TWI794081B

TWI794081B - 具有溫度補償的震盪器與使用其的電子裝置

Info

Publication number: TWI794081B
Application number: TW111115020A
Authority: TW
Inventors: 李政道; 賴炳文
Original assignee: 新唐科技股份有限公司
Priority date: 2022-04-20
Filing date: 2022-04-20
Publication date: 2023-02-21
Also published as: TW202343967A; CN116961583A; US20230344384A1; US12047037B2

Abstract

揭露一種配置有溫度補償電路的震盪器。透過溫度補償電路，震盪器之電流鏡電路中用於輸出參考電流給電壓匹配電路的電晶體可受到溫度補償電壓的控制。溫度補償電壓與參考電流都是隨著溫度上升而下降，且震盪電壓的延遲時間正比溫度補償電壓與反比於參考電流，因此，剛好相互抵消了溫度對延遲時間的影響。再者，震盪電壓的延遲時間關聯於時脈信號的頻率，因此，在震盪電壓的延遲時間不受溫度影響的情況下，時脈信號的頻率也不會受到溫度影響。

Description

具有溫度補償的震盪器與使用其的電子裝置

本發明涉及一種震盪器與使用其的電子裝置，且特別是一種具有溫度補償的震盪器與使用其的電子裝置，以藉此消除溫度對頻率的影響，從而實現低頻飄與低功率的需求。

請參照圖1，圖1是先前技術的震盪器的電路圖。震盪器1包括兩個參考電流源10、12、時脈緩衝器14、NMOS電晶體M1、M2、M3、電阻R與電容C。於圖1中，兩個參考電流源10、12、NMOS電晶體M1與M2組成電流鏡電路，其中電流鏡電路具有偏壓端、參考電流輸出端與震盪電壓輸出端，其中偏壓端電性連接電阻R以產生參考電壓Vref，參考電流輸出端輸出參考電流Iref給電容C，以及震盪電壓輸出端輸出震盪電壓給時脈緩衝器14。NMOS電晶體M3的閘極接收經時脈緩衝器14緩衝的時脈信號，並因此被經緩衝的時脈信號控制，以決定讓電容C放電或進行充電，以藉此讓NMOS電晶體M2的汲極做為輸出震盪電壓的震盪電壓輸出端。

參考電流Iref會隨著溫度變化而有變化，導致圖1的震盪器1會有時脈信號的頻率隨著溫度改變而有較大變化的情況，如果要減少頻率飄移的範圍，就必須要設置額外的控制電路來進行補償。現行應用中會要求低功率跟低頻飄(飄移後的頻率控制在特定頻率範圍內)，但額外設置的控制電路會有額外的功率消耗。因此，在震盪器1的設計中，低功率跟低頻飄彼此為互易(trade-off)的因子，而仍有改善空間。

本發明實施例提供一種具有溫度補償的震盪器，此震盪器包括電流鏡電路、偏壓電路、溫度補償電路、電荷儲存電路以及電壓匹配電路。電流鏡電路具有偏壓端、第一參考電流輸出端、第二參考電流輸出端、第三參考電流輸出端與震盪電壓輸出端，其中電流鏡電路透過第一參考電流輸出端、第二參考電流輸出端、第三參考電流輸出端分別輸出第一參考電流、第二參考電流與第三參考電流，以及電流鏡電路透過震盪電壓輸出端輸出震盪電壓，其中第一參考電流、第二參考電流與第三參考電流隨溫度上升而下降。偏壓電路電性連接偏壓端，並用於產生參考電壓給電流鏡電路做為偏壓使用。溫度補償電路電性連接第一參考電流輸出端，用於提供第一電壓給電流鏡電路，以使電流鏡電路產生溫度補償電壓，其中溫度補償電壓用於控制電流鏡電路是否將第三參考電流輸出至第三參考電流輸出端，且溫度補償電壓隨溫度上升而下降。電荷儲存電路電性連接第二參考電流輸出端，用於接收第二參考電流以進行充電。電壓匹配電路電性連接第三參考電流輸出端，用於提供第二電壓給電流鏡電路，其中所述第二電壓相同於所述第一電壓與所述參考電壓。

