CN103248319A - 一种低功耗振荡电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种低功耗振荡电路，包括启动电路，受控振荡电路，基准电流源电路和驱动电路。基准电流源电路包括恒定电流源和可配置电流源组以及汇流电路。受控振荡电路由多级相同的电流受控的反相器电路级联构成。基准电流源电路产生一个与电源电压，温度以及工艺无关的基准电流，基准电流源电路输出电流的大小是通过外部的数字控制信号来配置，调整基准电流源电路输出的基准电流，实现控制受控振荡电路的振荡频率，同时也提供给驱动电路作为参考电压，受控振荡电路产生的频率通过驱动电路输出。本发明可灵活应用于各种无线收发射频芯片中的唤醒电路，尤其适用于工作电压变化范围宽，同时要求电池供电的低功耗电路的场合。

Description

一种低功耗振荡电路

背景技术

近年来随着信息技术领域新技术的不断出现和工艺的不断进步，各种功耗受限的应用场合都需要采用低功耗的唤醒电路，而唤醒电路需要提供能检测当前输出信号频率的时钟电路，而且要求这种时钟电路能够覆盖足够宽的范围，保证在温度和工艺变化以及电压变化条件下能够调节。

众所周知，短距离无线通信系统为了提高系统的便携性和灵活性，都是采用电池供电，这种供电方式要求无线通信芯片正常时候大部分是不工作的，通过内置的唤醒电路与外部进行通信，如有需要再通过内部的唤醒电路唤醒整个芯片进行信号处理，唤醒电路需要对输入信号进行简单的处理，尤其是需要确定当前输入信号的频率是否所需要的频率，这种处理方式就需要芯片或是外部提供一个基准时钟电路进行比较，如果采用外部的时钟电路或是晶振电路就会增加很多功耗，而且也不利于整个系统的小型化和集成度。

已有技术的申请号为201010142406，名称为“一种晶体振荡器电路结构”的发明专利，低功耗的电路单元包括启动单元、电流偏置单元、共模反馈单元、差分主体单元、输出驱动单元。所述启动单元为整体单元的启动电路，为差分主体单元、电流偏置单元的输入端；所述电流偏置电路为差分主体的输入端；所述共模反馈单元为差分主体单元输入端；所述差分主体单元既外接高频晶体，也为输出驱动单元的输入端。

已有技术唤醒电路中采用的振荡电路振荡频率随温度、工艺以及电源电压的变化非常剧烈，振荡电路还需要额外的控制或者补偿电路，另外已有技术的申请号为200710039361，名称为“一种频率可调的晶体振荡电路”的发明专利，需要外置晶体来实现的。这种技术方案实现方式不但导致片外的电路增加，功耗增加，而且还使得系统的成本大幅度上升，只能适用于对功耗要求不严格，而且对成本要求也较低的场合。

综上所述，已有技术的无线射频收发器或唤醒电路中采用的晶振电路存在诸多缺陷：第一，传统的晶振电路无法工作在电源电压变化大的场合，实际的无线通信系统，由于采用电池供电，随着工作时间的变长，工作时的供电电压会下降，传统的晶振电路无法满足工作电压范围比较宽的要求。第二，晶振电路输出的振荡频率受温度和工艺变化十分剧烈，而控制温度和工艺变化的影响，额外需要在加入片外的电路，导致不能满足系统低成本和高集成度的要求。第三，晶振电路中所采用的外部驱动电路都采用多级固定宽长比的反相器组成，核心驱动电路的驱动需要消耗较大的电流，从而直接影响电路的低功耗性能，使电路的电压适用范围急剧下降。

无线电信技术的发展，市场需要能适应不同的电源电压要求的低功耗振荡电路，同时要求振荡频率不会随温度和工艺变化，不仅使得整个唤醒电路的功耗下降，而且适应通信市场对低功耗无线收发产品的大需求。

发明内容

本发明属于射频通信技术领域，涉及一种振荡电路，尤其涉及一种低功耗振荡电路，可应用于无线射频收发器以及需要低功耗工作的唤醒电路。

发明内容

本发明的目的是为解决现有技术传统的唤醒电路中的晶振电路的缺陷，提供一种低功耗的晶振电路，采用精确的正负电流补偿电路来产生基准电流，同时利用电流受控的反相器电路来产生受控振荡电路，代替原有的简单结构的振荡源，可用于电源电压大范围变化，芯片工作温度变化以及工艺变化的场合，同时可配置的输出频率也有利于兼容不同系统不同输入信号频率的要求，这样可以更好的减少硬件和功耗开销，提高整个系统的成本，优化系统设计。

本发明的上述目的是通过下面的技术方案来实现：

一种低功耗振荡电路，包括一个启动电路，一个驱动电路，在于其电路构成还包括一个基准电流源电路和一个受控振荡电路：

一个基准电流源电路，基准电流源电路包括多个尾电流源和受控配置部件以及汇流电路；多个尾电流源一一对应连接一个受控配置部件，与汇流电路构成汇流连接结构的可配置的基准电流源；基准电流源电路有状态控制端、基准电流输出端和电流配置控制端；电流配置控制端连接受控配置部件，接入来自外部的数字控制信号；每个尾电流源由正电流电路与负电流电路以及电流相加电路组成。

利用正电流电路产生的与温度和工艺成正比的正电流与负电流电路产生的与温度和工艺成反比的负电流电路，将正电流电路和负电流电路的电流相加得到单元基准电流，单元基准电流又被N路镜像电流源镜像为几路所需的电流，根据外部控制信号，控制其中几路电流相加，最后得到给受控振荡电路的基准电流即参考电流，基准电流源电路有基准电流输出端和数字控制信号输入端。

一个受控振荡电路，受控振荡电路为电流受控的反相器级联电路，受控振荡电路有基准电流输入端和振荡信号输出端；受控振荡电路的基准电流输入端连接基准电流源电路的基准电流输出端，基准电流源电路给受控振荡电路提供可配置的基准电流，用于控制受控振荡电路的振荡频率；；

