一种新型阻容张驰振荡器的制作方法

1.本实用新型涉及系统芯片内部的时钟产生源领域，尤其是一种频率仅含阻容参数的新型阻容张驰振荡器。


背景技术：

2.振荡器是一种产生连续稳定的等占空比的方波电路，多用于给系统芯片提供基础时钟。
3.振荡器的种类较多，有芯片外附加晶振电子原件的晶振振荡器，也有芯片内部集成的rc以及普通张驰振荡器等等。
4.通常外部晶振可以提供稳定的时钟信号，受电压和温度的影响很小。缺点是要额外接晶振器件，造成系统成本的提升和电路的冗杂。而芯片内部集成的rc振荡器可以省去外接原件，但是由于半导体的特性内部rc振荡器不容易做好电压特性，其震荡频率通常会随的电压的变化而变化。
5.图1为传统阻容振荡器的电路图。
6.该阻容振荡器的基本组成包括电阻r和电容c1，这种电路的输出频率是靠电阻r的阻值和电容c1的容值，在结合后级逻辑门的阈值容差得到的，本质是靠通过电阻的电流对电容进行充放电的快慢来得到输出频率的高低。所以不难看出，当电源电压变化时，通过电阻对电容进行充电的电流会改变，从而电容的充放电速度会变化，导致最终输出频率的变化。
7.典型的张驰振荡器如图2所示。
8.该张驰振荡器包括两路电容和三极管组成，其中一路控制另一路三极管的导通与截止。具体来说，该电路是电流源通过逻辑电路的控制对电容轮番周期性充放电而产生周期方波信号，这种方式电压特性得以提升。
9.但是，振荡器产生频率的关联因素较多，不仅仅和充电电容c的容值有关还和基准电流有关，因此，这样设计起来相对于繁琐，并且基准电流在设计阶段和实际产品之间的误差相对较大，从而会引起产品频率的准确性，并且频率的一致性相对比较差，往往需要校准电路。


