一种张弛振荡器电路的制作方法

1.本发明涉及集成电路领域，更具体地，涉及一种张弛振荡器电路。


背景技术：

2.目前，张弛振荡器电路作为一种常见的时钟产生电路，被广泛地应用于各种集成电路中。通常来说，张弛振荡器输出的时钟信号的频率与电路中的电阻、电容的取值，以及流经电阻和电容的电流强度密切相关。并且，张弛振荡器输出的时钟信号的频率越稳定，说明该振荡器获得的时钟信号的质量越高，张弛振荡器的精度也越高。
3.然而，由于集成电路集成度高、体积小等特点，使得张弛振荡器电路在工作过程中，会产生大量功耗并持续散热，从而导致张弛振荡器所在电路或芯片的温度持续升高。温度变化对张弛振荡器中各个元件的性能造成了严重的影响，从而使得输出的时钟芯片的频率发生改变，无法再稳定于初始状态。
4.为了防止温度变化对张弛振荡器的精度造成过多影响，亟需一种新的张弛振荡器电路。


技术实现要素：

5.为解决现有技术中存在的不足，本发明的目的在于，提供一种新的张弛振荡器电路，通过增加补偿电流源为振荡单元提供基于温度稳定的参考电压，从而使得振荡单元输出基于温度稳定的时钟信号。
6.本发明采用如下的技术方案。
7.一种张弛振荡器电路，其中，电路包括电阻阵列、电容阵列、振荡单元；电阻阵列中包括补偿电流源和分压电阻，补偿电流源提供具备温度系数的电流，用于对分压电阻产生的负温度系数电压进行补偿；电容阵列，用于基于电荷共享为张弛振荡器中比较器的正相输入端电压提供缓冲；振荡单元，分别与电阻阵列和电容阵列连接，用于基于电路中的电容电阻参数输出周期稳定的时钟信号。
8.优选地，电阻阵列中包括第一、第二、第三分压电阻，第一电流源i1、补偿电流源i
c1
；其中，第一至第三分压电阻首尾串联，且第一分压电阻的一端接入第一电流源i1，第三分压电阻的一端接地；补偿电流源i
c1
接入至第二、第三分压电阻的分压点；第一、第二分压电阻的分压点作为电阻阵列的输出端，与振荡器中比较器的的负相输入端连接。
9.优选地，电阻阵列的输出端输出参考电压v
ref
；并且，参考电压的取值为v
ref
＝i1·
(r2+r3)-i
c1
·
r3。
10.优选地，第一电流源为零温度系数电流源，补偿电流源i
c1
为负温度系数电流源。
11.优选地，参考电压v
ref
中，i1·
(r2+r3)随着芯片温度的升高而减小，-i
c1
·
r3随着芯片温度的升高而增大。
12.优选地，参考电压v
ref
中-i
c1
·
r3的正温度系数特性抵消了i1·
(r2+r3)的负温度系数特性，使得参考电压v
ref
满足零温度系数电压特性。
13.优选地，电容阵列中包括第一、第二电容，和第二、第三电流源；其中，第二电流源i2的输出端分别与第一电容的一端、振荡器中比较器的正相输入端电压通过控制开关连接，第一电容的另一端接地；第三电流源i3的输出端分别与第二电容的一端、振荡器中比较器的正相输入端通过控制开关连接，第二电容的另一端接地。
14.本发明的有益效果在于，与现有技术相比，本发明中一种张弛振荡器电路，能够通过增加补偿电流源为振荡单元提供基于温度稳定的时钟信号。本发明中的电路实现方式简单，不会增加大量元件，不会产生大量功耗，参数设置具有多样性，易于根据实际情况进行调整。
15.本发明的有益效果还包括：
16.1、对于常见的电流镜而言，产生一个ztat(零温度系数，zero to absolute temperature)电流源或一个ctat(负温度系数，complementary to absolute temperature)电流源是非常容易的事情。若整个芯片系统中，存在使用ztat和ctat电流镜的情况，本发明将十分奏效地产生一种基于温度稳定的参考电压；
17.2、当增加ctat电流源与电阻温度系数进行补偿时，仅需将原有电阻拆分至多份，在拆分后的电阻结点中注入ctat电流源即可，对于原电路的修改非常小，修改方式也十分简便；
