一种基于动态元件匹配的低温漂弛豫振荡器的制作方法

本发明属于集成电路时钟生成，具体涉及一种基于动态元件匹配的低温漂弛豫振荡器。

背景技术：

1、弛豫振荡器是片上时钟系统的核心模块，广泛应用于微控制器、电源管理芯片、物联网终端等场景，无需外接晶振即可生成系统所需的时钟信号。现有弛豫振荡器通常基于电容充放电原理，通过比较器检测电容电压阈值，配合逻辑电路实现周期振荡。

2、现有技术存在以下缺陷：第一，充放电电流源存在工艺失配，导致充放电电流不对称，振荡频率精度低，且对版图匹配设计要求极高；第二，开关切换过程中存在电荷注入与时钟馈通效应，易导致电流镜管脱离饱和区，产生切换噪声与建立误差，恶化相位噪声性能；第三，振荡频率易受温度变化影响，温漂系数大，难以满足宽温域下的时钟精度需求。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于动态元件匹配的低温漂弛豫振荡器，在提升电流匹配精度、降低切换噪声的同时，实现极低的温度漂移系数，提升时钟稳定性与工艺适配性。

2、一种基于动态元件匹配的低温漂弛豫振荡器，包括充放电电流镜模块、比较器、逻辑控制单元、充放电电容、动态元件匹配（dynamic element matching，简称 dem）模块以及虚拟电压存储节点。

3、所述充放电电流镜模块采用电流均分结构，生成幅值相等的充电电流与放电电流；所述动态元件匹配模块连接于所述充放电电流镜模块的电流源阵列，用于通过动态轮换消除电流源失配误差；所述虚拟电压存储节点连接于电流镜的开关切换节点，用于吸收开关切换产生的电荷注入，使电流镜在开关切换过程中保持饱和工作状态。

4、所述比较器的第一输入端接入所述充放电电容的极板电压，第二输入端分时接入第一参考电压与第二参考电压；所述第一参考电压与第二参考电压的差值、以及所述充放电电流均具有相同的温度系数，使振荡器输出时钟的频率具备低温漂特性。

5、所述逻辑控制单元根据所述比较器的输出信号生成开关控制信号，控制充放电通路的切换与参考电压的切换。

6、进一步地，所述电流均分结构包括第一 nmos 管与第二 nmos 管；二者栅极互连、源极共地，具有相同的栅源电压与过驱动电压，漏极电流幅值相等，分别作为充电电流与放电电流。

7、进一步地，所述动态元件匹配模块通过周期轮换电流源阵列的接入顺序，平均抵消各电流源之间的尺寸失配与阈值失配，在不提升版图要求的前提下提高电流匹配精度。

8、进一步地，所述虚拟电压存储节点为无源电容节点，在开关切换瞬间维持电流镜管的漏源电压稳定，使其始终工作在饱和区，消除切换建立过程带来的非线性噪声。

9、进一步地，所述第一参考电压为带隙基准电压 vr，所述第二参考电压为双极型三极管发射结电压 vbe3；二者的差值为正温度系数，所述充放电电流为正温度系数，二者相除后振荡周期仅与电阻、电容参数相关，选取低温漂电阻与电容即可得到低温漂时钟输出。

10、对应地，本发明还提供一种基于动态元件匹配的低温漂弛豫振荡方法，包括：采用动态元件匹配消除电流源失配，采用电流均分结构生成对称充放电电流；电容放电至下限阈值时切换为充电状态，充电至上限阈值时切换为放电状态，循环振荡；开关切换过程中通过虚拟电压存储节点维持电流镜饱和，抑制切换噪声；利用同温度系数的电压差与电流相消，实现低温漂时钟输出。

11、本申请实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

12、电流匹配精度高：采用动态元件匹配技术动态轮换电流源，从时间维度平均消除工艺失配误差，无需高精度版图匹配即可实现高一致性的充放电电流，降低版图设计难度与工艺敏感度。

13、切换噪声低：通过虚拟电压存储技术吸收开关电荷注入，使电流镜在切换全程保持饱和工作状态，无额外建立过程与建立噪声，显著减小开关切换带来的非线性噪声，优化相位噪声性能。

14、温度稳定性优：利用正温度系数的参考电压差与正温度系数的充放电电流进行运算，使振荡频率仅取决于电阻与电容参数，搭配低温漂阻容器件即可实现极低的温度漂移系数，适配宽温工作场景。

15、充放电对称性好：采用共栅共源的电流均分结构，保证充电电流与放电电流幅值严格相等，提升振荡波形对称性与频率精度。

1.一种基于动态元件匹配的低温漂弛豫振荡器，其特征在于，包括充放电电流镜模块、比较器、逻辑控制单元、充放电电容、动态元件匹配模块以及虚拟电压存储节点；

2.根据权利要求1所述的基于动态元件匹配的低温漂弛豫振荡器，其特征在于，所述电流均分结构包括第一nmos管与第二nmos管；所述第一nmos管与第二nmos管的栅极相连、源极共地，二者具有相同的过驱动电压，漏极电流幅值相等；所述第一nmos管的漏极电流为充电电流，所述第二nmos管的漏极电流为放电电流。

3.根据权利要求1所述的基于动态元件匹配的低温漂弛豫振荡器，其特征在于，所述动态元件匹配模块为动态元件匹配dem电路，通过周期轮换电流源阵列的接入顺序，平均抵消各电流源之间的尺寸失配与阈值失配，提升电流匹配精度。

4.根据权利要求1所述的基于动态元件匹配的低温漂弛豫振荡器，其特征在于，所述虚拟电压存储节点为无源电容节点，在开关切换瞬间维持电流镜管的漏源电压稳定，使其始终工作在饱和区，消除切换建立噪声。

5.根据权利要求1所述的基于动态元件匹配的低温漂弛豫振荡器，其特征在于，所述第一参考电压为带隙基准电压vr，所述第二参考电压为三极管发射结电压vbe3；二者的差值为正温度系数，所述充放电电流为正温度系数，二者相除后得到的振荡周期仅与电阻、电容的参数相关。

6.根据权利要求5所述的基于动态元件匹配的低温漂弛豫振荡器，其特征在于，所述充放电电流满足关系式：

7.一种基于动态元件匹配的低温漂弛豫振荡方法，其特征在于，应用于权利要求1至6任一项所述的弛豫振荡器，所述方法包括：