CN101127506A - 一种新型cmos振荡器电路 - Google Patents

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王晋
陆铁军
赵宁
康永华
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Abstract

一种新型CMOS振荡器电路，包括参考电流源、振荡电路和延迟单元，参考电流源为振荡电路提供偏置电流，振荡电路接收该偏置电流后产生振荡信号，振荡信号经延迟单元整形和延迟后输出周期性信号，同时产生一个反馈信号至振荡电路，振荡电路在偏置电流和反馈信号的作用下持续输出频率稳定的振荡信号从而实现CMOS振荡器持续稳定工作。本发明通过采用阈值电压型电流源和振荡电路相结合的电路结构，保证了CMOS振荡器电路具有良好的温度特性和较强的电源电压抑制能力，该电路结构简单、功耗低，可作为陶瓷谐振器、晶体和晶体振荡器模块的替代品，作时钟源应用。

Description

一种新型CMOS振荡器电路
技术领域
本发明涉及一种振荡器电路，尤其涉及一种新型CMOS振荡器电路。
背景技术
振荡器是许多电子系统的主要部分，应用范围从微处理器中的时钟产生到蜂窝电话中的载波合成，可广泛地应用于测量、遥控、通信、自动控制等领域，作为时钟源应用。振荡器电路是在没有外加输入信号的情况下，依靠电路自激振荡而产生周期性输出信号的电路，在CMOS工艺条件下，振荡器一般是RC振荡器或者是环形振荡器，RC振荡器的结构简单，易于实现，但精度较差，随温度和电源电压的变化很大，一般应用在对时钟精度要求不高的场合中；为了获得较好的精度，振荡器可采用环形结构，通常由若干个具有一定增益的延迟电路以闭环形式组成，延迟电路的个数为奇数，但环形振荡器的缺点是电路较为复杂，功耗较大，而且温度特性和电源抑制能力也较差。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，通过采用了阈值电压型电流源和振荡电路相结合的电路结构，保证了CMOS振荡器电路具有良好的温度特性和较强的电源电压抑制能力，并且精度高、结构简单。
本发明进一步解决的技术问题是：振荡电路采用CMOS工艺，并且无需外挂晶体或其它无源器件，降低了电路成本和功耗。
本发明的技术解决方案是：一种新型CMOS振荡器电路包括参考电流源、振荡电路和延迟单元；参考电流源采用阈值电压型电流源为振荡电路提供偏置电流，振荡电路接收偏置电流后产生振荡信号，振荡信号经延迟单元整形和延迟后输出周期性信号，同时产生一个反馈信号至振荡电路，振荡电路在偏置电流和反馈信号的作用下持续输出频率稳定的振荡信号从而实现CMOS振荡器持续稳定工作。
所述的振荡电路由PMOS晶体管M6和M7、NMOS晶体管M2、M8和M9、振荡电容C和反相器组成，其中PMOS晶体管M6的源极与PMOS晶体管M7的源极并联接外部电源，PMOS晶体管M6的栅极与PMOS晶体管M7的栅极并联接在参考电流源中PMOS晶体管M5的栅极，PMOS晶体管M6的漏极与NMOS晶体管M2的漏极相连，NMOS晶体管M7的漏极与NMOS晶体管M8的漏极相连，反馈信号接在NMOS晶体管M8的栅极，同时通过反相器接在NMOS晶体管M9的栅极，NMOS晶体管M9的源极、NMOS晶体管M2的源极与振荡电容C的下极板并联后接地，NMOS晶体管M8的源极、NMOS晶体管M2的栅极与NMOS晶体管M9的漏极相连接振荡电容C的上极板，振荡信号由NMOS晶体管M2的漏极产生。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明采用了阈值电压型电流源和振荡电路相结合的电路结构，保证了CMOS振荡器电路具有良好的温度特性和较强的电源电压抑制能力，而且精度高、结构简单，可作为陶瓷谐振器、晶体和晶体振荡器模块的替代品，作时钟源应用。
(2)本发明的振荡器电路采用CMOS工艺，并且无需外挂晶体或其它无源器件，如电容等，从而降低了电路成本和功耗。
附图说明
图1为本发明CMOS振荡器电路的结构框图；
图2为本发明参考电流源与振荡电路的电路图；
图3为本发明延迟单元的工作原理图。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：
