CN101741354A - 一种低频低功耗振荡器电路及其工作方法 - Google Patents

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张小兴
戴宇杰
吕英杰
毕胜兰
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一种低频低功耗振荡器电路，它包括参考电流生成单元、环形振荡器单元和整形单元；其工作方法为：采集信号、信号处理、信号输出；其优越性：①通过对参考电流生成单元进行改进，提高输出频率的电源电压特性及环境温度特性，提高了系统的精度；②采用环形振荡器结构，以实现低频低功耗；③采用低功耗整形电路；④电路构成简单，实用性强。

Description

一种低频低功耗振荡器电路及其工作方法
(一)技术领域：
本发明涉及一种振荡器电路及其工作方法，尤其是一种低频低功耗振荡器电路及其工作方法。
(二)背景技术：
在振荡器电路中，环形振荡器以其结构简单、功耗低而得到了广泛的应用，但是环形振荡器的频率受电源电压及环境温度的影响很大，这就制约了环形振荡器在对振荡频率的精度及稳定性有较高要求的系统中的应用。
(三)发明内容：
本发明的目的在于设计一种低频低功耗振荡器电路及其工作方法，它可以克服现有技术的不足，是一种低频低功耗，又能对电源电压及环境温度不敏感的高精度电路。
本发明的技术方案：一种低频低功耗振荡器电路，包括电源电压VDD端子、振荡器输出OSCOUT端子，其特征在于它包括参考电流生成单元、环形振荡器单元和整形单元；其中，所说的电流生成单元的输入端连接电源电压VDD端子及地，其输出端与环形振荡器单元的输入端、整形单元的输入端连接；所说的环形振荡器单元的输入端连接电源电压VDD端子及地，其输出端与整形单元的输入端连接；所说的整形单元的输入端连接电源电压VDD端子及地，其输出端连接振荡器输出OSCOUT端子。
上述所说的电流生成单元由电阻R1、电阻R2、PMOS管M1、PMOS管M2、PMOS管M5、NMOS管M3、NMOS管M4、NMOS管M6构成；其中，所说的电阻R1的一端与电源电压VDD端子连接，其另一端连接PMOS管M1的源极；所说的电阻R2的一端与电源电压VDD端子连接，其另一端连接PMOS管M2的源极；所说的PMOS管M1的栅极与PMOS管M2的栅极、PMOS管M2的漏极、NMOS管M4的漏极连接，其漏极与NMOS管M3的漏极、NMOS管M4的栅极、NMOS管M6的栅极以及环形振荡器单元的输入端、整形单元的输入端连接；所说的NMOS管M3的源极、NMOS管M4的源极、NMOS管M6的源极均接地；所说的NMOS管M6的漏极与PMOS管M5的漏极、PMOS管M5的栅极连接；所说的PMOS管M5的源极连接电源电压VDD端子，其栅极与环形振荡器单元的输入端、整形单元的输入端连接；所说的PMOS管M2的漏极与NMOS管M4的漏极连接。
上述所说的环形振荡器单元由PMOS管M7、PMOS管M9、PMOS管M11、NMOS管M8、NMOS管M10、NMOS管M12、反相器INV1、反相器INV2和反相器INV3构成；其中，所说的PMOS管M7、PMOS管M9、PMOS管M11三者的源极均与电源电压VDD端子连接，它们的栅极均与PMOS管M5的栅极及漏极连接，它们的漏极分别与反相器INV1的电流源输入端、反相器INV2的电流源输入端、反相器INV3的电流源输入端连接；所说的NMOS管M8、NMOS管M10、NMOS管M12三者的源极均接地，它们的栅极均与NMOS管M6的栅极、NMOS管M4的栅极、NMOS管M3的栅极、PMOS管M1的漏极以及NMOS管M3的漏极连接，它们的漏极分别与反相器INV1的电流阱输入端、反相器INV2的电流阱输入端、反相器INV3的电流阱输入端连接；所说的反相器INV1的输入端与反相器INV3的输出端连接，其输出端与反相器INV2的输入端连接；所说的反相器INV2的输出端与反相器INV3的输入端连接；所说的反相器INV3的输出端与整形单元的输入端连接。
