一种RC振荡器及计时芯片的制作方法

一种rc振荡器及计时芯片
技术领域
1.本技术涉及振荡器技术领域，尤其涉及一种rc振荡器及计时芯片。


背景技术：

2.rc振荡器经常被应用于通信系统中，rc振荡器用于对通信系统中芯片休眠进行计时。rc振荡器的高精度直接影响通信系统休眠的唤醒时间。由于通信系统休眠时，大部分电路都关闭，只有rc振荡器还在继续工作，因此rc振荡器的功耗决定了通信系统的功耗。因此，rc振荡器的功耗越低，通信系统在休眠时的功耗就越低。
3.例如，目前无线通信系统主要使用32k振荡器作为计时模块，32k振荡器目前主要由rc振荡器来实现。rc振荡器包括时序电路和比较器，通过时序电路控制比较器的输出进行翻转，从而使比较器输出振荡的方波信号用来计时。
4.目前，为了降低rc振荡器的功耗，一般需要减小振荡的摆幅和降低比较器的功耗，但是这样会增加比较器的失调电压，从而降低rc振荡器的频率精度，需要额外的数字校准技术，从而增加了计时模块的复杂度和成本。


技术实现要素：

5.为了解决以上技术问题，本技术提供一种rc振荡器及计时芯片，能够在减小摆幅的情况下不增加比较器的失调电压，从而降低电路复杂度和成本。
6.本技术实施例提供一种rc振荡器，包括：时序电路和比较器；
7.所述时序电路的第一电压端连接所述比较器的第一输入端，所述时序电路的第二电压端连接所述比较器的第二输入端；
8.所述时序电路在所述比较器输出的时序信号和所述时序信号的反相信号的控制下，在所述rc振荡器的一个振荡周期内，控制所述比较器输出的时序信号翻转两次，使所述比较器在所述振荡周期的前半个周期产生的失调电压和后半个周期产生的失调电压相反。
9.优选地，所述时序电路包括：第一充电电路、第二充电电路和电压电路；
10.所述第一电压端连接所述第一充电电路和所述电压电路；
11.所述第二电压端连接所述第二充电电路和所述电压电路；
12.在所述前半个周期，所述第一电压端的第一电压为所述第一充电电路的电压，所述第二电压端的第二电压为所述电压电路的电压；在所述后半个周期，所述第二电压端的第二电压为所述第二充电电路的电压，所述第一电压端的第一电压为所述电压电路的电压。
13.优选地，所述第一充电电路包括：第一电流源、第一开关和第一电容；所述第二充电电路包括：第二电流源、第二开关和第二电容；所述电压电路包括：第三开关、第四开关和电阻；所述第一电容的电流和所述第二电容的容值相等；所述第一电流源的电流和所述第二电流源的电流相等；
14.所述第一电压端通过第一支路接地，所述第一支路包括串联的所述第一开关和所
述第一电容；
15.所述第二电压端通过第二支路接地，所述第二支路包括串联的所述第二开关和所述第二电容；
16.所述第一电压端通过第三支路接地，所述第三支路包括串联的所述第三开关和所述电阻；
17.所述第二电压端通过第四支路接地，所述第四支路包括串联的所述第四开关和所述电阻；
18.所述第一开关和所述第四开关的驱动信号一致，所述第三开关和所述第二开关的驱动信号一致，所述第一开关和所述第二开关的驱动信号相反；所述第一开关的驱动信号为所述时序信号或所述时序信号的反相信号。
19.优选地，所述第一充电电路还包括与所述第一电容并联的第五开关；所述第二充电电路还包括与所述第二电容并联的第六开关；所述第五开关的动作时序与所述第三开关相同，所述第六开关的动作时序与所述第四开关相同。
20.优选地，所述第一开关、所述第二开关、所述第三开关和所述第四开关、第五开关和第六开关均为nmos管，所述第一开关、所述第四开关和所述第六开关的驱动信号均为所述时序信号；所述第二开关、所述第三开关和所述第五开关的驱动信号均为所述时序信号的反相信号。
21.优选地，所述第一开关、所述第二开关、所述第三开关和所述第四开关、第五开关和第六开关均为pmos管，所述第一开关、所述第四开关和所述第六开关的驱动信号均为所述时序信号的反相信号；所述第二开关、所述第三开关和所述第五开关的驱动信号均为所述时序信号。
22.优选地，还包括：第一反相器和第二反相器；
23.所述比较器的输出端连接所述第一反相器的输入端，所述第一反相器的输出端连接所述第二反相器的输入端，所述第一反相器的输出端输出所述时序信号的反相信号；所述第二反相器的输出端输出所述时序信号。
