带有温度补偿和各种操作模式的精确弛豫振荡器制造技术

一种带有温度补偿的精确弛豫振荡器在环境温度发生很大变化的范围内产生稳定的时钟脉冲频率。本发明专利技术包括振荡发生器（１００）、两个独立的电流发生器（２００、３００）、转换检测器（４００）和时钟脉冲禁止器（５００）。两个可编程的、独立的电流发生器的输出组合在一起提供与温度无关的电容器充电电流。精确弛豫振荡器拥有三种操作模式：快模式、慢／低功率模式和休眠模式。带有温度补偿和各种操作模式的精确弛豫振荡器是在单个单片集成电路上实现的。（*该技术在2019年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术一般涉及产生时钟脉冲频率的集成电路，尤其涉及在环境温度、制造工艺和电压发生很大变化的范围内产生稳定时钟脉冲频率的精确弛豫振荡器。本专利技术在单个单片集成电路上实现。此外，该精确弛豫振荡器能够在几种模式下操作。本申请是1998年3月19日申请的专利技术名称为“带有温度补偿的精确弛豫振荡器”(“Precision Relaxation Oscillator With TemperatureCompensation”)的美国专利申请第09/044，361号的部分继续申请，1998年3月19日申请的美国专利申请第09/044，361转让给与本申请相同的受让人，并与本申请拥有至少一个共同专利技术人。特此引用，以供参考。现有技术描述现有技术的现状描述了主要依赖于两种方案之一的RC弛豫振荡器。在附图说明图1所示的第一个例子中，单比较器与脉冲发生器耦合，交替充放电电容器以产生用于“D型”触发器的时钟脉冲。在这种设计中存在着几种误差源。电阻和电容器通常具有不可预测的电压和温度系数。充电电流和比较器输入摆动(slew)是也经受漂移的电源电压的函数。此时，脉冲发生器输出也可能随着温度和电源电压而变化。这些因素导致了时钟脉冲频率在整个温度范围内发生变化。在图2所示的第二个实施例中，RC电路提供了到两个比较器的每一个的公用输入。独立的参考电压耦合到比较器其余输入端的每一个。两个比较器每一个的输出端都耦合到“置位复位型”触发器。触发器的输出用于交替充放电电容器。尽管这种电路消除了如上面图1所讨论的脉冲发生器存在的不精确性，但它们本身仍显示出其它问题。由于不可能以相同的速率对电容充放电，尤其在温度发生变化的情况下，因此，可能发生占空比误差。此外，由于难以提供对温度步调一致地相互跟踪的两个参考电压，也会引起误差。因此，存在着提供能够与温度无关保持稳定时钟脉冲频率的弛豫振荡器的需要。专利技术概述本专利技术的目的之一是提供一种能够保持稳定时钟脉冲频率与温度无关的弛豫振荡器。稳定时钟脉冲定义为在经历温度振荡的环境下保持稳定频率的时钟脉冲。本专利技术的另一个目的是提供一种使振荡器的温度系数最小的弛豫振荡器，其中振荡器的温度系数是用时钟脉冲频率的百万分之几被温度除后的值(ppm/℃)来量度的。例如，4MHz时钟脉冲频率的百万分之一每摄氏度等于4个时钟脉冲周期。本专利技术还有一个目的是提供一种不受由于处理过程和电源电压引起的频率漂移影响的弛豫振荡器。本专利技术还有一个目的是提供包括快模式、慢/低功率模式和休眠模式的三种操作模式。本专利技术还有一个目的是当在慢模式和休眠模式下操作时降低功率消耗。根据本专利技术的一个实施例，本专利技术公开了在环境温度发生很大变化的范围内产生稳定时钟脉冲频率的精确弛豫振荡器。精确弛豫振荡器包括振荡发生器；产生第一输出电流的第一电流产生器和产生第二输出电流的第二电流发生器。本专利技术在单个单片集成电路上得以实现。根据本专利技术的另一个实施例，外部电阻可以与第一电流发生器或第二电流发生器耦合，生成确定时钟脉冲频率所需要的相应输出电流。根据本专利技术的另一个实施例，在第一和第二电流发生器中配置了几个内部电阻，用于选择振荡器的时钟脉冲速率。根据本专利技术的另一个实施例，配置了转换检测器电路。根据本专利技术的另一个实施例，配置了与振荡发生器的输出端耦合的时钟脉冲禁止器。通过结合附图对本专利技术的优选实施例进行如下更具体的描述，本专利技术的上述和其它目的、特征和优点将更加清楚。附图简述图1是显示带有脉冲发生器和简单RC弛豫振荡器的现有技术的示意图2是显示双比较器RC弛豫振荡器的现有技术的示意图；图3是本专利技术的方框图；图4是存在于本专利技术中的CTAT电流发生器的方框图；图5是存在于本专利技术中的PTAT电流发生器的方框图；图6是本专利技术的特定参数的时序图；和图7是在慢模式与快模式之间时钟脉冲转换的时序图。