CN102377412B - 低耗电的弛张型振荡器 - Google Patents

Abstract

本发明一种低耗电的弛张型振荡器，为解决现有技术中耗电高等问题而发明。包含电流源产生电路利用第一晶体管的闸极和汲极连接形成的跨压使电阻产生偏压电流，充放电电路利用该偏压电流的镜射电流对电容充电以导通和该第一晶体管具有相同特性的第二晶体管，再经由连接于该第二晶体管的汲极与第三晶体管的闸极之间的延迟电路，使该电容周期性地充电与放电，以产生一个与电源电压无关的振荡频率并达到低耗电的效果。

Description

低耗电的弛张型振荡器

技术领域

本发明涉及一种弛张型振荡器，特别涉及一种低耗电的弛张型振荡器。

背景技术

因近年制程控制精进以及降低成本考虑，在微控制单元(MCU)及其它电路中，积极采用内部电阻及电容做为弛张型振荡器(Relaxationoscillators)的组件，并利用频率校准方式校准(trimming)电阻及电容制程变动，以便获得准确的频率。采用内部电阻及电容的弛张型振荡器除在微控制单元及其它电路中大量运用以取代石英晶体振荡器(crystaloscillator)为IC内部的频率产生的振荡源，另外也采用此电路做为微控制单元中的看门狗定时器(watchdogtimer，WDT)或休眠模式定时器(sleepmodetimer)。

而一般弛张型振荡器的设计中，尽量以原理CV＝IT及I＝(V/R)得到和电压无关的振荡时间公式T＝RC。现今的IC除了频率对电压及制程变动要求严刻之外，对IC内频率产生的振荡源及看门狗定时器亦严刻要求低耗电表现，以达到IC低耗电的节能需求。一般振荡器耗电分为交流电转态(ACtransient)及直流电流路径(DCcurrentpath)的耗电。而直流电流路径主要功用是产生对电容的充放电电流及比较器的偏压(bias)电流。为了达到低耗电需求，在设计概念上需要减少直流电流路径及降低偏压电流源大小。但是为了降低偏压电流源大小以达到低耗电的标准，根据公式I＝(V/R)，通常电阻R的阻值必须很大，例如若电阻上有3V的跨压，电阻DC电流要小于3uA，则电阻需为1MΩ以上；若电阻上有5V的跨压，电阻DC电流还是要小于3uA，则电阻需为1.67MΩ以上。此例说明弛张型振荡器低耗电电路会因电阻值变大，电阻面积增加，使IC面积相对变很大。

习知美国专利号US6362697、US6680656、US6891443所揭露的技术皆因直流电流路径的数量过多，无法达到低耗电的需求。而美国专利号US7443260虽能达到低耗电的需求，但其输出振荡频率并无法对电阻及电容保有T＝RC的线性关系，因此容易受制程、电压、温度…等许多因素影响到其频率的准确度。

发明内容

为克服上述缺陷，本发明的目的之一，在于提出一种低耗电的弛张型振荡器。

本发明的目的之一，在于提出一种周期频率对电阻及电容同样保有线性关系的弛张型振荡器。

为达到上述目的，本发明的低耗电的弛张型振荡器，包含：电流源产生电路，包含：第一晶体管，闸极和汲极连接，使闸极与源极的压降形成一跨压；以及电阻，根据该跨压产生偏压电流；充放电电路，包含：第二晶体管，和该第一晶体管具有相同的特性；第三晶体管，连接于该第二晶体管的闸极和源极之间；以及电容，与该第三晶体管并联，利用该偏压电流的镜射电流充电以导通该第二晶体管，且利用该第三晶体管放电；以及延迟电路，连接于该第二晶体管的汲极与该第三晶体管的闸极之间。