本發明實施例還提供一種電子裝置，且電子裝置包括前述震盪器與功能電路。功能電路電性連接震盪器，並根據震盪器的震盪電壓進行相應的操作。

綜上所述，本發明實施例提供的震盪器透過溫度補償，使得由震盪器的震盪電壓所產生的時脈信號的頻率本身具有低頻飄(即，頻率幾乎不隨溫度變化而有所變化)，且使得震盪器不需要額外設置的控制電路進行補償，而有低功率表現。

為了進一步理解本發明的技術、手段和效果，可以參考以下詳細描述和附圖，從而可以徹底和具體地理解本發明的目的、特徵和概念。然而，以下詳細描述和附圖僅用於參考和說明本發明的實現方式，其並非用於限制本發明。

現在將詳細參考本發明的示範實施例，其示範實施例會在附圖中被繪示出。在可能的情況下，在附圖和說明書中使用相同的元件符號來指代相同或相似的部件。另外，示範實施例的做法僅是本發明之設計概念的實現方式之一，下述的該等示範皆非用於限定本發明。

為了解決先前技術的問題，本發明實施例提供了一種具有溫度補償的震盪器與使用其的電子裝置。透過溫度補償，由本發明實施例的震盪器的震盪電壓所產生的時脈信號的頻率本身具有低頻飄(即，頻率幾乎不隨溫度變化而有所變化)，且震盪器不需要額外設置的控制電路進行補償，因此，本發明實施例的震盪器達到了低頻飄與低功率的需求。

進一步地，震盪器配置有溫度補償電路，從而使得震盪器之電流鏡電路中用於輸出參考電流給電壓匹配電路的電晶體受到溫度補償電壓的控制。溫度補償電壓與參考電流都是隨著溫度上升而下降，且震盪電壓的延遲時間正比溫度補償電壓與反比於參考電流，因此，剛好相互抵消了溫度對延遲時間的影響。再者，震盪電壓的延遲時間關聯於時脈信號的頻率，因此，在震盪電壓的延遲時間不受溫度影響的情況下，時脈信號的頻率也不會受到溫度影響。據此，本發明實施例的震盪器具有低頻飄的特點，另外，由於未透過額外設置的控制電路來補償，而僅是透過由單一個電晶體實現的溫度補償電路進行溫度補償，因此，額外增加的電路元件數量甚少，故本發明實施例的震盪器還具有低功率的特點。

請參照圖2，圖2是本發明實施例的震盪器的電路圖。具有溫度補償的震盪器2包括電流鏡電路20、偏壓電路21、溫度補償電路22、電荷儲存電路23、電壓匹配電路24、輸出級電路25與時脈緩衝器26。電流鏡電路20電性連接偏壓電路21、溫度補償電路22、電荷儲存電路23、電壓匹配電路24與輸出級電路25，並用於輸出震盪電壓給輸出級電路25。輸出級電路25電性連接輸出級電路25，且輸出級電路25用於產生時脈信號給時脈緩衝器26，以讓時脈緩衝器26用以緩存時脈信號，並輸出經緩衝的時脈信號。在此請注意，在一些應用中，震盪器2可以不需要有輸出級電路25與時脈緩衝器26，在另一些應用中，震盪器2可以不需要有時脈緩衝器26。