24.优选地，所述电压电路还包括与所述电阻并联的第三电容。
25.优选地，所述比较器工作于亚阈值区域，采用恒跨导偏置。
26.本技术实施例还提供一种计时芯片，其特征在于，包括以上介绍的rc振荡器和数字校准电路。
27.本技术至少具有以下优点：
28.比较器输出的时序信号在一个振荡周期翻转两次，因此，第一次翻转时比较器的失调电压在输出端呈现的正负与第二次翻转后比较器的失调电压在输出端呈现的正负相反。因此，一个振荡周期内，比较器的失调电压可以互相抵消，不会对振荡频率产生影响。在rc振荡器的一个振荡周期内，第一电压端的第一电压被充放电一次，第二电压端的第二电压被充放电一次，第一电压和第二电压的变化，会导致比较器输出的时序信号翻转，因此，本技术提供的技术方案中的时序电路可以控制比较器输出的时序信号在一个振荡周期翻转两次，使比较器在振荡周期的前半个周期产生的失调电压和后半个周期产生的失调电压相反，一个振荡周期内两个相反的失调电压互相抵消，进而可以消除失调电压对振荡频率的影响，可以将振荡的摆幅减小，降低功耗。
附图说明
29.图1为一种rc振荡器的示意图；
30.图2为本技术实施例提供的一种rc振荡器的原理图；
31.图3为本技术实施例提供的一种时序电路的架构图；
32.图4为本技术实施例提供的又一种rc振荡器的电路图；
33.图5为本技术实施例提供的一种波形时序图；
34.图6为本技术实施例提供的另一种rc振荡器的电路图；
35.图7为本技术实施例提供的一种计时芯片的示意图。
具体实施方式
36.下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行描述。
37.以下说明中的“第一”、“第二”等用词仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本技术的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
38.在本技术中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”应做广义理解，例如，“连接”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。此外，术语“耦接”可以是实现信号传输的电性连接的方式。“耦接”可以是直接的电性连接，也可以通过中间媒介间接电性连接。
39.为了使本领域技术人员更好地理解本技术实施例提供的技术方案，下面先介绍rc振荡器的基本工作原理。
40.参见图1，该图为一种rc振荡器的示意图。
41.一般振荡器包括时序电路100和比较器200，其中时序电路100用于产生第一电压v1和第二电压v2，其中第一电压v1连接比较器200的第一输入端，第二电压v2连接比较器200的第二输入端，图1中仅是以v1连接比较器200的正输入端，v2连接比较器200的负输入端为例进行介绍。
42.当v1>v2时，比较器200输出高电平；当v1<v2时，比较器200的输出翻转，由高电平翻转为低电平。以此类推，v1和v2的大小关系发生变化时，比较器200输出的电平信号在高电平和低电平之间切换，进而形成振荡的方波信号。
43.但是，现有技术中比较器200输出的电平信号在一个振荡周期仅翻转一次，这样比较器200自身的失调电压vos会影响比较器200的输出信号，降低振荡频率的精度。
44.为了提高rc振荡器振荡频率的精度，本技术实施例提供了一种rc振荡器，使比较器输出的电平信号在一个振荡周期翻转两次，使所述比较器在所述振荡周期的前半个周期产生的失调电压和后半个周期产生的失调电压的相反，进而在一个振荡周期内相反的两个失调电压就可以互相抵消，从而使rc振荡器的振荡频率与比较器的失调电压没有关系，因此，可以消除比较器的失调电压对于振荡频率的影响，由于振荡频率不受比较器的失调电压的影响，因此，可以减小摆幅，从而降低功耗。
45.下面结合附图详细介绍本技术实施例提供的rc振荡器的具体实现方式。
46.参见图2，该图为本技术实施例提供的一种rc振荡器的原理图。
47.本技术实施例提供的rc振荡器包括：时序电路100和比较器200；
48.时序电路100的第一电压端连接比较器200的第一输入端，时序电路100的第二电压端连接比较器200的第二输入端；
