CN101286733B - 一种低压低功耗振荡器 - Google Patents

Abstract

本发明披露一种振荡器，该振荡器包括具有输入支路、第一输出支路和第二输出支路的电流镜，第一晶体管，第二晶体管，放电电路，第三晶体管，和延时电路，其中第一晶体管的漏极连接在第一输出支路上，其栅极和漏极相连；第二晶体管的漏极连接在输入支路上，其栅极和第一晶体管的栅极相连，其源极上连接有电阻；第三晶体管的漏极连接在第二输出支路上，其栅极连接到第二晶体管的栅极，其源极连接有电容；其中延时电路连接在第三晶体管的漏极和放电电路的控制端之间，放电电路根据来自第三晶体管漏极的信号对电容充放电。本发明的振荡器与传统振荡器相比，工作电压更低，振荡频率不随电源电压的变化而变化。

Description

一种低压低功耗振荡器

技术领域

本发明涉及一种振荡器，具体地说涉及低电压工作的振荡器。

背景技术

振荡器被广泛应用于如DC-DC，锂电池保护电路，锂电池充电电路，复位器，以及控制电路等各种系统中。

然而，简单的反相器环振(如图1)或基于RC的反相器环振电路(如图2)的振荡频率则随电源电压变化剧烈，不适用于对时间精度要求高的应用中。

另外，图3示意了另一种现有技术的振荡器。随着输入电源降低，该振荡器由于输入电压限制而停止工作。该振荡器需要的最低工作电压为Max{V_GSN1+V_GSN2+V_DSP1，V_GSN1+V_DSN2+V_GSP2}。其中，V_GSN1为MN1的栅源电压，在一般5V的CMOS工艺中，一般大于0.7V；V_GSN2为MN2的栅源电压，考虑到衬偏效应，一般大于0.8V；V_DSP1为MP1的漏源电压，一般大于0.1V；V_DSN2为MN2的漏源电压，一般大于0.1V；V_GSP2为MP2的栅源电压，一般大于0.8V。所以，该振荡器的最低工作电压将大于1.6V。

发明内容

本发明的目的是提供一种低电压工作的振荡器，它还具有不随电源电压变化，输出频率准确，电流消耗低的优点。

为此，本发明提供一种振荡器。该振荡器包括振荡器，该振荡器包括电流镜，第一晶体管，第二晶体管，放电电路，第三晶体管，和延时电路，其中电流镜具有输入支路、第一输出支路和第二输出支路，第一晶体管的漏极连接在第一输出支路上，第一晶体管的栅极和漏极相连；第二晶体管的漏极连接在输入支路上，第二晶体管的栅极和第一晶体管的栅极相连，其源极上连接有电阻；第三晶体管的漏极连接在第二输出支路上，第三晶体管的栅极连接到第二晶体管的栅极，第三晶体管的源极连接有电容；其中延时电路连接在第三晶体管的漏极和放电电路的控制端之间，放电电路根据来自第三晶体管漏极的信号对电容充放电。

本发明的振荡器与传统振荡器相比，工作电压更低，工作电流可以更小，振荡频率不随电源电压的变化而变化。

附图说明

下面将参照附图对本发明的具体实施方案进行更详细的说明，附图中：

图1是现有技术的反相器环振电路；

图2是现有技术的基于RC的反相器环振电路；

图3示意了另一种现有技术的振荡器；

图4是根据本发明第一实施方案的振荡器原理图；

图5给出了启动电路的电路图；

图6是根据本发明第二实施方案的振荡器原理图；

图7是根据本发明第三实施方案的振荡器原理图；以及

图8是根据本发明第四实施方案的振荡器原理图。

具体实施方式

图4是根据本发明第一实施方案的振荡器原理图。

如图4所示，整个振荡器由电流源产生电路，充电电路，比较电路，电容C1，放电电路和延时电路组成。

电流源产生电路包括启动电路，MP1，MP2，MN1，MN2，R1。MP1和MP2构成电流镜，其电流镜像比例可以为1∶1，也可以为其它比例。MN1和MN2构成放大电路，它会调整使得R1上电压降等于V_GSN1-V_GSN2。