18.3、在ctat电流源的一次项系数、ztat电流源的一次项系数以及ctat电阻的一次项系数均不同的前提下，仅需要改变其电流值或电阻值，不需要特意将其一次项系数调为一致。
附图说明
19.图1为本发明现有技术中一种张弛振荡器电路的结构示意图；
20.图2为本发明现有技术中一种张弛振荡器电路的ztat电流源的温度曲线示意图；
21.图3为本发明现有技术中一种张弛振荡器电路的ctat电阻所生成的负温度系数的参考电压的温度曲线示意图；
22.图4为本发明一种张弛振荡器电路的结构示意图；
23.图5为本发明一种张弛振荡器电路的ctat电流源的温度曲线示意图；
24.图6为本发明一种张弛振荡器电路中流过电阻r3的ptat电流的温度曲线示意图；
25.图7为本发明一种张弛振荡器电路中参考电压的温度曲线示意图。
具体实施方式
26.下面结合附图对本技术作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本技术的保护范围。
27.现有技术中，张弛振荡器中电阻和电容元件的取值，电阻和电容的电流大小对张弛振荡器所输出的时钟信号的频率起到决定性的作用。通常来说，起到振荡作用的单个电容c上具备的总电荷量为q＝c
·vref
。而于此同时，一个周期的时钟信号的充放电总量ic·
t应当等于总电荷量，其中t为张弛振荡器输出的时钟信号的周期。
28.另外，根据参考电压v
ref
＝ir·
r的计算公式，可知时钟信号的周期为r的计算公式，可知时钟信号的周期为也
就是，时钟信号的频率为可见，如果需要保证时钟信号的频率稳定，就需要确保时钟信号中，各个电流源、电阻、电容的取值稳定。
29.然而，通常来说，当电流处于工作过程中，温度的升高会导致电流源、电容、电阻的取值发生变化，从而改变时钟频率。为了防止温度对张弛振荡器造成的影响，本发明中除了采用具有特定的温度系数的元件之外，还对张弛振荡器的电路结构进行了优化升级。
30.图1为本发明现有技术中一种张弛振荡器电路的结构示意图。图1中的电路具备现有技术的张弛振荡器的主要功能，可以简单的理解，通过电容和电阻的作用和比较器将能够输出振荡的时钟信号。需要说明的是，图1中电流源i2和i3所在的支路分别用于产生电压v1和v2，而电压v1和v2则可以根据控制开关的控制交替输入至比较器的正相输入端中，作为正向输入端的输入电压v
mp
。由于本发明中并不主要讨论振荡器的控制电压的生成方式，因此，本发明中将控制开关部分的电路和元件在图中省略。
31.具体来说，本发明中所采用的张弛振荡器的元件，可以选择那些具有零温度系数的元件，以尽量降低温度的影响。通常来说，电容具备较好的温度稳定能力，最接近零温度系数。另一方面，也可以采用现有技术中经常使用的能够产生零温度系数的电流源作为本发明中的第一至第三电流源。由于本发明中可以将第一、第二和第三电流源可以以镜像方式连接，因此，即使电流源具有一定的温度系数，也会根据公式中电阻和电容中流过电流的比例关系而抵消对于振荡器振荡周期的影响。
32.图2为本发明现有技术中一种张弛振荡器电路的ztat电流源的温度曲线示意图。图2所表征的一个电流源的实施例中，温度作为自变量，电流作为因变量能够形成一条二次曲线，也就是拟合出一条抛物线，该抛物线的二次项系数，即温度平方的系数为-0.066ppm，而该抛物线的一次项系数，即温度的系数为42ppm。另外，本条曲线拟合过程中允许的最大误差为3.9na。如图2所示，近似于零温度系数的电流源在芯片处于工作温度区间内，随着温度的升高或降低电流源的变化较小。