電流鏡電路20具有偏壓端、第一參考電流輸出端、第二參考電流輸出端、第三參考電流輸出端與震盪電壓輸出端。電流鏡電路20透過第一參考電流輸出端、第二參考電流輸出端、第三參考電流輸出端分別輸出第一參考電流Iref1、第二參考電流Iref2與第三參考電流Iref3，其中第一參考電流Iref1、第二參考電流Iref2與第三參考電流Iref3關聯於參考電流Iref，且通常是參考電流Iref的倍數。參考電流Iref、第一參考電流Iref1、第二參考電流Iref2與第三參考電流Iref3可以全部相同、部分相同或全部不同，其主要依據實際應用來決定。電流鏡電路20透過震盪電壓輸出端輸出震盪電壓VOSC。參考電流Iref、第一參考電流Iref1、第二參考電流Iref2與第三參考電流Iref3都會隨溫度上升而下降，即為負溫度係數的電流。

進一步地，電流鏡電路20包括PMOS電晶體MP2～MP5與NMOS電晶體MN2～MN5。PMOS電晶體MP2～MP5每一者的源極電性連接供應電壓VDD。PMOS電晶體MP2的閘極電性連接PMOS電晶體MP2的汲極與PMOS電晶體MP3～MP5每一者的閘極。NMOS電晶體MN2～MN5的汲極分別電性連接PMOS電晶體MP2～MP5的汲極。NMOS的閘極MN3電性連接NMOS電晶體MN2的閘極、NMOS電晶體MN4的閘極與NMOS電晶體MN3的汲極。NMOS電晶體MN2的源極做為電流鏡電路20的偏壓端。NMOS電晶體MN3的源極做為電流鏡電路20的第一參考電流輸出端。PMOS電晶體MP5的汲極做為電流鏡電路20的震盪電壓輸出端，NMOS電晶體MN4的汲極電性連接NMOS電晶體MN5的閘極。NMOS電晶體MN4的源極做為電流鏡電路20的第二參考電流輸出端。NMOS電晶體MN5的源極做為電流鏡電路20的第三參考電流輸出端。

偏壓電路21電性連接電流鏡電路20的偏壓端，且偏壓電路21用於產生參考電壓Vref給電流鏡電路20做為偏壓使用。偏壓電路包括偏壓電阻Rb，其中偏壓電阻Rb的第一端與第二端分別電性連接電流鏡電路20的偏壓端(即，NMOS電晶體MN2的源極)與接地電壓GND(或低電壓)。在此請注意，雖然圖2的實施例中，偏壓電路21僅有一個偏壓電阻Rb來實現，但本發明不以此為限制。

溫度補償電路22電性連接電流鏡電路20的第一參考電流輸出端。溫度補償電路22用於提供第一電壓V1給電流鏡電路20，以使電流鏡電路20產生溫度補償電壓VTHN產生於NMOS電晶體MN5的閘極上。溫度補償電壓VTHN用於控制電流鏡電路20是否將第三參考電流Iref3輸出至電流鏡電路20的第三參考電流輸出端(透過溫度補償電壓VTHN控制NMOS電晶體MN5的開啟與關閉)。

於此實施例中，溫度補償電路22包括NMOS電晶體MN6，NMOS電晶體MN6的汲極電性連接電流鏡電路20的第一參考電流輸出端與NMOS電晶體MN6的閘極，以及NMOS電晶體MN6的源極電性連接接地電壓GND。溫度補償電路22提供在電流鏡電路20的第一參考電流輸出端的第一電壓V1為NMOS電晶體MN6的閘極-源極電壓。在此請注意，於此實施例中，雖然溫度補償電路22僅以一個NMOS電晶體MN6來實現，但本發明不以此為限制。

電荷儲存電路23電性連接電流鏡電路20的第二參考電流輸出端，用於接收第二參考電流Iref2以進行充電。於此實施例中，電荷儲存電路23包括NMOS電晶體MN8與電容Cst。電容Cst的兩端分別電性連接電流鏡電路20的第二參考電流輸出端與接地電壓GND。NMOS電晶體MN8的閘極電性連接放電重置信號，NMOS電晶體MN8的汲極電性連接電流鏡電路20的第二參考電流輸出端，且NMOS電晶體MN8的源極電性連接接地電壓GND。附帶一提的是，上述NMOS電晶體MN8在其他應用中，可以不設置於電荷儲存電路23中。

