基于電流模比較器的低壓低功耗cmos張弛振蕩器及方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于電流模比較器的低壓低功耗CMOS張弛振蕩器及方法。該振蕩器包括電流基準(zhǔn)源、電流模比較器、電流源負(fù)載RS觸發(fā)器。與現(xiàn)有技術(shù)基于電流模比較器的張弛振蕩器相比，本發(fā)明提出的張弛振蕩器采用電流源負(fù)載RS觸發(fā)器降低了RS觸發(fā)器的翻轉(zhuǎn)電平隨電源電壓變化的敏感性，同時(shí)雙電容結(jié)構(gòu)給輸出方波信號(hào)占空比的設(shè)計(jì)提供了更大的靈活性。其優(yōu)點(diǎn)在于：電路結(jié)構(gòu)簡單，輸出振蕩方波信號(hào)可以被設(shè)計(jì)成任意的占空比，同時(shí)克服了傳統(tǒng)張弛振蕩器無法在低電源電壓下工作、功耗較大、輸出頻率隨電源電壓和溫度變化敏感等缺點(diǎn)，特別適合于植入醫(yī)療器件、無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)等要求低電源電壓、低功耗的應(yīng)用領(lǐng)域。
【專利說明】基于電流模比較器的低壓低功耗CMOS張弛振蕩器及方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及集成電路領(lǐng)域，尤其涉及一種具有低壓低功耗的全片上集成CMOS張 弛振蕩器及振蕩產(chǎn)生方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 時(shí)鐘源是諸多電子系統(tǒng)的重要模塊，應(yīng)用范圍從DC/DC變換器、信號(hào)處理到通信 系統(tǒng)載波調(diào)制?？梢哉f，時(shí)鐘源的好壞直接影響到電子系統(tǒng)的整體性能，所以對(duì)時(shí)鐘源的要 求也越來越高。
[0003] 目前，電子系統(tǒng)普遍采用晶體振蕩器作為時(shí)鐘源，這得益于晶體振蕩器的高精度 與高穩(wěn)定度。然而由于晶體振蕩器采用了石英晶體，這使得它與標(biāo)準(zhǔn)的CMOS集成電路不兼 容，成本較高，此外，晶體振蕩器體積較大，這也限制了電子系統(tǒng)的進(jìn)一步小型化。隨著植入 醫(yī)療器件、無線傳感網(wǎng)絡(luò)等新興應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展，振蕩器的全片上集成也成為了集成電路 工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的研究熱點(diǎn)。
[0004] 主要有三種片上集成振蕩器，即LC振蕩器、環(huán)形振蕩器、張弛振蕩器。片上集成LC 振蕩器可以實(shí)現(xiàn)較高的精度，然而它們實(shí)現(xiàn)的振蕩器頻率較高，因而功耗較大；工作在亞閾 值區(qū)的環(huán)形振蕩器可以實(shí)現(xiàn)較低的功耗，但是輸出頻率隨電源電壓變化較大，且輸出頻率 精度無法很好地控制。相比而言，張弛振蕩器功耗更低，輸出頻率精度也比較容易控制，因 而在低頻低功耗片上振蕩器領(lǐng)域得到了更為廣泛的關(guān)注。
[0005] 文獻(xiàn) Υ· H. Chiang and S. I. Liu, "A Submicrowattl. 1-MHz CMOS Relaxation Oscillator With Temperature Compensation, "Circuits and Systems II:Express Briefs, IEEE Transactions on, vol. 60, pp. 837-841，2013.實(shí)現(xiàn)了一種基于電流模比較器 的張弛振蕩器，由于電流模比較器實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)張弛振蕩器電壓比較器和電容充電支路的復(fù) 用，因而可以有效降低功耗。圖1為該張弛振蕩器原理框圖，該設(shè)計(jì)采用了工作于亞閾值區(qū) 晶體管、電流模比較器、尾電流控制的反相器結(jié)構(gòu)來降低振蕩器的功耗。
