CN102324912A

CN102324912A - 电流控制振荡器

Info

Publication number: CN102324912A
Application number: CN201110231551A
Authority: CN
Inventors: 尹莉
Original assignee: China Key System and Integrated Circuit Co Ltd
Current assignee: China Key System and Integrated Circuit Co Ltd
Priority date: 2011-08-13
Filing date: 2011-08-13
Publication date: 2012-01-18

Abstract

本发明公开了一种电流控制振荡器，包括时钟控制电容充放电部分以及时钟生成部分，其中：所述时钟控制电容充放电部分由输入电流Iin、电流镜以及时钟控制的充放电电容组成；所述时钟生成部分由比较器1、比较器2、参考电压VREF以及RS锁存器所组成；所述时钟控制电容充放电部分在所述时钟生成部分最终输出的时钟信号控制下，对电容进行充放电，电容上极板的电压与参考电压比较得到的结果，用于决定所述RS锁存器的置位或复位，从而实现一定频率的时钟信号输出。其优点在于：提高了输出频率的稳定性；可以获得50%占空比的输出波形；节省电路的功耗。

Description

电流控制振荡器

技术领域

本发明涉及一种电流控制振荡器，特别涉及一种具有对称结构的通过控制电流的大小来改变振荡器的输出频率的电流控制振荡器。

背景技术

振荡器其作用是产生稳定的、周期性的时域脉冲信号，输出控制逻辑电路的时序。振荡器在集成电路中被广泛的应用，是许多电子系统的主要组成部分，生成的波形能够用于计时系统中的时钟信号，或者用于传播信息的振幅或频率调制的载波信号。另外，对于显示系统，振荡器能够产生周期性的转换电压，或将模拟电压或电流数据转换成频率。在复杂的信号处理系统中，振荡器同样是关键的模块，例如频率综合器中。

传统的振荡器采用电压控制的振荡器，电压控制振荡器是一种以电压输入来控制振荡频率的电子振荡电路。其振荡的频率会随着直流电压的不同而改变。但是，传统的电压控制振荡器存在着易受温度变化和电压不稳定等外界因素影响的问题，即所需振荡频率不固定，混乱，如果持续性的来源不稳定，系统就无法正常工作。因此，电压控制振荡器为提高频率的稳定性，使用相位固定电路。

另外，现有技术关于数字电流控制振荡器中所述的电流控制振荡器，由电压-电流变换器，数字信号控制的电流发生器和频率输出部分组成，其中电压-电流变换器和数字信号控制的电流发生器均依赖于电压到电流的转换，依然受到此输入电压的影响，且该技术着重于对电压-电流转换的过程以及数字信号控制电流发生器部分的描述，没有对频率输出部分进行描述。

发明内容

本发明的目的是实现一种电流控制振荡器，以克服现有技术中振荡器的不足。

为了实现本发明的发明目的，通过采用以下技术方案来实现：

一种电流控制振荡器，包括时钟控制电容充放电部分以及时钟生成部分，其中：所述时钟控制电容充放电部分由输入电流Iin、电流镜以及时钟控制的充放电电容组成；所述时钟生成部分由比较器1、比较器2、参考电压VREF以及RS锁存器所组成；所述时钟控制电容充放电部分在所述时钟生成部分最终输出的时钟信号控制下，对电容进行充放电，电容上极板的电压与参考电压比较得到的结果，用于决定所述RS锁存器的置位或复位，从而实现一定频率的时钟信号输出。

所述时钟控制电容充放电部分中：所述输入电流Iin负端接地，正端连接P型金属-氧化层-半导体-场效应管MOSFET M1；所述电流镜由三个P型MOSFET M1、 M2和M3组成，其中M1作为电流镜的镜像源，而M2和M3具有与M1相同的尺寸， M2和M3将输入电流分别镜像到M2支路和M3支路；所述时钟控制的充放电电容包括正向时钟信号CLK+控制电容充放电部分及负向时钟信号CLK-控制电容充放电部分，其中：正向时钟信号CLK+控制电容充放电部分由P型MOSFET M4和N型MOSFET M5以及第一电容C1所组成，所述M4的源级与所述M2的漏极相连，所述M5的源级接地，栅极与所述M4的栅极相连，漏极与所述M4的漏极相连，所述C1下极板接地，上极板与所述M4的漏极、M5的漏极相连；负向时钟信号CLK-控制电容充放电部分由P型MOSFET M6和N型MOSFET M7以及第二电容C2所组成，所述M6的源级与所述M3的漏极相连，所述M7的源级接地，栅极与所述M6的栅极相连，漏极与所述M6的漏极相连，所述C2下极板接地，上极板与所述M6的漏极、M7的漏极相连；CLK-控制电容充放电部分与CLK+控制电容充放电部分具有相同的结构，且所述M6与所述M4具有相同的尺寸，所述M7与所述M5具有相同的尺寸，所述C2与所述C1具有相同的尺寸及容值，容值均为C。