技术实现要素：

10.针对这些问题，本实用新型提供一款新型阻容张驰振荡器，该振荡器电路是集成在芯片内部，同时采用了减小频率对电压敏感性方法设计的一款内部集成高性能振荡器。
11.应当理解，本公开以上的一般性描述和以下的详细描述都是示例性和说明性的，并且旨在为本公开提供进一步的解释。
12.为了实现上述发明目的，本实用新型提供了一种新型阻容张驰振荡器，其特征在于，包括：
13.电流源模块、电流镜模块、比较器模块和时钟模块；其中，
14.所述电流镜模块，包括栅极互连的第一、第二晶体管，两晶体管的漏极分别通过第一、第二电容连接其源极，所述第一、第二晶体管的漏极分别通过第一、第二控制开关连接电源，所述第一、第二控制开关由一对相反信号控制；
15.所述比较器模块包括第一至第三比较器，所述第一比较器的反相输入端通过第一控制开关连接所述电源，其同相输入端连接到所述第一、第二晶体管的栅极，第二比较器的反相输入端通过第二控制开关连接到所述电源，其同相输入电连接所述第一比较器的同相输入端，第三比较器的同相输入端连接第一比较器的输出端，其反相输入端连接第二比较器的输出端；
16.时钟模块，包括锁存器和两个串联的第一、第二反相器，所述锁存器的输入端连接第三比较器的输出端，第二反相器的输出端连接输出时钟信号。
17.比较好的是，本实用新型进一步提供了一种新型阻容张驰振荡器，其特征在于，
18.所述第一、第二控制开关为低电平闭合，高电平断开，在所述相反信号控制下，所述第一、第二控制开关处于一个闭合一个断开状态。
19.比较好的是，本实用新型进一步提供了一种新型阻容张驰振荡器，其特征在于，所述时钟模块中的所述锁存器和所述第一反相器的输出端为所述电流镜模块的第一、第二控制开关分别提供控制信号。
20.比较好的是，本实用新型进一步提供了一种新型阻容张驰振荡器，其特征在于，所述电流源模块包括电源、电阻和驱动管，为所述电流镜模块提供偏置电流。
21.比较好的是，本实用新型进一步提供了一种新型阻容张驰振荡器，其特征在于，所述第一、第二晶体管和驱动管包括n型晶体管。
22.本实用新型的振荡器本质还是电容的充放电，但是它保证充放电的时间稳定性。
附图说明
23.现在将详细参考附图描述本公开的实施例。现在将详细参考本公开的优选实施例，其示例在附图中示出。在任何可能的情况下，在所有附图中将使用相同的标记来表示相同或相似的部分。此外，尽管本公开中所使用的术语是从公知公用的术语中选择的，但是本公开说明书中所提及的一些术语可能是申请人按他或她的判断来选择的，其详细含义在本文的描述的相关部分中说明。此外，要求不仅仅通过所使用的实际术语，而是还要通过每个术语所蕴含的意义来理解本公开。
24.下面，参照附图，对于熟悉本技术领域的人员而言，从对本实用新型的详细描述中，本实用新型的上述和其他目的、特征和优点将显而易见。
25.图1为传统阻容振荡器的电路图；
26.图2是典型的张驰振荡器的电路图；
27.图3所示为本实用新型的阻容张驰振荡器的电路组成图；
28.图4为结合图3对该电路的工作原理给予说明的示意图；
29.图5是图4第一、第二节点以及输出时钟clk的波形示意图。
30.附图标记
31.10――电流源模块
32.20――mos管电流镜模块
33.201――第一控制开关
34.202――第二控制开关
35.30――比较器模块
36.40――反相器模块
具体实施方式
37.为了更清楚地说明本技术的实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些示例或实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图将本技术应用于其他类似情景。除非从语言环境中显而易见或另做说明，图中相同标号代表相同结构或操作。
38.如本技术和权利要求书中所示，除非上下文明确提示例外情形，“一”、“一个”、“一种”和/或“该”等词并非特指单数，也可包括复数。一般说来，术语“包括”与“包含”仅提示包括已明确标识的步骤和元素，而这些步骤和元素不构成一个排它性的罗列，方法或者设备也可能包含其他的步骤或元素。
39.除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本技术的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
40.在本技术的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术保护范围的限制；方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。
41.为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在
……
之上”、“在
……
上方”、“在
……
上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在
……
上方”可以包括“在
……
上方”和“在
……
下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。
42.此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本技术保护范围的限制。此外，尽管本技术中所使用的术语是从公知公用的术语中选择的，但
是本技术说明书中所提及的一些术语可能是申请人按他或她的判断来选择的，其详细含义在本文的描述的相关部分中说明。此外，要求不仅仅通过所使用的实际术语，而是还要通过每个术语所蕴含的意义来理解本技术。
43.图3所示为本实用新型阻容张驰振荡器的电路组成图。
44.该电路包括电流源模块10、mos管电流镜模块20、比较器模块30和时钟模块40。
45.电流源模块10包括电源vdd、电阻r和驱动管n0，偏置给电流源n1和电流镜n2两路电流。电流镜模块20包括两个栅极互连的n型晶体管n1和n2，其漏极分别通过第一电容c0、第二电容c1连接源极，并与驱动管n0的源极相连。
46.在电流镜模块20中，两个n型晶体管n1和n2的漏极分别通过第一、第二控制开关201、202连接电源vdd，对控制开关201、202进行控制的信号sw、swb是一对相反的信号，该两控制开关属性为低电平闭合，高电平断开，所以两个开关的状态为一个闭合一个断开。
