具有频率自校准功能的片上RC振荡器及频率自校准方法

摘要

本发明提供一种具有频率自校准功能的片上RC振荡器，包括电流产生模块、OSC输出模块、可变电容阵列、可变电阻阵列以及频率校准模块。它利用一个作为参考的系统时钟信号驱动频率校准模块来调整可变电阻阵列以改变电压产生模块的输出电流大小，以及改变可变电容阵列的电容值，这样达到了校准RC振荡器输出频率值的目的，以便于消除因为制造工艺参数、供电电压、及温度的变化引起RC振荡器输出频率值的变化。其校准精度决定于可变电阻和可变电容的比特数之和。

主权项

一种具有频率自校准功能的片上RC振荡器，包括电流产生模块(11)、OSC输出模块(12)、可变电容(13)、可变电阻(14)以及频率校准模块(15)；所述电流产生模块(11)用于与可变电阻(14)共同协作产生充放电电流对可变电容(13)进行充放电，以产生一个交变的电压VB，输入到OSC输出模块；所述OSC输出模块利用上述输入的电压VB，产生RC振荡器输出信号的同相信号Q和反相信号QN，并反馈控制电流产生模块(11)对可变电容(13)的充放电；所述频率校准模块(15)用于校准可变电阻(14)和可变电容(13)，以使RC振荡器获得精准的输出频率值；其特征在于：电流产生模块(11)包括启动电路、电流产生及偏置电路以及电流充放电电路；启动电路包括PMOS管M1p、M2p，NMOS管M0n、M1n、M2n；电流产生及偏置电路包括PMOS管M3p、M4p、M5p、M6p、M7p、M8p、M9p、M10p和NMOS管M3n、M4n、M5n、M6n、M7n、M8n、M9n；电流充放电电路包括PMOS管M11p、M12p、M13p、M14p和NMOS管M10n、M11n、M13n、M14n；M1p的源极接正电源，栅极接自身漏极以及M2p的源极；M2p的栅极接自身漏极、M0n栅极以及M1n的漏极和栅极；M1n的源极接M2n的栅极和漏极；M2n源极接地；M0n的漏极接正电源；M3p和M5p的源极接正电源，栅极对接；M3p的漏极接M4p的源极，M5p的漏极接自身栅极和M6p的源极；M4p和M6p的栅极对接；M4p的漏极接M0n的源极、M3n的漏极和栅极；M6p的漏极接自身栅极、M5n的漏极；M3n和M5n的栅极对接；M3n的源极接M4n的漏极和栅极，M5n的源极接M6n的漏极；M4n和M6n的栅极对接；M4n的源极接地；M7p和M9p的源极接正电源，栅极对接；M7p的漏极接自身栅极和M8p源极，M9p的漏极接M10p的源极；M8p和M10p的栅极对接；M8p的漏极接自身栅极和M7n的漏极，M7n的栅极接M5n的栅极，M7n的源极接M8n的漏极；M8n的栅极接M6n的栅极，M8n的源极接M6n的源极；M10p的漏极接M9n的漏极和栅极，M9n的源极接地；M8n的源极和M6n的源极连接的节点用于连接一端接地的可变电阻(14)的另一端；M11p和M12p的源极接正电源，栅极对接；M11p的漏极接自身栅极和M10n漏极，M10n的栅极接M9n的栅极，M10n的源极接地；M12p的漏极接M13n的漏极和M14p的源极；M11n的栅极接M10n的栅极，M11n的源极接地，M11n的漏极接M13p的漏极和M14n的源极；M13n源极、M14p漏极、M13p源极、M14n漏极接在一起并连接一端接地的可变电容(13)的另一端，输出充放电电流对可变电容(13)进行充放电，产生一个电压VB；M14p栅极和M13n栅极分别受控于RC振荡器输出信号的同相信号Q和反相信号QN；M14n栅极和M13p栅极分别受控于RC振荡器输出信号的同相信号Q和反相信号QN；OSC输出模块(12)包括两个比较器U1和U2以及一个RS触发器U3；比较器U1的同相输入端接参考电压VREF1，反相输入端接电压VB；比较器U2的反相输入端接参考电压VREF2，同相输入端接电压VB；VREF2大于VREF1；比较器U1的输出端接U3的S端，比较器U2的输出端接U3的R端，U3的Q端和Q端分别输出RC振荡器输出信号的同相信号Q和反相信号QN；可变电容(13)采用由控制字C[m:0]控制电容值的可变电容阵列；可变电阻(14)采用由控制字R[n:0]控制电阻值的可变电阻阵列；频率校准模块(15)校准可变电阻(14)和可变电容(13)具体包括：当获得一个校准信号后，利用输入的参考时钟信号Fref启动频率校准模块，频率校准模块加载控制可变电容阵列和可变电阻阵列的控制字默认值，之后进入粗校准流程：Fref在OSC输出模块输出的一个时钟周期内计数，然后与预先设定的第一阈值范围进行比较，如果计数值在第一阈值范围内，说明控制可变电容阵列的控制字C[m:0]高位C[m]的默认值是符合要求的，就可以确定控制可变电容阵列的控制字C[m:0]高位C[m]，否则就需要改变C[m]的默认值，以使得计数值在第一阈值范围内；依次逐步缩小第一阈值范围，对应地，采用相同的方法依次确定C[m‑1]，……，C[1]，C[0]，频率粗校准过程结束；在粗校准过程结束之后，进入精细校准过程，如下所述：Fref在OSC输出模块输出的2^m+1个时钟周期内计数，然后与预先设定的第二阈值范围进行比较，如果计数值在第二阈值范围内，说明控制可变电阻阵列的控制字R[n:0]高位R[n]的默认值是符合要求的，就可以确定控制可变电容阵列的控制字R[n:0]高位R[n]，否则就需要改变R[n]的默认值，以使得计数值在第二阈值范围内；依次逐步缩小第二阈值范围，对应地，采用相同的方法依次确定R[n‑1]，……，R[1]，R[0]，频率精细校准过程结束。