一种实现片内时钟低温漂低功耗的电路及方法与流程

本发明属于集成电路的片内时钟领域，，具体涉及一种实现片内时钟低温漂低功耗的电路及方法。

背景技术：

随着半导体技术和电子技术的发展，数模混合电子系统越来越集成化、低功耗和高稳定性。时钟电路作为电子系统中的重要组成部分，其性能直接影响了系统的性能。因此，实现时钟电路的低功耗、低温漂、高精度等性能具有重要的实际意义。

现有的振荡器电路主要是环形振荡电路和基于比较器进行基准对比的张弛振荡器。环形振荡器由奇数个首尾相连的反相器连接而成，为了降低频率，加入了rc电路，；该实现方式的周期主要依赖于rc大小，频率较小时，面积变大，不利于集成，同时该环路反馈量单一，容易受电源噪声影响，在宽电压范围内，频率偏移较大。基于比较器进行基准对比的张弛振荡器对比量稳定，输出的时钟波形稳定，但是带隙基准电压源因含有晶体管，电路规模较大。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种实现片内时钟低温漂低功耗的电路，输出周期不受电源电压和温度影响，实现了振荡信号的高精度和低温漂。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种实现片内时钟低温漂低功耗的电路，包括：充放控制电路模块、比较器a1、迟滞比较器a2、输出控制电路模块和时钟关断控制电路模块；所述充放控制电路模块与比较器a1的负输入端、时钟关断控制电路模块和迟滞比较器a2的正输入端分别连接；所述输出控制电路模块与比较器a1的正输入端、时钟关断控制电路模块和迟滞比较器a2的输出端分别连接；所述比较器a1输出端与迟滞比较器a2的负输入端和电容c分别连接；所述比较器a1和迟滞比较器a2分别连接有第一尾电流源和第二尾电流源。

进一步的，所述充放控制电路包括第一电阻r1、第一电容c1、第一nmos管nm1、第二nmos管nm2、第三nmos管nm3和nmos管nmb；所述第一电阻r1的一端接电源，另一端接第一电容c1；所述第一电容c1的另一端接地；所述第一电阻r1和第一电容c的公共端记为节点vr；所述第一nmos管nm1的栅极接比较器a1的负向输入端，漏极接vr，源极接第二nmos管nm2的漏极；所述第二nmos管nm2的栅极接nmos管nmb的栅极，源极接地；所述第三nmos管nm3的栅极与第二nmos管nm2的栅极相接，漏极接vr，源极接地；所述nmos管nmb的漏极电流接ib。

进一步的，所述输出控制电路包括第一pmos管pm1、第二pmos管pm2、第四nmos管nm4、第五nmos管nm5、第六nmos管nm6、第一反相器inv1和第二反相器inv2；所述第一pmos管pm1的栅极接迟滞比较器a2的负向输出端von，源极接电源，漏极接第四nmos管nm4的漏极；所述第四nmos管nm4的栅极接时钟关断控制信号pd，源极接地；所述第五nmos管nm5的漏极接nm4额漏极，栅极与漏极相接，源极接地；所述第六nmos管nm6的栅极与nm5的栅极连接，源极接地，漏极接第二pmos管pm2的漏极；所述第二pmos管pm2的栅极接迟滞比较器a2的正向输出端vop，源极接电源，漏极接第一反相器inv1的输入端vo1；所述第一反相器inv1的输出端vo2接第二反相器inv2的输入端，inv2的输出端输出时钟信号clk。

进一步的，所述时钟关断控制电路包括第三反相器inv3、第七nmos管nm7、第八nmos管nm8、第九nmos管nm9、第十nmos管nm10、基准电流源ibias；所述第三反相器inv3的时钟关断控制信号pd，输出端接第七nmos管nm7的栅极；所述第七nmos管nm7的漏极接ibias，源极接第八nmos管nm8的漏极；所述第八nmos管nm8的源极接地，栅极接时钟关断控制信号pd；所述第九nmos管nm9的栅极接第八nmos管nm8的漏极，漏极接ibias，源极接地；所述第十nmos管nm10的栅极接nm4的漏极，漏极接ib，源极接地。