33.然而，对于集成电路中的电阻元件来说，芯片制造过程中的掺杂注入程度的不同会导致半导体电阻阻值的不同。对于低阻半导体器件来说，由于其具有重掺杂的特性，会导致其在高温条件下的晶格振动加剧，从而载流子散射加剧，这使得载流子的迁移率下降，电阻升高，也就是说重掺杂的低阻半导体中的电阻具有正温度系数(proportional to absolute temperature，ptat)。
34.另一方面，对于高阻半导体而言，由于其具有轻掺杂的特性，会使得其在高温条件下的本征载流子激发，载流子浓度的加大则会导致半导体器件的导通性能增强，从而电阻降低，也就是说轻掺杂的高阻半导体中的电阻具有负温度系数。也就是说，现有技术中的张弛振荡器主要受到电阻的影响，其输出信号的振荡周期随温度变化会发生明显的变化。
35.图3为本发明现有技术中一种张弛振荡器电路的ctat电阻所生成的负温度系数的参考电压的温度曲线示意图。如图3所示，本发明一实施例中，负温度系数的电阻随着温度的升高而逐渐降低，呈近似线性的状态。当温度处于27摄氏度时，电阻两端电压的取值为899.8mv，而当温度升高至40摄氏度左右，电阻分压则显著的降低至895mv左右。可见，由于电阻所具有的负温度系数的特性，随着温度的升高，电路中电阻的实际阻值会发生较大范围的浮动。
36.为了克服电路中的电阻所导致的正/负温度系数对振荡器输出时钟信号所造成的影响，本发明提供了一种新的振荡器电路。
37.图4为本发明一种张弛振荡器电路的结构示意图。如图4所示，本发明中的一种张弛振荡器电路，在该电路中，电路包括电阻阵列、电容阵列、振荡单元；电阻阵列中包括补偿电流源和分压电阻，补偿电流源提供具备温度系数的电流，用于对分压电阻产生的负温度系数电压进行补偿；电容阵列，用于基于电荷共享为张弛振荡器中比较器的正相输入端电压提供缓冲；振荡单元，分别与电阻阵列和电容阵列连接，用于基于电路中的电容电阻参数输出周期稳定的时钟信号。
38.图4作为本发明的一个实施例，只是增加了一个ctat电流源。而根据本发明的思路，也可以增加多个具有不同温度系数的多个电流源对于电阻的温度系数进行补偿。
39.简单来说，本发明的方法就是在现有技术中的张弛振荡器中增加了电阻阵列的复杂程度。通过增加电阻或将原有电阻进行拆分的方式实现更多个分压点，并通过在多个分压点上增加具备不同电流系数的补偿电流源的接入，从而实现对于电路中负温度系数的分压电阻产生的参考电压的抵消。优选地，电阻阵列中包括第一、第二、第三分压电阻，第一电流源i1、补偿电流源i
c1
；其中，第一至第三分压电阻首尾串联，且第一分压电阻的一端接入第一电流源i1，第三分压电阻的一端接地；补偿电流源i
c1
接入至第二、第三分压电阻的分压点；第一、第二分压电阻的分压点作为电阻阵列的输出端，与振荡单元中比较器的负相输入端连接。
40.具体来说，本发明中可以通过增加电阻阵列中的电阻数量实现更多分压点。而这些分压点，则可以用来接入多个具有ctat的补偿电流源。
41.另外，也可以采用开关的方式实现对补偿电流源的接入，以通过对开关的控制来在不同温度下，对参考电压的取值进行更精确的修调。
42.优选地，电阻阵列的输出端输出参考电压v
ref
；并且，参考电压的取值为v
ref
＝i1·
(r2+r3)-i
c1
·
r3。
43.根据本发明中的内容，电阻阵列的输出端输出的参考电压的取值可以为第二、第三分压电阻两端分压之和。考虑到增加了电流源，因此本发明中的多个分压电阻中流过的电流的大小都不相同。
44.具体来说，如图4中所示出的实施例，参考电压的取值为
[0045]vref
＝i1·
r2+(i
1-i
c1
)
·
r3[0046]
对该公式进行化简，可以得到参考电压的计算公式为
[0047]vref
＝i1·
(r2+r3)-i
c1
·
r3[0048]
优选地，第一电流源为零温度系数电流源，补偿电流源i
c1
为负温度系数电流源。
[0049]
通常来说，本发明中，为了使得振荡器的输出更加精确，尽管电容上的电流和电压上的电流能够通过电流镜的方式抵消对于振荡器振荡周期的影响，但仍然采用电流随温度变化较小的零温度系数电流源。
