一种RC振荡器的制作方法

本实用新型涉及电子技术领域，尤其是一种RC振荡器。

背景技术：

振荡器是一种用于产生正弦波、方波等重复信号的电子元件，广泛应用于通信、电子、航空航天、医学等各个领域。集成电路中比较常用的为RC振荡器，RC振荡器是利用反相器门级输入延时，并采用奇数级反相器首尾串联形成的环形振荡器，RC振荡器中都包括一个由电阻R和电容C构成的RC回路，这种振荡器的工作特点是利用储能元件(电容C)在电路两个门限电平之间来回充电和放电：假设电路保持在一个暂稳态，当电容C的电位达到两个门限电平中的某一个值时，电容转换到另一个暂稳态，然后电容C上的电位往相反方向变化，当其到达另一个门限电平时，电路返回原来的暂稳态，如此循环形成振荡，因此也可以被称为充放电振荡器，是一种典型的张弛振荡器。

集成电路中的RC振荡器的重要指标通常包括：输出频率的大小、输出频率的稳定度、输出频率的精度、RC振荡器的成本和可测性。通常要求RC振荡器的输出频率的稳定度和精度都较高，成本较低，可测性较好。其中，输出频率的稳定度是指输出频率受电源电压和温度等外界参数的影响程度；输出频率的精度是指寄生电阻、寄生电容和加工工艺等的影响造成的输出频率的偏差。如图1示出了一种RC振荡器的电路图，其在常见的RC振荡器的结构上增加了充放电模块、电压比较模块、恒流源产生电路以及反馈基准模块，这种改进可以在一定程度上提高稳定度，如图1中的RC振荡器的输出频率随电源电压和温度的变化率为2.4％。如图2示出了另一种RC振荡器的电路图，其采用数字修调技术和温度补偿技术，使得最终的输出频率的偏差范围为0.625％，随温度变化率为0.9％，相比于图1的结构进一步提高了输出频率的稳定度。但图1和图2示出的RC振荡器的稳定度和精度依然不够理想，不能适用于对稳定度和精度要求很高的场合，同时图1和图2示出的RC振荡器的电路结构都较为复杂，会增加RC振荡器的成本，也会增加整个芯片的成本。

技术实现要素：

本发明人针对上述问题及技术需求，提出了一种RC振荡器，该RC振荡器具有较好的输出频率精度和输出频率稳定度。

本实用新型的技术方案如下：

一种RC振荡器，该RC振荡器包括：电源模块和振荡模块，电源模块的输出端连接振荡模块并为振荡模块供电，振荡模块包括第一反相器组、第二反相器组、第三反相器组、可变电阻、固定电阻和第一电容，第一反相器组、第二反相器组和第三反相器组均包括奇数个首尾串联的反相器，第一反相器组的输入端连接输入压点和控制信号输入端，第一反相器组的输出端连接输出压点、固定电阻和第二反相器组的输入端，固定电阻的另一端连接可变电阻，可变电阻的另一端连接输入压点和第一电容，第一电容的另一端连接第二反相器组的输出端，第二反相器组的输出端还连接第三反相器组的输入端，第三反相器组的输出端连接时钟信号输出端；固定电阻与可变电阻的电阻电压系数和/或电阻温度系数互补，第一电容的电容电压系数小于第一阈值和/或电容温度系数小于第二阈值。

其进一步的技术方案为，可变电阻采用熔丝结构，熔丝结构的可变电阻包括N个串联的熔丝电阻，每个熔丝电阻的两端分别连接一个晶体管的第一端和第二端，每个晶体管的第三端连接一个熔丝压点和一根熔丝，熔丝的另一端接地，N为正整数。

