松弛振荡器及其自校准方法与流程

1.本发明涉及振荡器技术领域，特别涉及一种松弛振荡器及其自校准方法。


背景技术：

2.松弛振荡器是现代电子系统中一种常见的电路，其被广泛地应用在诸如无线电、电信、计算机等的电子系统中，用于产生频率稳定的时钟信号，然后将其分频并提供给其他的同步电路。松弛振荡器通常包括电阻-电容(rc)电路，通过rc电路对电容进行充电和放电来产生时钟信号，通过改变rc电路的时间常数来改变时钟信号的频率。
3.图1所示电路为现有松弛振荡器的简易电路图。其中，所述松弛振荡器包括第一电流源i1、第二电流源i2、电阻r、第一电容c1、nmos管m以及放大器amp。其中，所述第一电流源i1提供恒定电压vref，与所述放大器amp的反相输入端inn端相接，第二电流源i2提供输入电压，且与所述放大器amp的正相输入端inp端相接。所述放大器amp的输出端输出时钟信号ck，且所述时钟信号ck提供至所述nmos管m的栅极。当inp端电压低于inn端时，所述放大器amp输出为低电平即ck-，所述nmos管m截止，电流对电容c1充电，inp端电压逐渐升高。当inp端电压高过inn端电压时，所述放大器amp输出为高电平即ck ，所述nmos管m导通，电容c1放电，inp端电压逐渐降低，直到inp端电压低于inn端电压，从而形成一个周期振荡。如此循环往复，所述放大器amp的输出端输出方波时钟信号ck。
4.然而，由于cmos工艺的影响，放大器amp会有较大的失调电压，而且失调电压受pvt条件的影响比较大，这样就会造成inp端翻转电压值会发生变化，导致输出方波信号的频率会发生变化。
5.因此，亟需一种新的松弛振荡器，以降低失调电压，提高松弛振荡器的输出稳定性。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于提供一种松弛振荡器及其自校准方法，以解决如何降低失调电压以及如何提高输出稳定性中的至少一个问题。
7.为解决上述技术问题，本发明提供一种松弛振荡器，包括：主振荡器电路、第一调节电路和第二调节电路；
8.所述主振荡器电路用于生成时钟信号；
9.所述第一调节电路用于在所述时钟信号为高电平时，向所述主振荡电路提供第一调节信号；以及，在所述时钟信号为低电平时，存储所述第一调节电路的失调电压；
10.所述第二调节电路用于在所述时钟信号为高电平时，存储所述第二调节电路的失调电压；以及，在所述时钟信号为低电平时，向所述主振荡电路提供第二调节信号；
11.其中，所述第一调节信号根据所述第一调节电路的失调电压生成，所述第二调节信号根据所述第二调节电路的失调电压生成。
12.可选的，在所述的松弛振荡器中，所述主振荡器电路包括第一电流源、第二电流源
和第一放大器；其中，
13.所述第一放大器具有第一输入端、第二输入端、第三输入端和第四输入端；所述第一输入端与所述第二电流源相接，以接收输入电压；所述第二输入端与所述第一电流源相接，以接收参考电压；所述第三输入端和所述第四输入端与所述第一调节电路或所述第二调节电路相接。
14.可选的，在所述的松弛振荡器中，所述主振荡器电路还包括电阻、第一电容和nmos管；所述第一电流源的输出端与所述电阻的一端相接，所述电阻的另一端连接至接地端；所述第一电容的一端与所述第二电流源的输出端和所述nmos管的漏极相接，所述第一电容的另一端与所述nmos管的源极相接，并连接至接地端；所述nmos管的栅极与所述第一放大器的输出端相接，以接入时钟信号。
15.可选的，在所述的松弛振荡器中，所述第一调节电路包括第二放大器、第二电容、第一开关、第二开关、第三开关、第四开关、第五开关和第六开关；
16.所述第二放大器具有第五输入端、第六输入端、第七输入端和第八输入端；所述第五输入端与所述第二电流源的输出端相接，以接收所述输入电压；所述第六输入端与所述第一电流源之间连接有所述第二开关；所述第五输入端与所述第六输入端之间连接有所述第一开关；所述第七输入端与所述第二放大器的输出端之间连接有第五开关；所述第七输入端与所述第六输入端连接有所述第二电容；所述第八输入端与所述第三输入端之间连接有所述第三开关；所述第二放大器的输出端与所述第四输入端之间连接有所述第四开关；所述第八输入端与所述第六输入端之间连接有所述第六开关。