进一步的，所述充放控制电路中，电阻r1由两种正负温度系数的电阻串联构成，其比例系数根据来确定，其中为温度系数。

进一步的，所述电容c采用具有低温度系数的poly型电容。

一种实现片内时钟低温漂低功耗的电路的控制方法，包括以下步骤：

步骤s1:系统电源上电时，节点电压vc小于节点电压vr，迟滞比较器a2正向输出低电平，pm1截止，pm2导通，节点vo1为高电平，vo2为低电平，比较器a1输出高电平，对电容c进行充电，充电电流为a1的尾电流源nib，同时低电平信号vo2将nm2关断，支路电流i1=0，电阻r1上的压降降低，节点电压vr升至；

步骤s2:电容c持续充电，当电容上的电压vc略大于vr1时，迟滞比较器a2正向输出vop由低电平翻转为高电平，pm1导通，pm2截止，节点vo1为低电平，vo2为高电平，比较器a1输出低电平，电容c进行放电，充电电流为a1的尾电流源nib,同时高电平信号vo2将nm2打开，支路电流i1通过，电阻r1上的压降升高，节点电压vr降至；

步骤s3:电容c持续放电，当电容上的电压vc略小于vr2时，迟滞比较器a2正向输出vop由高电平翻转为低电平；

步骤s4:循环重复步骤s2-s3,构成了方波振荡输出clk。

进一步的，所述电路还设置有关断控制信号pd，当pd为高电平时，nm4导通，nm5和nm6的栅极电压为低电平，nm5和nm6截止，该输出控制支路没有电流通过。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

1、本发明引入了充放控制电路，利用基准电流改变充放阈值电压，输出周期不受电源电压和温度影响，从而实现了振荡信号的高精度和低温漂

2、本发明引入关断控制电路，即将系统控制信号pd控制时钟生成电路关断，当系统工作结束时关断时钟产生电路，降低了系统的静态功耗。

附图说明

图1为本发明片内时钟生成电路原理示意图；

图2为本发明实施例微处理器电源监控电路原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。

本实施例以便携式微处理器系统稳定性即为本实施例的改进对象，其优选装置为电源监控系统。请参照图2，电源监控电路包括：分压电路、基准电压源、比较器、时钟产生电路及延时模块；其中，分压电路用于产生与输入电压成一定比例的复位阈值电压；基准电压源用于产生与电源电压和温度无关的基准电压；比较器用于将分压后的电压与基准电压进行对比，当达到阈值电压后，输出高电平，经反相后与片内复位信号共同控制延时模块的使能端，进而产生具有一定时延的复位信号；时钟产生电路用于产生延时单元的时钟信号；延时模块用于计时（计时时间t可以通过设定d触发器的个数n来确定，t=2ⁿ×tclk）。

如图1所示，本实施例中，一种实现片内时钟电路低温漂低功耗的电路包括充放控制电路、比较器a1、迟滞比较器a2、输出控制电路和时钟关断控制电路。

其中，充放控制电路用于控制电容c的充放电压阈值；比较器a1用于判别输出信号的高低电位，控制电容c提供充放过程；迟滞比较器a2用于将电容c的电压与基准电位vr进行对比，翻转控制输出信号；输出控制电路用于控制输出信号的高低电平；时钟关断控制电路用于系统要求下，关断时钟，实现低功耗。

在本实施例中，所述充放控制电路包括：第一电阻r1、第一电容c1、第一nmos管nm1、第二nmos管nm2、第三nmos管nm3和nmos管nmb；所述第一电阻r1的一端接电源，一端接第一电容c1，c1的另一端接地，二者的公共端记为节点vr；所述第一nmos管nm1的栅极接比较器a1的负向输入端，漏极接vr，源极接第二nmos管nm2的漏极，nm2的栅极接nmb的栅极，源极接地；所述第三nmos管nm3的栅极与nm2的栅极相接，漏极接vr，源极接地；所述nmos管nmb的漏极电流由关断控制电路的ib镜像获得，取值一致为ib；