[0050]
优选地，参考电压中，i1·
(r2+r3)随着芯片温度的升高而减小，-i
c1
·
r3随着芯片温度的升高而增大。
[0051]
可以理解的是，在本发明中，可以适当的将一个甚至多个补偿电流源设置为具有不同的温度系数。例如设置为具有负温度系数，或者，设置为斜率较大的温度系数或斜率较
小的温度系数。通过这种方式，可以使得补偿电流源所生成的参考电压的取值更加近似于零温度系数的电压。同样，也可以将温度系数的斜率固定，通过调节电流、电阻的取值，亦可以使得补偿电流源所产生的参考电压的取值更加近似于零温度系数电压。
[0052]
优选地，参考电压v
ref
中-i
c1
·
r3的正温度系数特性抵消了i1·
(r2+r3)的负温度系数特性，使得参考电压v
ref
满足零温度系数电压特性。
[0053]
可以理解的是，本发明中参考电压中的正温度系数特性与负温度系数特性相互抵消，可以生成受到温度系数影响较小的参考电压。这部分内容将在后文中详细说明。
[0054]
图5为本发明一种张弛振荡器电路的ctat电流源的温度曲线示意图。如图5所示，本发明中的第一补偿电流源为具备ctat特性的电流源，因此，随着温度的增加，电流源产生的电流降低。例如，当温度从0摄氏度上升到27摄氏度时，电流从近220na降低到了200na以下。
[0055]
图6为本发明一种张弛振荡器电路中流过电阻r3的ptat电流的温度曲线示意图。如图6所示，本发明中的流过r3的电流为具备ptat特性的电流源，因此，随着温度的增加，电流源产生的电流逐渐升高。例如，当温度从0摄氏度上升到27摄氏度时，电流从接近380na上升至了400na左右。
[0056]
将多个电阻的阻值随温度变化的曲线以及补偿电流源生成的电流随温度变化的曲线代入参考电压的计算公式，可以得到如图7中所示的参考电压随温度变化的曲线。图7为本发明一种张弛振荡器电路中参考电压的温度曲线示意图。如图7所示，参考电压随温度变化的曲线近似为一条抛物线，且该抛物线的端点位于60摄氏度左右。采用本发明中的方法获得的电路，其工作在0摄氏度至27摄氏度之间变化时，参考电压的取值只从900mv左右降低至了899.8mv，相对于图3中具有负温度系数的参考电压的在这一温度范围的取值从907mv左右降低到899.8mv来说，其取值的变化范围非常小，参考电压的输出精度非常高。
[0057]
优选地，电容阵列中包括第一、第二电容，以及第二、第三电流源；其中，第二电流源i2的输出端与第一电容的一端、振荡器中比较器的正相输入端电压通过控制开关连接，第一电容的另一端接地；第三电流源i3的输出端分别与第三电容的一端、振荡器中比较器的正相输入端通过控制开关连接，第二电容的另一端接地。
[0058]
本发明中的电容阵列可以基于开关的控制作用实现充电和放电，并在充放电的过程中，实现对于电压v1和v2的控制。通过控制电压v1和v2交替生成比较器的正相输入端的零温度系数电压v
mp
，以及负相输入端的零温度系数的参考电压v
ref
作为v
mn
，本发明的振荡器能够准确的生成高精度的时钟信号。
[0059]
本发明的有益效果在于，与现有技术相比，本发明中一种张弛振荡器电路，能够通过增加补偿电流源为振荡单元提供基于温度稳定的时钟信号。本发明中的电路实现方式简单，不会增加大量元件，不会产生大量功耗，参数设置具有多样性，易于根据实际情况进行调整。
[0060]
本发明申请人结合说明书附图对本发明的实施示例做了详细的说明与描述，但是本领域技术人员应该理解，以上实施示例仅为本发明的优选实施方案，详尽的说明只是为了帮助读者更好地理解本发明精神，而并非对本发明保护范围的限制，相反，任何基于本发明的发明精神所作的任何改进或修饰都应当落在本发明的保护范围之内。