[0006] 但是上述基于電流模比較器的張弛振蕩器在有效降低功耗的同時(shí)，至少存在輸出 頻率受電源電壓變化影響較大、輸出振蕩方波信號(hào)占空比不可調(diào)等缺陷。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 針對(duì)現(xiàn)有基于電流模比較器的張弛振蕩器存在的輸出頻率隨電源電壓變化較敏 感、輸出振蕩信號(hào)占空比不可調(diào)等缺陷，本發(fā)明提供了一種基于電流模比較器的低壓低功 耗CMOS張弛振蕩器。為了實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的發(fā)明目的，采用以下的技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)：
[0008] -種基于電流模比較器的低壓低功耗CMOS張弛振蕩器，包括：
[0009] 電流基準(zhǔn)源，用于產(chǎn)生偏置參考電流；
[0010] 啟動(dòng)電路，產(chǎn)生啟動(dòng)信號(hào)，用于上電后啟動(dòng)所述的電流基準(zhǔn)源；
[0011] 電流模比較器，具有電容Ci和C2，用于電容充放電和充電電壓上限的設(shè)置；
[0012] 電流源負(fù)載RS觸發(fā)器，反復(fù)復(fù)位與置位，所述電容Q和C2根據(jù)RS觸發(fā)器的狀態(tài) 交替充電和放電，實(shí)現(xiàn)一定頻率振蕩方波信號(hào)的輸出。
[0013] 所述的電流基準(zhǔn)源為輸出電流隨溫度成正比的CMOS亞閾值基準(zhǔn)源。
[0014] 所述的電流模比較器包括第一比較器、第二比較器、電阻Rc、所述電容Q和C 2，以 及用于對(duì)所述電容放電的NM0S管M19和M2(l ;
[0015] 所述的第一比較器由PM0S管M7、M8, NM0S管M9、M1Q構(gòu)成；
[0016] 所述的第二比較器由PM0S管Mn、所述PM0S管M7，NM0S管M 12、所述的NM0S管M9構(gòu) 成；
[0017] 第一比較器和第二比較器的反相輸入端共享，且為W的源端。凡柵漏短接，并連 接到PM0S管M 7的漏端，第一比較器和第二比較器的正相輸入端分別是M1(l和M12的源端，M 1(l 和M12的柵端均連接到M9的柵端。M1Q和M12的漏端分別連接到M 8和Mn的漏端，M7、M8和Mn 的柵端短接在一起，并連接到所述電流基準(zhǔn)源的偏置。電容Q和C2分別接第一比較器和第 二比較器的正相輸入端，電阻R c的一端接兩個(gè)比較器共享的反相輸入端，電容和電阻 Rc的另一端接地。用于電容Q和C2放電的NM0S管Μ19和Μ 2(ι的漏端分別連接到第一比較 器和第二比較器的輸入端，Μ19和Μ2(ι的源端均接地，柵端受所述RS觸發(fā)器控制。
[0018] 所述的電流源負(fù)載RS觸發(fā)器為交叉耦合的或非門以及兩個(gè)電流源負(fù)載反相器構(gòu) 成；所述或非門為NM0S下拉網(wǎng)絡(luò)和電流源負(fù)載構(gòu)成有比邏輯門。
[0019] 所述電阻&由正溫度系數(shù)電阻RP和負(fù)溫度系數(shù)電阻RN串聯(lián)構(gòu)成。
[0020] -種基于電流模比較器的低壓低功耗CMOS張弛振蕩器的振蕩產(chǎn)生方法，