49.时序电路100在比较器200输出的时序信号a和时序信号的反相信号
‑
a的控制下，在rc振荡器的一个振荡周期内，第一电压端的第一电压v1被充放电一次，第二电压端的第二电压v2被充放电一次，控制比较器200输出的时序信号翻转两次，使比较器200在振荡周期的前半个周期产生的失调电压和后半个周期产生的失调电压的相反。
50.其中，比较器200输出的时序信号在一个振荡周期翻转两次，例如，在一个振荡周期内比较器200输出的时序信号由高变为低，又由低变为高，实现两次翻转。另外，也可以先由低变为高，又由高变为低。因此，第一次翻转时比较器200的失调电压在输出端呈现的正负与第二次翻转后比较器200的失调电压在输出端呈现的正负相反，又由于比较器200的失调电压的绝对值大小是固定的，是比较器200自身的工艺产生的失调。因此，一个振荡周期内，比较器200的失调电压可以互相抵消，不会对振荡频率产生影响。如果比较器的失调电压对振荡频率产生影响，则为了降低失调电压对振荡频率的影响，只能通过增大摆幅来相对降低失调电压对振荡频率的影响，但是增大摆幅也会增加功耗。因此，本技术提供的rc振荡器可以消除比较器的失调电压对振荡频率的影响，进而可以减小摆幅，降低功耗。
51.由于本技术实施例提供的rc振荡器中的时序电路在比较器输出的时序信号和时序信号的反相信号的控制下，在rc振荡器的一个振荡周期内，第一电压端的第一电压被充放电一次，第二电压端的第二电压被充放电一次，第一电压和第二电压的变化，会导致比较器输出的时序信号翻转，因此，本技术提供的技术方案中的时序电路可以控制比较器输出的时序信号在一个振荡周期翻转两次，使比较器在振荡周期的前半个周期产生的失调电压和后半个周期产生的失调电压相反，一个振荡周期内两个相反的失调电压互相抵消，进而可以消除失调电压对振荡频率的影响，可以将振荡的摆幅减小，降低功耗。
52.下面结合附图详细介绍时序电路的内部结构。
53.参见图3，该图为本技术实施例提供的一种时序电路的架构图。
54.本实施例提供的时序电路包括：第一充电电路101、第二充电电路103和电压电路102；
55.比较器200的第一输入端，即第一电压端连接第一充电电路101和电压电路102；
56.比较器200的第二输入端，即第二电压端连接第二充电电路103和电压电路102；
57.本实施例中以比较器200的第一输入端为正输入端，比较器200的第二输入端为负输入端为例进行介绍，也可以反过来设置，本实施例中不做具体限定。
58.在前半个周期，第一电压端的第一电压v1为第一充电电路101的电压，第二电压端的第二电压为电压电路102的电压；在后半个周期，第二电压端的第二电压v2为第二充电电路103的电压，第一电压端的电压为电压电路102的电压。
59.电压电路102中至少包括电阻。
60.需要说明的是，第一电压端连接的第一电流源和第二电压端连接的第二电流源均为恒流源，且两个恒流源的电流相等，因此，电压电路102上产生的电压变为电流源在电压电路中的电阻上产生的压降。
61.在前半个周期，v1的电压为第一充电电路101的电压，v2的电压为电压电路102的
电压；在后半个周期，v2的电压为第二充电电路103的电压，v1的电压为电压电路102的电压。由于电流源为恒流源，因此，电流源在电压电路产生的电压恒定，用r表示电压电路中的电阻，则电压电路102在恒流源i下产生的电压为ir。只不过前半个周期和后半个周期，电压电路101连接的电流源不同，但是两个电流源的电流相同，即第一电流源的电流与第二电流源的电流相等，因此，前半个周期和后半个周期，电压电路102上的电压相等。
62.下面结合一种具体的电路来介绍本技术提供的rc振荡器的工作原理。
63.参见图4，该图为本技术实施例提供的又一种rc振荡器的电路图。
64.第一充电电路包括：第一电流源i1、第一开关n1和第一电容c1；第二充电电路包括：第二电流源i2、第二开关n2和第二电容c2；电压电路包括：第三开关n3、第四开关n4和电阻r；第一电容c1和第二电容c2相等；第一电流源i1和第二电流源i2相等；
65.第一电压端通过第一支路接地，所述第一支路包括串联的第一开关n1和第一电容c1接地；
66.第二电压端通过第二支路接地，所述第二支路包括串联的第二开关n2和第二电容c2接地；
