CN101997520A

CN101997520A - 具有低功耗的rc振荡器

Info

Publication number: CN101997520A
Application number: CN 200910167441
Authority: CN
Inventors: 由玉哲
Original assignee: Samsung Semiconductor China R&D Co Ltd; Samsung Electronics Co Ltd
Current assignee: Samsung Semiconductor China R&D Co Ltd; Samsung Electronics Co Ltd
Priority date: 2009-08-21
Filing date: 2009-08-21
Publication date: 2011-03-30

Abstract

本发明提供一种具有低功耗的RC振荡器，可产生内部电路所需要的占空比精度提高的时钟控制信号。该RC振荡器包括：偏置电路，包括电阻器和第一NMOS管；第一反相器、第二NMOS管和第一电容器；第二反相器、第三NMOS管和第二电容器；第三反相器至第六反相器以及RS触发器；或非门和第四NMOS管，RS触发器的第一输入端和第二输入端分别连接到或非门的第一输入端和第二输入端，或非门的输出端连接到第四NMOS管的栅极，RS触发器的第一输出端连接到第四NMOS管的漏极，第四NMOS管的源极接地。

Description

具有低功耗的RC振荡器

技术领域

本发明涉及一种CMOS集成电路中的振荡器，尤其涉及一种具有低功耗的RC振荡器，可产生内部电路所需要的占空比精度提高的时钟控制信号。

背景技术

常用振荡器通常分为三种：RC振荡器(即，阻容振荡器)、环形振荡器和晶体振荡器。RC振荡器具有启动时间短、频率容易调节、易于使用普通CMOS集成电路工艺设计制造等优点。

图1和图2示出了现有技术的RC振荡器的原理图。

如图1和图2所示，该RC振荡器包括偏置电路、两个比较器COMP1和COMP2、RS触发器和一些数字逻辑。

该RC振荡器中的偏置电路包括一个电阻器R和一个二级管连接的NMOS管N1(即，该NMOS管N1的栅极G与漏极D连接)，该偏置电路产生基准电流(即，偏置电流)，通过电流镜(两个NMOS管N2和N3)将偏置电流分别镜像给电容器C1和C2，可对电容C1和C2进行稳定的放电，其放电的电流等于从电流镜镜像过来的电流的大小。因此，可通过调节电容器C1和C2及镜像的电流的大小来改变输出的时钟信号的频率f。当电容器C1和C2充电超过基准电压(即，偏置电压)VREF时，比较器COMP1和COMP2会发生翻转，驱动后面的RS触发器产生时钟信号，此RS触发器为下降沿触发电路。由于RS触发器的输入为两路完全对称的电路，因此两个比较器COMP1和COMP2的输出恰好使此RS触发器产生占空比为50％的时钟信号。

下面对该RC振荡器的原理进行具体说明。

对于NMOS管N1和N2，由于：

电荷Q＝C₁×V＝I_d2×(T₁/2)＝I₂/(2f₁)；

电压V＝VDD-VREF＝I1×R；

I₁/I₂＝S₁/S₂，{S₁＝W₁/L₁，S₂＝W₂/L₂}；

Q＝C₁×I₁×R＝I₂/(2f₁)；

(C₁×R×S₁)/S₂＝1/(2f₁)；

因此，f₁＝S₂/(2RC₁×S₁)；

如果S₁＝S₂，则f₁＝1/2RC₁。

其中，I₁为流经NMOS管N1的电流，I_d2＝I₂为流经NMOS管N2的电流，S1为NMOS管N1的沟道宽长比，W₁为NMOS管N1的沟道宽度，L₁为NMOS管N1的沟道长度，S₂为NMOS管N2的沟道宽长比，W₂为NMOS管N2的沟道宽度，L₂为NMOS管N2的沟道长度，T₁为NMOS管N2所在的振荡回路产生的信号的周期，f₁为该振荡回路产生的信号的周期，C₁为电容器C1的电容大小。

同理，对于NMOS管N1和N3，由于：

电荷Q＝C₂×V＝I_d3×(T₂/2)＝I₃/(2f₂)；

电压V＝VDD-VREF＝I₁×R；

I₁/I₃＝S₁/S₃，{S₁＝W₁/L₁，S₃＝W₃/L₃}；

Q＝C₂×I₁×R＝I₃/(2f₂)；

(C₂×R×S₁)/S₃＝1/(2f₂)；

因此，f₂＝S₃/(2RC₂×S1)；

如果S₁＝S₃，则f₂＝1/2RC₂。

其中，I_d3＝I₃，为流经NMOS管N3的电流，S₃为NMOS管N3的沟道宽长比，W₃为NMOS管N3的沟道宽度，L₃为NMOS管N3的沟道长度，T₂为NMOS管N3所在的振荡回路产生的信号的周期，f₂为该振荡回路产生的信号的周期，C₂为电容器C1的电容大小。