[0021] 1)基準(zhǔn)電流IKEF對(duì)電容Ci不斷充電，直到Ci兩端電壓να超過基準(zhǔn)電壓V KEF ;
[0022] 2)當(dāng)^超過VKEF，第一電流模比較器輸出端電壓Vi升高，對(duì)RS觸發(fā)器置位，RS觸 發(fā)器狀態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)變，此時(shí)I KEF開始對(duì)電容C2充電，電容Q通過M0S開關(guān)迅速放電到地；
[0023] 3)電容C2不斷充電直到(：2兩端電壓VC2超過V KEF，第二電流模比較器輸出電壓電 壓V2升高，使得RS觸發(fā)器狀態(tài)再次發(fā)生轉(zhuǎn)變，I KEF開始對(duì)Q充電，C2通過M0S開關(guān)迅速放 電到地，個(gè)完整振湯周期完成。
[0024] 步驟3)所述的振蕩周期表示為1 2;+Ρτ，其中(^和(： 2為充放電電容， 1 REF VKEF為電容充電上限電壓，IKEF為電容充電電流，τ為電流模比較器和RS觸發(fā)器的延時(shí)。
[0025] 本發(fā)明的有益技術(shù)效果在于，通過采用工作于亞閾值區(qū)的晶體管、電流模比較器、 電流源負(fù)載的RS觸發(fā)器，保證了張弛振蕩器在低電源電壓下正常工作的同時(shí)，降低了張弛 振蕩器的功耗。本發(fā)明中，兩個(gè)電流模比較器實(shí)現(xiàn)了對(duì)稱的電路結(jié)構(gòu)，通過電容Q和C 2交 替充放電來產(chǎn)生振蕩信號(hào)。相比現(xiàn)有基于電流模比較器的張弛振蕩器，通過調(diào)整電容Q和 C2比例，理論上可以實(shí)現(xiàn)任意占空比的輸出信號(hào)。電流源負(fù)載RS觸發(fā)器的應(yīng)用，保證了電 容充電的上限值不隨電源電壓變化，因而降低了振蕩器隨電源電壓變化的敏感性。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0026] 圖1為現(xiàn)有技術(shù)張弛振蕩器的電路原理圖。
[0027] 圖2是本發(fā)明基于電流模比較器的低壓低功耗CMOS張弛振蕩器原理框圖；
[0028] 圖3為本發(fā)明中相關(guān)節(jié)點(diǎn)波形圖；
[0029] 圖4為本發(fā)明中基于電流模比較器的低壓低功耗CMOS張弛振蕩器的具體電路原 理圖。

【具體實(shí)施方式】
[0030] 一種基于電流模比較器的低壓低功耗CMOS張弛振蕩器，包括：
[0031] 電流基準(zhǔn)源，用于產(chǎn)生偏置參考電流；
[0032] 啟動(dòng)電路,產(chǎn)生啟動(dòng)信號(hào)，用于上電后啟動(dòng)所述的電流基準(zhǔn)源；
[0033] 電流模比較器，具有電容Q和C2，用于電容充放電和充電電壓上限的設(shè)置；
[0034] 電流源負(fù)載RS觸發(fā)器，反復(fù)復(fù)位與置位，所述電容Q和C2根據(jù)RS觸發(fā)器的狀態(tài) 交替充電和放電，實(shí)現(xiàn)一定頻率振蕩方波信號(hào)的輸出。
[0035] 本發(fā)明中，電流模比較器在實(shí)現(xiàn)了電容充電的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了電壓比較的功能，用一 個(gè)電流模比較器實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)張弛振蕩器中的電容充電電路和電壓比較器，降低了整個(gè)振蕩 器電路的復(fù)雜度，簡化了電流支路，從而降低了整個(gè)振蕩器的功耗。同時(shí)，雙電流模比較器 以及雙電容實(shí)現(xiàn)了對(duì)稱的電路結(jié)構(gòu)，通過兩個(gè)電容q和C 2交替充放電來產(chǎn)生振蕩信號(hào)，通 過調(diào)整電容Q和C2容值比例，理論上可以實(shí)現(xiàn)任意占空比的輸出信號(hào)。