所述启动电路输出端连接基准电流源电路的状态控制端，启动电路用于在电路上电时，使基准电流源电路脱离自稳定状态，进入正常工作状态；

所述驱动电路的输入端连接受控振荡电路的振荡信号输出端；驱动电路的输出端为低功耗振荡电路的输出端，低功耗振荡电路的输出为一种时钟信号，用于为低功耗唤醒电路或无线射频收发器提供一个参考时钟信号。

所述的低功耗振荡电路，其在于所述基准电流源电路的多个尾电流源由一个恒定电流源和一个可配置的电流源组构成；恒定电流源与可配置的电流源组的电流输出端并联连接；可配置的电流源组包括N个镜像恒定电流源电流的镜像电流源，每个镜像电流源连接一个受控配置部件；N个镜像电流源通过受控配置部件以汇流连接结构实现受控汇流输出，电流配置的控制信号来自外部的数字控制信号，可配置的电流源组的每个电流源控制端连接一个受控配置部件，受控配置部件都受来自外部的数字控制信号的控制；基准电流源电路受来自外部的数字控制信号控制，输出相应配置的基准电流；N的取值范围为3～7。

启动电路由两个相反工作状态的晶体管和一个电容构成，启动电路的输出端连接基准电流源电路的状态控制端，利用两个相反工作状态的晶体管对电容充放电，在电源电压上电时对电容充电，启动电路的输出端从低电平变到高电平，并呈现高阻态。启动电路的输出从低电平到高电平的过程，使基准电流源电路脱离自稳定状态，进入正常工作状态，输出可配置的基准电流；当启动电路的输出从高电平变化到高阻态后，启动电路的输出不再影响基准电流源电路的状态，基准电流源电路保持正常工作状态。当电源断电时电容放电，启动电路的输出端从高电平变到低电平，使基准电流源电路回到自稳定状态。

所述的低功耗振荡电路，其在于所述受控振荡电路由N级相同结构的电流受控的反相器组成，最后一级反相器的输出端连接第一级反相器的输入端，N个电流受控的反相器的闭环级联电路形成正反馈电路结构，并满足自振荡条件，最后一级反相器的输出端输出振荡信号；N的取值范围为3～7。

受控振荡电路的基准电流输入端连接基准电流源电路的基准电流输出端，受控振荡电路的振荡频率是由电流与负载电容的比值决定，每一个电流受控的反相器电路的放电电流决定于可配置电流源组受控输出的基准电流，负载电容大小是固定，所以振荡电路的振荡频率由受控输出的基准电流大小决定。振荡电路在正常工作时，PMOS管反相器的充电电流直接来自电源，不受可配置电流源组受控输出的基准电流的限制，而放电时PMOS管反相器的放电电流来自可配置电流源组受控输出的基准电流，放电电流大小由受控输出的基准电流的大小决定。

所述的低功耗振荡电路，其在于所述可配置的电流源组由N个镜像尾电流源和一个数字控制模块组成，其中

所述N个镜像尾电流源为电路构成相同，每个镜像尾电流源电路一一镜像于恒定电流源电路的基准电流I_b，但镜像电流的比例不同，后一路镜像尾电流源输出电流是前一路镜像尾电流源输出电流的2倍；

所述的数字控制模块包括N个控制开关管和一个汇流电路；每个控制开关管的一端对应连接一个镜像尾电流源的电流输出端，每个控制开关管的另一端并联连接汇流电路的输入端；N个控制开关管的启闭受来自外部的数字控制信号控制，用于实现基准电流源电路输出基准电流的受控配置；

基准电流源电路N的取值与受控振荡电路N的取值相同，N的取值范围为3～7。

基准电流源电路中的电流镜像电路，其镜像的参考电流即为之前相加电路的输出电流，每路镜像电流源中的尾电流管宽长比与之前相加电路的尾电流管宽长比为不同比例，后一路镜像电流源输出电流是前一路镜像电流源输出电流的2倍，而最终输出的电流的大小是通过改变相加的镜像电路的个数来实现的，这个数字控制信号来源于外部电路。

所述的低功耗振荡电路，其在于所述汇流电路为一个电流汇总晶体管，电流汇总晶体管的漏极-栅极并联连接N个控制开关管的一控制端，电流汇总晶体管的源极为基准电流源电路的基准电流输出端，用于实现可配置的电流源组中受控配置接通的镜像尾电流源的输出电流相加。

电流汇总晶体管为工作在较大电流状态的NMOS管，控制基准电流源电路的最大汇总电流为（1+2N）I_b，最小汇总电流为I_b。的基准电流源电路电流输出端连接受控振荡电路的基准电流输入端，基准电流源电路输出端输出的基准电流用于控制受控振荡电路的振荡器频率。注入受控振荡电路中的基准电流的大小受控于基准电流源电路的输出电流，外部数字控制信号通过数字控制字控制N个控制开关的通断，来控制N个镜像尾电流源电路的不同接入，从而控制基准电流源电路输出电流的大小。通过控制注入受控振荡电路的可配置的基准电流的大小，实现控制受控振荡电路的振荡频率。

所述的低功耗振荡电路，其在于所述尾电流源的正电流电路包括镜像管M1，M2，M3，M4以及镜像管M5，M6，电阻R1，还包括由电阻R2和二极管连接的M7组成的正温度效应电路；电阻R1产生电压差，电阻R2的一端连接镜像管M5的源极，二极管连接的M7管栅漏极连接镜像管M6的源极，电阻R2的另一端和二极管连接的M7管的源极连接地，而镜像管M1，M2，M3，M4组成的电流源镜像电路的一边由M1的漏极与M3的源极串联连接，M1和M2的栅极以及M3管的漏极并联接点连接电阻R1的一端，并连接电流相加电路的输入端；而电阻R1的另一端连接镜像管M5的漏极以及M3和M4的栅极；电流源镜像电路的另一边由M2的漏极与M4的源极串联连接；镜像管M4管和M6管的漏端以及镜像管M5和M6的栅极并联连接，该并联接点连接启动电路的输出端；利用M7，R2之间的电压差，结合镜像管M5和M6，产生一个与温度和工艺特性相关的正电流，该正电流的大小随温度的升高而减少，而随工艺中载流子速度的提高而减少，随电压的升高而变小。

