一种应用于温度传感器的低功耗RC振荡器制造技术

本发明专利技术涉及一种应用于温度传感器的低功耗RC振荡器。该振荡器通过电容倍增技术、高阶温度补偿技术，减少了版图面积及由温度变化引起的输出频率漂移，除此之外，本发明专利技术通过多量程频率修调技术，减少了该振荡器在量产中由制造工艺引起的非线性因素的影响。该发明专利技术通过结构优化和技术创新，能够在低功耗下实现高稳定的效果，适用于温度传感器系统。适用于温度传感器系统。适用于温度传感器系统。

【技术实现步骤摘要】
一种应用于温度传感器的低功耗RC振荡器


[0001]本专利技术涉及一种应用于温度传感器的低功耗RC振荡器。

技术介绍

[0002]体积不断缩小的物联网节点对芯片大小的要求变得越来越苛刻，为了节省外部时钟晶体，片上RC振荡器成为有效的替代方案。然而，温度、电压变化和内部噪声都会引起RC振荡器的频率偏差，当频率偏差积累产生较大计时误差时，会出现信号收发失配、数据丢包等严重问题。传统的比较器类型的RC振荡器由基准电流、充放电电容、比较器和RS触发器组成，其工作原理是利用恒定电流对电容进行周期性充放电，再与比较器反相输入端参考电压进行比较，当低于或高于参考电压时，输出端状态发生改变，最终得到一定频率的时钟信号。但是由于实际电路中存在延时和温度等因素，其将严重影响振荡频率。