其进一步的技术方案为，每个熔丝压点的另一端连接一个继电器，继电器的另一端连接第二电容，第二电容的另一端接地。

其进一步的技术方案为，电源模块包括带隙基准模块和稳压模块，带隙基准模块的输出端连接稳压模块的输入端，稳压模块的输出端连接振荡模块。

其进一步的技术方案为，带隙基准模块包括第一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、第一电阻、第二电阻、第三电阻、PNP型的第一三极管、PNP型的第二三极管和PNP型的第三三极管；第一NMOS管的栅极与第二NMOS管的栅极互连且连接第一NMOS管的漏极，第一NMOS管的漏极还连接第一PMOS管的源极，第一PMOS管的漏极连接电源端，第一PMOS管的栅极接地，第一NMOS管的源极连接第一电阻，第一电阻的另一端接地；第二NMOS管的漏极连接第三NMOS管的漏极，第二NMOS管的源极连接第三NMOS管的源极，第三NMOS管的栅极与第四NMOS管的栅极互连且连接第四NMOS管的漏极，第三NMOS管的漏极还连接第二PMOS管的源极和偏置电压，第二PMOS管的漏极连接电源端，第四NMOS管的漏极还连接第三PMOS管的源极，第三PMOS管的漏极连接电源端，第二PMOS管的栅极与第三PMOS管的栅极互连且连接第二PMOS管的源极，第三NMOS管的源极还连接第二电阻，第二电阻的另一端连接第一三极管的发射极，第一三极管的基极和集电极分别接地，第四NMOS管的源极还连接第二三极管的发射极，第二三极管的基极和集电极分别接地；第四PMOS管的栅极连接偏置电压，第四PMOS管的漏极连接电源端，第四PMOS管的源极连接第三电阻，第三电阻的另一端连接第三三极管的发射极，第三三极管的基极和集电极分别接地，第四PMOS管与第三电阻的公共端连接带隙基准模块的输出端。

其进一步的技术方案为，稳压模块包括第五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、第三电容、第四电容、第四电阻和第五电阻；第七NMOS管的栅极与第八NMOS管的栅极互连且连接第七NMOS管的漏极，第七NMOS管的源极和第八NMOS管的源极分别接地，第七NMOS管的漏极还连接第五PMOS管的源极，第五PMOS管的栅极连接偏置电压，第五PMOS管的漏极连接电源端，第八NMOS管的漏极分别连接第五NMOS管的源极和第六NMOS管的源极，第五NMOS管的栅极接地，第六NMOS管的栅极连接稳压模块的输入端，第五NMOS管的漏极连接第六PMOS管的源极，第六NMOS管的漏极连接第七PMOS管的源极，第六PMOS管的栅极与第七PMOS管的栅极互连且连接第六PMOS管的源极，第六PMOS管的漏极与第七PMOS管的漏极分别连接电源端，第七PMOS管的源极还分别连接第八PMOS管的栅极和第三电容，第三电容的另一端连接第四电容，第四电容的另一端接地，第三电容与第四电容的公共端连接第八PMOS管的源极和稳压模块的输出端，第八PMOS管的漏极连接电源端，第八PMOS管的源极还连接第四电阻，第四电阻的另一端连接第五电阻，第五电阻的另一端接地，第四电阻与第五电阻的公共端接地，第八PMOS管的源极还连接第九NMOS管的栅极，第九NMOS管的源极和漏极分别接地。

其进一步的技术方案为，固定电阻为具备负电阻电压系数和负电阻温度系数的高阻多晶电阻，可变电阻为具备正电阻电压系数和正电阻温度系数的阱电阻，电容为双多晶电容。

其进一步的技术方案为，时钟信号输出端设置有测试压点，测试压点用于振荡频率测试。

本实用新型的有益技术效果是：

1、采用电阻温度系数和/或电阻电压系数互补的固定电阻和可变电阻，以及采用电容温度系数和电容电压系数都较小的电容，可以较少输出频率随电源电压和温度的变化，也减少输出频率随寄生参数和加工工艺的影响，提高输出频率稳定度和精度。

2、采用带隙基准模块和稳压模块组合构成电源模块，带隙基准模块功耗低、易启动且对工艺的依赖程度低，可以产生一个几乎不随温度和电源电压变化的基准电压；稳压模块具有成本低噪音小的有点，可以将基准电压提高为了一稳定的工作电压；带隙基准模块和稳压模块的组合可以在为振荡模块供电的同时，进一步输出频率随电源电压和温度的变化，提高输出频率的稳定度。

