[发明专利]一种用于张弛振荡器的可实现精确调频的电路

说明书

本发明公开了一种用于张弛振荡器的可实现精确调频的电路，相对于传统的张弛结构振荡器的调频方式，本发明利用多路反馈电压引入的误差巧妙解决了张弛振荡器结构难以实现精确调频的问题，使得张弛结构的振荡器甚至可以取代晶振用于一些对频率精度要求相对苛刻的电路中。

技术领域

本发明用于集成电路设计领域，具体涉及一种用于张弛振荡器的可实现精确调频的电路。

背景技术

提到便携式电子产品中的时钟源，最先想到的便是晶振电路。的确，晶振电路以其良好的频率精确性和稳定性在消费类芯片中的发展和应用取得了巨大成功。然而，晶振电路仍然存在两个致命的弊端：首先，起振时间较长。虽然近年来国内外采用了多种技术手段来减小晶振的起振时间，但是，因其晶体固有特性制约，几百微秒甚至毫秒级别的起振时间仍是在许多应用条件下无法接受的；第二，晶体的使用必然带来成本的开销。一方面晶体的价格甚至比一些芯片价格还要贵，另一方面，还会带来PCB板的开销，在一些便携式产品的应用中越来越受制约。因此，时钟源的片上集成化已成为近年来消费类芯片设计研究的一个重要方向。

张弛振荡器以其功耗低便于集成的特点而备受推崇，然而张弛振荡器输出频率易受工艺和温度的影响而产生较大偏差，另一方面，振荡频率受其固有结构的制约难以实现精确调节。图1是一个较为典型的张弛结构振荡器，主要包括调频模块和振荡模块。调频模块的工作原理类似于一个LDO，可通过改变可变电阻Rx的大小改变电流I，进而改变镜像到振荡模块的充电电流的大小。振荡模块的工作原理简单来说主要是利用调频模块为振荡模块提供偏置电流，在初始时刻电容C1被下拉到地，偏置电流流过C2给其充电至Vc1，当Vc1电压高于比较器的参考电压Vref2时至比较器翻转，比较器翻转输出经RS触发器后再控制充放电电容开关导致电容C2被下拉到地，偏置电流流过C1给其充电，就这样此过程交替进行从而产生时钟输出。在调频模块中，可通过调节可变电阻Rx进而调节充电电流的大小弥补由于器件工艺偏差导致的不同芯片之间或不同晶圆之间的频率偏差，可通过温度补偿电路弥补由于温度变化导致的频率偏差。然而，Rx的变化并不是一个线性过程，这就导致振荡器输出只能是按照频点变化，而可变电阻Rx的精度直接决定了振荡器输出的可调精度，然而单纯的改变Rx的大小又很难满足张弛振荡器在某些应用中的需求。下面通过一些数据来说明，例如，在USB传输应用中，根据USB的传输协议需要时钟源产生一个48MHz的时钟且频率偏差需在48MHz±120KHz范围内，对于图1所示的结构，假设调频模块反馈点电压Ve=1V，偏置电流按照三倍的关系镜像到振荡模块，振荡模块中比较器的参考电压为0.9V，同时，假设在接下来的计算过程中忽略比较器的传输延时，那么，电流对电容充电满足如下关系式，

（1）

其中，I=3I₀，t_r为电容充到Vc1点电压的上升时间，C为其中一个电容的容值，

（2）

其中，Vb=1V，R_tot=Rx+R₀，因为两个电容各充放电一次为一个时钟周期，因此，时钟周期的表达式为，

（3）