲输出电路的周期性脉冲信号，输出周期性时钟信号，以及反馈至抗失调比较器电路的两个正反时钟信号，实现rc振荡器输出。

本发明提供一种高精度低功耗的rc振荡器。

如图1所示，是本发明实施例电路结构图；本发明实施例rc振荡器包括：偏置电流单元电路，充放电单元电路、可调基准电压产生单元电路、抗失调比较器单元电路、脉冲输出单元电路、时钟整形输出单元电路。

其中偏置电流电路接收外部偏置电压信号iref_lp及关断使能信号lp_en，输出偏置电流至充放电电路，可调基准电压产生电路，抗失调比较器电路。

充放电电路接收外部关断使能信号lp_en、偏置电流电路产生的偏置电流信号，脉冲输出电路产生的第一反馈信号，产生周期性三角波信号至抗失调比较器电路的第一输入端。

可调基准电压产生电路接收外部偏置电压信号iref_lp、偏置电流电路产生的偏置电流信号及外部输入14位调节基准电压控制信号vref_ctrl信号，产生可调节电压的基准信号至抗失调比较器电路的第二输入端。

抗失调比较器电路接收外部关断使能信号lp_en和偏置电流电路产生的偏置电流信号，对充放电电路产生的三角波信号和可调基准电压产生电路生成的基准电压信号，在时钟整形输出电路产生的两个正反时钟反馈信号的控制下，进行比较输出，产生周期性振荡控制信号输出至脉冲输出电路。

脉冲输出电路，接收抗失调比较器电路输出的周期性振荡控制信号，产生周期性脉冲信号至时钟整形输出电路及输出第一反馈信号至充放电电路。

时钟整形输出电路，接收外部关断使能信号lp_en，脉冲输出电路的周期性脉冲信号，输出周期性时钟信号rc_clko，以及反馈至抗失调比较器电路的两个开关控制正反时钟信号，实现rc振荡器输出。

所述，偏置电流单元电路如图2所示，外部偏置电压信号iref_lp分别连接三个p型mos管(本实施例可为第一～三p型mos管p1～p3)的栅极，p1～p3的源极分别连接电源电压vdd，p1～p3的漏极分别连接三个p型mos管(本实施例可为第四～六p型mos管p4～p6)的源极，p4～p6的栅极连接外部关断使能信号lp_en，p4的漏极输出信号v_rc至充放电电路，p5的漏极输出信号vref至可调基准电压产生电路，p6的漏极输出信号i_comp至抗失调比较器电路。外部信号iref_lp提供偏置电压提供稳定的偏置电流从p4～p6的漏极输出，外部关断使能信号lp_en控制电路进入关断模式，当lp_en信号接vdd，p4～p6关断，偏置电流电路进入关断模式，无电流输出。

所述，充放电单元电路如图3所示，脉冲输出电路产生的第一反馈信号rc_ctrl连接一个n型mos管(本实施例可为第一n型mos管n1)的栅极，n1的源极连接地信号gnd，n1的漏极连接一个电阻(本实施例可为第一电阻r1)的一端，r1的另一端连接一个电容(本实施例可为第一电容c1)的一端，以及一个n型mos管(本实施例可为第二n型mos管n2)的漏极，以及偏置电流电路信号v_rc并作为输出信号至抗失调比较器电路的第一输入端。c1的另一端接地信号gnd，n2的栅极连接外部关断使能信号lp_en，n2的源极连接地信号gnd。外部关断使能信号lp_en控制电路进入关断模式，当lp_en信号接vdd，n2开启，将v_rc电压拉低，充放电电路振荡关断。正常工作模式下，lp_en信号接gnd。

所述，可调基准电压产生单元电路如图4所示，外部偏置电压信号iref_lp分别连接十四个p型mos管(本实施例可为第七～二十p型mos管p7～p20)的栅极，p7～p20的源极连接vdd，p7～p20的漏极分别各自连接十四个p型mos管(本实施例可为第二十一～三十四p型mos管p21～p34)的源极，p21～p34的栅极分别连接外部输入14位调节基准电压控制信号vref_ctrl信号(vref_ctrl0～vref_ctrl13),九个电阻(本实施例可为第二～十电阻r2～p10)串联连接，r10的一端连接r9，另一端连接地gnd，r2的一端连接r3，另一端连接作为输出vref，产生可调节电压的基准信号至抗失调比较器电路的第二输入端，一个电容(本实施例可为第二电容c2)作为稳压电容一端连接vref，另一端连接地gnd。r9与r10的连接端连接p21的漏极，r8与r9的连接端连接p22的漏极，r7与r8的连接端连接p23～p24的漏极，r6与r7的连接端连接p25～p27的漏极，r6与r5的连接端连接p28的漏极，r5与r4的连接端连接p29的漏极，r4与r3的连接端连接p30～p31的漏极，r3与r2的连接端连接p32～p34的漏极。通过配置外部输入14位调节基准电压控制信号vref_ctrl信号的不同值，可以改变vref的输出电压，作为与周期性三角波信号v_rc的电压比较参考值，可以达到改变周期性振荡控制信号的频率的目的。