3、采用新型的熔丝结构，可以有效避免将寄生参数引入到RC回路中，可以进一步提高输出频率的精度。

4、在时钟信号输出端设置测试压点，通过该测试压点进行振荡频率测试，该测试压点在RC回路之外，避免将寄生参数引入到RC回路中，进一步提高了输出频率的精度。

5、能够精确测得RC振荡器输出信号进入其他模块前的频率，整个RC振荡器的可测性好，另外整个RC振荡器中采用标准CMOS工艺中的器件，整体结构简单，降低了芯片成本。

附图说明

图1是本实用新型的RC振荡器的电路结构示意图。

图2是本实用新型的RC振荡器中的振荡模块的电路图。

图3是高阻多晶电阻的电阻电压系数和电阻温度系数图。

图4是阱电阻的电阻电压系数和电阻温度系数图。

图5是振荡模块中的可变电阻的新型的熔丝结构的电路图。

图6是本实用新型的RC振荡器中的带隙基准模块的电路图。

图7是本实用新型的RC振荡器中的稳压模块的电路图。

图8是本实用新型的RC振荡器的仿真图。

图9是本实用新型的RC振荡器的仿真图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的具体实施方式做进一步说明。

请参考图1，其示出了本实用新型公开的一种RC振荡器的电路结构示意图，该RC振荡器包括电源模块和振荡模块，电源模块的输出端连接振荡模块并为振荡模块供电，振荡模块包括两个输入端和两个输出端，两个输入端分别为输入压点OSCI和控制信号输入端ctrl_osc，两个输出端分别为输出压点

OSCO和时钟信号输出端clock，其中，输入压点OSCI用于传输输入信号，控制信号输入端ctrl_osc用于控制RC振荡器工作，当控制信号输入端ctrl_osc为高电平时，该RC振荡器停振，当控制信号输入端ctrl_osc为低电平时，该RC振荡器正常工作，输出压点OSCO用于传输输出信号，时钟信号输出端clock用于输出时钟信号，该时钟信号进入集成电路中的其他部分，即为整个集成电路提供时钟。可选的，电源模块包括带隙基准模块和稳压模块，带隙基准模块的输出端连接稳压模块的输入端，稳压模块的输出端连接振荡模块，带隙基准模块用于提供几乎不随温度和电源电压变化的基准电压Vref，该基准电压Vref通常为1.25V，稳压模块可以为低压差线性稳压器(Low Dropout Regulator，LDO)，该稳压模块将带隙基准模块提供的基准电压Vref转换为稳定的工作电压Vldo，通常是将1.25V的基准电压Vref提高为2.5V的工作电压Vldo，该工作电压用于振荡模块的电源电压。

请参考图2示出的振荡模块的电路结构图，该振荡模块包括第一反相器组、第二反相器组、第三反相器组、可变电阻Rv、固定电阻Rs和第一电容C1。第一反相器组、第二反相器组和第三反相器组均包括奇数个首尾串联的反相器，如图2所示，第一反相器组包括首尾串联的或非门NOR、第一反相器T1和第二反相器T2，第一反相器组的输入端连接输入压点OSCI和控制信号输入端ctrl_osc，因此第一反相器组中的第一级的反相器通常为或非门NOR，输入压点OSCI和控制信号输入端ctrl_osc作为或非门NOR的两个输入信号，或非门NOR的输出端连接后级的反相器，当控制信号输入端ctrl_osc为低电平使得RC振荡器正常工作时，该或非门NOR相当于一个反相器，也即第一反相器组实际包括3个首尾串联的反相器；第二反相器组包括3个首尾串联的反相器，分别为第三反相器T3、第四反相器T4和第五反相器T5；第三反相器组包括一个反相器为第六反相器T6。第一反相器组的输出端连接输出压点OSCO、固定电阻Rs和第二反相器组的输入端，固定电阻Rs的另一端连接可变电阻Rv，可变电阻Rv的另一端连接输入压点OSCI和第一电容C1，第一电容C1的另一端连接第二反相器组的输出端，第二反相器组的输出端还连接第三反相器组的输入端，第三反相器组的输出端连接时钟信号输出端clock。固定电阻Rs、可变电阻Rv、第二反相器组和第一电容C1组成RC回路，该RC振荡器的振荡频率由该RC回路决定，主要由该RC回路的电阻和电容的值决定，从理论上来说，RC振荡器的振荡频率与该RC回路中的电阻R和电容C的关系如下：