[0036] 為便于理解本發(fā)明的基于電流模比較器的張弛振蕩器，圖2給出了本發(fā)明的張弛 振蕩器原理框圖。參考電流I KEF流過電阻&，在其兩端產(chǎn)生參考電壓VKEF，同時(shí)偏置電流IKEF 對(duì)電容Q (C2)充電，當(dāng)電壓VC1 (VC2)超過VKEF時(shí)，NM0S晶體管M1(l (M12)關(guān)閉，M1(l (M12)漏端電 壓升高。電容(^和(：2根據(jù)RS觸發(fā)器的狀態(tài)交替充電和放電。為理解該電路的工作原理， 假設(shè)電容初始電壓為均為〇，RS觸發(fā)器的Q端為低電平，Qn為高電平。工作過程簡述如下 ：
[0037] 1) IKEF對(duì)Q不斷充電，直到Q兩端電壓VC1超過VKEF ;
[0038] 2)當(dāng)Va超過VKEF，Vi電壓升高，對(duì)RS觸發(fā)器置位，RS觸發(fā)器狀態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)變，Qn為 低電平，Q端為高電平，此時(shí)I KEF開始對(duì)C2充電，Q通過M19迅速放電到地；
[0039] 3) C2不斷充電直到C2兩端電壓VC2超過VKEF，此時(shí)RS觸發(fā)器狀態(tài)再次發(fā)生轉(zhuǎn)變，一 個(gè)完整振湯周期完成。
[0040] 該過程的簡化波形圖如圖3所示，考慮到電流模比較器和RS觸發(fā)器的延時(shí)，本發(fā) 明的張弛振蕩器的振蕩周期可以表達(dá)為： Γ π r KEr(Cl+Cl) , M X
[0041] τ =---τ (1) 1 REF
[0042] 其中，τ為比較器和RS觸發(fā)器的延時(shí)，當(dāng)需要獲得典型的50%占空比輸出方波振 蕩信號(hào)時(shí)，Ci和C 2可以被設(shè)計(jì)成Ci = C2 = C。
[0043] 本發(fā)明的具體電路原理圖如圖4所示。下面對(duì)其各模塊工作原理分別進(jìn)行闡述：
[0044] a.電流基準(zhǔn)源：
[0045] 電流基準(zhǔn)源采用工作于亞閾值區(qū)的晶體管和電阻實(shí)現(xiàn)了隨溫度變化成正比 (PTAT)的電流源。工作于亞閾值區(qū)的NM0S漏端電流滿足式（2)。
[0046] cxp(|i〇c· Ι 'πι) (2) L " h
[0047] 其中μ為遷移率，Cffli為柵氧電容，Vt為熱電壓， V(BSNM〇S管柵源 電壓，VTH為NM0S管閾值電壓，η為亞閾值斜率因子。
[0048] NM0S晶體管M5和M6均工作于亞閾值區(qū)，電阻R上的電壓降為：
[0049] VE = VGS5-VGS6 (3)
[0050] MJPM4寬長比相等，因而M5和M6的漏端電流相等，結(jié)合式⑴可推導(dǎo)出正溫度 系數(shù)電流源IPTAT為：

【權(quán)利要求】
1. 一種基于電流模比較器的低壓低功耗CMOS張弛振蕩器，其特征在于，包括： 電流基準(zhǔn)源，用于產(chǎn)生偏置參考電流； 啟動(dòng)電路，產(chǎn)生啟動(dòng)信號(hào)，用于上電后啟動(dòng)所述的電流基準(zhǔn)源； 電流模比較器，具有電容Q和C2，用于電容充放電和充電電壓上限的設(shè)置； 電流源負(fù)載RS觸發(fā)器，反復(fù)復(fù)位與置位，所述電容q和C2根據(jù)RS觸發(fā)器的狀態(tài)交替 充電和放電，實(shí)現(xiàn)一定頻率振蕩方波信號(hào)的輸出。