图1示出了一种新型CMOS振荡器电路的基本形式，包括参考电流源1、振荡电路2和延迟单元3，其中参考电流源1采用阈值电压型电流源为振荡电路2提供偏置电流，可使振荡器电路工作在十几个毫安电流下，功耗非常低。振荡电路2接收该偏置电流后产生振荡信号，振荡信号经延迟单元3整形后输出周期性信号，同时产生一个反馈信号至振荡电路2，振荡电路2在偏置电流和反馈信号的作用下持续输出频率稳定的振荡信号从而实现CMOS振荡器电路持续稳定工作。由于阈值电压型电流源为负温度系数电流源，而振荡电路2在偏置电流恒定时的温度系数为正值，CMOS振荡器电路工作时，振荡电路2的输出频率随偏置电流的增大而增大，随偏置电流的减小而减小，当CMOS振荡器电路内部温度升高时，振荡电路2的输出振荡频率会增大，而参考电流源1产生的偏置电流会随着温度的升高而减小；反之，当CMOS振荡器内部温度降低时，振荡电路2的输出振荡频率会减小，而参考电流源1产生的偏置电流会随着温度的降低而增大，因此，振荡电路2的输出频率在偏置电流和振荡器内部温度两个因素的相反作用下保持一定的稳定性。另外，阈值电压型电流源具有较好的电源抑制能力，当电源电压波动时，振荡电路2的偏置电流变化很小，从而保证了振荡电路2输出频率的稳定性，提高了CMOS振荡器的电源电压抑制能力。
图2的左半部分为阈值电压型电流源，由PMOS晶体管M4和M5、NMOS晶体管M1和M3、电阻R组成，图2的右半部分为受阈值电压型电流源控制的振荡电路，由PMOS晶体管M6和M7、NMOS晶体管M2、M8和M9、振荡电容C和反相器组成。由NMOS晶体管M1和电阻R产生的偏置电流经PMOS晶体管M5分别镜像到PMOS晶体管M4、PMOS晶体管M6和PMOS晶体管M7构成电流镜，其中PMOS晶体管M4为NMOS晶体管M1提供工作电流，PMOS晶体管M6为NMOS晶体管M2提供工作电流，PMOS晶体管M7经过NMOS晶体管M8为振荡电容C提供工作电流。
在振荡电路中，PMOS晶体管M6的源极与PMOS晶体管M7的源极并联接供电电源，PMOS晶体管M6的栅极与PMOS晶体管M7的栅极并联接在参考电流源中PMOS晶体管M5的栅极，其中参考电流源中PMOS晶体管M5的栅极与漏极相连形成二极管接法，PMOS晶体管M6的漏极与NMOS晶体管M2的漏极相连，NMOS晶体管M7的漏极与NMOS晶体管M8的漏极相连，反馈信号Vf接在NMOS晶体管M8的栅极，同时通过反相器接在NMOS晶体管M9的栅极，NMOS晶体管M9的源极与NMOS晶体管M2的源极、振荡电容C的下极板并联接地，NMOS晶体管M8的源极、NMOS晶体管M2的栅极与NMOS晶体管M9的漏极相连接振荡电容C的上极板，振荡信号Vosc由NMOS晶体管M2的漏极产生。
如图3所示，延迟单元由第一反相器31、第二反相器32、第三反相器33、第一D型触发器34和第五D型触发器35构成，其中第一D型触发器34和第二D型触发器35构成二分频电路，振荡信号Vosc经过第一反相器31接在第一D型触发器34的时钟端和第二D型触发器35的时钟端，第一D型触发器34的输入端与第二D型触发器35的反向输出端相接，第一D型触发器34的输出端接第二D型触发器35的输入端，第二D型触发器35的输出端与第二反相器32相连接后输出反馈信号Vf，反馈信号Vf经第三反相器33生成输出信号Vo。
下面对本发明实施例中CMOS振荡器电路的工作原理进行详细叙述：当CMOS振荡器电路开始工作时，振荡电路2在偏置电流的作用下，为振荡电容C充电，当振荡电容C上的电压超过NMOS晶体管M2的阈值电压时，通常NMOS晶体管M2的阈值电压为0.7V，受振荡电容C控制的NMOS晶体管M2导通，振荡电路2输出一个低电平Vosc至延迟单元3，该低电平经延迟单元3整形和延迟后将信号Vf反馈至振荡电路2，使给振荡电容C充电的NMOS晶体管M8关闭，给振荡电容C放电的NMOS晶体管M9导通，振荡电容C开始放电；当振荡电容C上的电压降低到NMOS晶体管M2的阈值电压以下时，受振荡电容C控制的NMOS管M2截止，振荡电路2输出一个高电平Vosc至延迟单元3，该高电平经延迟单元3整形和延迟后将信号Vf反馈至振荡电路2，使给振荡电容C充电的NMOS晶体管M8导通，给振荡电容C放电的NMOS晶体管M9关闭，振荡电容C开始充电，上述过程不断反复，从而由延迟单元3持续输出稳定的周期性信号Vo，当振荡电容C的容值一定时，NMOS晶体管M2的阈值电压决定了振荡电路的振荡频率，其中振荡电容C的大小可以根据需要的输出频率来调整。

