一種采用半周期預充電補償技術的電阻電容型弛豫振蕩器的制造方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種電阻電容型弛豫振蕩器，具體涉及一種采用半周期預充電補償技 術的電阻電容型弛豫振蕩器，屬于集成電路設計領域。
【背景技術】
[0002] 電阻電容型弛豫振蕩器具有快速啟動、低功耗、低成本、在CMOS工藝中片上集成 等優(yōu)點，可廣泛應用于超低功耗需求場景下的時鐘產(chǎn)生電路，如無線傳感網(wǎng)絡節(jié)點的定時 喚醒電路等。
[0003] 電阻電容型弛豫振蕩器（RelaxationOscillator)是一種利用RC振蕩產(chǎn)生周期 性方波的電路，其基本原理是利用對電容進行周期性的充放電，從而產(chǎn)生周期性的振蕩輸 出。如圖1所示，一個完整的傳統(tǒng)電阻電容型弛豫振蕩器包括參考電流IREF產(chǎn)生電路、一個 參考電阻器R、兩個計時電容器C1和C2(振蕩器輸出50%占空比時C1和C2值相等為C)、 兩個電壓比較器C0MP1和C0MP2、一個SR鎖存器以及四個充放電開關S1、S2、S3和S4。參 考電流產(chǎn)生電路產(chǎn)生兩路相同的電流IREF，一路流過電阻產(chǎn)生參考電壓VREF=Iref*R，另一路 電流給兩個計時電容器Cl和C2輪流充電。首先充電電流IREF給計時電容器Cl充電，電容 C1上的電壓逐漸升高至VREF，比較器C0MP1發(fā)生翻轉使得SR鎖存器的S信號從低電平變?yōu)?高電平，則Q為高電平且QB為低電平，從而電容C1停止充電并放電，充電電流IREF開始為 計時電容器C2充電，以此循環(huán)往復，兩個計時電容器通過Q和QB的控制交替充放電，使電 路不停產(chǎn)生振蕩輸出；理想情況下由CVref=IREFT(]se/2可得振蕩器周期為T(]se= 2RC，則振 蕩頻率為
[0004]
(1)
[0005] 實際情況下，由于比較器中放大器的放大倍數(shù)并非無窮大，并且比較器的輸入到 輸出存在一定的時間延遲，因此計時電容器上的電壓VC1/VC2與參考電壓VREF相等時，比較 器的輸出不會立刻發(fā)生翻轉。只有當計時電容器上的電壓超過參考電壓一定值時，比較器 才能夠檢測到這個微小的電平差，通過放大并經(jīng)過一定延遲后使得輸出發(fā)生翻轉。此外， SR鎖存器的S/R輸入到Q/QB輸出之間也存在一定的時間延遲。如圖2所示，從比較器輸 入（即計時電容器上的電壓升高到參考電壓的時刻）到SR鎖存器輸出（即產(chǎn)生Q信號的 翻轉）之間存在時間延遲
[0006] td=tc〇MP+tsR^ ⑵其中traMp和tSR分別表示比較器和SR鎖存器的延遲 時間，則圖1中的電阻電容型弛豫振蕩器的實際振蕩周期則為TQse= 2(RC+td)，實際振蕩頻 率為
[0007]
(3)
[0008] 即振蕩器的振蕩頻率由于延遲時間td的存在而變小。延遲時間td的存在從兩個 方面影響振蕩器的頻率精度：第一，延遲時間td的存在使振蕩器的頻率偏移1A2RC)，頻率 變低；第二，延遲時間td隨工藝波動、電源電壓波動以及溫度波動的變化較大，從而使得振 蕩器的頻率隨工藝、電壓和溫度變化產(chǎn)生不同程度的偏移，頻率精度急劇下降。延遲時間td 的影響使得在切換頻率的應用時電阻電容型弛豫振蕩器無法準確切換到相應的頻率。傳統(tǒng) 上降低延遲時間td產(chǎn)生的影響主要是依靠減小t,的絕對值，使其占時鐘周期2RC的比例減 小即RC?td，這樣延遲時間的波動對頻率的影響也可以忽略。然而這會帶來比較器以及SR 鎖存器的功耗的急劇增加，從而提高了整個振蕩器的功耗，這種方案并不適用于超低功耗 的應用需求；另外這種方案從原理上無法完全消除延遲時間、對振蕩器頻率的影響。

【發(fā)明內容】

[0009] 針對惡化電阻電容型弛豫振蕩器頻率精度的延遲時間td，本發(fā)明提出一種半周期 預充電補償?shù)募夹g，該技術可以從根本上消除比較器和SR鎖存器產(chǎn)生的延遲時間td在振 蕩器周期中引入的誤差，使得2RC，從而也從根源上消除振蕩器頻率隨工藝波動、電 源電壓波動以及溫度波動的變化，提高了振蕩器的頻率精度。
[0010] 本發(fā)明的技術方案為：
[0011] -種新型的電阻電容型弛豫振蕩器，其特征在于利用計時電容器在每個周期中空 閑的半個周期進行預充電以補償比較器和鎖存器產(chǎn)生的延遲時間、，進一步的，所述的采 用半周期預充電補償技術的新型電阻電容型弛豫振蕩器包括一個參考電壓產(chǎn)生電路、兩個 計時電容器充放電電路、兩個參考電壓切換電路、兩個比較器、一個SR鎖存器、一個充放電 控制邏輯產(chǎn)生電路和兩個輸出緩沖器。所述的新型電阻電容型弛豫振蕩器通過一個振蕩器 控制信號〇SC_CTRL進行控制，產(chǎn)生兩路互為反相的時鐘輸出；在控制信號0SC_CTRL為低電 平時，振蕩器處于復位狀態(tài)，兩路時鐘輸出中一路恒為高電平，一路恒為低電平；在控制信 號0SC_CTRL為高電平時，振蕩器處于工作狀態(tài)；在控制信號0SC_CTRL上升沿到來之后的第 一個振蕩周期，振蕩頻率為V(2RC+td)，從第二個周期開始，振蕩頻率為消除了延遲時間td 后的頻率1A2RC)。