上述所说的整形单元由PMOS管M13、PMOS管M15、NMOS管M14、NMOS管M16、反相器INV4、反相器INV5、反相器INV6构成；其中，所说的PMOS管M13的源极与电源电压VDD端子连接，其栅极连接PMOS管M5的栅极、漏极；其漏极与PMOS管M15的漏极及反相器INV4的电流源输入端、反相器INV5的电流源输入端连接；所说的PMOS管M15的源极与电源电压VDD端子连接，其栅极与NMOS管M16的栅极、反相器INV5的输出端及反相器INV6的输入端连接；所说的NMOS管M14的源极接地，其栅极均与NMOS管M6的栅极、NMOS管M4的栅极、NMOS管M3的栅极、PMOS管M1的漏极以及NMOS管M3的漏极连接，其漏极与NMOS管M16的漏极、反向器INV4的电流阱输入端及反向器INV5的电流阱输入端连接；所说的M16的源极接地，其栅极与PMOS管M15的栅极、反相器INV5的输出端及反相器INV6的输入端连接；所说的反向器INV4的输入端与反向器INV3的输出端连接，其输出端连接反向器INV5的输入端；所说的反向器INV5的输出端连接反向器INV6的输入端；所说的INV6的电流源输入端与电源电压VDD端子连接，其电流阱输入端接地，其输出端连接环形振荡器输出端子OSCOUT。
一种低频低功耗振荡器电路，其特征在于它可以应用于时钟电路中。
一种低频低功耗振荡器电路的工作方法，其特征在于它包括以下步骤：
①根据MOS管的I-V特性，得到参考电流生成单元所产生的参考电流
I = 2 μ * C ox * ( W 2 / L 2 ) * ( 1 - 1 ( W 1 / L 1 ) / ( W 2 / L 2 ) ) 2 * 1 ( R 1 - R 2 ) 2 ,
其中，μ代表载流子的迁移率，单位：cm2/V/s；COX代表单位面积的栅氧化层电容，单位：F/m2；(W1/L1)代表PMOS管M1的宽长比，无单位；(W2/L2)代表PMOS管M2的宽长比，无单位；R1为电阻R1的阻值，单位：Ω；R2为电阻R2的阻值，单位：Ω，
这个电流与载流子迁移率及电阻的温度系数的平方成反比；同时，随着电源电压的增大，NMOS管M4的漏源电压增大，由于MOS管的沟道长度调制效应，PMOS管M2支路电流增大，从而导致参考电流增大，即参考电流与电源电压成正比；
②由①产生的参考电流驱动环形振荡器，得到正弦信号输出，其频率由反相器的延时决定，与电源电压成反比，与温度成正比；
③整形电路将②产生的正弦信号进行低功耗整形，通过正反馈来提高转换速度，最终得到方波信号；
④通过调整参考电流生成单元NMOS管M4的L值来改变沟道长度调制效应，即改变参考电流与电源电压的正比例系数，抵消了环形振荡器的电源电压特性；而通过对载流子的选择及不同温度系数电阻的选择来调整参考电流的温度系数，从而抵消环形振荡器的温度特性。
本发明的优越性：①通过对参考电流生成单元进行改进，提高输出频率的电源电压特性及环境温度特性，提高了系统的精度；②采用环形振荡器结构，以实现低频低功耗；③采用低功耗整形电路；④电路构成简单，实用性强。
(四)附图说明：
图1为现有技术中普通环形振荡器电路的仿真结果曲线(其中，图1-a为普通环形振荡器输出频率随电源电压变化的结果曲线；图1-b为普通环形振荡器输出频率随环境温度变化的结果曲线)。
图2为本发明所涉一种低频低功耗振荡器电路的电路图(其中，图2-a为电路结构图；图2-b为本发明电路输出频率随电源电压变化的结果曲线；图2-c为本发明电路输出频率随环境温度变化的结果曲线；图2-d为本发明电路输出占空比随电源电压变化的结果曲线；图2-e为本发明电路输出占空比随温度变化的结果曲线)。
(五)具体实施方式：