所述时钟生成部分中：所述所述比较器1具有正输入端和负输入端，所述正输入端与所述第一电容C1的上极板相连，所述负输入端与参考电压VREF相连；

所述比较器2具有正输入端和负输入端，所述正输入端与所述第二电容C2的上极板相连，所述负输入端与参考电压VREF相连；所述参考电压VREF分别与比较器1、比较器2的负输入端相连；所述RS锁存器具有置位输入端S和复位输入端R，所述置位输入端S与比较器1的输出相连接，所述复位输入端R与比较器2的输出端相连接，所述RS锁存器具有输出端Q1及其互补输出端Q2，输出端Q1输出的正向时钟信号CLK+与所述M4的栅极、M5的栅极相连接，用于控制M4和M5的开关，互补输出端Q2输出的负向时钟信号CLK-与所述M6的栅极、M7的栅极相连接，用于控制M6和M7的开关。

本发明的有益效果在于：克服了传统的电压控制振荡器及数字电流控制振荡器中输入电压对振荡频率的影响，提高了输出频率的稳定性；电路结构上采用全对称的结构，电容的充放电在同一参考电压VREF处切换，寄生以及非线性对电容C1和电容C2的影响相同，因此，可以获得50%占空比的输出波形；另外，采用了电容充放电切换，在对应电容进入放电周期后，切断电流镜支路的电流，从而节省电路的功耗。

附图说明

图1是本发明电流控制振荡器电路结构示意图。

图2是本发明电流控制振荡器电路中电容充放电电压波形以及输出时钟信号波形。

具体实施方式

如图1、图2所示，分别是本发明电流控制振荡器电路结构示意图及本发明电流控制振荡器电路中电容充放电电压波形以及输出时钟信号波形。

图1中输入电流Iin通过电流镜镜像到M2支路和M3支路，作为电容C1和电容C2的充放电电流。正向时钟信号CLK+控制M4和M5，进而控制电容C1进入充电周期（或是进入放电周期），同时，负向时钟信号CLK-用于控制M6和M7，进而控制电容C2进入放电周期（或是进入充电周期）。具体的工作情况如下所述：假定正向时钟信号CLK+初始值为低电位，由CLK+控制的M4导通，M5截止，M2支路的镜像电流通过M4给电容C1充电。同时，负向时钟信号CLK-初始值为高电位，由CLK-控制的M6截止，M7导通，电容C2通过导通的M7快速地放电到地。电容C1不断的充电，上级板电位不断增大，直到上级板电位稍大于连接比较器1和比较器2的负端的参考电位VREF，比较器1的输出状态翻转，为高电位状态，同时由于电容C2上级板通过M7放电到地，使得比较器2的输出状态为低电位。即此时RS锁存器的置位输入端S为高电位，复位输入端R为低电位，促使输出端Q1的输出，即正向时钟信号CLK+状态翻转，置为高电平，同时，互补输出端Q2的输出，即负向时钟信号CLK-状态翻转，置为低电平。

CLK+置为高电平，CLK-置为低电平后，由CLK-控制的M6导通，M7截止，M3支路的镜像电流通过M6给电容C2充电。同时，CLK+控制的M4截止，M5导通，电容C1通过导通的M5快速的放电到地。电容C2不断的充电，上级板电位不断增大，直到上级板电位稍大于连接比较器1和比较器2的负端的参考电位VREF，比较器1输出为低电位，比较器2的输出为高电位，即此时RS锁存器的置为输入端S为低电位，复位输入端R为高电位，促使输出端Q1的输出，即正向时钟信号CLK+状态翻转，置为低电平，同时，互补输出端Q2的输出，即负向时钟信号CLK-状态翻转，置为高电平。此时，电路完成振荡器的一个周期。