技术实现思路

[0003]本专利技术的目的在于提供一种应用于温度传感器的低功耗RC振荡器，该振荡器通过电容倍增技术、高阶温度补偿技术，减少了版图面积及由温度变化引起的输出频率漂移，除此之外，本专利技术通过多量程频率修调技术，减少了该振荡器在量产中由制造工艺引起的非线性因素的影响。
[0004]为实现上述目的，本专利技术的技术方案是：一种应用于温度传感器的低功耗RC振荡器，包括依次连接的斩波运算放大器、电容倍增器、压控振荡器、两相不交叠信号产生电路、校准电路、电阻校准及温度补偿电路，还包括用于为整个RC振荡器提供电流偏置的电流偏置电路。
[0005]在本专利技术一实施例中，所述电流偏置电路内部本身为一个带隙基准源，电流偏置电路中两个PNP管的偏置电流比为5:1，电流镜采用共源共栅结构，带隙参考电路使运算放大器的输入端电压相等，让ΔVBE电压加在偏置电阻Rbias上，从而产生PTAT的偏置电流Ibias＝ΔVBE/Rbias；电流偏置电路还采用有限电流增益补偿技术，即在大电流偏置的BJT管基级上串联一个Rbias/m电阻实现补偿。
[0006]在本专利技术一实施例中，所述压控振荡器采用基于漏电的差分环形振荡器，利用晶体管的漏电完成信号翻转，产生时钟；利用差分结构，提高振荡器的共模噪声抑制能力，并能工作在0.7V的低电源电压下，对电压变化不敏感，利用较低的功耗产生更加稳定的时钟。
[0007]在本专利技术一实施例中，所述压控振荡器包括晶体管M1至M10，电容C1、C2，M1、M2的栅极分别与M7、M8的栅极连接，并分别作为压控振荡器的两个输入，M1、M2的源极均连接至电源端，M1、M2的漏极分别与M3、M4的源极连接，M3、M4的栅极分别与M5、M6的栅极连接，且M3的栅极还与M4、M6、M10的漏极以及C2的一端连接，并作为压控振荡器的第一输出，M4的栅极还与M3、M5、M9的漏极以及C1的一端连接，并作为压控振荡器的第二输出，M5、M6的源极分别与M7、M8的漏极连接，M7、M8的源极与M9、M10的源极以及C1、C2的另一端相连接至地端，M9、M10的栅极均作为压控振荡器的控制电压输入端。
[0008]在本专利技术一实施例中，所述压控振荡器的工作方式如下：当控制电压VCTRL有效时，M9和M10两个高阈值nmos管处于亚阈值导通状态，并且压控振荡器的第一输出OUTP和压控振荡器的第二输出OUTN互为反信号，其作为下一级压控振荡器的两个输入INP和INN时也为反信号；其工作过程为：当INP为高信号时，nmos管M7导通，M9和M7形成放电通路，将电容C上存储的电荷放电到地，VCTRL在锁定状态下总保持恒定，相应支路总保持以恒定电流放电，因此OUTN信号以I
M9
/C的恒定斜率下降，其中I
M9
为流过nmos管M9的电流，C为电容C1的容值；当OUTN下降至反相器阈值电压时，在导通的M2的作用下，OUTP信号会被迅速充电到电源电压，即OUTN很快翻转为高，使得反信号OUTN被迅速从阈值电压拉低到地，延迟单元完成一次翻转；在此过程中，左侧支路事实上只起到下拉作用，右侧支路只有pmos管起到上拉作用，并利用OUTN和OUTP的互反关系的正反馈，完成迅速翻转；忽略正反馈促进的短暂翻转时间，从输入信号INP到输出信号OUTP实现ΔVC/I
M9
的同向延迟，其中ΔVC为电容C1与C2的电压差值。
[0009]在本专利技术一实施例中，所述两相不交叠信号产生电路包括晶体管M1至M8，M1、M2的栅极分别作为两相不交叠信号产生电路的两个输入，M1、M2的源极与M3、M4的源极相连接至地端，M1、M2的漏极分别与M3、M4的栅极，M5、M6的源极，M7、M8的栅极连接，M1的漏极还与M4、M6、M8的漏极相连接作为两相不交叠信号产生电路的第一输出，M2的漏极还与M3、M5、M7的漏极相连接作为两相不交叠信号产生电路的第二输出，M5、M6的栅极与M7、M8的源极相连接至电源端。
[0010]在本专利技术一实施例中，所述两相不交叠信号产生电路的工作方式如下：
[0011]令，两相不交叠信号产生电路的第一输入VCOCLK和两相不交叠信号产生电路的第二输入VCOCLKN为VCO输出的时钟信号的一组反信号，φ+和φ
‑
为两相不交叠信号产生电路产生的两相不交叠的时钟信号；在VCOCLK为高时，φ+为低，M7会逐渐将φ
‑
信号拉高，φ+和φ
‑
产生一个短暂的不交叠时间，而在这个拉高的过程中，M2和M3处于关断状态，在电源端和地端之间没有直流通路，因此电路具有极低的静态功耗。