17.可选的，在所述的松弛振荡器中，当所述时钟信号为高电平时，所述第二开关、所述第三开关和所述第四开关闭合；所述第一开关、所述第五开关和所述第六开关断开，以使所述第二电容放电，且所述第二放大器的输出端输出所述第一调节信号至所述第四输入端；
18.当所述时钟信号为低电平时，所述第一开关、所述第五开关和所述第六开关闭合；所述第二开关、所述第三开关和所述第四开关断开，以使所述第二电容充电，且所述第二放大器的输出端的输出电压为所述第一调节电路的失调电压。
19.可选的，在所述的松弛振荡器中，所述第二调节电路包括第三放大器、第三电容、第七开关、第八开关、第九开关、第十开关、第十一开关和第十二开关；
20.所述第三放大器具有第九输入端、第十输入端、第十一输入端和第十二输入端；所述第九输入端与所述第二电流源的输出端相接，以接收所述输入电压；所述第十输入端与所述第一电流源之间连接有所述第八开关；所述第九输入端与所述第十输入端之间连接有所述第七开关；所述第十一输入端与所述第三放大器的输出端之间连接有第十一开关；所述第十一输入端与所述第十输入端连接有所述第三电容；所述第十二输入端与所述第三输入端之间连接有所述第九开关；所述第三放大器的输出端与所述第四输入端之间连接有所述第十开关；所述第十二输入端与所述第九输入端之间连接有所述第十二开关。
21.可选的，在所述的松弛振荡器中，当所述时钟信号为高电平时，所述第七开关、所述第十一开关和所述第十二开关闭合；所述第八开关、所述第九开关和所述第十开关断开，以使所述第三电容充电，且所述第三放大器的输出端的输出电压为所述第二调节电路的失调电压；
22.当所述时钟信号为低电平时，所述第八开关、所述第九开关和所述第十开关闭合；所述第七开关、所述第十一开关和所述第十二开关断开，以使所述第三电容放电，且所述第三放大器的输出端输出所述第二调节信号至所述第四输入端。
23.可选的，在所述的松弛振荡器中，所述第三输入端连接有第四电容，并连接至接地端；所述第三输入端连接有第五电容，并连接至接地端。
24.可选的，在所述的松弛振荡器中，所述第三输入端和所述第四输入端之间还并接有所述第六电容和第七电容。
25.基于同一发明构思，本发明还提供一种松弛振荡器的自校准方法，包括：
26.当主振荡器电路生成的时钟信号为高电平时，第一调节电路向所述主振荡电路提供第一调节信号，以修正所述主振荡器电路的失调电压；以及，第二调节电路存储所述第二调节电路的失调电压；
27.当所述主振荡器电路生成的时钟信号为低电平时，所述第二调节电路向所述主振荡电路提供第二调节信号，以修正所述主振荡器电路的失调电压；以及，所述第一调节电路存储所述第一调节电路的失调电压；
28.其中，所述第一调节信号根据所述第一调节电路的失调电压生成，所述第二调节信号根据所述第二调节电路的失调电压生成。
29.综上所述，本发明提供一种松弛振荡器及其自校准方法。其中，本发明在所述松弛振荡器中加设了第一调节电路和第二调节电路，且在时钟信号为高电平，第一调节电路向主振荡器电路中的第一放大器提供第一调节信号，第二调节电路存储自身失调电压；在时钟信号为低电平，第二调节电路向主振荡器电路中的第一放大器提供第二调节信号，第一调节电路存储自身失调电压。可见，本发明通过采集第一调节电路和第二调节电路中的自身的失调电压，生成对应的第一调节信号和第二调节信号，以分别在时钟信号为高电平和低电平时，分别补偿第一放大器的输入电压，从而降低第一放大器的失调电压，提高了第一放大器的输出稳定性，实现对松弛振荡器的失调电压的自校准，保证时钟信号的频率稳定。
附图说明
30.图1为现有技术中松弛振荡器的电路图。
31.图2本发明实施例中松弛振荡器的电路图。
32.图3本发明实施例中时钟信号为高电平时松弛振荡器的连接示意图。
33.图4本发明实施例中时钟信号为低电平时松弛振荡器的连接示意图。
具体实施方式
34.为使本发明的目的、优点和特征更加清楚，以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且未按比例绘制，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。此外，附图所展示的结构往往是实际结构的一部分。特别的，各附图需要展示的侧重点不同，有时会采用不同的比例。还应当理解的是，除非特别说明或者指出，否则说明书中的术语“第一”、“第二”、“第三”等描述仅仅用于区分说明书中的各个组件、元素、步骤等，而不是用于表示各个组件、元素、步骤之间的逻辑关系或者顺序关系等。