实施例：一种低频低功耗振荡器电路(见图2-a)，包括电源电压VDD端子、振荡器输出OSCOUT端子，其特征在于它包括参考电流生成单元、环形振荡器单元和整形单元；其中，所说的电流生成单元的输入端连接电源电压VDD端子及地，其输出端与环形振荡器单元的输入端、整形单元的输入端连接；所说的环形振荡器单元的输入端连接电源电压VDD端子及地，其输出端与整形单元的输入端连接；所说的整形单元的输入端连接电源电压VDD端子及地，其输出端连接振荡器输出OSCOUT端子。
上述所说的电流生成单元(见图2-a)由电阻R1、电阻R2、PMOS管M1、PMOS管M2、PMOS管M5、NMOS管M3、NMOS管M4、NMOS管M6构成；其中，所说的电阻R1的一端与电源电压VDD端子连接，其另一端连接PMOS管M1的源极；所说的电阻R2的一端与电源电压VDD端子连接，其另一端连接PMOS管M2的源极；所说的PMOS管M1的栅极与PMOS管M2的栅极、PMOS管M2的漏极、NMOS管M4的漏极连接，其漏极与NMOS管M3的漏极、NMOS管M4的栅极、NMOS管M6的栅极以及环形振荡器单元的输入端、整形单元的输入端连接；所说的NMOS管M3的源极、NMOS管M4的源极、NMOS管M6的源极均接地；所说的NMOS管M6的漏极与PMOS管M5的漏极、PMOS管M5的栅极连接；所说的PMOS管M5的源极连接电源电压VDD端子，其栅极与环形振荡器单元的输入端、整形单元的输入端连接；所说的PMOS管M2的漏极与NMOS管M4的漏极连接。
上述所说的环形振荡器单元(见图2-a)由PMOS管M7、PMOS管M9、PMOS管M11、NMOS管M8、NMOS管M10、NMOS管M12、反相器INV1、反相器INV2和反相器INV3构成；其中，所说的PMOS管M7、PMOS管M9、PMOS管M11三者的源极均与电源电压VDD端子连接，它们的栅极均与PMOS管M5的栅极及漏极连接，它们的漏极分别与反相器INV1的电流源输入端、反相器INV2的电流源输入端、反相器INV3的电流源输入端连接；所说的NMOS管M8、NMOS管M10、NMOS管M12三者的源极均接地，它们的栅极均与NMOS管M6的栅极、NMOS管M4的栅极、NMOS管M3的栅极、PMOS管M1的漏极以及NMOS管M3的漏极连接，它们的漏极分别与反相器INV1的电流阱输入端、反相器INV2的电流阱输入端、反相器INV3的电流阱输入端连接；所说的反相器INV1的输入端与反相器INV3的输出端连接，其输出端与反相器INV2的输入端连接；所说的反相器INV2的输出端与反相器INV3的输入端连接；所说的反相器INV3的输出端与整形单元的输入端连接。
上述所说的整形单元(见图2-a)由PMOS管M13、PMOS管M15、NMOS管M14、NMOS管M16、反相器INV4、反相器INV5、反相器INV6构成；其中，所说的PMOS管M13的源极与电源电压VDD端子连接，其栅极连接PMOS管M5的栅极、漏极；其漏极与PMOS管M15的漏极及反相器INV4的电流源输入端、反相器INV5的电流源输入端连接；所说的PMOS管M15的源极与电源电压VDD端子连接，其栅极与NMOS管M16的栅极、反相器INV5的输出端及反相器INV6的输入端连接；所说的NMOS管M14的源极接地，其栅极均与NMOS管M6的栅极、NMOS管M4的栅极、NMOS管M3的栅极、PMOS管M1的漏极以及NMOS管M3的漏极连接，其漏极与NMOS管M16的漏极、反向器INV4的电流阱输入端及反向器INV5的电流阱输入端连接；所说的M16的源极接地，其栅极与PMOS管M15的栅极、反相器INV5的输出端及反相器INV6的输入端连接；所说的反向器INV4的输入端与反向器INV3的输出端连接，其输出端连接反向器INV5的输入端；所说的反向器INV5的输出端连接反向器INV6的输入端；所说的INV6的电流源输入端与电源电压VDD端子连接，其电流阱输入端接地，其输出端连接环形振荡器输出端子OSCOUT。