即振荡频率fosc与电阻R和电容C的大小成反比，除了电阻R和电容C之外，还有一些其他因素会对振荡频率fosc产生影响，统一由K这一系数表示。其中，电阻R包括接入到RC回路中的固定电阻Rs、可变电阻Rv，以及RC回路中的寄生电阻，电容C包括RC回路中的第一电容C1以及RC回路中的寄生电容，如图2中示出了寄生电容Cp。寄生电阻和寄生电容可能是集成电路版图布局布线造成的，也有可能是对振荡器进行振荡频率测试时由测试仪器引入的，这些寄生电阻和寄生电容会导致RC振荡器的实际振荡频率与设计值之间存在偏差。

在本实用新型中，固定电阻Rs与可变电阻Rv的电阻电压系数和/或电阻温度系数互补，通过选择不同的阻值组合进行互补补偿，第一电容C1的电容电压系数小于第一阈值和/或电容温度系数小于第二阈值，从而削弱电源电压/温度对RC回路中电阻和电容的影响，以减少振荡频率随电源电压和温度的变化，第一阈值和第二阈值的大小是预设值。可选的，固定电阻Rs为具备负电阻电压系数和负电阻温度系数的高阻多晶电阻，高阻多晶电阻的电阻电压系数和电阻温度系数请分别参考图3中的(a)和(b)。可变电阻Rv为具备正电阻电压系数和正电阻温度系数的阱电阻，阱电阻和高阻多晶电阻的电阻电压系数和电阻温度系数请分别参考图4中的(a)和(b)，具体设计时需要考虑这两种电阻的方块值，以决定固定电阻Rs与可变电阻Rv组成的电阻中这两部分的阻值大小。电容C1为两层多晶之间的双多晶电容，电容C1的电容值可以为8pF，这种电容的电容电压系数和电容温度系数均较小、性能稳定且寄生电容小。

可选的，可变电阻Rv采用熔丝结构，通过熔丝调节可变电阻Rv的阻值大小，从而调节整个RC回路中的电阻，由于在集成电路加工过程中，每一个器件的参数都存在一个范围，比如某一个工艺中的阱电阻典型值为每方块1KΩ，最小和最大值分别为每方块0.9KΩ和1.1KΩ，只要阱电阻的方块值落在以上范围内，则工艺都是合格的，因此实际加工完成后，器件的电阻、电容值与设计值之间都是存在差异的；另外，集成电路圆片上的不同位置处的电阻、电容值也是各不相同的，原因也是由集成电路制造工艺所造成的。为了消除这种差异对振荡频率的影响，可以通过熔丝结构进行调整，对RC回路中的电阻适当增加或适当减小，以便削弱工艺加工对输出频率的影响，提高其精度。由于在对熔丝进行调整时，中测探针上存在寄生电容，这些寄生电容Cp会通过中测探针引入RC回路中，因此为了减小寄生电容Cp对振荡频率的影响，本实用新型采用一种新型的熔丝结构，请参考图5，该熔丝结构的可变电阻包括N个串联的熔丝电阻，N为正整数，该N个熔丝电阻的阻值大小通常不相等，在本实用新型中，以N＝5为例，该5个熔丝电阻分别为R、2R、4R、8R和16R，实际实现时，熔丝电阻的数量和每个熔丝电阻的阻值可以自行设定。每个熔丝电阻的两端分别连接一个晶体管的第一端和第二端，也即每个熔丝电阻分别与一个晶体管并联，每个晶体管的第三端连接一个熔丝压点FPAD和一根熔丝，且通常情况下，每个晶体管均通过反相器连接熔丝压点和熔丝，也即晶体管的第三端连接反相器的输出端，反相器的输入端分别连接熔丝压点FPAD和熔丝；熔丝的另一端接地，如图5所示的熔丝结构中包括5个熔丝压点FPAD(分别为FPAD1、FPAD2、FPAD3、FPAD4和FPAD5)，每个熔丝压点与其连接的熔丝和电阻对应，比如FPAD1与R对应，FPAD2与2R对应，以此类推。可选的，晶体管为NMOS管，则晶体管的第一端和第二端分别为NMOS管的源极和漏极，晶体管的第三端为NMOS管的栅极。在本实用新型提供的新型的熔丝结构中，熔丝并没有直接接入电阻链上，而是通过熔丝压点FPAD接地，同时熔丝压点FPAD控制一个跟熔丝电阻并联的NMOS管。在该熔丝结构中，当熔丝不需要熔断时，熔丝压点FPAD为低电平，NMOS管控制信号为高电平，NMOS管导通，电阻短路，相当于熔丝没有熔断；当熔丝需要熔断时，FPAD为高电平，NMOS管控制信号为低电平，该NMOS管不导通，电阻起作用，相当于熔丝被熔断，该熔丝结构的熔断方式包括如下两种：