MP4构成充电电路，它与MP2构成电流镜，复制MP2的电流。这里，MP2构成电流镜的输入支路，MP1和MP4分别构成电流镜的第一和第二输出支路。当然，还可以采取除图4以外的其它形式的电流镜。

MN4构成比较电路，它比较MN2的源极(节点SN2)电压和MN4的源极(节点R_amp)电压来决定输出结果，其比较结果由节点DN4输出。当MN4的源极电压等于MN2的源极电压时，MN4的漏极电压翻转。

放电电路由MN3构成，当其栅极电压超过其阈值电压时将电容放电。需要说明，放电电路也可以由三极管或其它类型的开关电路实现。

反相器U1和U2构成延时电路，此延时电路也可以由更多的反相器单元构成，但数目应为偶数。根据具体设计，还可能在某些中间节点增加其它延时电路，如RC组成的延时电路来增加延时，其延时要求为足够长时MN3导通时可以把C1的电压放完至地电平。

在工作时，电流源产生电路中产生的电流源被MP4镜像出为电容C1充电。当C1上的电压充高至R1上的电压时，比较电路MN4逻辑反转，输出高电平。该高电平经过延时电路后开启放电电路MN3，MN3开启后对C1放电。C1放电完成后，比较电路MN4的输出逻辑反转，输出低电平，经延时电路后关断MN3，终止放电。C1又经MP4和MN4慢慢充电，充到R1电压后再放电，周而复始，形成振荡。C1上的电压表现为锯齿波。

与传统的振荡器相比，它具有三个特点：

一，其工作电压很低，仅需要Max{V_GSP2+V_DSN2+V_R1，V_GSN1+V_DSP1}，V_R1可设计约为50mV，所以仅需要0.8V+0.1V+0.05V＝0.95V。

二，对于相同的振荡频率输出(相同的R1和C1)时，其电流消耗更小，对于图三所示的振荡器，每个恒流支路需要V_THN/R1的电流，而本发明中，每个恒流支路耗电ΔV_GS/R1，ΔV_GS一般设计为50mV左右，V_THN一般在800mV左右。

三，其振荡频率由R1，C1决定，不随电源电压的变化而变化。

在图4中，如果MP1，MP2和MP4的宽度和长度一样，它们形成电流镜，其电流相等，MN1的宽长比应设为比MN2的宽长比小，MN1和MN2的电流相同，则V_GSN1＞V_GSN2，电阻R1上的压降ΔV_GS＝V_GSN1-V_GSN2。

$I_{D1}=\frac{{\mathrm{\ΔV}}_{\mathrm{GS}}}{R1}$

设计MN4与MN2的宽度和长度都相同。

当电容C1上的电压为零时，MN4的漏电流将对C1充电，直至MN4的源级电压等于MN2的源级电压时，反相器U1的输出将变为低，反相器U2的输出将变为高，MN3将导通，电容C1上的电压将被放电为零，反相器U1的输出将变为高，反相器U2的输出将变为低，MN3截止，MN4的漏电流将重新对C1充电。周而复始下去，电路形成振荡。放电时间很短，振荡周期主要由充电时间决定。

一个充电时间应为：

$T_S=\frac{{\mathrm{\ΔV}}_{\mathrm{GS}}\·C}{I_{D4}}$

由于MP1，MP2，MP4形成1∶1∶1的电流镜，所以

$I_{D4}=I_{D1}=I_{D2}=\frac{{\mathrm{\ΔV}}_{\mathrm{GS}}}{R1}$

可以得到：

$T_S=\frac{{\mathrm{\ΔV}}_{\mathrm{GS}}\·C1}{\frac{\mathrm{\Δ}{V}_{\mathrm{GS}}}{R1}}=R1\·C1$

根据MOS管电流特性方程：

$I_D=\frac{1}{2}\·\mathrm{\μ}\·C_{\mathrm{ON}}\·\left(\frac{W}{L}\right)\·{(V_{\mathrm{GS}}+V_{\mathrm{TH}})}^2$