2. 如權(quán)利要求1所述的基于電流模比較器的低壓低功耗CMOS張弛振蕩器，其特征在 于，所述的電流基準(zhǔn)源為輸出電流隨溫度成正比的CMOS亞閾值基準(zhǔn)源。
3. 如權(quán)利要求1所述的基于電流模比較器的低壓低功耗CMOS張弛振蕩器，其特征在 于，所述的電流模比較器包括第一比較器、第二比較器、電阻R c、所述電容(^和(：2，以及用于 對(duì)所述電容放電的NM0S管M19和M 2(l ; 所述的第一比較器由PM0S管M7、M8, NM0S管M9、M1Q構(gòu)成； 所述的第二比較器由PM0S管Mn、所述PM0S管M7，NM0S管M12、所述的NM0S管M 9構(gòu)成； 第一比較器和第二比較器的反相輸入端共享，且為凡的源端，119柵漏短接，并連接到 PM0S管M7的漏端，第一比較器和第二比較器的正相輸入端分別是M1(l和M12的源端，M 1(l和 M12的柵端均連接到M9的柵端，M1(l和M12的漏端分別連接到M 8和Mn的漏端，M7、M8和Mn的 柵端短接在一起，并連接到所述電流基準(zhǔn)源的偏置，電容Q和C 2分別接第一比較器和第二 比較器的正相輸入端，電阻Rc的一端接兩個(gè)比較器共享的反相輸入端，電容和電阻R c 的另一端接地，用于電容Q和C2放電的NM0S管M19和M2(l的漏端分別連接到第一比較器和 第二比較器的輸入端，M 19和M2(l的源端均接地，柵端受所述RS觸發(fā)器控制。
4. 如權(quán)利要求1所述的基于電流模比較器的低壓低功耗CMOS張弛振蕩器，其特征在 于，所述的電流源負(fù)載RS觸發(fā)器為交叉耦合的或非門以及兩個(gè)電流源負(fù)載反相器構(gòu)成；所 述或非門為NM0S下拉網(wǎng)絡(luò)和電流源負(fù)載構(gòu)成有比邏輯門。
5. 如權(quán)利要求3所述的基于電流模比較器的低壓低功耗CMOS張弛振蕩器，其特征在 于，所述電阻Rc由正溫度系數(shù)電阻R P和負(fù)溫度系數(shù)電阻RN串聯(lián)構(gòu)成。
6. -種基于電流模比較器的低壓低功耗CMOS張弛振蕩器的振蕩產(chǎn)生方法，其特征在 于， 1) 基準(zhǔn)電流IKEF對(duì)電容Q不斷充電，直到Q兩端電壓Va超過基準(zhǔn)電壓VKEF ; 2) 當(dāng)Va超過VKEF，第一電流模比較器輸出端電壓Vi升高，對(duì)RS觸發(fā)器置位，RS觸發(fā)器 狀態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)變，此時(shí)I KEF開始對(duì)電容C2充電，電容Q通過M0S開關(guān)迅速放電到地； 3) 電容C2不斷充電直到C2兩端電壓VC2超過VKEF，第二電流模比較器輸出電壓電壓V 2 升高，使得RS觸發(fā)器狀態(tài)再次發(fā)生轉(zhuǎn)變，IKEF開始對(duì)Q充電，C2通過M0S開關(guān)迅速放電到 地，個(gè)完整振湯周期完成。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的振蕩產(chǎn)生方法，其特征在于，步驟3)所述的振蕩周期表示為 v (c +C ) T = ~^ + 2 $ τ，其中Q和C2為充放電電容，VKEF為電容充電上限電壓，I KEF為電容充 1 REF 電電流，τ為電流模比較器和RS觸發(fā)器的延時(shí)。
【文檔編號(hào)】H03B5/32GK104124921SQ201410311763
【公開日】2014年10月29日 申請(qǐng)日期:2014年7月2日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月2日
【發(fā)明者】錢雨霽, 韓雁, 孫俊 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)