47.由第一～第三比较器cmp0，cmp1和cmp2组成比较器模块30，其中，第一比较器的反相输入端通过第一控制开关201连接电源vdd，其同相输入端连接到晶体管n1和n2的共连栅极。第二比较器的反相输入端通过第二控制开关202连接电源vdd，两比较器的同相输入端互连，第三比较器的同相输入端连接第一比较器的输出端，其反相输入端连接第二比较器的输出端，第三比较器的输出端连接时钟模块40。
48.时钟模块40包括锁存器sr和串联的第一、第二反相器inv1和inv2，其中锁存器的输入端连接第三比较器的输出端，锁存器的输出端连接第一反相器的输入端，第二反相器的输出端连接输出时钟信号clk，锁存器sr和第一反相器inv1的输出端为电流镜模块20的两控制开关201、202提供控制信号sw和swb。
49.图4为结合图3对该电路的工作原理给予说明。
50.首先，假设当前状态sw信号为低，则swb信号为高，由于开关是低电平信号闭合，高电平信号断开，所以第一控制开关201即sw开关闭合，则位于第一比较器cmp0反相输入端的第一节点net_cp0通过开关接到电源vdd，使得第一节点net_cp0节点的电压为vdd，第一比较器cmp0的输出为零，在此过程中，第二控制开关202为断开状态，这时由于电流镜n2以恒流i对电容c1放电，使得位于第二比较器cmp1反相输入端的第二节点net_cp1的电压由vdd线性下降，直到电压小于位于两个比较器cmp0和cmp1相连的同相输入端的第三节点net_ref的电压vref时，第二比较器cmp1输出反转为高，那么第三比较器cmp2输出为低。
51.经过时钟模块40中的锁存器sr与第一、第二反相器后，使得位于锁存器sr输出端的sw信号变为高，第一、第二反相器之间的swb信号变为低，于是电流镜模块20中受sw信号控制的第一控制开关201断开，受swb信号控制的第二控制开关202闭合，电容c0上的电压由电源电压vdd被n1电流源恒流放电至低于vref时，第二比较器cmp1输出高，电容c1上的电压由上一个状态被swb开关通过电源充到电源电压vdd，第二比较器cmp1的输出为低，第三比较器cmp2输出电压再一次反转，最终导致第三比较器cmp2输出端相连的锁存器sr和第一反相器inv1输出端的sw与swb信号也再次反转，这样又回到了前一个状态，两路开关状态互换，重复上面的过程。
52.如此交替，产生一个周期脉冲方波，即用作时钟clk。
53.由于rc振荡器的频率设计和调节是比较繁琐的事情。
54.那么看一下它的频率到底是多少，并且是否与电源电压有关。首先设电阻r的阻值
为r，电容c0和c1的容值相等均为c，第三节点net_ref的电压为vref，则通过电阻r的电流为(vdd-vref)/r。由于镜像偏置，n型晶体管n1和n2工作时的抽取电流和通过电阻r支路的电流相等，也为(vdd-vref)/r，第一比较器cmp0和第二比较器cmp1的正向输入端的电压即第三节点net_ref的电压为vref，通过前面分析，一个放电周期的过程是电容c0或c1的电压从电源电压vdd线性放电降低到vref的过程，所以一个放电周期的过程可表达为：
55.i*t/c＝vdd-vref
ꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
56.因为：
57.i＝(vdd-vref)/r
ꢀꢀꢀꢀ
(2)
58.所以第一个式子改写为：
59.(vdd-vref)*t/rc＝vdd-vref
60.最终可以得到：
61.t＝rc
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
62.第一节点net_cp0和第二节点net_cp1以及输出时钟clk的波形如图5所示。
63.可见，本振荡器半个周期的时间常数等于电阻的阻值乘以电容的容值。与其他参数无关。所以只要合理配比电阻的阻值和电容的容值就可以设计出所需要的频率的时钟信号。这样就使得设计简单化。同时频率在低阶理论上还不受电源电压波动的影响，简单实用。
64.经过实际测量，本振荡器可实现输出频率在16m下电源电压从2v到5.5v频率变化在正负2％以内的理想性能。
65.本实用新型的振荡器本质还是电容的充放电，但是它保证充放电的时间稳定，不受随电源的影响并且仅仅提通过rc参数就可以设计频率。
66.上文已对基本概念做了描述，显然，对于本领域技术人员来说，上述实用新型披露仅仅作为示例，而并不构成对本技术的限定。虽然此处并没有明确说明，本领域技术人员可能会对本技术进行各种修改、改进和修正。该类修改、改进和修正在本技术中被建议，所以该类修改、改进、修正仍属于本技术示范实施例的精神和范围。
67.同时，本技术使用了特定词语来描述本技术的实施例。如“一个实施例”、“一实施例”、和/或“一些实施例”意指与本技术至少一个实施例相关的某一特征、结构或特点。因此，应强调并注意的是，本说明书中在不同位置两次或多次提及的“一实施例”或“一个实施例”或“一替代性实施例”并不一定是指同一实施例。此外，本技术的一个或多个实施例中的某些特征、结构或特点可以进行适当的组合。
68.同理，应当注意的是，为了简化本技术披露的表述，从而帮助对一个或多个实用新型实施例的理解，前文对本技术实施例的描述中，有时会将多种特征归并至一个实施例、附图或对其的描述中。但是，这种披露方法并不意味着本技术对象所需要的特征比权利要求中提及的特征多。实际上，实施例的特征要少于上述披露的单个实施例的全部特征。
69.一些实施例中使用了描述成分、属性数量的数字，应当理解的是，此类用于实施例描述的数字，在一些示例中使用了修饰词“大约”、“近似”或“大体上”来修饰。除非另外说明，“大约”、“近似”或“大体上”表明所述数字允许有
±
20％的变化。相应地，在一些实施例中，说明书和权利要求中使用的数值参数均为近似值，该近似值根据个别实施例所需特点可以发生改变。在一些实施例中，数值参数应考虑规定的有效数位并采用一般位数保留的
方法。尽管本技术一些实施例中用于确认其范围广度的数值域和参数为近似值，在具体实施例中，此类数值的设定在可行范围内尽可能精确。
70.虽然本技术已参照当前的具体实施例来描述，但是本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本技术，在没有脱离本技术精神的情况下还可作出各种等效的变化或替换，因此，只要在本技术的实质精神范围内对上述实施例的变化、变型都将落在本技术的权利要求书的范围内。