35.请参阅图2，本实施例提供一种松弛振荡器，包括：主振荡器电路、第一调节电路和第二调节电路；所述主振荡器电路用于生成时钟信号；所述第一调节电路用于在所述时钟信号为高电平时，向所述主振荡电路提供第一调节信号；以及，在所述时钟信号为低电平时，存储所述第一调节电路的失调电压；所述第二调节电路用于在所述时钟信号为高电平时，存储所述第二调节电路的失调电压；以及，在所述时钟信号为低电平时，向所述主振荡电路提供第二调节信号；其中，所述第一调节信号根据所述第一调节电路的失调电压生成，所述第二调节信号根据所述第二调节电路的失调电压生成。
36.可见，本发明通过采集第一调节电路和第二调节电路中的自身的失调电压，生成对应的第一调节信号和第二调节信号，以分别在时钟信号为高电平和低电平时，分别补偿主振荡器电路的输入电压，从而降低主振荡器电路中的失调电压，实现对松弛振荡器的失调电压的自校准，保证时钟信号的频率稳定性。
37.以下结合附图2-4具体说明本实施例提供的所述松弛振荡器。
38.请参阅图2，所述主振荡器电路包括第一电流源i1、第二电流源i2和第一放大器a1。其中，所述第一放大器a1具有第一输入端a1、第二输入端a2、第三输入端a3和第四输入端a4。所述第一输入端a1与所述第二电流源i2相接，以接收输入电压vin。所述第二输入端a2与所述第一电流源相接i1，以接收参考电压vref。所述第三输入端a3和所述第四输入端a4与所述第一调节电路或所述第二调节电路相接。进一步的，所述主振荡器电路还包括电阻r、第一电容c1和nmos管m。所述第一电流源i1的输出端与所述电阻r的一端相接，所述电阻r的另一端连接至接地端。所述第一电容c1的一端与所述第二电流源i2的输出端和所述nmos管m的漏极相接，所述第一电容c1的另一端与所述nmos管m的源极相接，并连接至接地端；所述nmos管m的栅极与所述第一放大器a1的输出端相接，以接入时钟信号ck。
39.进一步的，当输入电压vin低于参考电压vref时，所述第一放大器a1输出的时钟信号为低电平ck-，所述nmos管m截止，所述第二电流源i2的输出电流对所述第一电容c1充电，第一输入端a1的电压逐渐升高。当输入电压vin升高至大于参考电压vref时，所述第一放大器a1输出的时钟信号为高电平ck ，所述nmos管m导通，所述第一电容c1放电，第一输入端a1的电压逐渐降低，直到输入电压vin低于参考电压vref时，则形成所述主振荡器电路的一个周期振荡。
40.为避免失调电压造成所述主振荡器电路输出的所述时钟信号ck的频率不稳定，本实施例提供的所述松弛振荡器还设置有所述第一调节电路和第二调节电路。请继续参阅图2，所述第一调节电路包括第二放大器a2、第二电容c2、第一开关k1、第二开关k2、第三开关k3、第四开关k4、第五开关k5和第六开关k6。其中，所述第二放大器a2具有第五输入端b1、第六输入端b2、第七输入端b3和第八输入端b4。所述第五输入端b1与所述第二电流源i2的输出端相接，以接收所述输入电压vin。所述第六输入端b2与所述第一电流源i1之间连接有所述第二开关k2。所述第五输入端b1与所述第六输入端b2之间连接有所述第一开关k1。所述第七输入端b3与所述第二放大器a2的输出端之间连接有第五开关k5。所述第七输入端b3与所述第六输入端b2连接有所述第二电容c2。所述第八输入端b4与所述第一放大器a1的第三输入端a3之间连接有所述第三开关k3。所述第二放大器a2的输出端与所述第一放大器a1的第四输入端a4之间连接有所述第四开关k4。所述第八输入端b4与所述第六输入端b2之间连接有所述第六开关k6。
41.所述第二调节电路包括第三放大器a3、第三电容c3、第七开关k7、第八开关k8、第九开关k9、第十开关k10、第十一开关k11和第十二开关k12。其中，所述第三放大器a3具有第九输入端c1、第十输入端c2、第十一输入端c3和第十二输入端c4。所述第九输入端c1与所述第二电流源i2的输出端相接，以接收所述输入电压vin。所述第十输入端c2与所述第一电流源i1之间连接有所述第八开关k8。所述第九输入端c1与所述第十输入端c2之间连接有所述第七开关k7。所述第十一输入端c3与所述第三放大器a3的输出端之间连接有第十一开关k11。所述第十一输入端c3与所述第十输入端c2连接有所述第三电容c3。所述第十二输入端c4与所述第一放大器a1的第三输入端a3之间连接有所述第九开关k9。所述第三放大器a3的输出端与所述第一放大器a1的第四输入端a4之间连接有所述第十开关k10。所述第十二输入端c4与所述第九输入端c1之间连接有所述第十二开关k12。