[0012]在本专利技术一实施例中，所述电容倍增器为基于运放的电容倍增器电路，包括电阻R1、R2，电容C1，运算放大器，R1的一端与R2的一端相连接作为电容倍增器的输入端，R1的另一端经C1连接至地端，R1的另一端还与运算放大器的同相输入端连接，R2的另一端与运算放大器的反相输入端、输出端连接，并作为电容倍增器的输出端；若运算放大器增益较大，则根据“虚短”原则，U
+
＝U
‑
＝U
o
；流过R1的电流为I1＝(U
i
‑
U
o
)/R1，U
i
、U
o
分别为电容倍增器输入电压、输出电压，则由“虚断”原则，可得：
[0013][0014]输出等效电容为
[0015][0016]由公式(1)、(2)可得等效电容为
[0017]在本专利技术一实施例中，所述校准电路为选通电容阵列电路，用于粗调振荡器频率。
[0018]在本专利技术一实施例中，所述电阻校准及温度补偿电路采用高阶温度补偿技术，通过使用负温度系数的多晶硅电阻和正温度系数扩散电阻按预定比例混合，得到一个阻值随
温度变化相对小的电阻，但此时由于电阻温度系数的非线性，混合电阻依旧具有温度系数；因此，为得到一个更低温度系数的电阻，利用补偿电流对其进行二阶补偿。
[0019]相较于现有技术，本专利技术具有以下有益效果：针对振荡器充放电支路存在的温度、电源电压稳定性的矛盾，提出了本专利技术具有斩波结构的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种应用于温度传感器的低功耗RC振荡器，其特征在于，包括依次连接的斩波运算放大器、电容倍增器、压控振荡器、两相不交叠信号产生电路、校准电路、电阻校准及温度补偿电路，还包括用于为整个RC振荡器提供电流偏置的电流偏置电路。2.根据权利要求1所述的一种应用于温度传感器的低功耗RC振荡器，其特征在于，所述电流偏置电路内部本身为一个带隙基准源，电流偏置电路中两个PNP管的偏置电流比为5:1，电流镜采用共源共栅结构，带隙参考电路使运算放大器的输入端电压相等，让ΔVBE电压加在偏置电阻Rbias上，从而产生PTAT的偏置电流Ibias＝ΔVBE/Rbias；电流偏置电路还采用有限电流增益补偿技术，即在大电流偏置的BJT管基级上串联一个Rbias/m电阻实现补偿。3.根据权利要求1所述的一种应用于温度传感器的低功耗RC振荡器，其特征在于，所述压控振荡器采用基于漏电的差分环形振荡器，利用晶体管的漏电完成信号翻转，产生时钟；利用差分结构，提高振荡器的共模噪声抑制能力，并能工作在0.7V的低电源电压下，对电压变化不敏感，利用较低的功耗产生更加稳定的时钟。4.根据权利要求1或3所述的一种应用于温度传感器的低功耗RC振荡器，其特征在于，所述压控振荡器包括晶体管M1至M10，电容C1、C2，M1、M2的栅极分别与M7、M8的栅极连接，并分别作为压控振荡器的两个输入，M1、M2的源极均连接至电源端，M1、M2的漏极分别与M3、M4的源极连接，M3、M4的栅极分别与M5、M6的栅极连接，且M3的栅极还与M4、M6、M10的漏极以及C2的一端连接，并作为压控振荡器的第一输出，M4的栅极还与M3、M5、M9的漏极以及C1的一端连接，并作为压控振荡器的第二输出，M5、M6的源极分别与M7、M8的漏极连接，M7、M8的源极与M9、M10的源极以及C1、C2的另一端相连接至地端，M9、M10的栅极均作为压控振荡器的控制电压输入端。5.根据权利要求4所述的一种应用于温度传感器的低功耗RC振荡器，其特征在于，所述压控振荡器的工作方式如下：当控制电压VCTRL有效时，M9和M10两个高阈值nmos管处于亚阈值导通状态，并且压控振荡器的第一输出OUTP和压控振荡器的第二输出OUTN互为反信号，其作为下一级压控振荡器的两个输入INP和INN时也为反信号；其工作过程为：当INP为高信号时，nmos管M7导通，M9和M7形成放电通路，将电容C上存储的电荷放电到地，VCTRL在锁定状态下总保持恒定，相应支路总保持以恒定电流放电，因此OUTN信号以I
M9
/C的恒定斜率下降，其中I
M9
为流过nmos管M9的电流，C为电容C1的容值；当OUTN下降至反相器阈值电压时，在导通的M2的作用下，OUTP信号会被迅速充电到电源电压，即OUTN很快翻转为高，使得反信号OUTN被迅速从阈值电压拉低到地，延迟单元完成一次翻转；在此过程中，左侧支路事实上只起到下拉作用，右侧支路只有pmos管起到上拉作用，并利用OUTN和OUTP的互反关系的正反馈，完成迅速...

【专利技术属性】
技术研发人员：魏榕山，林辉山，刘其斌，徐金彪，程捷文，
申请(专利权)人：福州大学，
类型：发明
国别省市：