電壓匹配電路24電性連接電流鏡電路20的第三參考電流輸出端，用於提供第二電壓V2給電流鏡電路20的第三參考電流輸出端。電壓匹配電路24是用於產生匹配於第一電壓V1的第二電壓V2使溫度補償電壓VTHN是負溫度係數的電壓，故設計上使第二電壓V2相同於第一電壓V1與參考電壓Vref。於此實施例中，電壓匹配電路24包括NMOS電晶體MN7。NMOS電晶體MN7的汲極電性連接電流鏡電路20的第三參考電流輸出端與NMOS電晶體MN7的閘極，以及NMOS電晶體MN7的源極電性連接接地電壓GND，其中第二電壓V2為NMOS電晶體MN7的閘極-源極電壓。另外，NMOS電晶體MN7也可以使用二極體來取代，但二極體的跨壓(即，第二電壓V2)需相同於第一電壓V1與參考電壓Vref。

輸出級電路25電性連接電流鏡電路20的第一參考電流輸出端與電流鏡電路20的震盪電壓輸出端，並根據震盪電壓VOSC與第一電壓V1產生時脈信號。時脈緩衝器26電性連接輸出級電路25，用以緩存時脈信號，並輸出經緩衝的時脈信號。

於此實施例中，輸出級電路25為反相器，且包括PMOS電晶體MP1與NMOS電晶體MN1，PMOS電晶體MP1的源極電性連接供應電壓VDD，PMOS電晶體MP1的閘極電性連接電流鏡電路20的震盪電壓輸出端，PMOS電晶體MP1的汲極電性連接NMOS電晶體MN1的汲極與時脈緩衝器26，PMOS電晶體MP1的閘極電性連接電流鏡電路20的第一參考電流輸出端，以及NMOS電晶體MN1的源極電性連接接地電壓GND。另外，在其他應用中，輸出級電路25可以以緩衝電路或放大電路，且本發明不以此為限制。

在電壓匹配電路24提供的第二電壓V2與溫度補償電路22的第一電壓V1互相匹配時，溫度補償電壓VTHN也是隨著溫度上升而下降，換言之，溫度補償電壓VTHN是負溫度係數的電壓。由於溫度補償電壓VTHN與第三參考電流Iref3都是隨著溫度上升而下降，且震盪電壓VOSC的延遲時間正比溫度補償電壓VTHN與反比於第三參考電流Iref3，因此，剛好相互抵消了溫度對延遲時間的影響。震盪電壓VOSC的延遲時間關聯於時脈信號的頻率，因此，在震盪電壓VOSC的延遲時間不受溫度影響的情況下，時脈信號的頻率也不會受到溫度影響，從而實現低頻飄的震盪器2。

另外，本發明實施例還提供一種電子裝置，且此電子裝置包括前述震盪器與功能電路。功能電路電性連接震盪器，並根據震盪器的震盪電壓進行相應的操作。功能電路的類型與電子裝置的類型有關。例如，電子裝置可以是微控制裝置，功能電路可以微控制器；又例如，電子裝置可以是儲存設備，且功能電路是快閃記憶體模組。當然，上述電子裝置與功能電路的類型皆非用於限制本發明。

請參照圖3，圖3是本發明實施例的震盪器的時脈信號的頻率與溫度之間的曲線圖。如圖3所示，在溫度從攝氏-40度到攝氏130度之間，時脈信號的頻率在73.525KHz到73.595KHz之間變化，也就是頻飄最高僅有0.07KHz，即70Hz，顯見本發明實施例的震盪器滿足低頻飄的需求。再者，如圖2，本發明實施例的溫度補償電路22可以僅使用一個NMOS電晶體MN6來實現，因此，額外的功率消耗極低，故本發明實施例的震盪器還能滿足低功率的需求。綜合以上所述，本發明實施例的震盪器達到了低頻飄與低功率的需求。

