[发明专利]带有开关电容频率控制和频率设置电阻的精密振荡器电路和方法

说明书

技术领域

有可用于产生一个周期性波形的一些普及的方法。低成本的RC(电阻电容)振荡器可以使用分立元件，如比较器，电阻，电容或使用简单的集成电路构成，如行业标准的555定时器与几个离散元件结合。这些解决方案是烦重的且不准确的，特别是在频率大于几百千赫时。

另一方面，精确的振荡器可以使用陶瓷谐振器或晶体作为一个稳定的频率元件。然而，这些电路的体积大且往往比RC振荡器贵。改变其频率是困难的或不可能的，因为他们通常仅在预定频率工作。在增加成本时，一个锁相环电路可产生一定范围的频率。电路需要陶瓷谐振器的频率稳定与低成本，灵活性相结合，和易于使用的RC振荡器，然而需要较少的空间比。

一个简单的RC振荡器电路将受初始精度、供应稳定性和温度的影响。此外，当操作在一个大的范围，这些电路通常有较差的线性，例如在10∶1频率范围。

有两种方法来提高准确性。开环技术涉及使用非常快的比较器、精确的电压参考和线性校正电路，以试图预测和校正基本电路固有的非线性。这样的电路的性能基本上受电路元件的数量限制，对振荡频率来说，每一种都有一定量的误差。

闭合回路，或反馈回路，技术的基本振荡器电路包含在一个高增益反馈回路，以抑制振荡器的错误。精度基本上是通过反馈路径确定，其中可能包括较少的设备。反馈技术，通常使用运算放大器是普及的，因为根据设计师的选择，他们从电路的一部分改变关键部件到另一部分。在一个RC振荡器下，基本振荡器电路的精度是可以忽略的。反馈和输入电路的合理设计将使一个整体的设计更准确，结果稳定，线性可能比使用开环技术更好。

反馈电路必须转换频率到另一种信号，以与准确的相比较。开关电容器是用于反馈电路的一个很好的候选，因为当时，它可当作频率控制电阻。提供给开关电容一个可控电压(参考电压)，以产生一个电流，该电流与频率(参考频率)相对应。这种电流可以从参考电流中减去(参考电流)，以产生误差电流。通过改变输入(无论电压或电流)，这个误差电流用来调控振荡器频率。如果反馈回路控制误差电流为零，那么频率将等于

产生误差电流的方法之一是：让它流过一个第二电容，产生一个电压，该电压可以用作振荡器的输入。在开关电容电路中，将集成电路与运算放大器相结合是很普遍的，通过将第二电容器放置一个负反馈回路，该负反馈回路在运算放大器的输出和它的负输入之间。因为一个运算放大器控制其输入之间的电压接近零，根据运算放大器正输入的正确电压，电路允许开关电容的电压重新设置。

开关电容电流是不连续的，但每个时钟周期内将电荷反相转移。而它的平均电流是I_FREQ＝f×C×参考电压，电荷转移发生在离散的时间点，不同于一个真正的电阻。因此，在运算放大器的输出电压将是一个锯齿波形，每个时钟周期电压的跳变，和由于参考电流，产生一个连续的斜坡。

一个开关电容反馈回路被运用在一个集成放大电路，图1显示了开关电容频率控制回路的结构。一个振荡器电路100包括一个电压参考130，其130提供一个电流，该电流从电阻112流到放大电路120的反相输入。放大电路120包括一个反相反馈回路和一个电容116，当作集成器工作。

一个两相时钟发生器124提供时钟信号126和时钟信号128，两者有180度的相位差。当时钟信号126变高时，开关104和106关闭；当时钟信号126变低时，开关104和106打开。开关126和128的整体效应是交替的，且将放大电路120的开关电容108和电压参考130解耦。

每一个时钟周期，开关电容108的耦合和解耦消除了放大电路120反相输入的电荷。组合电流流过电阻112，且开关电容108的周期转换在放大电路120的输出端提供了一个信号，该信号类似锯齿波形。根据给定的频率，在相同的时间下，开关电容在一个信号周期去除的电容数量等于由电阻累积的电荷。如果开关电容在那个频率下工作，运算放大器输出的锯齿波形的平均值不随时间变化。在更高的频率下，平均开关电容电流更大且运放输出的平均值上升。同样，在较低的频率下，该运算放大器的输出电压的平均值下降。

图1还显示了一个环路滤波器122，该滤波器耦合到放大电路120和一个合适的电压控制振荡器118之间。环路滤波器122取积分放大器的平均输出作为电压控制振荡器118的输入。通过平均输出，环路滤波器122决定周期性波形的电压控制振荡器118产生的频率。在电压控制振荡器输出的基础上，两个相位时钟发生器124产生开关电容时钟126和128。这就完成了反馈回路，开关电容电流是由电压控制振荡器的频率确定的。