在第一种熔断方式中，通过电容放电来实现，则在图5示出的熔丝结构中，每个熔丝压点的另一端还连接一个继电器(图中未示出)，继电器的另一端连接第二电容，第二电容的另一端接地，第二电容通常为100μF。用5V电压给第二电容充满电，如果某根熔丝需要烧断，则该熔丝对应的继电器闭合，电容放电把该熔丝烧断。

在第二种熔断方式中，通过圆片测试仪实现，由于圆片测试仪的通道输出电流能达到500mA，因此可以直接将测试仪的通道接到熔丝压点上，通过加5V高电平的方式把熔丝压点对应的熔丝烧断。

集成电路圆片测试时每个中测探针上的寄生的电容通常在几个pF这一数量级，以2pF为例，经过仿真，在采用本实用新型提供的新型的熔丝结构后，实际测得中心频率与设计值之间的差异不超过1％。

另外，在对集成电路圆片进行振荡频率测试时，常见的做法是将探针扎在输出压点OSCO端，从而读取该点的频率，这一做法同样会将中测探针上的寄生电容Cp引入RC回路中，因此，在实用新型中，振荡模块的时钟信号输出端clock设置有测试压点，该测试压点用于振荡频率测试，振荡频率测试时，通过将探针扎在该测试压点读取频率进行测试，这一做法改变了振荡频率测试时探针接触RC振荡器的位置，由于是在RC回路之外的节点上个测试，因此可以避免中测探针上寄生电容对振荡频率的影响。