如果C₁＝C₂，则f₁＝f₂＝f。

这样，由于RS触发器的输入为两路完全对称的电路，因此两个比较器COMP1和COMP2的输出恰好使此RS触发器产生占空比为50％的时钟信号。

然而，上述现有技术的RC振荡器存在以下问题。

第一，比较器COMP1和COMP2消耗了较多的电流，使得电路的功耗增加。

在该RC振荡器中，通过电容器充电，当充电的电压超过基准电压VREF时，比较器COMP1和COMP2就会产生翻转从而产生时钟信号输出，当充电的电压低于偏置电压VREF时，比较器COMP1和COMP2的输出为低。即，在振荡器电路正常工作的所有情况下，比较器COMP1和COMP2均要消耗较大的电流，以保证时钟信号的正常产生。

第二，由于节点FEED和FEEDB两处的寄生电容不同，使得该RC振荡器的占空比性能下降。节点FEED的寄生电容为与其相连的两个反相器的寄生电容(结合图1和图2，这两个反相器为节点FEED和LEVELB之间的反相器以及节点FEEDB和FEED之间的反相器)，而FEEDB节点的寄生电容为与之相连的RS触发器中的两个与非门以及非门的寄生电容。这两个节点FEED和FEEDB寄生电容的差别，也会降低振荡器占空比的性能，在频率越高的情况下，将越显著。

第三，在该RC振荡器中，在节点FEED和FEEDB之间插入了一个反相器，则这两个信号之间存在一个反相器的延迟，改变了原本完全对称的电路，也使得占空比下降。

发明内容

针对现有技术中的上述问题，提供一种具有低功耗的RC振荡器，可产生内部电路所需要的占空比精度提高的时钟控制信号。

根据本发明的一方面，提供一种RC振荡器，该RC振荡器包括：偏置偏置电路，产生偏置电流，并且包括电阻器和第一NMOS管，电阻器串联连接在电源和第一NMOS管的漏极之间，第一NMOS管的漏极与栅极连接，偏置电压施加到第一NMOS管的栅极，第一NMOS管的源极接地；第一反相器、第二NMOS管和第一电容器，第一反相器连接在电源和第二NMOS管的漏极之间，所述偏置电压施加到第二NMOS管的栅极，第二NMOS管的源极接地，第一电容器串联连接在第一反相器的输出端和第二NMOS管的源极之间；第二反相器、第三NMOS管和第二电容器，第二反相器连接在电源和第三NMOS管的漏极之间，所述偏置电压施加到第三NMOS管的栅极，第三NMOS管的源极接地，第二电容器串联连接在第二反相器的输出端和第三NMOS管的源极之间；第三反相器至第六反相器以及RS触发器，第三反相器的输入端连接到第二反相器的输出端，第三反相器的输出端连接到第四反相器的输入端，第四反相器的输入端连接到RS触发器的第一输入端；第五反相器的输入端连接到第一反相器的输出端，第五反相器的输出端连接到第六反相器的输入端，第六反相器的输入端连接到RS触发器的第二输入端，RS触发器的第一输出端连接到第一反相器的输入端，RS触发器的第二输出端连接到第二反相器的输入端，RS触发器的第一输出端输出的信号经过串联的第七反相器和第八反相器之后作为时钟信号输出；或非门和第四NMOS管，RS触发器的第一输入端和第二输入端分别连接到或非门的第一输入端和第二输入端，或非门的输出端连接到第四NMOS管的栅极，RS触发器的第一输出端连接到第四NMOS管的漏极，第四NMOS管的源极接地。

附图说明

通过结合附图，从下面的实施例的描述中，本发明这些和/或其它方面及优点将会变得清楚，并且更易于理解，其中：

图1和图2示出了现有技术的RC振荡器的原理图；

图3和图4示出了根据本发明的RC振荡器的原理图；

图5示出了图3中的第一反相器和第二反相器的内部结构图。

具体实施方式

以下，参照附图来详细说明本发明的实施例。

图3和图4示出了根据本发明的RC振荡器的原理图，图5示出了图3中的反相器的内部结构图。

图3与现有技术的图1基本相同，不同之处在于，反馈到图3中的节点FEED的信号与图1中所示的情况不同。

参照图3和图4，根据本发明的RC振荡器包括偏置电路、RS触发器和一些数字逻辑。

具体地，RC振荡器中包括：偏置电路，包括电阻器R和第一NMOS管N1；第一反相器INV1、第二NMOS管N2和第一电容器C1；第二反相器INV2、第三NMOS管N3和第二电容器C2；第三反相器INV3至第六反相器INV6以及RS触发器。