所述的低功耗振荡电路，其在于所述尾电流源的负电流电路包括镜像管M8，M9，M10，M11以及镜像管M12，M13以及电阻R3，还包括电阻R4的负温度效应电路；电阻R3产生电压差，电阻R4的一端连接镜像管M12的源极，电阻R4的另一端接地，而镜像管M8，M9，M10，M11组成的电流源镜像电路的一边由M8的漏极与M10的源极串联连接，M8和M9的栅极以及M10管的漏极并联接点连接电阻R3的一端，而电阻R3的另一端连接镜像管M12的漏极以及M10和M11的栅极；电流源镜像电路的另一边由M9的漏极与M11的源极串联连接；镜像管M11管和M13管的漏端以及镜像管M12和M13的栅极并联连接，该并联接点连接启动电路的输出端并连接电流相加电路的另一输入端；利用R4的电压差，结合镜像管M12和M13，产生一个与温度和工艺特性相关的负电流，该负电流的大小随温度的升高而增加，而随工艺中载流子速度的提高而增加，随电压的升高而变大。

所述的低功耗振荡电路，其在于所述尾电流源的电流相加电路包括镜像管M14，M15，还包括电流相加管M16，M17和M18；镜像管M14栅极连接尾电流源的正电流电路的输出端，镜像管M14的漏极连接二极管连接 M15的漏极和栅极以及M16的栅极；采用二极管连接的M18的栅极和漏极与镜像管M16和M17的漏极并联连接，该并联接点输出相加的电流；镜像管M17的栅极连接负电流电路的输出端；镜像管M14和M18的源极接电源，镜像管M15，M16和M17的源极接地；正电流电路输出的正电流通过镜像管M14和M15，将正电流镜像到电流相加管M16，负电流电路输出的负电流加到电流相加管M17，电流相加管M16中的正电流与电流相加管M17的负电流汇集于电流相加管M18，用于实现正电流与负电流的补偿，使电流相加管M18输出的电流时与温度、电压和工艺特性相关性很低的电流。

基准电流源电路中的电流相加电路在将正电流电路与负电流电路相加时，是按照调整正电流电路电阻R2与负电流电路电阻R 4的一定比例系数将正电流与负电流相加，此比例系数可以保证两者随温度以及工艺，电压的变化的方向相反，而变化量基本相同，从而实现温度和工艺特性的补偿，使基准电流源电路输出的基准电流与电压，工艺和温度基本无关。

所述的低功耗振荡电路，其在于所述启动电路由充电管M19，M20，M21和电容C1组成；充电管M19的栅极和漏极接地，源极接电源，漏极连接电容C1的一端，并连接M20和M21管的栅极，电容C1的另一端接地；启动电路输出端M20以及M21管的漏极分别连接正电流源电路和负电流源电路中的镜像管M6和M13的栅级；用于在电路上电时，使正电流源电路和负电流源电路从自稳定状态转入正常工作状态。

上电时，电源电压从零开始升高时，M19的栅极电压为零，M20的栅极电压也为零，当电源电压上升到一定值时，M20管首先导通，此时电流通过充电管M20和M21对正电流和负电流的节点充电，从而使电路的状态达到正常工作状态，而随着电压的上升，M19管导通，这时电源通过M19对电容C1充电，随着充电电压升高，使充电管M20和M21的栅极电压也不断上升，最后当M20和M21管的栅极电压上升到一定值时，M20和M21管不再导通，稳定后M19管也不再导通，启动电路完成整个启动过程。

      所述的低功耗振荡电路，其还在于所述一种驱动电路为驱动能力逐渐增加的驱动电路，它由一个电压受限的反相器和一个反相器组构成；其中

一个电压受限的反相器由一个NMOS晶体管和一个PMOS管以及二极管连接的NMOS晶体管和二极管连接的PMOS晶体管组成，用于驱动后级的反相器电路；电压受限的反相器采用二极管连接的NMOS管和PMOS管，使其输入翻转电压低于传统反相器，从而降低受控振荡器的驱动要求，同时也降低电路的功耗；

一个反相器组包括级联连接的多级反相器，多级反相器的驱动能力不同，后级反相器的驱动能力大于前级的反相器的驱动能力，驱动能力按照2ⁿ逐级加大，多级反相器的级数n的取值范围为3～5。     

    受控振荡电路输出连接多级反相器级联构成的驱动电路，由于受控振荡电路的驱动能力较弱，驱动电路的第一级电路采用电压受限的反相器可以减小反相器的尺寸，这样可以保证受控振荡电路在后面级联反相器的驱动下输出振荡信号。

低功耗振荡电路，启动电路连接基准电流源电路，而基准电流源电路为受控振荡电路提供一个基本的电流源参考，同时也为系统中其他电路提供基准参考电流，受控振荡电路输出连接驱动电路，驱动电路驱动外部电路。

所述的启动电路在电路启动时，由于电容上的电压不能突变，第一个PMOS管对电容充电，第二个PMOS管栅极电压太低而导致第二个PMOS不导通，电容的一端电压由于充电原因逐渐上升，当上升到导致PMOS管导通，则第二个PMOS管的输出电压被拉到高电平，基准电流源电路中的二极管连接的电路脱离稳定状态，开始正常工作。