應當理解，本文描述的示例和實施例僅用於說明目的，並且鑑於其的各種修改或改變將被建議給本領域技術人員，並且將被包括在本申請的精神和範圍以及所附權利要求的範圍之內。

1、2:震盪器: 10、12:參考電流源 14、26:時脈緩衝器 20:電流鏡電路 21:偏壓電路 22:溫度補償電路 23:電荷儲存電路 24:電壓匹配電路 25:輸出級電路 M1～M3、MN1～MN8:NMOS電晶體 MP1～MP5:PMOS電晶體 R、Rb:電阻 C、Cst:電容 Iref:參考電流 Iref1:第一參考電流 Iref2:第二參考電流 Iref3:第三參考電流 Vref:參考電壓 V1:第一電壓 V2:第二電壓 VTHN:溫度補償電壓 VOSC:震盪電壓 VDD:供應電壓 GND:接地電壓

提供的附圖用以使本發明所屬技術領域具有通常知識者可以進一步理解本發明，並且被併入與構成本發明之說明書的一部分。附圖示出了本發明的示範實施例，並且用以與本發明之說明書一起用於解釋本發明的原理。

圖1是先前技術的震盪器的電路圖。

圖2是本發明實施例的震盪器的電路圖。

圖3是本發明實施例的震盪器的時脈信號的頻率與溫度之間的曲線圖。

2:震盪器

20:電流鏡電路

21:偏壓電路

22:溫度補償電路

23:電荷儲存電路

24:電壓匹配電路

25:輸出級電路

26:時脈緩衝器

MN1~MN8:NMOS電晶體

MP1~MP5:PMOS電晶體

Rb:電阻

Cst:電容

Iref:參考電流

Iref1:第一參考電流

Iref2:第二參考電流

Iref3:第三參考電流

Vref:參考電壓

V1:第一電壓

V2:第二電壓

VTHN:溫度補償電壓

VOSC:震盪電壓

VDD:供應電壓

GND:接地電壓

Claims

一種具有溫度補償的震盪器，包括：電流鏡電路，具有偏壓端、第一參考電流輸出端、第二參考電流輸出端、第三參考電流輸出端與震盪電壓輸出端，其中所述電流鏡電路透過所述第一參考電流輸出端、所述第二參考電流輸出端、所述第三參考電流輸出端分別輸出第一參考電流、第二參考電流與第三參考電流，以及所述電流鏡電路透過所述震盪電壓輸出端輸出震盪電壓，其中所述第一參考電流、所述第二參考電流與所述第三參考電流隨溫度上升而下降；偏壓電路，電性連接所述偏壓端，用於產生參考電壓給所述電流鏡電路做為偏壓使用；溫度補償電路，電性連接所述第一參考電流輸出端，用於提供第一電壓給所述電流鏡電路，以使所述電流鏡電路產生溫度補償電壓，其中所述溫度補償電壓用於控制所述電流鏡電路是否將所述第三參考電流輸出至所述第三參考電流輸出端，且所述溫度補償電壓隨所述溫度上升而下降；電荷儲存電路，電性連接所述第二參考電流輸出端，用於接收所述第二參考電流以進行充電；以及電壓匹配電路，電性連接所述第三參考電流輸出端，用於提供第二電壓給所述電流鏡電路，其中所述第二電壓相同於所述第一電壓與所述參考電壓。
如請求項1所述之震盪器，更包括：輸出級電路，電性連接所述第一參考電流輸出端與所述震盪電壓輸出端，根據所述震盪電壓與所述第一電壓產生時脈信號。
如請求項2所述之震盪器，更包括：時脈緩衝器，電性連接所述輸出級電路，用以緩存所述時脈信號，並輸出經緩衝的所述時脈信號。