请参考图6，其示出了本实用新型中的带隙基准模块的电路图，该带隙基准模块包括第一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、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、PNP型的第一三极管Q1、PNP型的第二三极管Q2和PNP型的第三三极管Q3。第一NMOS管N1的栅极与第二NMOS管N2的栅极互连且连接第一NMOS管N1的漏极，第一NMOS管N1的漏极还连接第一PMOS管P1的源极，第一PMOS管P1的漏极连接电源端VDD，第一PMOS管P1的栅极接地，第一NMOS管N1的源极连接第一电阻R1，第一电阻R1的另一端接地；第二NMOS管N2的漏极连接第三NMOS管N3的漏极，第二NMOS管N2的源极连接第三NMOS管N3的源极，第三NMOS管N3的栅极与第四NMOS管N4的栅极互连且连接第四NMOS管N4的漏极，第三NMOS管N3的漏极还连接第二PMOS管P2的源极和偏置电压Vbias，第二PMOS管P2的漏极连接电源端VDD，第四NMOS管N4的漏极还连接第三PMOS管P3的源极，第三PMOS管P3的漏极连接电源端VDD，第二PMOS管P2的栅极与第三PMOS管P3的栅极互连且连接第二PMOS管P2的源极，第三NMOS管N3的源极还连接第二电阻R2，第二电阻R2的另一端连接第一三极管Q1的发射极，第一三极管Q1的基极和集电极分别接地，第四NMOS管N4的源极还连接第二三极管Q2的发射极，第二三极管Q2的基极和集电极分别接地；第四PMOS管P4的栅极连接偏置电压Vbias，第四PMOS管P4的漏极连接电源端VDD，第四PMOS管P4的源极连接第三电阻R3，第三电阻R3的另一端连接第三三极管Q3的发射极，第三三极管Q3的基极和集电极分别接地，第四PMOS管P4与第三电阻R3的公共端连接带隙基准模块的输出端Vref。本实用新型对带隙基准模块中的各个器件的参数不作限定，这种带隙基准模块的功耗低、容易启动、对工艺依赖程度低，在-40℃-125℃的温度范围内，可以获得接近零温度系数的输出电压，因此该模块可以在温度和电压不稳定的环境中输出一个几乎不随温度和电源电压变化的稳定的1.25V基准电压。

请参考图7，其示出了本实用新型中的稳压模块的电路图，该稳压模块包括第五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、第三电容C3、第四电容C4、第四电阻R4和第五电阻R5。第七NMOS管N7的栅极与第八NMOS管N8的栅极互连且连接第七NMOS管N7的漏极，第七NMOS管N7的源极和第八NMOS管N8的源极分别接地，第七NMOS管N7的漏极还连接第五PMOS管P5的源极，第五PMOS管P5的栅极连接偏置电压Vbias，第五PMOS管P5的漏极连接电源端VDD，第八NMOS管N8的漏极分别连接第五NMOS管N5的源极和第六NMOS管N6的源极，第五NMOS管N5的栅极接地，第六NMOS管N6的栅极连接稳压模块的输入端Vref，第五NMOS管N5的漏极连接第六PMOS管P6的源极，第六NMOS管N6的漏极连接第七PMOS管P7的源极，第六PMOS管P6的栅极与第七PMOS管P7的栅极互连且连接第六PMOS管P6的源极，第六PMOS管P6的漏极与第七PMOS管P7的漏极分别连接电源端VDD，第七PMOS管P7的源极还分别连接第八PMOS管P8的栅极和第三电容C3，第三电容C3的另一端连接第四电容C4，第四电容C4的另一端接地，第三电容C3与第四电容C4的公共端连接第八PMOS管P8的源极和稳压模块的输出端Vlbo，第八PMOS管P8的漏极连接电源端VDD，第八PMOS管P8的源极还连接第四电阻R4，第四电阻R4的另一端连接第五电阻R5，第五电阻R5的另一端接地，第四电阻R4与第五电阻R5的公共端接地，第八PMOS管P8的源极还连接第九NMOS管N9的栅极，第九NMOS管N9的源极和漏极分别接地。本实用新型对稳压模块中的各个器件的参数不作限定，这种稳压模块成本低、噪音小、可以看生一个稳定的2.5V工作电压。

本实用新型公开的RC振荡器的中心频率为32KHz，针对这一中心频率进行电压特性和温度特性进行仿真：在常温条件下，不同工艺条件的振荡频率随电源电压的变化曲线如图8所示，可以看出，电源电压在2～5V变化过程中，输出中心频率变化约为0.15％。在电源电压为3.3V的条件下，不同工艺条件的振荡频率随温度的变化曲线如图9所示，可以看出，温度在-40～125℃范围内，输出中心频率变化约为0.08％。由此可以看出，本实用新型公开的RC振荡器的精度和稳定度都较优。

以上所述的仅是本实用新型的优选实施方式，本实用新型不限于以上实施例。可以理解，本领域技术人员在不脱离本实用新型的精神和构思的前提下直接导出或联想到的其他改进和变化，均应认为包含在本实用新型的保护范围之内。