一种低频低功耗振荡器电路，其特征在于它可以应用于时钟电路中。
一种低频低功耗振荡器电路的工作方法，其特征在于它包括以下步骤：
①根据MOS管的I-V特性，得到参考电流生成单元所产生的参考电流
I = 2 μ * C ox * ( W 2 / L 2 ) * ( 1 - 1 ( W 1 / L 1 ) / ( W 2 / L 2 ) ) 2 * 1 ( R 1 - R 2 ) 2 ,
其中，μ代表载流子的迁移率，单位：cm2/V/s；COX代表单位面积的栅氧化层电容，单位：F/m2；(W1/L1)代表PMOS管M1的宽长比，无单位；(W2/L2)代表PMOS管M2的宽长比，无单位；R1为电阻R1的阻值，单位：Ω；R2为电阻R2的阻值，单位：Ω，
这个电流与载流子迁移率及电阻的温度系数的平方成反比；同时，随着电源电压的增大，NMOS管M4的漏源电压增大，由于MOS管的沟道长度调制效应，PMOS管M2支路电流增大，从而导致参考电流增大，即参考电流与电源电压成正比；
②由①产生的参考电流驱动环形振荡器，得到正弦信号输出，其频率由反相器的延时决定，与电源电压成反比，与温度成正比；
③整形电路将②产生的正弦信号进行低功耗整形，通过正反馈来提高转换速度，最终得到方波信号；
④通过调整参考电流生成单元NMOS管M4的L值来改变沟道长度调制效应，即改变参考电流与电源电压的正比例系数，抵消了环形振荡器的电源电压特性；而通过对载流子的选择及不同温度系数电阻的选择来调整参考电流的温度系数，从而抵消环形振荡器的温度特性。
下面将参照附图对本发明做进一步详细说明。
由图1-a“普通环形振荡器输出频率随电源电压变化的结果曲线”及图1-b“普通环形振荡器输出频率随环境温度变化的结果曲线”可以看出，
在对参考电流生成单元进行改进后，振荡器输出频率的电源电压特性及环境温度特性获得了明显改善，如图2-b及2-c所示。
本电路的输出占空比(duty)特性很好，在50％附近波动很小，如图2-d及2-e所示。

Claims (6)

1.一种低频低功耗振荡器电路，包括电源电压VDD端子、振荡器输出OSCOUT端子，其特征在于它包括参考电流生成单元、环形振荡器单元和整形单元；其中，所说的电流生成单元的输入端连接电源电压VDD端子及地，其输出端与环形振荡器单元的输入端、整形单元的输入端连接；所说的环形振荡器单元的输入端连接电源电压VDD端子及地，其输出端与整形单元的输入端连接；所说的整形单元的输入端连接电源电压VDD端子及地，其输出端连接振荡器输出OSCOUT端子。
2.根据权利要求1中所述的一种低频低功耗振荡器电路，其特征在于所说的电流生成单元由电阻R1、电阻R2、PMOS管M1、PMOS管M2、PMOS管M5、NMOS管M3、NMOS管M4、NMOS管M6构成；其中，所说的电阻R1的一端与电源电压VDD端子连接，其另一端连接PMOS管M1的源极；所说的电阻R2的一端与电源电压VDD端子连接，其另一端连接PMOS管M2的源极；所说的PMOS管M1的栅极与PMOS管M2的栅极、PMOS管M2的漏极、NMOS管M4的漏极连接，其漏极与NMOS管M3的漏极、NMOS管M4的栅极、NMOS管M6的栅极以及环形振荡器单元的输入端、整形单元的输入端连接；所说的NMOS管M3的源极、NMOS管M4的源极、NMOS管M6的源极均接地；所说的NMOS管M6的漏极与PMOS管M5的漏极、PMOS管M5的栅极连接；所说的PMOS管M5的源极连接电源电压VDD端子，其栅极与环形振荡器单元的输入端、整形单元的输入端连接；所说的PMOS管M2的漏极与NMOS管M4的漏极连接。