电阻器R串联连接在电源VDD和第一NMOS管N1的漏极D之间，第一NMOS管N1的漏极D与栅极G连接(形成二极管连接)，偏置电压VREF施加到第一NMOS管N1的栅极G，第一NMOS管N1的源极S接地。

第一反相器INV1连接在电源VDD和第二NMOS管N2的漏极D之间，偏置电压VREF施加到第二NMOS管N2的栅极G，第二NMOS管N2的源极S接地，第一电容器C1串联连接在第一反相器INV1的输出端和第二NMOS管N2的源极S之间。

类似地，第二反相器INV2连接在电源VDD和第三NMOS管N3的漏极D之间，偏置电压VREF施加到第三NMOS管N3的栅极G，第三NMOS管N3的源极S接地，第二电容器C2串联连接在第二反相器INV2的输出端和第三NMOS管N3的源极S之间。

第三反相器INV3的输入端连接到第二反相器INV2的输出端(参见节点LEVEL)，第三反相器INV3的输出端连接到第四反相器INV4的输入端，第四反相器INV4的输入端连接到RS触发器的第一输入端；第五反相器INV5的输入端连接到第一反相器INV1的输出端(参见节点LEVELB)，第五反相器INV5的输出端连接到第六反相器INV6的输入端，第六反相器INV6的输入端连接到RS触发器的第二输入端，RS触发器的第一输出端连接到第一反相器INV1的输入端(参见节点FEED)，RS触发器的第二输出端连接到第二反相器INV2的输入端(参见节点FEEDB)。RS触发器的第一输出端输出的信号经过串联的第七反相器INV7和第八反相器INV8之后作为时钟信号输出。

RS触发器可包括第一与非门NAND1和第二与非门NAND2。第四反相器INV4的输入端连接到第一与非门NAND1的第一输入端，第一与非门NAND1的第二输入端连接到第二与非门NAND2的输出端，第六反相器INV6的输入端连接到第二与非门NAND2的第一输入端，第二与非门NAND2的第二输入端连接到第一与非门NAND1的输出端。

为了得到占空比良好的时钟信号，第一NMOS管N1、第二NMOS管N2和第三NMOS管N3的沟道宽长比彼此相等，第一电容器C1和第二电容器C2的电容彼此相等。

因此，第二NMOS管N2和第三NMOS管N3对于第一NMOS管N1可作为电流镜

偏置电路产生基准电流(即，偏置电流)，通过电流镜(第二NMOS管N2和第三NMOS管N3)将偏置电流分别镜像给第一电容器C1和第二电容器C2，可对第一电容器C1和第二电容器C2进行稳定的放电，其放电的电流等于从电流镜镜像过来的电流的大小。因此，可通过调节第一电容器C1和第二电容器C2及镜像的电流的大小来改变输出的时钟信号的频率f。

与图2所示的现有技术的电路比较，图2中的比较器COMP1和COMP2被第三反相器INV3至第六反相器INV6所取代，只有当电容C1充电的电压值超过了第五反相器INV5的阈值时，第五反相器INV5才开始翻转，而消耗电流，当电容C1的充电电压值保持为高电平时，第五反相器INV5保持输出电平为低，而不消耗电流。同理，只有当电容C2充电的电压值超过了第三反相器INV3的阈值时，第三反相器INV3才开始翻转，而消耗电流，当电容C3的充电电压值保持为高电平时，第三反相器INV3保持输出电平为低，而不消耗电流。因此，在RC振荡器正常工作的期间，所消耗的功耗大大降低。

参照图4，RC振荡器还可包括或非门NOR和第四NMOS管N4。RS触发器的第一输入端和第二输入端分别连接到或非门NOR的第一输入端和第二输入端，或非门NOR的输出端连接到第四NMOS管N4的栅极G，RS触发器的第一输出端连接到第四NMOS管N4的漏极D，第四NMOS管N4的源极S接地。