$V_{\mathrm{GS}}=V_{\mathrm{TH}}+\sqrt{\frac{{2I}_D}{\mathrm{\μ}\·C_{\mathrm{ON}}\·\left(\frac{W}{L}\right)}}$

$\mathrm{\Δ}{V}_{\mathrm{GS}}=\sqrt{\frac{2I_{D1}}{\mathrm{\μ}\·C_{\mathrm{ON}}\·\left(\frac{W_1}{L_1}\right)}}-\sqrt{\frac{2I_{D2}}{\mathrm{\μ}\·C_{\mathrm{ON}}\·\left(\frac{W_2}{L_2}\right)}}=L_{D2}\·R1---\left(3\right)$

设 $\left(\frac{W_2}{L_2}\right)=\left(\frac{W_1}{L_1}\right)\·K$

由于MP1和MP2的宽度和长度一样，所以I_D1＝I_D2所以(3)可变为

$\sqrt{\frac{2}{\mathrm{\μ}\·C_{\mathrm{ov}}\·\left(\frac{W_1}{L_1}\right)}}(1-\frac{1}{\sqrt{K}})=\sqrt{I_{D1}}\·R1$

$I_{D1}=\frac{2}{\mathrm{\μ}\·C_{\mathrm{ON}}\·\left(\frac{W_1}{L_1}\right)}\·(1-\frac{1}{\sqrt{k}})\·\frac{1}{{R1}^2}$

此电流也是与电源电压无关的量。

因为其中使用的电流源产生电路存在为零的状态，所以有可能死锁在零电流状态，从而需要启动电路。

图5给出了启动电路的电路图。

启动电路中MPst1检测电流源产生电路中的电流，如果有电流，MPst1的电流会将MPst2的栅极拉高，关断MPst2；如果没有电流，MPst2的栅极会被电阻Rst1拉低，从而MPst2导通，向电流源产生电路中注入电流，直至其启动。

需要指出，启动电路也可以有许多现有技术已知的各种方法实现。

另外，如果晶体管MN1，MN2和MN4中的一部分晶体管采用耗尽型晶体管，死锁状态可得以避免，则无需采用启动电路。

实施例中的反相器U1和U2可以为多个反相器链组成，例如4个，6个等，但U1和U2的反相器链中反相单元的个数必须为偶数。反相器可以为普通的CMOS反相器，也可以为电流型反相器，只要实现逻辑反相功能即可。此外，反相器U1和U2也可以由其它类型的延时电路替代。

实施例中的电容C1可以为各种类型的电容，可以为外置的陶瓷电容，钽电容，电解电容；也可以为集成电路工艺中实现的各种电容，可以为多晶硅-多晶硅电容，也可以为MOS电容，也可以为三明治电容，也可以为金属-绝缘层-金属电容，多晶硅-阱电容等。

在图4的实施例中，根据前述工作原理，MN1，MN2，MN4需要匹配，至少要求MN2和MN4匹配，这样可以满足MN2与MN1的宽长比之比和MN4与MN1的宽长比之比匹配，MP1，MP2，MP4组成的电流镜应该也需要良好的匹配。如果MN1和MN2匹配，则有助于调整振荡幅度。

图6是根据本发明第二实施方案的振荡器原理图。图6与图4相比，增加了MP3构成的附加充电通路，使得充电更快，振荡周期更短。

图7是根据本发明第三实施方案的振荡器原理图。图7与图4相比，PMOS管和NMOS管做了调换，电路也做出相应调整。

图8是根据本发明第四实施方案的振荡器原理图。图8与图4相比，NMOS管MN1，MN2和MN4由三极管Q1，Q2和Q4代替。

显而易见，在此描述的本发明可以有许多变化，这种变化不能认为偏离本发明的精神和范围。比如，可以通过调整MP4和MP2的电流比例关系来改变震荡周期。因此，所有对本领域技术人员显而易见的改变，都包括在本权利要求书的涵盖范围之内。