特别是，更包含除频器，连接该延迟电路。

特别是，该电流源产生电路更包含：第一电流镜，连接该第一晶体管及该电阻；以及第二电流镜，连接该第一电流镜及该充放电电路。

特别是，该第一电流镜的晶体管具有相同的特性，使该偏压电流只与该跨压有关。

特别是，该第二电流镜的晶体管具有相同的特性，使该振荡器的振荡频率与该电阻及该电容保持线性关系。

特别是，该第一及第二晶体管为NMOS晶体管。

特别是，该第一及第二晶体管为PMOS晶体管。

特别是，该延迟电路包含反相器。

本发明低耗电的弛张型振荡器除了保有频率对电压变动的低敏感性，其周期频率对电阻及电容同样保有线性关系T＝RC，所以当制程变动时只要调整电阻或电容就能达到频率校准(trimming)的目地。而在低耗电需求中，本发明的弛张型振荡器电路将直流电流路径省略到只剩4个直流电流路径Im1、Im2、Im3、Im4，因此在耗电部分得到改善。

附图说明

图1为本发明弛张型振荡器的实施例；

图2为图1实施例的相关节点波形图；以及

图3为本发明的第二实施例。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步的说明。

图1是本发明弛张型振荡器的实施例。此弛张型振荡器包含电流源产生电路10、充放电电路12及延迟电路14。电流源产生电路10利用晶体管M3的闸极和汲极短路连接成近似偏压二极管的组件，使节点A对接地点GND的跨压为Vgs3，并设计电流镜16的晶体管M1、M2具有相同特性，所以于电阻R1两端，晶体管M1的汲极到接地点GND的跨压同样为Vgs3，因而产生电流源的偏压电流Im1＝(Vgs3/R1)。又设计电流镜18的晶体管M4、M5、M6、M7皆具有相同的特性，即(W/L)M4＝(W/L)M5＝(W/L)M6＝(W/L)M7，因此忽略通道调变(channellengthmodulation)得到具有同一电流值的电流Im1、Im2、Im3、Im4。充放电电路12包含电容C1，当振荡器起振时电流Im3会从节点B对电容C1充电，当节点B的电压达到NMOS晶体管M8的导通电压Vgs8，NMOS晶体管M8被导通，节点C的电位随即由电源电压Vdd被拉下。延迟电路14连接节点C，当节点C的电位被下拉到反相器INV1的转态电压Vtrg1时，转换反相器INV1的输出，再经过反相器INV2，节点ATD会产生一方波脉冲由“1″变为“0″，此方波脉冲再经由反相器INV3转态“0″变为“1″的信号S1，将NMOS晶体管M9打开，再将节点B拉到“0″电位关掉NMOS晶体管M8，则节点C随即被拉回到高压Vdd，使反相器INV3由“0″变为“1″的信号S1关掉NMOS晶体管M9，则电容C1重新回到充电状态。由晶体管M8、M9与延迟电路14形成的回路依此对电容C1反复的充放电，周而复始的运作。其中，延迟电路14的反相器INV1、INV2、INV3的转态电压只决定信号S1传至NMOS晶体管M9的延迟时间，以及节点ATD的脉冲方波的宽度，即使反相器INV1、INV2、INV3的转态电压随制程变动对节点B对电容C的充放电时间造成的影响极小，因此并不会影响本发明弛张型振荡器的振荡频率。另外，为了得到工作周期(dutycycle)为50％的周期方波，会于延迟电路14的节点ATD连接一除频器20，使节点CKOUT输出50％的周期方波。于其它实施中，若并无要求输出50％的周期方波，则不需要于节点ATD连接除频器20，直接于节点ATD输出即可。

本发明的弛张型振荡器依然遵守原理为T＝RC的线性关系。根据电荷守恒原理CV＝IT，将C代入电容C1的电容值，V代入NMOS晶体管M8的导通电压Vgs8，而其中的I为电流Im3＝Im1＝(Vgs3/R1)，得到