如請求項3所述之震盪器，其中所述輸出級電路為反相器，且包括第一PMOS電晶體與第一NMOS電晶體，所述第一PMOS電晶體的源極電性連接供應電壓，所述第一PMOS電晶體的閘極電性連接所述震盪電壓輸出端，所述第一PMOS電晶體的汲極電性連接所述第一NMOS電晶體的汲極與所述時脈緩衝器，所述第一NMOS電晶體的閘極電性連接所述第一參考電流輸出端，以及所述第一NMOS電晶體的源極電性連接低電壓。
如請求項4所述之震盪器，其中所述電流鏡電路包括第二PMOS電晶體、第三PMOS電晶體、第四PMOS電晶體、第五PMOS電晶體、第二NMOS電晶體、第三NMOS電晶體、第四NMOS電晶體與第五NMOS電晶體，所述第二PMOS電晶體的源極、所述第三PMOS電晶體的源極、所述第四PMOS電晶體的源極與所述第五PMOS電晶體的源極電性連接所述供應電壓，所述第二PMOS電晶體的閘極電性連接所述第二PMOS電晶體的汲極、所述第三PMOS電晶體的閘極、所述第四PMOS電晶體的閘極與所述第五PMOS電晶體的閘極，所述第二NMOS電晶體的汲極、所述第三NMOS電晶體的汲極、所述第四NMOS電晶體的汲極與所述第五NMOS電晶體的汲極分別電性連接所述第二PMOS電晶體的汲極、所述第三PMOS電晶體的汲極、所述第四PMOS電晶體的汲極與所述第五PMOS電晶體的汲極，所述第三NMOS電晶體的閘極電性連接所述第二NMOS電晶體的閘極、所述第四NMOS電晶體的閘極與所述第三NMOS電晶體的汲極，所述第二NMOS電晶體的源極做為所述偏壓端，所述第三NMOS電晶體的源極做為所述第一參考電流輸出端，所述第五PMOS電晶體的汲極做為所述震盪電壓輸出端，所述第四NMOS電晶體的汲極電性連接所述第五NMOS電晶體的閘極，所述第四NMOS電晶體的源極做為所述第二參考電流輸出端，所述第五NMOS電晶體的源極做為所述第三參考電流輸出端，以及所述溫度補償電壓產生於所述第五NMOS電晶體的閘極上。
如請求項5所述之震盪器，其中所述偏壓電路包括偏壓電阻，其中所述偏壓電阻的第一端與第二端分別電性連接所述偏壓端與所述低電壓。
如請求項6所述之震盪器，其中所述溫度補償電路包括第六NMOS電晶體，所述第六NMOS電晶體的汲極電性連接所述第一參考電流輸出端與所述第六NMOS電晶體的閘極，以及所述第六NMOS電晶體的源極電性連接所述低電壓，其中所述第一電壓為所述第六NMOS電晶體的閘極-源極電壓。
如請求項7所述之震盪器，其中所述電壓匹配電路包括第七NMOS電晶體，所述第七NMOS電晶體的汲極電性連接所述第三參考電流輸出端與所述第七NMOS電晶體的閘極，以及所述第七NMOS電晶體的源極電性連接所述低電壓，其中所述第二電壓為所述第七NMOS電晶體的閘極-源極電壓。
如請求項8所述之震盪器，其中所述電荷儲存電路包括第八NMOS電晶體與電容，所述電容的兩端分別電性連接所述第二參考電流輸出端與所述低電壓，所述第八NMOS電晶體的閘極電性連接放電重置信號，所述第八NMOS電晶體的汲極電性連接所述第二參考電流輸出端，所述第八NMOS電晶體的源極電性連接所述低電壓。
一種電子裝置，包括：如請求項1至9其中一項所述之震盪器；以及功能電路，電性連接所述震盪器，用於根據所述震盪電壓進行操作。