基准电流源电路的一个正电流电路和一个负电流电路，正电流电路利用晶体管阈值电压随温度升高以及工艺的载流子减少而升高的特性，产生一个电流增加的电路，负电流电路利用电阻随温度减小以及工艺的载流子减少而升高的特性，产生一个电流减少的电路，再通过一个电流相加电路将两个电路产生的电流相加，最后得到一个与温度以及工艺无关的电路。正电流电路以及负电流电路所产生的电流都与所加的电源电压无关，能适应大电源电压变化的场合应用。基准电流源电路中能够通过数字控制来改变最小基准电流的整数倍的电流大小。由正电流和负电流电路产生的电流之和作为最小的基准电流，这个基准电流通过一组镜像的PMOS管可以镜像为多个不同整数倍的电流。基准电流源电路可配置的电流输出是通过最小基准电流镜像得到，通过控制数字控制字，每个控制字控制电流的开启和关断，第一个控制字控制与最小基准电流大小相同的电流开启关断，第二个控制字控制大小为最小基准电流大小两倍的电流开启关断，第三个控制字控制大小为最小基准电流大小4倍的电流开启关断，第四个控制字控制大小为最小基准电流大小8倍的电流开启关断，第五个控制字控制大小为最小基准电流大小16倍的电流开启关断，第六个控制字控制大小为最小基准电流大小32倍的电流开启关断，所以这个基准电路可以产生的电流最小为最小基准电流大小的电流，最大为63倍基准电流大小的电流。

受控振荡电路的多个相同结构的电流受控的反相器都是采用相同大小的一个基准电流，而这个电流的大小来自于基准电流产生电路。由于多个反相器电路结构相同，后级的反相器对前级的负载电容大小相同，而此电容大小与反相器电流无关，所以整体振荡器核心电路的振荡频率受基准电流源电路产生的电流大小控制。

驱动电路由电压受限的反相器和一组驱动能力大小不同的反相器组成。电压受限的反相器由一个NMOS晶体管和一个PMOS管以及由NMOS晶体管组成的二极管和PMOS晶体管组成的二极管组成。

驱动电路中的电压受限的反相器能工作在宽电压范围同时能提供后级驱动，连接电源电压端的PMOS管组成的二极管电路和连接地端的NMOS管组成的二极管电路分别形成一个对电源电压和对地电压的一个升高和降低，这就使得反相器工作时，高电平的输出不会达到电源电压，而是电源电压降低一个二极管的导通电压，同时低电平的输出不会达到地，而是地电压加上一个二极管的导通电压，这样就工作电压很高的情况下，反相器所需要翻转的电压转化不会非常大，使得驱动这级反相器所需要的驱动能力大大降低。虽然反相器的输出翻转后的电压相比传统的反相器电压有所降低但是对于后级的反相器而言足以使其正常翻转，这种翻转与电源电压大小无关，使得这种结构能够适应不同电源电压的要求。

驱动电路中的驱动能力不同的反相器组成是第一个反相器的宽长比最小，自身尺寸也最小，第二个反相器的宽长比为第一个反相器的3倍，自身尺寸也大于第一个反相器，第三个反相器的宽长比为第二个反相器的3倍，自身尺寸也大于第二个反相器，以此类推，最后一个反相器的宽长比最大，自身尺寸也最大，驱动能力是第一个反相器驱动能力最弱，最后一个反相器驱动能力最强，而驱动每级反相器的驱动能力也一样，驱动第一个反相器所需的驱动能力最小，驱动最后一个反相器的驱动能力要求最高。反相器这种连接方法最主要的目的就是使得功耗最小，在这个应用场合下，前级的反相器能驱动的后级的尺寸大于自身4倍，为了保证正常工作取后级的尺寸为前级的3倍，这样相比于传统的前后尺寸相同的反相器级联大大降低功耗，传统的级联要求每级的反相器都最大，同时第一级反相器的小尺寸能够使得电压受限的反相器驱动其的要求大大降低，功耗降低，带来的同样是受控振荡电路其所要求的驱动电压受限反相器的能力降低，同时这样还带来的好处是驱动电压受限反相器电路对受控振荡电路负载电容影响的减小。

一种低功耗的晶振电路，不需要外加元件，也不需要外部手动调节，采用精确比例调整的正负电流补偿电路来产生可配置的基准电流，同时利用电流受控的反相器电路来产生受控振荡电路，代替常用的简单结构的振荡源，可用于电源电压大范围变化，芯片工作温度变化以及工艺变化的场合，提高了系统的稳定性和集成度。同时可配置的输出频率也有利于兼容不同系统不同输入信号频率的要求，这样可以更好的减少硬件和功耗开销，并提高晶振电路的驱动能力。

本发明的实质性效果：

1、本发明的低功耗振荡电路，基准电流源电路采用精确比例调整的正负电流相加电流补偿电路来产生基准电流，适合于电源电压变化很大的应用场合，实现温度和工艺特性的补偿，使基准电流源电路输出的基准电流与电压，工艺和温度基本无关。

2、本发明的低功耗振荡电路的驱动电路采用低功耗优化设计的电路构成，通过启动电路启动后消耗的电流为零以及降低受控振荡器的驱动要求，降低电路的功耗，使得整个电路功耗低，尤其适合于低功耗要求的无线收发器。

3、本发明的低功耗振荡电路的基准电流源电路输出可配置的基准电流来控制受控振荡器的振荡频率，不需要其他的外加元件，也不需要外部手动调节，提高了电路的稳定性和集成度。

4、本发明的基准产生电路有6bit的可配置控制字使得外部电路可以通过配置控制字来灵活控制和改变受控振荡器输出的振荡信号。

附图说明

图1为传统晶振电路的电流基准产生电路；

图1中：111―基本基准电流产生电路，112―可配置的镜像电流源，B0-B3―四个外部控制的开关，113―输出……电路。

图2为传统的晶振电路中的振荡电路

图2中：M1，M4，M3，M10组成一个双向电流受控的反相器电路， M2，M5，M6，M11组成第二级双向电流受控的反相器电路，M9，M7，M8，M12组成第三级双向电流受控的反相器电路。