67.第一电压端通过第三支路接地，所述第三支路包括串联的第三开关n3和电阻r接地；
68.第二电压端通过第四支路接地，所述第四支路包括串联的第四开关n4和电阻r接地；
69.第一开关n1和第四开关n4的驱动信号一致，第三开关n3和第二开关n2的驱动信号一致，第一开关n1和第二开关n2的驱动信号相反；第一开关n1的驱动信号为时序信号或时序信号的反相信号。当本技术实施例中以各个开关均为nmos开关为例进行介绍，即第一开关、第二开关、第三开关和第四开关均为nmos管，则第一开关n1、第四开关n4的驱动信号均为时序信号；第二开关n2、第三开关n3的驱动信号均为时序信号的反相信号。从图4中可以看出，n1和n4的驱动信号为
‑
a，n2和n3的驱动信号为a。其中，a为比较器输出的时序信号，
‑
a为比较器输出的时序信号的反相信号。
70.为了提高时序信号的准确度，防止干扰信号对其的影响，本技术实施例提供的rc振荡器还可以包括：第一反相器和第二反相器；
71.如图4所示，比较器200的输出端连接第一反相器的输入端，第一反相器的输出端连接第二反相器的输入端，第一反相器的输出端输出时序信号的反相信号
‑
a；第二反相器的输出端输出时序信号a，即本技术实施例并不是直接将比较器200输出的时序信号作为a施加到开关的栅极，而是经过两个反相器产生的a才施加给开关的栅极，将比较器200输出的时序信号经过一个反相器产生的信号作为
‑
a施加给开关的栅极。反相器除了为了防止信号干扰以外，还可以增强信号的驱动能力，进而更好地驱动开关的动作。
72.为了使第一电容c1和第二电容c2上的电压在每个周期彻底放电，本技术实施例提供的rc振荡器中，第一充电电路还包括与第一电容c1并联的第五开关n5；当c1需要放电时，控制n5闭合，使c1上的电量彻底被释放到地，c1下次被充电时可以从0开始充电。第二充电电路还包括与第二电容c2并联的第六开关n6；当c2需要放电时，控制n6闭合，使c2上的电量彻底被释放到地，c2下次被充电时可以从0开始充电。第五开关n5的动作时序与第三开关n3相同，第六开关n6的动作时序与第四开关n4相同。
73.本技术实施例中不限定以上各个开关的实现形式，本技术实施例中以各个开关均为nmos开关为例进行介绍，即第一开关n1、第二开关n2、第三开关n3和第四开关n4、第五开关n5和第六开关n6均为nmos管，第一开关n1、第四开关n4和第六开关n6的驱动信号均为时序信号，如图为
‑
a；第二开关n2、第三开关n3和第五开关n5的驱动信号均为时序信号的反相信号，如图为a。
74.下面结合图4中的nmos管为例进行工作原理的介绍。
75.例如a为高电平，即a＝1，此时第一开关n1和第四开关n4不导通，第二开关n2和第三开关n3导通，第二恒流源i2为第二电容c2充电，第二电压v2的电压会随着第二电容c2的充电逐渐增大。由于第一开关n1关断，第三开关n3导通，因此，第一电压v1的电压为电阻r在第一恒流源i1的作用下的电压，即v1＝i1r。随着充电时间的推移，v2>v1时，比较器200输出的时序信号翻转，即a翻转为低电平，即a＝0。
76.当a＝0时，第一开关n1和第四开关n4导通，第二开关n2和第三开关n3关断，第一恒流源i1为第一电容c1进行充电，第一电压v1的电压会随着第一电容c1的充电逐渐增大。由于第二开关n2关断，第四开关n4导通，因此，第二电压v2的电压为电阻r在第二恒流源i2的作用下的电压，即v2＝i2r。随着充电时间的推移，v1>v2时，比较器200输出的时序信号翻转，即a翻转为高电平，即a＝1，以此循环。由于时序电路的工作原理受控于比较器200输出的时序信号的高低，因此，时序信号高低电平翻转时，时序电路的工作状态出现切换，第一电压v1和第二电压v2的大小会随之改变，进而比较器200输出的时序信号又出现翻转。
77.本技术实施例提供的时序电路既会影响第一电压v1的电压，又会影响第二电压v2的电压，因此，在一个振荡周期，比较器200输出的时序信号会出现两次翻转。而传统技术中，仅有一个电压会被时序信号影响，因此，传统中的比较器仅会在一个振荡周期出现一次翻转，无法抵消比较器自身的失调电压，因此失调电压会影响振荡频率的大小，造成rc振荡器的功耗较高。
78.另外，为了实现电阻r上的电压的稳定，电压电路还包括与电阻r并联的第三电容c3，即第三电容c3实现稳压的作用。