3.根据权利要求1中所述的一种低频低功耗振荡器电路，其特征在于所说的环形振荡器单元由PMOS管M7、PMOS管M9、PMOS管M11、NMOS管M8、NMOS管M10、NMOS管M12、反相器INV1、反相器INV2和反相器INV3构成；其中，所说的PMOS管M7、PMOS管M9、PMOS管M11三者的源极均与电源电压VDD端子连接，它们的栅极均与PMOS管M5的栅极及漏极连接，它们的漏极分别与反相器INV1的电流源输入端、反相器INV2的电流源输入端、反相器INV3的电流源输入端连接；所说的NMOS管M8、NMOS管M10、NMOS管M12三者的源极均接地，它们的栅极均与NMOS管M6的栅极、NMOS管M4的栅极、NMOS管M3的栅极、PMOS管M1的漏极以及NMOS管M3的漏极连接，它们的漏极分别与反相器INV1的电流阱输入端、反相器INV2的电流阱输入端、反相器INV3的电流阱输入端连接；所说的反相器INV1的输入端与反相器INV3的输出端连接，其输出端与反相器INV2的输入端连接；所说的反相器INV2的输出端与反相器INV3的输入端连接；所说的反相器INV3的输出端与整形单元的输入端连接。
4.根据权利要求1中所述的一种低频低功耗振荡器电路，其特征在于所说的整形单元由PMOS管M13、PMOS管M15、NMOS管M14、NMOS管M16、反相器INV4、反相器INV5、反相器INV6构成；其中，所说的PMOS管M13的源极与电源电压VDD端子连接，其栅极连接PMOS管M5的栅极、漏极；其漏极与PMOS管M15的漏极及反相器INV4的电流源输入端、反相器INV5的电流源输入端连接；所说的PMOS管M15的源极与电源电压VDD端子连接，其栅极与NMOS管M16的栅极、反相器INV5的输出端及反相器INV6的输入端连接；所说的NMOS管M14的源极接地，其栅极均与NMOS管M6的栅极、NMOS管M4的栅极、NMOS管M3的栅极、PMOS管M1的漏极以及NMOS管M3的漏极连接，其漏极与NMOS管M16的漏极、反向器INV4的电流阱输入端及反向器INV5的电流阱输入端连接；所说的M16的源极接地，其栅极与PMOS管M15的栅极、反相器INV5的输出端及反相器INV6的输入端连接；所说的反向器INV4的输入端与反向器INV3的输出端连接，其输出端连接反向器INV5的输入端；所说的反向器INV5的输出端连接反向器INV6的输入端；所说的INV6的电流源输入端与电源电压VDD端子连接，其电流阱输入端接地，其输出端连接环形振荡器输出端子OSCOUT。
5.根据权利要求1中所述的一种低频低功耗振荡器电路，其特征在于它可以应用于时钟电路中。
6.一种低频低功耗振荡器电路的工作方法，其特征在于它包括以下步骤：
①根据MOS管的I-V特性，得到参考电流生成单元所产生的参考电流
I = 2 μ * C OX * ( W 2 / L 2 ) * ( 1 - 1 ( W 1 / L 1 ) / ( W 2 / L 2 ) ) 2 * 1 ( R 1 - R 2 ) 2 ,
其中，μ代表载流子的迁移率，单位：cm2/V/s；COX代表单位面积的栅氧化层电容，单位：F/m2；(W1/L1)代表PMOS管M1的宽长比，无单位；(W2/L2)代表PMOS管M2的宽长比，无单位；R1为电阻R1的阻值，单位：Ω；R2为电阻R2的阻值，单位：Ω，
这个电流与载流子迁移率及电阻的温度系数的平方成反比；同时，随着电源电压的增大，NMOS管M4的漏源电压增大，由于MOS管的沟道长度调制效应，PMOS管M2支路电流增大，从而导致参考电流增大，即参考电流与电源电压成正比；
②由①产生的参考电流驱动环形振荡器，得到正弦信号输出，其频率由反相器的延时决定，与电源电压成反比，与温度成正比；
③整形电路将②产生的正弦信号进行低功耗整形，通过正反馈来提高转换速度，最终得到方波信号；
④通过调整参考电流生成单元NMOS管M4的L值来改变沟道长度调制效应，即改变参考电流与电源电压的正比例系数，抵消了环形振荡器的电源电压特性；而通过对载流子的选择及不同温度系数电阻的选择来调整参考电流的温度系数，从而抵消环形振荡器的温度特性。
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