如前文所述，在图1和图2所示的传统RC振荡器中，由于节点FEED和FEEDB两处的寄生电容不同，使得该RC振荡器的占空比性能下降。节点FEED的寄生电容为与其相连的两个反相器的寄生电容(结合图1和图2，这两个反相器为节点FEED和LEVELB之间的反相器以及节点FEEDB和FEED之间的反相器)，而FEEDB节点的寄生电容为与之相连的RS触发器中的与非门以及非门的寄生电容。这两个节点FEED和FEEDB寄生电容的差别，也会降低振荡器占空比的性能，在频率越高的情况下，将越显著。

而在根据本发明的RC振荡器中，将FEED节点的位置放在了第一与非门NAND1的输出端，与FEED节点的位置相对应。在RS触发器的输出端，两路电路保持完全的对称，使得FEED节点和FEEDB节点的寄生电容几乎相同，唯一的差别就是FEED节点多了第四NMOS管N4的漏极D的电容，但此电容很小，可以忽略不计。

另外，为了防止RS触发器出现锁死的状态，在RS触发器的第一输入端和第二输入端的输入端连接了或非门NOR和第四NMOS管N4，当第一与非门NAND1和第二与非门NAND2的输入均为低电平时，或非门NOR将输出高电平，使第四NMOS管N4导通，而将FEED节点拉低，FEEDB节点此时仍为高。通过反馈，可改变RS触发器的第一输入端和第二输入端两者同时为低电平这种状态，使RS触发器的一个输入端为高电平，离开被锁定的状态。因此RS触发器在所有输入状态下都能正常工作。当RS触发器的第一输入端和第二输入端至少有一个为高电平时，或非门NOR会输出低电平，使得与之相连的第四NMOS管N4截止，不影响RC振荡器的正常工作。

参照图3，RC振荡器还可包括第一PMOS管P1、第二PMOS管P2和第三PMOS管P3。

第一PMOS管P1的漏极D连接到电阻器R，第一PMOS管P1的源极S连接到电源VDD，使得第一PMOS管P1与电阻器R串联，第一PMOS管P1的栅极G被施加外部控制信号PD。第二PMOS管P2的漏极D连接到第一反相器INV1，第二PMOS管P2的源极S连接到电源VDD，使得第二PMOS管P2与第一反相器INV1串联，第二PMOS管P2的栅极G被施加外部控制信号PD。第三PMOS管P3的漏极D连接到第二反相器INV2，第三PMOS管P3的源极S连接到电源VDD，使得第三PMOS管P3与第二反相器INV2串联，第三PMOS管P3的栅极G被施加外部控制信号PD。外部控制信号PD的电平高低变化可控制第一PMOS管P1、第二PMOS管P2和第三PMOS管P3的导通和截止，从而控制RC振荡器的操作状态。即，当外部控制信号PD的电平为高电平时，使得第一PMOS管P1、第二PMOS管P2和第三PMOS管P3导通，从而使得RC振荡器正常操作。当外部控制信号PD的电平为低电平时，使得第一PMOS管P1、第二PMOS管P2和第三PMOS管P3截止，由此关闭RC振荡器。

图5是图3中的第一反相器INV1和第二反相器INV2的具体结构。

参照图5中的(a)，第一反相器INV1包括第五NMOS管N5和第四PMOS管P4。第五NMOS管N5的栅极G与第四PMOS管P4的栅极G连接在一起作为第一反相器INV1的输入端，第五NMOS管N5的漏极D与第四PMOS管P4的漏极D连接在一起作为第一反相器INV1的输出端，第五NMOS管N5的源极S连接到第二NMOS管N2的漏极D，第四PMOS管P4的源极S连接到第二PMOS管P2的漏极D。

类似地，参照图5中的(b)，第二反相器INV2包括第六NMOS管N6和第五PMOS管P5。第六NMOS管N6的栅极G与第五PMOS管P5的栅极G连接在一起作为第二反相器INV2的输入端，第六NMOS管N6的漏极D与第五PMOS管P5的漏极D连接在一起作为第二反相器INV2的输出端，第六NMOS管N6的源极S连接到第三NMOS管N3的漏极D，第五PMOS管P5的源极S连接到第三PMOS管P3的漏极D。