[0012] 進一步的，所述新型電阻電容型弛豫振蕩器，每一個振蕩周期可以分為兩個階段： 正常充電階段和預充電階段，每半個周期為一個階段。傳統(tǒng)電阻電容型弛豫振蕩器因比較 器和SR鎖存器的延遲時間td產(chǎn)生的誤差可以用計時電容器上的過充電電壓Vtd表征，Vtd為 每個周期充電階段計時電容器上的最高電壓與參考電壓VREF的差值。半周期預充電補償技 術的基本原理如圖4所示，是將振蕩器的每個振蕩周期分為兩個階段，在計時電容器正常 充電階段開始前的空閑的半個周期內，對計時電容器進行預充電至電壓為Vb_，從而計時 電容器開始正常充電階段時其充電起始電壓為Vb_;通過控制預充電電流和預充電時間使 得Vb_=Vtd，則比較器和SR鎖存器產(chǎn)生的延遲時間td在振蕩器的振蕩周期中產(chǎn)生的誤差 可以消除，使得振蕩器的振蕩頻率完全由電阻和電容決定f<3Se= 1A2RC)。
[0013] 進一步的，所述新型電阻電容型弛豫振蕩器，兩個比較器的正輸入端口分別接兩 個計時電容器上的電壓，負輸入端口分別接參考電壓。該參考電壓通過一個控制信號的控 制，分別利用兩個參考電壓選擇電路進行切換；在正常充電階段比較器的負輸入端口的參 考電壓切換為VREF，在預充電階段比較器的負輸入端口的參考電壓切換為零。
[0014] 進一步的，所述新型電阻電容型弛豫振蕩器，預充電階段的充電電流與正常充電 階段的充電電流相等，預充電階段與正常充電階段使用的是同一個比較器；正常充電階段 的充電時間通過一個控制信號控制，預充電階段的充電時間通過另一個控制信號控制。
[0015] 進一步的，所述新型電阻電容型弛豫振蕩器，比較器參考電壓控制信號、預充電控 制信號、正常充電控制信號以及放電控制信號通過充放電控制邏輯產(chǎn)生電路給出，充放電 控制邏輯產(chǎn)生電路利用S信號、R信號、Q信號、QB信號以及外部所給的振蕩器控制信號 0SC_CTRL進行控制，產(chǎn)生振蕩器所需的各內部控制信號。
[0016] 進一步的，所述新型電阻電容型弛豫振蕩器，SR鎖存器通過振蕩器控制信號0SC_ CTRL進行控制，復位其初始電壓。
[0017] 進一步的，所述新型電阻電容型弛豫振蕩器，充電電流IC1、IC2均與IREF相等；
[0018] 進一步的，所述新型電阻電容型弛豫振蕩器，參考電壓產(chǎn)生電路產(chǎn)生參考電壓 VREF，參考電阻由正溫度系數(shù)電阻和負溫度系數(shù)電阻串聯(lián)而成。
[0019] 進一步的，所述新型電阻電容型弛豫振蕩器，計時電容器可以由電容陣列構成，通 過切換電容值，根據(jù)電容值的比例可精確切換振蕩頻率；
[0020] 進一步的，新型電阻電容型弛豫振蕩器，輸出緩沖器由兩個反相器級聯(lián)構成。
[0021] 與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點：
[0022] (1)振蕩器頻率精度高，半周期預充電補償技術從根本上完全消除比較器和SR鎖 存器產(chǎn)生的延遲時間td的影響，使振蕩器的頻率精度大大提高，不受PVT波動的影響；
[0023] (2)結構簡單，本發(fā)明充利用空閑的半個周期進行預充電，增加的充放電控制邏輯 產(chǎn)生電路和參考電壓切換電路的控制信號由電路本身的內部信號產(chǎn)生；
[0024] (3)增加的硬件代價小從而具有成本低的優(yōu)勢，且不增加整個電路的靜態(tài)功耗從 而保持了電阻電容型弛豫振蕩器的超低功耗應用的優(yōu)勢；
[0025] (4)啟動速度快，在振蕩器控制信號有效后，振蕩器僅需一個周期的時間即可進入 頻率精確的穩(wěn)定振蕩過程。
【附圖說明】
[0026] 圖1是傳統(tǒng)弛豫振蕩器結構圖；
[0027] 圖2是傳統(tǒng)弛豫振蕩器工作原理圖；
[0028] 圖3是采用半周期預充電補償技術的弛豫振蕩器結構圖；
[0029] 圖4是半周期預充電補償技術原理圖；
[0030] 圖5是半周期預充電補償技術的控制邏輯時序圖。
【具體實施方式】
[0031] 下面通過具體實施例，并配合附圖，對本發(fā)明做詳細的說明。
[0032] 圖3是本發(fā)明所提出的具有半周期預充電補償?shù)男滦碗娮桦娙菪统谠フ袷幤鞯?結構。振蕩器主要包括一個參考電壓產(chǎn)生電路、兩個計時電容器充放電電路、兩個參考電壓 切換電路、兩個比較器、一個SR鎖存器、一個充放電控制邏輯產(chǎn)生電路和兩個輸出緩沖器。
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