图3a为本发明实施例的低功耗晶振电路的构成电路框图；

图3b为本发明实施例N为3的低功耗晶振电路的构成电路框图；

图3a和图3b中：31为启动电路，32为基准电流源电路，321为恒定基准电流源，322为可配置的电流源组，301，302，……，30N为镜像电流源， 33为受控振荡电路，34为驱动电路，341为第一反相器，342为第二反相器，34N为第N反相器。

图4a为本发明实施例的基准电流源电路的基准尾电流源电路原理图；

图4b为本发明实施例的基准电流源电路的基准尾电流源电路原理图；

图4a中31为启动电路，41为正电流电路，42为负电流电路，43为电流相加电路，44为可配置的镜像电流源电路。

图5为本发明实施例N为6的可配置的电流源电路组的构成电路图；

图5中：V_REF为参考电压，SW1～SW6为一组可配置电子开关，M7为镜像电路电流汇总管。

图6为本发明实施例的受控振荡电路的构成电原理图； 

图6中：61，62，63，64，65―为五个相同结构的反相器，VOUT―受控振荡器输出。

图7为本发明实施例的受控振荡电路的一个基本的反相器单元电路原理图；

图7中：M01和M02为反相器对管，Vin为输入端，Vout为输出端。

图8a为本发明一种实施例的驱动电路原理图；

图8a中：81为第一反相器，82为第二反相器， 83为第三反相器，84为第四反相器。

图8b为本发明另一种实施例的驱动能力可配置的驱动电路原理图；

图8b中：85为电压受限的反相器，86为串联级联的反相器组。

具体实施方式

传统的晶振电路的典型结构框图如图1和2所示，图1中为传统晶振电路的电流基准产生电路，其中111为基本基准电流产生电路，电流通过MN1管和MN2管栅源电压之间的压差来得到一个与压差相关的电流大小，112为可配置电流源电路，通过开关信号B0到B3可以控制输出电流为基准电流的倍数关系，B0控制的电流与基准电流的大小相同，B1控制的电流为基准电流的2倍，B2控制的电流为基准电流的4倍，B3控制的电流为基准电流的8倍，113将配置后的电流大小镜像后控制每个核心反相器中的电流源从而控制每个核心反相器充电和放电电流。传统晶振电路的电流基准产生电路无法满足在温度，工艺以及电源电压变化的条件下能够保持相同大小电流输出。镜像电路需要提供两个参考电压，需要多一路镜像电流，增加额外的消耗功耗。

图2为传统的受控振荡电路结构，图中M1，M2，M9为VP控制的尾电流，M10，M11，M12为VN控制的尾电流，VN和VP电压来自基准产生电路，M3，M4为受控振荡电路中的一个反相器中的一对管子，相同的M5，M6和M7，M8也分别为受控振荡电路的一个反相器中的一对管子，受控振荡电路采用3个相互级联的反相器组成，每个反相器充电和放电电流都由尾电流控制。采用3级级联结构的反相器不容易起振，同时每个反相器需要两个尾电流的作用，工作时尾电流管需要消耗一定电压，不利于低电压工作，而且两路尾电流需要两个控制电流源，控制电流增加了一倍，不利于低功耗。

下面通过实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体说明。

第一实施例

图3a给出了本发明实施例的低功耗振荡电路构成框图。低功耗振荡电路由启动电路31，基准电流源电路32，受控振荡电路33以及驱动电路34构成。启动电路31输出端连接基准电流源电路32，用于上电时将基准电流源电路32的状态脱离稳定状态进入正常工作状态。基准电流源电路32包括恒定电流源321，它是单元基准电流源电路。基准电流源电路32还包括可配置的电流源组322，它包括N个镜像电流源301，302，～30N，它们的电流都镜像于恒定电流源321的电流，但镜像电流源301，302，～32N的镜像电流大小分别为恒定尾电流源321电流Ib的2倍，4倍，……，2N倍。可配置的电流源组322还包括控制开关模块和电流汇总管，控制开关模块受来自外部的数字控制信号控制，它是由数字控制信号控制一组开关管的通断，实现可配置的基准电流输出，实现电流可配置的控制信号来自外部的数字控制信号。受控振荡电路33，由基准电流源电路32提供基准电流。驱动电路34由n个级联的受控反相器341，342，……以及34n组成，受控振荡电路33输出端连接驱动电路34的输入端，第一反相器341为驱动电路34中的反相管宽长比最小的反相器，第二反相器342为驱动电路34中的反相管宽长比次小的反相器，第n反相器32N为反相管宽长比最大的反相器。第一反相器341，第二反相器342，……以及第n反相器34n依次串联连接，34n反相器输出VOUT。

第二实施例

图3b给出了本发明实施例N为3的低功耗振荡电路构成框图。基准电流源电路32包括恒定基准电流源321和可配置的电流源322，恒定尾电流源电路321是一个基准电流源，可配置的尾电流源电路322包括3个镜像电流源301和，302和303，它们都镜像于恒定尾电流源321的镜像电流，但镜像电流大小分别为恒定尾电流源321电流的2，4，6倍，还包括控制开关模块和电流汇总管MN，控制开关模块受来自外部的数字控制信号控制，电流可配置的控制信号来自外部的数字控制信号。受控振荡电路33由基准电流源电路32提供基准电流。n为3，驱动电路34由3个级联的受控反相器341，342以及343组成，受控振荡电路33输出端连接驱动电路34的输入端，第一反相器341为驱动电路34中的反相管宽长比较小的反相器，第二反相器342为驱动电路34中的反相管宽长比较大的反相器，第三反相器343为反相管宽长比最大的反相器。第一反相器341，第二反相器342以及第三反相器343依次串联连接，反相器343输出信号为VOUT。