根据本发明的RC振荡器作为一种完整的时钟电路，可获得功耗低、占空比良好的时钟信号。因此，该RC振荡器可以直接在各种嵌入式芯片中使用。

表1为传统RC振荡器与根据传统RC振荡器在65nm工艺条件下的仿真结果比较。

表1

	频率	动态电流	占空比
				传统RC振荡器	10MHz	43.71uA	50.49％

本发明的RC振荡器

10MHz

26.75uA

49.96％

从表1中可看出，在相同的频率下，本发明的RC振荡器相对于传统RC振荡器，在动态电流方面减小了40％左右，而在占空比方面提高了大约1％(更接近50％)。可见，本发明的RC振荡器在功耗及占空比方面相对于传统RC振荡器都有了一定的改善。

虽然本发明是参照其示例性的实施例被具体描述和显示的，但是本领域的普通技术人员应该理解，在不脱离由权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下，可以对其进行形式和细节的各种改变。

Claims

1.一种具有低功耗的RC振荡器，包括：

偏置电路，产生偏置电流，并且包括电阻器和第一NMOS管，电阻器串联连接在电源和第一NMOS管的漏极之间，第一NMOS管的漏极与栅极连接，偏置电压施加到第一NMOS管的栅极，第一NMOS管的源极接地；

第一反相器、第二NMOS管和第一电容器，第一反相器连接在电源和第二NMOS管的漏极之间，所述偏置电压施加到第二NMOS管的栅极，第二NMOS管的源极接地，第一电容器串联连接在第一反相器的输出端和第二NMOS管的源极之间；

第二反相器、第三NMOS管和第二电容器，第二反相器连接在电源和第三NMOS管的漏极之间，所述偏置电压施加到第三NMOS管的栅极，第三NMOS管的源极接地，第二电容器串联连接在第二反相器的输出端和第三NMOS管的源极之间；

第三反相器至第六反相器以及RS触发器，第三反相器的输入端连接到第二反相器的输出端，第三反相器的输出端连接到第四反相器的输入端，第四反相器的输入端连接到RS触发器的第一输入端；第五反相器的输入端连接到第一反相器的输出端，第五反相器的输出端连接到第六反相器的输入端，第六反相器的输入端连接到RS触发器的第二输入端，RS触发器的第一输出端连接到第一反相器的输入端，RS触发器的第二输出端连接到第二反相器的输入端，RS触发器的第一输出端输出的信号经过串联的第七反相器和第八反相器之后作为时钟信号输出；

或非门和第四NMOS管，RS触发器的第一输入端和第二输入端分别连接到或非门的第一输入端和第二输入端，或非门的输出端连接到第四NMOS管的栅极，RS触发器的第一输出端连接到第四NMOS管的漏极，第四NMOS管的源极接地。

2.根据权利要求1所述的RC振荡器，其中，第一NMOS管、第二NMOS管和第三NMOS管的沟道宽长比彼此相等，第一电容器和第二电容器的电容彼此相等。

3.根据权利要求2所述的RC振荡器，其中，偏置电路产生的偏置电流通过第二NMOS管和第三NMOS管分别被镜像给第一电容器和第二电容器，对第一电容器和第二电容器进行稳定的放电，放电的电流等于镜像的电流的大小。

4.根据权利要求3所述的RC振荡器，其中，当第一电容器上的电压超过第五反相器的阈值时，第五反相器翻转；当第二电容器上的电压超过第三反相器的阈值时，第三反相器翻转，由此使得RS触发器产生时钟信号。

5.根据权利要求4所述的RC振荡器，其中，当RS触发器的第一输入端和第二输入端同时为低电平时，或非门输出高电平，使得第四NMOS管导通，将RS触发器的第一输出端拉为低电平，从而使得RS触发器离开被锁死的状态。

6.根据权利要求4所述的RC振荡器，还包括：

第一PMOS管，第一PMOS管的漏极连接到电阻器，第一PMOS管的源极连接到电源，使得第一PMOS管与电阻器串联，第一PMOS管的栅极被施加外部控制信号；

第二PMOS管，第二PMOS管的漏极连接到第一反相器，第二PMOS管的源极连接到电源，使得第二PMOS管与第一反相器串联，第二PMOS管的栅极被施加外部控制信号；

第三PMOS管，第三PMOS管的漏极连接到第二反相器，第三PMOS管的源极连接到电源，使得第三PMOS管与第二反相器串联，第三PMOS管的栅极被施加外部控制信号。

7.根据权利要求6所述的RC振荡器、其中，当外部控制信号的电平为高电平时，使得第一PMOS管、第二PMOS管和第三PMOS管导通，从而使得RC振荡器正常操作；当外部控制信号的电平为低电平时，使得第一PMOS管、第二PMOS管和第三PMOS管截止，由此关闭RC振荡器。