Claims (16)

1.一种振荡器，包括电流镜，第一晶体管，第二晶体管，放电电路，第三晶体管，和延时电路，其中电流镜具有输入支路、第一输出支路和第二输出支路，其中

第一晶体管的漏极连接在第一输出支路上，第一晶体管的栅极和漏极相连；

第二晶体管的漏极连接在输入支路上，第二晶体管的栅极和第一晶体管的栅极相连，第二晶体管的源极上连接有电阻；

第三晶体管的漏极连接在第二输出支路上，第三晶体管的栅极连接到第二晶体管的栅极，第三晶体管的源极连接有电容；

其中延时电路连接在第三晶体管的漏极和放电电路的控制端之间，放电电路根据来自第三晶体管漏极的信号对电容充放电。

2.如权利要求1所述的振荡器，其特征在于输入支路，第一输出支路和第二输出支路分别由MOS管构成。

3.如权利要求2所述的振荡器，其特征在于构成输入支路，第一输出支路和第二输出支路的MOS管的宽长比相等。

4.如权利要求1所述的振荡器，其特征在于第二晶体管和第三晶体管的宽长比相等或成比例。

5.如权利要求4所述的振荡器，其特征在于第一晶体管与第二晶体管宽长比成比例。

6.如权利要求1所述的振荡器，其特征在于所述放电电路是栅极作为放电电路的控制端的晶体管。

7.如权利要求1所述的振荡器，其特征在于电阻在采用较小的阻值时，用以降低工作电流。

8.如权利要求1所述的振荡器，其特征在于延时电路由偶数个反相器组成。

9.如权利要求1所述的振荡器，其特征在于所述电流镜包括第三输出支路，其一端连接在电容在第三晶体管的源极侧的一端。

10.如权利要求1所述的振荡器，其特征在于包括连接在输入支路和第一输出支路之间的启动电路。

11.如权利要求10所述的振荡器，其特征在于所述启动电路包括输入端，输出端，第四晶体管和第五晶体管；其中第四晶体管的漏极连接有另一电阻，第四晶体管的栅极连接在输入支路上作为启动电路的输入端；第五晶体管的栅极和第四晶体管的漏极相连，第五晶体管的漏极连接到第一输出支路上作为启动电路的输出端。

12.一种振荡器，其特征在于，其包括：

第一晶体管，其具有漏极、与漏极相连的栅极以及与地相连的源极，源自电源的第一电流经由所述第一晶体管的漏极和源极流入地；

第二晶体管，其具有漏极、与第一晶体管的栅极相连的栅极以及与电阻一端相连的源极，所述电阻的另一端与地相连，源自电源的第二电流经由所述第二晶体管的漏极、源极及所述电阻流入地；

第三晶体管，其具有漏极、与第一晶体管的栅极相连的栅极以及与电容一端相连的源极，所述电容的另一端与地相连，源自电源的第三电流经由所述第三晶体管的漏极和源极给所述电容充电；

放电电路，用于接收来自所述第三晶体管的漏极的放电控制信号，并据此给所述电容放电；

连接于第三晶体管的漏极和放电电路的控制端之间的延时电路，用于延迟所述放电控制信号。

13.如权利要求12所述的振荡器，其特征在于，所述振荡器还包括连接在第一晶体管的漏极和第二晶体管的漏极的启动电路，其用于在检测到所述第一电流为零时，为第二晶体管的漏极注入电流以增大所述第二电流。

14.如权利要求12所述的振荡器，其特征在于，所述第一、二、三电流均由一电流镜生成，其中所述第一、二电流是镜像电流，所述第二电流是偏置电流。

15.如权利要求12所述的振荡器，其特征在于，所述电容的与所述第三晶体管的源极相连的一端的电压信号被作为所述振荡器的输出振荡信号。

16.如权利要求12所述的振荡器，其特征在于，第二晶体管和第三晶体管的宽长比相等或成比例，第一晶体管的宽长比小于第二晶体管宽长比。

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