所述，抗失调比较器单元电路如图5所示，接收v_rc信号连接至第一开关转换电路(本实施例可为开关转换电路1)的x1端，接收vref信号连接至第一开关转换电路的x2端，接收第一反馈开关时钟信号clk_ctrl分别连接至第一开关转换电路、第二开关转换电路(本实施例可为开关转换电路2)的clk_ctrl端，接收第二反馈开关时钟信号clk_ctrln分别连接至第一开关转换电路、第二开关转换电路的clk_ctrln端，第一开关转换电路的输出端y1连接一个n型mos管(本实施例可为第三n型mos管n3)的栅极，第一开关转换电路的输出端y2连接一个n型mos管(本实施例可为第四n型mos管n4)的栅极。n3与n4的漏极相连且与偏置电流电路输出的i_comp相连。n3的源极连接一个n型mos管(本实施例可为第五n型mos管n5)的漏极，且与第二开关转换电路的y1相连。n4的源极连接一个n型mos管(本实施例可为第六n型mos管n6)的漏极，且与第二开关转换电路的y2相连。n5的栅极与n6的栅极相连且与第二开关转换电路的x1相连。n5的源极与n6的源极连接地gnd。第二开关转换电路的x2端连接一个p型mos管(本实施例可为第三十五p型mos管p35)的栅极和一个n型mos管(本实施例可为第七n型mos管n7)的栅极，且连接一个n型mos管(本实施例可为第八n型mos管n8)的漏极，n8的栅极连接关断使能信号lp_en，n8的源极连接地gnd。p35的源极连接vdd，n7的源极连接地gnd，p35的漏极与n7的漏极相连并作为周期性振荡控制信号comp_o输出。

所述，第一开关转换单元电路与第二开关转换单元电路的结构相同，如图6所示，由四组结构相同的开关电路组成，以第一开关电路(本实施例可为开关电路1)结构为例，一个p型mos管(本实施例可为第三十六p型mos管p36)与一个n型mos管(本实施例可为第九n型mos管n9)的源极与源极相连且连接至端口in，漏极与漏极相连且连接至端口out，p36的栅极连接至端口clkn，n9的栅极连接至端口clk。第一开关电路的in端口与第四开关电路(本实施例可为开关电路4)的in端口相连，且连接至外部端口x2，第二开关电路(本实施例可为开关电路2)与第三开关电路(本实施例可为开关电路3)的in端口相连，且连接至外部端口x1，第一开关电路的out端口连接第二开关电路的out端口，且连接至外部端口y1，第三开关电路的out端口连接第四开关电路的out端口，且连接至外部端口y2，第一开关电路的clkn，第二开关电路的clk，第三开关电路clkn与第四开关电路的clk相连，且连接至外部端口clk_ctrl，第一开关电路的clk，第二开关电路的clkn，第三开关电路clk与第四开关电路的clkn相连，且连接至外部端口clk_ctrln，

所述，抗失调比较器电路对v_rc信号与vref信号进行比较，并利用第一个开关转换电路进行输入对管转换，同时利用第二个开关转换电路进行输出信号转换，利用这种结构方式与实施方法相比其它rc振荡器为消除比较器的失调电压而使用两个比较器的结构，在只使用一个比较器电路的情况下，节省了大量的功耗，同时也可以有效的抵消失调电压的影响。

所述，脉冲输出单元电路如图7所示，接收抗失调比较器电路的周期性振荡控制信号comp_o，连接第一级反相器单元，输出第一反馈信号rc_ctrl，第一级反相器单元连接第二级反相器单元，输出周期性脉冲信号rc_clki至时钟整形输出电路。

所述，时钟整形输出单元电路如图8所示，由d触发器与两个反相器组成。周期性脉冲信号rc_clki连接d触发器的时钟(clk)端，关断使能信号lp_en连接d触发器的复位(r)端，输出端q端输出信号作为第一反馈开关时钟信号clk_ctrl输出，q端连接一个反相器，反相器的输出作为第二反馈开关时钟信号clk_ctrln输出。d触发器的数据端d端连接输出反向端(qn)端，qn端连接一个反相器单元,反相器的输出信号作为输出周期性时钟信号rc_clko输出。

所述，周期性三角波信号v_rc，周期性脉冲信号rc_clki，周期性时钟信号rc_clko的波形如图9所示。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的、保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在，本发明的保护范围之内。