优选实施例详述参照图3，图3显示了在环境温度发生很大变化的范围内产生稳定时钟脉冲频率的精确弛豫振荡器1。最好，精确弛豫振荡器1在大约1kHz至8MHz的范围内产生稳定时钟脉冲频率。然而，本领域的普通技术人员应该认识到，本专利技术并不仅限于特定的频率范围。精确弛豫振荡器1具有三种模式。第一种模式是快模式，也是标准工作模式。第二种模式是慢模式，可以选用于节省电力(power)，还让精确弛豫振荡器1使用的电路的一些功能保持有效。第三种模式是休眠模式，在这种模式中，精确弛豫振荡器1处于无效状态，既没有时钟脉冲输出，也没有任何功率消耗。模式之间的转换可以产生“不工作”(“on the fly”)，亦即，从一种模式到另一种模式的转换不必暂停CPU正在进行的处理活动。但是，在优选实施例中，CPU或微处理器在转换模式之前将已完成当前指令周期。精确弛豫振荡器1包括振荡发生器100；第一电流发生器200，通常是绝对温度互补(CTAT)电流发生器；第二电流发生器300，通常是绝对温度正比(PTAT)电流发生器；转换检测器400；以及时钟脉冲禁止器500。在本专利技术的优选实施例中，精确弛豫振荡器是在单个单片集成电路上得以实现的。CTAT 200和PTAT 300电流发生器是彼此独立地实现的，并对本专利技术产生几种重要的功能。CTAT 200和PTAT 300电流发生器通过提供补偿(offseting)电流CTAT电流220和PTAT电流320，即，相对于温度具有相反斜率的电流，来补偿温度变化对器件诸如电阻、电容器和比较器之类的内部部件所产生的影响。CTAT电流290和PTAT电流390(图4和5)组合在一起形成电容器充电电流Iccc190(Iccc190=CTAT电流290+PTAT电流390)。CTAT电流290和PTAT电流390的组合或相加发生在当引入到振荡发生器100对第一电容器110和第二电容器120充电的时候。由于CTAT 290和PTAT 390电流是近似线性的，并相对于温度具有相反的斜率，因此，相加的结果是Iccc190几乎与温度无关。在优选实施例中，振荡发生器100包括置位复位触发器160；比较器电路180，进一步包括两个比较器182和184；两个电容器110和120；四个晶体管开关130、132、134和136；两个反相器140和142；和用于产生参考电压152的带隙参考电压。晶体管开关130和134分别为电容器110和120提供充电路径。晶体管开关132和136分别为电容器110和120提供放电路径。在本优选实施例中，晶体管开关130、132、134和136是MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)晶体管，但是，本领域的普通技术人员应该认识到，本专利技术并不仅限于这种技术。振荡发生器100通过在一个电容器放电的同时另一个电容器充电进行工作。电容器110的放电路径通过晶体管开关132连接到比较器182的输入端。电容器120的放电路径通过晶体管开关136连接到比较器184的输入端。在本优选实施例中，以及为了达到最佳性能，使用了诸如带隙参考电压电路150的稳定参考电压电源。带隙参考电压电路150提供单个参考电压152，它连接到比较器182和184的第二输入端，并用于将公用模式电压设置(set)在比较器182和184每一个上和设置在CTAT电流发生器200上。带隙参考电压电路150的PBIAS输入3本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种带有温度补偿电路的精确弛豫振荡器，包括：振荡发生器；与振荡发生器耦合的第一电流发生器；与振荡发生器耦合的第二电流发生器；与振荡发生器耦合的时钟脉冲禁止器；和与时钟脉冲禁止器耦合的转换检测器；其中该电路是在单个集成 电路上实现的。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：詹姆斯B诺兰，瑞安S埃利森，迈克尔S派斯卡，
申请(专利权)人：密克罗奇普技术公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]