C1*(Vgs8)＝(Vgs3/R1)*T。公式1

又根据

$Vgs3=\sqrt{\frac{2\mathrm{Im}2}{UnCox{(W/L)}_{M3}}}+VtM3,$ 公式2

$Vgs8=\sqrt{\frac{2\mathrm{Im}4}{UnCox{(W/L)}_{M8}}}+VtM8,$ 公式3

将晶体管M3及M8设计为相同特性得到VtM3＝VtM8，又因为电流Im2及Im4相同，得到

Vgs3＝Vgs8。公式4

最后，将公式4代入公式1，便可以得到

T＝C1*R1。公式5

根据公式5可知电容C1的充放电周期(T)和电源电压Vdd无关，只对电阻R1及电容C1有线性关系，以利于校准因制程变动的电阻及电容，获得准确的振荡频率。由于节点ATD连接的除频器20会对节点ATD的脉冲方波除频，因此节点CKOUT输出的50％的周期方波的频率周期Tc1k＝2T＝2*C1*R1。

图2是图1实施例的相关节点波形图。节点B为锯齿三角波的电容充放电波形，而节点C为一脉冲波形，节点ATD为一脉冲方波。再经由除频器20对节点ATD的脉冲方波除频，于此振荡器的输出CKOUT产生一工作周期(dutycycle)为50％的周期方波。

图3是本发明的第二实施例，是根据相同的想法将NMOS晶体管由PMOS晶体管取代，而PMOS晶体管改为NMOS晶体管，亦可得到同样的效果。

本发明低耗电的弛张型振荡器除了保有频率对电压变动的低敏感性，其周期频率对电阻及电容同样保有线性关系T＝RC，所以当制程变动时只要调整电阻或电容就能达到频率校准(trimming)的目地。而在低耗电需求中，本发明的弛张型振荡器电路将直流电流路径省略到只剩4个直流电流路径Im1、Im2、Im3、Im4，因此在耗电部分得到改善。另外，在低耗电需求中，还需要降低直流电流路径上的电流源大小，而本发明的电路，根据公式Im1＝(Vgs3/R1)可知电源电压Vdd的大小对电流并无影响，在高压如5V应用上更能突显其优点。且以0.5um制程为例，晶体管M3的Vgs3约0.75V，根据公式Im1＝(Vgs3/R1)，电流Im1达到3uA以下时电阻R1只需250KΩ，与前例说明比较，此电路电阻值约为前例的六分之一，此代表节省了IC中内部电阻所占用的面积。

Claims (8)

1.一种低耗电的弛张型振荡器，其特征在于，包含：

A.电流源产生电路，包含：第一晶体管，闸极和汲极连接，使闸极与源极的压降形成一跨压；以及电阻，根据该跨压产生偏压电流；

B.充放电电路，包含：第二晶体管，和该第一晶体管具有相同的特性；第三晶体管，连接于该第二晶体管的闸极和源极之间；以及电容，与该第三晶体管并联，利用该偏压电流的镜射电流充电以导通该第二晶体管，且利用该第三晶体管放电；以及

C.延迟电路，连接于该第二晶体管的汲极与该第三晶体管的闸极之间。

2.如权利要求1的振荡器，其特征在于，该弛张型振荡器更包含除频器，连接该延迟电路。

3.如权利要求1的振荡器，其特征在于，该电流源产生电路更包含：

第一电流镜，连接该第一晶体管及该电阻；以及

第二电流镜，连接该第一电流镜及该充放电电路。

4.如权利要求3的振荡器，其特征在于，该第一电流镜的晶体管具有相同的特性，使该偏压电流只与该跨压有关。

5.如权利要求4的振荡器，其特征在于，该第二电流镜的晶体管具有相同的特性，使该振荡器的振荡频率与该电阻及该电容保持线性关系。

6.如权利要求1的振荡器，其特征在于，该第一及第二晶体管为NMOS晶体管。

7.如权利要求1的振荡器，其特征在于，该第一及第二晶体管为PMOS晶体管。

8.如权利要求1的振荡器，其特征在于，该延迟电路包含反相器。