第三实施例

图4a给出本发明实施例的启动电路和基准电流源电路的基准尾电流源电路框图原理图，图4b给出本发明实施例的启动电路和基准电流源电路的基准尾电流源电路原理图，图中还给出启动电路44与基准尾电流源电路的连接关系。

    如图4a所示，给出恒定基准电流源电路构成框图和启动电路以及可配置的镜像电流源电路组成框图的连接关系。启动电路31使恒定基准电流源电路得正电流电路41和负电流电路42的状态进入正常工作状态，而正电流电路41和负电流电路42的输出电流通过电流相加电路43进行电流相加，相加之后的结果形成单路的基准电流，提供给可配置的镜像电流源电路44，可配置的镜像电流源电路44的可编程控制端口在外部可编程的数字控制字的控制下，使控制开关模块的各路开关受控导通或断开，使N路镜像电流源401、402、……、40N受控经电流汇总管，输出相应大小的基准电流，该基准电流作为参考电流提供给受控振荡电路，其大小与受控振荡电路的振荡频率的大小相关。

第四实施例

如图4b所示，给出本发明实施例的启动电路和基准电流源电路的恒定基准电流源电路原理图，镜像电流源的正电流电路、负电流电路和电流相加电路的电原理图与图4b相同。

启动电路31由三个PMOS管M19，M20，M21和电容C1组成。启动电路31的输出连接正电流电路41，电路启动时，由于电容C1上的电压不能突变， PMOS的充电管M19对电容C1充电，PMOS管M20和M21的栅极电压太低而导致M20和M21管不导通，电容C1一端的电压快速充电上升，当升到M20和M21管导通时，则M20和M21管的输出电压被拉到高电平，将正电流电路M6管和负电流电路M13管的栅极电压从0提高到电源电压，正电流电路中的二极管连接的MOS管M6和M7电路脱离稳定状态，负电流电路中的M13管电路脱离稳定状态，开始正常工作。C1充电之后，M6管和M13管的栅极电压维持正常工作电压。41正电流电路中M1，M2和M3，M4分别为镜像电流源，M5和M6的栅极电压之差为电阻R2和M7栅极电压之差，由于M7的栅极电压随温度增加而增加，而且其随温度增加值大于电阻R2两端电压随温度增加的减少值，所正电流电路41的电流是随温度的增加而增加，表现为正温度系数。负电流电路42中的M8，M9和M10，M11分别为镜像电流源，M12和M13的栅极电压之差为电阻R4的电压，由于电阻R4两端电压随温度增加而减少，所以负电流电路42的电流随温度的增加而减少，表现为负温度系数。电流相加电路43中M14镜像的正电流电路41的电流，同时又通过M15镜像到M16。而负电流电路42通过M17镜像的负电流与正电流电路M16镜像的正电流相加，并通过M18输出Vout，提供给受控振荡电路作为基准参考电流。启动电路31启动时，M19管的漏极连接M20管的栅极电压为低电平，此时M20的漏极也为低电平，正电流电路41工作于稳定状态，输出电流为零，此时由于M20的栅电压为低电平，M20管导通电源电压通过M20将M6管的栅极电压从零拉到高电平，之后M6管正常工作，栅极电压回落到正常状态。同时电源电压通过M19对电容C1充电，随着C1一端电压的提高，M20管和M21管逐渐被关断，最终达到一个稳定状态M20管和M21管被关断，而M19也不再对C1充电，整体启动电路消耗的电流为零，完成电路启动。

上电时，电源电压从零开始升高时，M19管的栅极电压为零，M20管和M21管的栅极电压也为零，当电源电压上升到一定值时，M20管和M21管首先导通，此时电流通过M20管和M21管对正电流和负电流的节点充电，从而使电路的状态达到正常工作状态，而随着电压的上升，M19管导通，这时电源通过M19对电容C1充电，随着充电电压升高，使充电管M20和M21的栅极电压也不断上升，最后当M20和M21管的栅极电压上升到一定值时，M20和M21管不再导通，稳定后M19管也不再导通，启动电路完成整个启动过程。

第五实施例

图5给出了由6个镜像电流源电路构成的可配置的电流源组的电原理图。V_REF为恒定基准电流源电路输出的参考电压，V_REF是提供6路镜像电流源产生镜像电流的参考电压，M1，M2，M3，M4，M5，M6为一组镜像电流源。M1～M6镜像电流源管的宽长比尺寸逐一按比例递增：M2管宽长比尺寸为M1管宽长比尺寸的一倍，M3管宽长比尺寸为M2管宽长比尺寸的一倍，以此类推，M6管宽长比尺寸为M5管宽长比尺寸的一倍。SW1，SW2，SW3，SW4，SW5，SW6为一组可控电子开关，由来自外部的数字控制信号所控制。M7为镜像电流汇总管，用于汇总所有镜像电流源输出的基准电流，M7管输出总基准电流。基准电流源电路中能够通过数字控制来改变最小基准电流的整数倍的电流大小。由正电流和负电流电路产生的电流之和作为最小的基准电流，这个基准电流通过一组镜像的PMOS管可以镜像为多个不同整数倍的电流。

如图5所示由6个镜像电流源电路构成的可配置的电流源组中，镜像电流源M1管的宽长比尺寸与图4b中电流相加电路43中M18管的宽长比尺寸一致，M2～M6每个镜像电流源的电流递增步幅大小都同，保证随着不同镜像电流源管的开启和关断，使总镜像输出电流的大小以恒定基准电流源输出基准电流的整数倍增加。由外部数字控制信号控制的开关SW1～SW6，分别控制M1管～M6管的开启和关断，用于决定提供给受控振荡电路的基准电流大小。