79.为了进一步说明本技术实施例的工作原理，可以参见图5所述的波形图，该图为本技术实施例提供的一种波形时序图。
80.图5中包括第一电压v1、第二电压v2和时序信号a的波形。
81.从图5中可以看出，当a＝0时对应t1时间段，v2的初始电压为ir，第一电容开始充电，v1开始增大，直至比较器翻转。当a＝1时对应t2时间段，v1的初始电压为ir，第二电容开始充电，v2开始增大，直至比较器翻转。
82.应该理解，v1和v2均叠加了比较器的失调电压vos。
83.rc振荡器的频率公式如下，当c1＝c2时，即第一电容c1的容值与第二电容c2的容值相等，本技术中用c1同时用来表示第一电容的容值，同理c2也用来表示第二电容的容值。失调电压vos可以完全被消除，振荡器的频率不受比较器的失调电压的影响。
[0084][0085]
[0086][0087]
从以上公式可以看出，当c1＝c2时，振荡周期t中不包括vos，即可以完成消除vos对于振荡周期的影响，由于振荡频率为振荡周期的倒数，因此，振荡频率也不受vos的影响。
[0088]
图4中是以开关为nmos管为例进行的介绍，除了为nmos管以外，还可以为pmos管，下面结合附图进行详细介绍。
[0089]
参见图6，该图为本技术实施例提供的另一种rc振荡器的电路图。
[0090]
如图6所示，本实施例提供的rc振荡器中的第一开关p1、第二开关p2、第三开关p3和第四开关n4、第五开关n5和第六开关n6均为pmos管，第一开关n1、第四开关n4和第六开关n6的驱动信号均为时序信号的反相信号
‑
a；第二开关n2、第三开关n3和第五开关n5的驱动信号均为时序信号a。
[0091]
由于pmos管和nmos管的工作时序正好相反，因此，当开关为pmos时，与图4中对应的时序信号有所区别，工作原理相似，在此不再赘述。本技术实施例不限定开关用nmos实现，还是用pmos实现。
[0092]
另外，本技术以上实施例提供的rc振荡器中的比较器可以工作于亚阈值区域，采用恒跨导偏置。
[0093]
基于以上实施例提供的一种rc振荡器，本技术实施例还提供一种计时芯片，参见图7，包括以上各个实施例提供的rc振荡器1000，还包括数字校准电路2000。数字校准电路2000用于对rc振荡器1000的振荡频率进行校准。
[0094]
本技术实施例提供的计时芯片由于包括以上实施例介绍的rc振荡器，由于rc振荡器的振荡频率不受其中比较器的失调电压的影响，因此，摆幅可以做小，从而降低功耗，进而使计时芯片的功耗也可以降低。
[0095]
应当理解，在本技术中，“至少一个(项)”是指一个或者多个，“多个”是指两个或两个以上。“和/或”，用于描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，“a和/或b”可以表示：只存在a，只存在b以及同时存在a和b三种情况，其中a，b可以是单数或者复数。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。“以下至少一项(个)”或其类似表达，是指这些项中的任意组合，包括单项(个)或复数项(个)的任意组合。例如，a，b或c中的至少一项(个)，可以表示：a，b，c，“a和b”，“a和c”，“b和c”，或“a和b和c”，其中a，b，c可以是单个，也可以是多个。
[0096]
以上所述，仅是本技术的较佳实施例而已，并非对本技术作任何形式上的限制。虽然本技术已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本技术。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本技术技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本技术技术方案做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，凡是未脱离本技术技术方案的内容，依据本技术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，均仍属于本技术技术方案保护的范围内。