所述输出控制电路包括：第一pmos管pm1、第二pmos管pm2、第四nmos管nm4、第五nmos管nm5、第六nmos管nm6、第一反相器inv1和第二反相器inv2；所述第一pmos管pm1的栅极接迟滞比较器a2的负向输出端von，源极接电源，漏极接第四nmos管nm4的漏极；所述第四nmos管nm4的栅极接时钟关断控制信号pd，源极接地；所述第五nmos管nm5的漏极接nm4额漏极，栅极与漏极相接，源极接地；所述第六nmos管nm6的栅极与nm5的栅极连接，源极接地，漏极接第二pmos管pm2的漏极；所述第二pmos管pm2的栅极接迟滞比较器a2的正向输出端vop，源极接电源，漏极接第一反相器inv1的输入端vo1。所述第一反相器inv1的输出端vo2接第二反相器inv2的输入端，inv2的输出端即为时钟信号clk。

所述时钟关断控制电路包括：第三反相器inv3、第七nmos管nm7、第八nmos管nm8、第九nmos管nm9、第十nmos管nm10、基准电流源ibias；inv3的输入端接关断信号pd，输出端接nm7的栅极，nm7的漏极接ibias，源极接nm8的漏极，nm8的源极接地，栅极接pd；nm9的栅极接nm8的漏极，漏极接ibias，源极接地，nm10的栅极接nm4的漏极，漏极接ib，源极接地。

比较器a1的正向输入端接第一反相器inv1的输入端vo1，负向输入端接inv1的输出端vo2，inv1的输出端vo2接inv2的输入端，inv2的输出端记为时钟信号clk；a1的输出端接电容c，同时接比较器a2的负向输入端vc，a2的正向输入端接充放控制电路的输出端vr；比较器a1和迟滞比较器a2的的尾电流源分别为nib和mib，ib可由基准电流源ibias镜像产生，其中n和m为比例系数。

优选的，在本实施例中，电容c采用具有低温度系数的poly型电容。

优选的，在本实施例中，所述充放控制电路中，电阻r1由两种正负温度系数的电阻串联构成，其比例系数根据来确定，其中为温度系数，可在工艺库的模型文件中查得；决定vr节点电压的两路电流i1和i2由ib以一定比例系数镜像得到。

优选的，在本实施例中，所述输出控制电路中，引入关断控制信号pd，当pd为高电平时，nm4导通，nm5和nm6的栅极电压为低电平，nm5和nm6截止，该输出控制支路没有电流通过，降低了静态功耗。

在本实施例中，一种实现片内时钟低温漂低功耗的电路的控制方法，具体如下：

电源上电时，节点电压vc小于节点电压vr，迟滞比较器a2正向输出低电平，pm1截止，pm2导通，节点vo1为高电平，vo2为低电平，比较器a1输出高电平，对电容c进行充电，充电电流为a1的尾电流源nib，同时低电平信号vo2将nm2关断，支路电流i1=0，电阻r1上的压降降低，节点电压vr升至；

电容c持续充电，当电容上的电压vc略大于vr1时，迟滞比较器a2正向输出vop由低电平翻转为高电平，pm1导通，pm2截止，节点vo1为低电平，vo2为高电平，比较器a1输出低电平，电容c进行放电，充电电流为a1的尾电流源nib,同时高电平信号vo2将nm2打开，支路电流i1通过，电阻r1上的压降升高，节点电压vr降至；

电容c持续放电，当电容上的电压vc略小于vr2时，迟滞比较器a2正向输出vop由高电平翻转为低电平。如此反复，构成了方波振荡输出clk。

在本实施例中，电容c在电压vr1和vr2间进行周期性的充放，其中；电容上的电压变化量，由得，其中i为比较器a1的尾电流源，与i2均为ibias的镜像电流，二者比值后温度影响被消除。从该式可知，该时钟电路的输出信号clk基本不受电源电压的影响，而采用的低温度系数的电容c和正负温度互补的电阻r1同时保证了电路的低温漂特性。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。