Claims (3)

1.一种新型CMOS振荡器电路，其特征在于：包括参考电流源(1)、振荡电路(2)和延迟单元(3)；所述参考电流源(1)采用阈值电压型电流源为振荡电路(2)提供偏置电流，振荡电路(2)接收该偏置电流后产生振荡信号，振荡信号经延迟单元(3)整形和延迟后输出周期性信号，同时产生一个反馈信号至振荡电路(2)，振荡电路(2)在偏置电流和反馈信号的作用下持续输出频率稳定的振荡信号从而实现CMOS振荡器持续稳定工作。
2.根据权利要求1所述的一种新型CMOS振荡器电路，其特征在于：所述的振荡电路(2)由PMOS晶体管M6和M7、NMOS晶体管M2、M8和M9、振荡电容C和反相器组成，其中PMOS晶体管M6的源极与PMOS晶体管M7的源极并联接外部电源，PMOS晶体管M6的栅极与PMOS晶体管M7的栅极并联接在参考电流源(1)中PMOS晶体管M5的栅极，PMOS晶体管M6的漏极与NMOS晶体管M2的漏极相连，NMOS晶体管M7的漏极与NMOS晶体管M8的漏极相连，反馈信号接在NMOS晶体管M8的栅极，同时通过反相器接在NMOS晶体管M9的栅极，NMOS晶体管M9的源极、NMOS晶体管M2的源极与振荡电容C的下极板并联后接地，NMOS晶体管M8的源极、NMOS晶体管M2的栅极与NMOS晶体管M9的漏极相连接振荡电容C的上极板，振荡信号由NMOS晶体管M2的漏极产生。
3.根据权利要求1所述的一种新型CMOS振荡器电路，其特征在于：所述的延迟单元(3)由第一反相器(31)、第二反相器(32)、第三反相器(33)、第一D型触发器(34)和第二D型触发器(35)构成，其中第一D型触发器(34)和第二D型触发器(35)构成二分频电路，振荡信号经第一反相器(31)接在第一D型触发器(34)和第二D型触发器(35)的时钟端，第一D型触发器(34)的输入端与第二D型触发器(35)的反向输出端相接，第一D型触发器(34)的输出端接第二D型触发器(35)的输入端，第二D型触发器(35)的输出端与第二反相器(32)相连接后输出反馈信号，反馈信号经第三反相器(33)生成输出信号。
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PB01 Publication
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SE01 Entry into force of request for substantive examination
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WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

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