第六实施例

图6给出本发明实施例N为5的五级反相器级联的受控振荡电路结构图。如图6所示：五级反相器级联的受控振荡电路 61～65为结构相同的反相器级联结构受控振荡电路，五级反相器61～65之间相互级联，最后一个反相器65的输出端连接第一个反相器61的输入端。五级反相器61～65的直流偏置端都连接偏置电压Vbias。它是由可配置的电流源电路输出提供参考电压生成的偏置电压。受控振荡电路的五个相同结构的电流受控的反相器都是采用同一个电流大小，而这个电流的大小来自于基准电流产生电路。由于五个反相器电路结构相同，后级的反相器对前级的负载电容大小相同，而此电容大小与反相器电流无关，所以整体振荡器核心电路的振荡频率受基准电流源电路产生的电流大小控制。

图6中每个反相器的结构如图7所示。每个反相器电路由PMOS管M01和NMOS管M02构成的反相器对管以及负载电容C0组成，负载电容C0为下一级反相器电路的输入电容。最后一个反相器的输出端Vout连接第一个反相器的输入端Vin。整个受控振荡电路的振荡频率由单个反相器的电流与负载电容C0的比值决定，而反相器的电流又受控于加在直流偏置端的偏置电压，偏置电压与可配置的电流源电路输出基准尾电流相关，所以反相器的尾电流与基准电流源电路的基准电流大小相同，这意味着受控振荡器的振荡频率可以受到基准电流源电路的电流大小的控制，即受到外部数字控制信号的控制。

图6受控振荡电路中每个反相器的具体结构如图7所示，每个反相器由M01～M03和负载电容C0组成，负载电容C0为下一级反相器电路的输入电容。PNP管M01和NPN管M02为共栅共漏结构的反相器对管，栅极连接输入信号Vin，漏极输出信号为Vout， M01管源极接电源；NPN管M03为控制负载电容C0放电电流的尾电流源，M03管栅极连接直流偏置电压Vbias，M03管漏极连接M02管源极。由于流过M03管的电流大小镜像于基准电流产生电路电流而相同，所以单个反相器反相器电流可以由数字控制信号调整。整个受控振荡电路的振荡频率由单个反相器的电流与负载电容C0的比值决定，而反相器的电流又受控于加在直流偏置端的偏置电压，偏置电压与可配置的电流源电路输出基准尾电流相关，所以反相器的尾电流与基准电流源电路的基准电流大小相同，这意味着受控振荡器的振荡频率可以受到基准电流源电路的电流大小的控制，即受到外部数字控制信号的控制。在正常工作时，PMOS的晶体管的充电电流直接来自电源不受尾电流源限制，而放电时NMOS的晶体管的放电电流来自受控的尾电流源，电流大小决定于尾电流的大小。

第七实施例

图8a给出本发明实施例N为4的一种驱动电路具体结构。如图8a所示：图中第一反相器81是电压受限的反相器，第一反相器81输入端连接受控振荡电路送来的振荡信号Vin，电压受限的反相器81电路的电源极和接地端都采用了MOS管组成的二极管电路，使反相器M2和M3在翻转时所需的翻转电压低于电源电压，可保证在电源电压较高时所需翻转电压不会太高，减少了受控振荡电路的驱动压力，在电源电压较低时不会产生太大的影响，依旧能满足反相器翻转的要求。第二反相器是驱动能力最弱的反相器，第三反相器是驱动能力中等的反相器，第四反相器是驱动能力最强的反相器。图8a中级联的反相器81～反相器84的反相器对管的宽长比逐渐增加，反相器82的反相器对管宽长是它所级联连接的反相器81的反相器对管宽长比的一倍，以此类推实际设计采用的后级的宽长比为前级的3倍，综合了功耗和驱动能力。图3中的受控振荡电路33连接驱动电路34，驱动电路34由宽长比个不相同的反相器341，342，34N组成。N个反相器串联连接，每个反相器的电路构成分别驱动下一级的反相器，最后一级的反相器驱动外部电路。

第八实施例

本发明实施例的另一种驱动能力可配置的驱动电路具体结构如图8b所示，电压受限的反相器85使前级受控振荡电路33配接一个较低负载，用于降低对前级受控振荡电路33的影响。电压受限的反相器85包括其中M1和M4管为二极管连接的MOS用于降低M2管和M3管的翻转电压，降低前级的驱动负担。反相器组86包括多级串联级联的反相器，反相器组86的宽长比逐级以相同宽长比步距增加的反相器组，M5和M6，M7和M8，M9和M10，M11和M12分别为一对反相器，宽长比是逐渐增加。

第九实施例

本发明实施例的数字控制信号为6bit的数字控制字的可配置的电流源电路。基准电流源电路可配置的电流输出是通过最小基准电流镜像得到，控制字为6bit的数字控制字，每个控制字控制电流的开启和关断，第一个控制字控制与最小基准电流大小相同的电流开启关断，第二个控制字控制大小为最小基准电流大小两倍的电流开启关断，第三个控制字控制大小为最小基准电流大小4倍的电流开启关断，第四个控制字控制大小为最小基准电流大小8倍的电流开启关断，第五个控制字控制大小为最小基准电流大小16倍的电流开启关断，第六个控制字控制大小为最小基准电流大小32倍的电流开启关断，所以这个基准电路可以产生的电流最小为最小基准电流大小的电流，最大为63倍基准电流大小的电流。

本发明实施例可应用于无线射频收发器以及需要低功耗工作的唤醒电路。片外天线用于接收射频信号，接收到的射频信号通过射频检测电路放大处理，射频检测电路放大处理后的信号与本发明的低功耗晶振电路产生的信号频率进行比较，比较的结果输出给基带处理电路，进行处理。首先启动电路将基准电路的正常工作状态建立，之后基本基准电流源电路输出与温度，工艺，电源电压无关的电流信号，外部控制的数字信号控制可配置电流输出与基本基准电流成整数比例大小的电流，同时将这个电流用于控制受控振荡电路的尾电流源，这个尾电流的大小将控制核心振荡器的输出频率，而核心振荡器的一级的输出信号输出给后级的驱动电路，由不同宽长比大小组成的驱动电路最终将信号提供给射频检测电路。