图1中电流控制振荡器的主要节点的电压波形，结合图2所示，在理想的情况下，当振荡器不存在开关切换延时时，振荡器的输出时钟频率ƒ₀由电路中的充放电电容的容值C、比较器1和比较器2的参考电压VREF，以及输入电流Iin来决定，即符合以下等式：

从上式可知，电路中充放电电容容值C以及参考电压VREF确定的情况下，改变输入电流Iin的大小，即可改变输出时钟的频率，从而实现电流控制的振荡器。

实际中，由于比较器1和比较器2存在的延时，以及充放电的开关切换延时，充放电切换不会在电容上极板电压达到参考电压VREF的瞬间完成，从而引入了非线性。如果考虑Td/2作为其中一个电容上极板的电压达到参考电压VREF后，另一个电容开始充电之间的延时，那么实际的振荡器输出时钟频率ƒ₁为：

因此，为了改善振荡器的线性度以及最大化振荡频率，Td需要最小化。

Claims

1.一种电流控制振荡器，其特征在于包括时钟控制电容充放电部分以及时钟生成部分，其中：

所述时钟控制电容充放电部分由输入电流Iin、电流镜以及时钟控制的充放电电容组成；

所述时钟生成部分由比较器1、比较器2、参考电压VREF以及RS锁存器所组成；

所述时钟控制电容充放电部分在所述时钟生成部分最终输出的时钟信号控制下，对电容进行充放电，电容上极板的电压与参考电压比较得到的结果，用于决定所述RS锁存器的置位或复位，从而实现一定频率的时钟信号输出。

2.如权利要求1所述的电流控制振荡器，其特征在于所述时钟控制电容充放电部分中：

所述输入电流Iin负端接地，正端连接P型MOSFET M1；

所述电流镜由三个P型MOSFET M1、 M2和M3组成，其中M1作为电流镜的镜像源，而M2和M3具有与M1相同的尺寸， M2和M3将输入电流分别镜像到M2支路和M3支路；

所述时钟控制的充放电电容包括正向时钟信号CLK+控制电容充放电部分及负向时钟信号CLK-控制电容充放电部分，其中：正向时钟信号CLK+控制电容充放电部分由P型MOSFET M4和N型MOSFET M5以及第一电容C1所组成，所述M4的源级与所述M2的漏极相连，所述M5的源级接地，栅极与所述M4的栅极相连，漏极与所述M4的漏极相连，所述C1下极板接地，上极板与所述M4的漏极、M5的漏极相连；负向时钟信号CLK-控制电容充放电部分由P型MOSFET M6和N型MOSFET M7以及第二电容C2所组成，所述M6的源级与所述M3的漏极相连，所述M7的源级接地，栅极与所述M6的栅极相连，漏极与所述M6的漏极相连，所述C2下极板接地，上极板与所述M6的漏极、M7的漏极相连；CLK-控制电容充放电部分与CLK+控制电容充放电部分具有相同的结构，且所述M6与所述M4具有相同的尺寸，所述M7与所述M5具有相同的尺寸，所述C2与所述C1具有相同的尺寸及容值。

3.如权利要求1所述的电流控制振荡器，其特征在于所述时钟生成部分中：

所述所述比较器1具有正输入端和负输入端，所述正输入端与所述第一电容C1的上极板相连，所述负输入端与参考电压VREF相连；

所述比较器2具有正输入端和负输入端，所述正输入端与所述第二电容C2的上极板相连，所述负输入端与参考电压VREF相连；

所述参考电压VREF分别与比较器1、比较器2的负输入端相连；

所述RS锁存器具有置位输入端S和复位输入端R，所述置位输入端S与比较器1的输出相连接，所述复位输入端R与比较器2的输出端相连接，所述RS锁存器具有输出端Q1及其互补输出端Q2，输出端Q1输出的正向时钟信号CLK+与所述M4的栅极、M5的栅极相连接，用于控制M4和M5的开关，互补输出端Q2输出的负向时钟信号CLK-与所述M6的栅极、M7的栅极相连接，用于控制M6和M7的开关。