42.进一步的，所述第一放大器a1的第三输入端a3连接有第四电容c4，并连接至接地端。所述第三输入端连接有第五电容c5，并连接至接地端。所述第一放大器a1的第三输入端a3和所述第四输入端a4之间还并接有所述第六电容c6和第七电容c7。
43.进一步的，所述第一放大器a1、所述第二放大器a2和所述第三放大器a3均为四输入放大器，且型号相同。其中，在所述松弛振荡器中，所述第一放大器a1为主放大器，所述第二放大器a2和所述第三放大器a3为辅助放大器。且所述第一放大器a1输出的时钟信号ck不仅是nmos管m的开关信号，也是开关k1-k12的控制信号，具体控制过程详见以下说明。
44.请参阅图2和3，当所述时钟信号为高电平ck 时，所述第一调节电路中的所述第二开关k2、所述第三开关k3和所述第四开关k4闭合；所述第一开关k1、所述第五开关k5和所述第六开关k6断开。可见，所述第二放大器a2中的所述第五输入端b1接入输入电压vin，述第六输入端b2接入参考电压vref。第二电容c2的两端分别与所述第六输入端b2和所述第七输入端b3连接。所述第八输入端b4与所述第三输入端a3相接，且所述第二放大器a2的输出端与所述第四输入端a4相接。此时，所述第二电容c2释放之前存储的所述第二放大器a2的失调电压，并基于此生成所述第一调节信号，以输入至所述第一放大器a1的所述第四输入端a4，以补偿所述第一放大器a1的输入电压vin，实现降低所述第一放大器a1的失调电压，保证所述第一放大器a1的输出稳定。
45.同时，所述第二调节电路中的所述第七开关k7、所述第十一开关k11和所述第十二开关k12闭合；所述第八开关k8、所述第九开关k9和所述第十开关k10断开。可见，所述第三放大器a3的第九输入端c1和第十输入端c2短接，且均接入所述输入电压vin。所述第三放大器a3的输出端接在所述第三电容c3上。此时，因第九输入端c1和第十输入端c2接入相同信号，故所述第三放大器a3的输出端输出的电压即为所述第三放大器a3的失调电压，并将所述失调电压存储至所述第三电容c3上。
46.请参阅图2和4，当所述时钟信号为低电平ck-时，所述第一调节电路中的所述第一开关k1、所述第五开关k5和所述第六开关k6闭合；所述第二开关k2、所述第三开关k3和所述第四开关k4断开。可见，所述第二放大器a2的第五输入端b1和第六输入端b2短接，且均接入所述输入电压vin。所述第二放大器a2的输出端接在所述第二电容c2上。此时，因第五输入端b1和第六输入端b2接入相同信号，故所述第二放大器a2的输出端输出的电压即为所述第二放大器a2的失调电压，并将所述失调电压存储至所述第二电容c2上。
47.同时，所述第二调节电路中的所述第八开关k8、所述第九开关k9和所述第十开关
k10闭合。所述第七开关k7、所述第十一开关k11和所述第十二开关k12断开。可见，所述第三放大器a3中的所述第九输入端c1接入输入电压vin，述第十输入端c2接入参考电压vref。第三电容c3的两端分别与所述第十输入端c2和所述第十一输入端c3连接。所述第十二输入端c4与所述第三输入端a3相接，且所述第三放大器a3的输出端与所述第四输入端a4相接。此时，所述第三电容c3释放之前存储的所述第三放大器a3的失调电压，并基于此生成所述第二调节信号，以输入至所述第一放大器a1的所述第四输入端a4，以补偿所述第一放大器a1的输入电压vin，实现降低所述第一放大器a1的失调电压，保证所述第一放大器a1的输出稳定。
48.可以理解的是，本实施例提供的所述第一调节电路和所述第二调节电路构成ping-pong结构，以分别在所述时钟信号ck为高电平和低电平的时候，对所述第一放大器a1的失调电压进行修调，缓解失调电压对输出信号的影响，保证输出信号频率的高稳定性。
49.进一步的，以所述第三放大器a3为例，假设所述第一放大器a1的第一输入端a1和第二输入端a2的接收信号增益为am；第三输入端a3和第四输入端a4的接收信号增益为amn。第二放大器a2的第五输入端b1和第六输入端b2的接收信号增益为an，第七输入端b3和所述第八输入端b4的接收信号增益为ann。同样，第三放大器a3的第九输入端c1和第十输入端c2的接收信号增益为an，第十一输入端c3和所述第十二输入端c4的接收信号增益为ann。
50.当所述时钟信号为高电平ck 时，所述第三放大器a3处于存储失调电压阶段，即所述第三放大器a3的输出电压为第三放大器a3的失调电压。加设第九输入端c1和第十输入端c2的失调电压为vosn，第十一输入端c3和所述第十二输入端c4的失调电压为vosn’，则所述第三放大器a3的输出电压von为：
51.anvosn-ann(vosn’ von)＝von
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
52.当所述时钟信号为低电平ck-时，所述第三放大器a3处于信号放大阶段，即输出所述第二调节信号至所述第一放大器a1。假设第一输入端a1和第二输入端a2的失调电压为vosm，第三输入端a3和第四输入端a4的失调电压为vosm’，则所述第一放大器a1的输出电压vo为：
53.vo＝am(vin vosm) amn(vcm vosm’)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
54.其中，vcm为所述第三放大器a3输入至所述第一放大器a1中的所述所述第二调节信号：
55.vcm＝anvin-annvon
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
56.令所述第一放大器a1的输出电压vo为零，则vin为所述第一放大器a1的失调电压，根据公式(1)、(2)和(3)可得，未设置所述第一调节电路和第二调节电路时的所述松弛振荡器的失调电压是所述第一放大器a1的失调电压的an倍。因此，本实施例提供的所述松弛振荡器通过采集第一调节电路和第二调节电路中的自身的失调电压，生成对应的第一调节信号和第二调节信号，以分别在时钟信号为高电平和低电平时，分别补偿第一放大器的输入电压，从而降低第一放大器a1的失调电压，提高了第一放大器a1的输出稳定性，实现对松弛振荡器的失调电压的自校准，保证时钟信号的频率稳定性。且在pvt条件下失调电压变化很小，解决在高精度振荡器设计过程中，由于比较器失调电压变化引入的输出信号频率误差的问题。
57.基于同一发明构思，本实施例还提供一种松弛振荡器的自校准方法，包括：当主振
荡器电路生成的时钟信号为高电平时，第一调节电路向所述主振荡电路提供第一调节信号，以修正所述主振荡器电路的失调电压；以及，第二调节电路存储所述第二调节电路的失调电压；当所述主振荡器电路生成的时钟信号为低电平时，所述第二调节电路向所述主振荡电路提供第二调节信号，以修正所述主振荡器电路的失调电压；以及，所述第一调节电路存储所述第一调节电路的失调电压；其中，所述第一调节信号根据所述第一调节电路的失调电压生成，所述第二调节信号根据所述第二调节电路的失调电压生成。
58.综上所述，本实施例提供一种松弛振荡器及其自校准方法。其中，本实施例在所述松弛振荡器中加设了第一调节电路和第二调节电路，且在时钟信号为高电平，第一调节电路向主振荡器电路中的第一放大器a1提供第一调节信号，第二调节电路存储自身失调电压；在时钟信号为低电平，第二调节电路向主振荡器电路中的第一放大器a2提供第二调节信号，第一调节电路存储自身失调电压。可见，本实施例通过采集第一调节电路和第二调节电路中的自身的失调电压，生成对应的第一调节信号和第二调节信号，以分别在时钟信号为高电平和低电平时，分别补偿第一放大器a1的输入电压，从而降低第一放大器a1的失调电压，提高了第一放大器a1的输出稳定性，实现对松弛振荡器的失调电压的自校准，保证时钟信号的频率稳定性。
59.此外还应该认识到，虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而上述实施例并非用以限定本发明。对于任何熟悉本领域的技术人员而言，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围。