本领域技术人员可以理解，在不背离本发明广义范围的前提下，对上述实施例作出若干改动。因而，本发明并不仅限于所公开的特定实施例。其范围应当涵盖所附权利要求书限定的本发明核心及保护范围内的所有变化。

Claims (10)

1.一种低功耗振荡电路，包括一个启动电路，一个驱动电路，其特征在于，其电路构成还包括一个基准电流源电路和一个受控振荡电路：

一个基准电流源电路，基准电流源电路包括多个尾电流源和受控配置部件以及汇流电路；多个尾电流源一一对应连接一个受控配置部件，与汇流电路构成汇流连接结构的可配置的基准电流源；基准电流源电路有状态控制端、基准电流输出端和电流配置控制端；电流配置控制端连接受控配置部件，接入来自外部的数字控制信号；每个尾电流源由正电流电路与负电流电路以及电流相加电路组成； 

一个受控振荡电路，受控振荡电路为电流受控的反相器级联电路，受控振荡电路有基准电流输入端和振荡信号输出端；受控振荡电路的基准电流输入端连接基准电流源电路的基准电流输出端，基准电流源电路给受控振荡电路提供可配置的基准电流，用于控制受控振荡电路的振荡频率；；

所述启动电路输出端连接基准电流源电路的状态控制端，启动电路用于在电路上电时，使基准电流源电路脱离自稳定状态，进入正常工作状态；

所述驱动电路的输入端连接受控振荡电路的振荡信号输出端；驱动电路的输出端为低功耗振荡电路的输出端，低功耗振荡电路的输出为一种时钟信号，用于为低功耗唤醒电路或无线射频收发器提供一个参考时钟信号。

2.根据权利要求1所述的低功耗振荡电路，其特征在于：所述基准电流源电路的多个尾电流源由一个恒定电流源和一个可配置的电流源组构成；恒定电流源与可配置的电流源组的电流输出端并联连接；可配置的电流源组包括N个镜像恒定电流源电流的镜像电流源，每个镜像电流源连接一个受控配置部件；N个镜像电流源通过受控配置部件以汇流连接结构实现受控汇流输出，电流配置的控制信号来自外部的数字控制信号，可配置的电流源组的每个电流源控制端连接一个受控配置部件，受控配置部件都受来自外部的数字控制信号的控制；基准电流源电路受来自外部的数字控制信号控制，输出相应配置的基准电流；N的取值范围为3～7。

3.根据权利要求1所述的低功耗振荡电路，其特征在于：所述受控振荡电路由N级相同结构的电流受控的反相器组成，最后一级反相器的输出端连接第一级反相器的输入端，N个电流受控的反相器的闭环级联电路形成正反馈电路结构，并满足自振荡条件，最后一级反相器的输出端输出振荡信号；N的取值范围为3～7。

4.根据权利要求2所述的低功耗振荡电路，其特征在于：所述可配置的电流源组由N个镜像尾电流源和一个数字控制模块组成，其中

所述N个镜像尾电流源为电路构成相同，每个镜像尾电流源电路一一镜像于恒定电流源电路的基准电流I_b，但镜像电流的比例不同，后一路镜像尾电流源输出电流是前一路镜像尾电流源输出电流的2倍；

所述的数字控制模块包括N个控制开关管和一个汇流电路；每个控制开关管的一端对应连接一个镜像尾电流源的电流输出端，每个控制开关管的另一端并联连接汇流电路的输入端；N个控制开关管的启闭受来自外部的数字控制信号控制，用于实现基准电流源电路输出基准电流的受控配置；

基准电流源电路N的取值与受控振荡电路N的取值相同，N的取值范围为3～7。

5.根据权利要求4所述的低功耗振荡电路，其特征在于：所述汇流电路为一个电流汇总晶体管，电流汇总晶体管的漏极-栅极并联连接N个控制开关管的一控制端，电流汇总晶体管的源极为基准电流源电路的基准电流输出端，用于实现可配置的电流源组中受控配置接通的镜像尾电流源的输出电流相加。

6.根据权利要求1或2或4或5所述的低功耗振荡电路，其特征在于：所述尾电流源的正电流电路包括镜像管M1，M2，M3，M4以及镜像管M5，M6，电阻R1，还包括由电阻R2和二极管连接的M7组成的正温度效应电路；电阻R1产生电压差，电阻R2的一端连接镜像管M5的源极，二极管连接的M7管栅漏极连接镜像管M6的源极，电阻R2的另一端和二极管连接的M7管的源极连接地，而镜像管M1，M2，M3，M4组成的电流源镜像电路的一边由M1的漏极与M3的源极串联连接，M1和M2的栅极以及M3管的漏极并联接点连接电阻R1的一端，并连接电流相加电路的输入端；而电阻R1的另一端连接镜像管M5的漏极以及M3和M4的栅极；电流源镜像电路的另一边由M2的漏极与M4的源极串联连接；镜像管M4管和M6管的漏端以及镜像管M5和M6的栅极并联连接，该并联接点连接启动电路的输出端；利用M7，R2之间的电压差，结合镜像管M5和M6，产生一个与温度和工艺特性相关的正电流，该正电流的大小随温度的升高而减少，而随工艺中载流子速度的提高而减少，随电压的升高而变小。

7.根据权利要求1或2或4或5所述的低功耗振荡电路，其特征在于：所述尾电流源的负电流电路包括镜像管M8，M9，M10，M11以及镜像管M12，M13以及电阻R3，还包括电阻R4的负温度效应电路；电阻R3产生电压差，电阻R4的一端连接镜像管M12的源极，电阻R4的另一端接地，而镜像管M8，M9，M10，M11组成的电流源镜像电路的一边由M8的漏极与M10的源极串联连接，M8和M9的栅极以及M10管的漏极并联接点连接电阻R3的一端，而电阻R3的另一端连接镜像管M12的漏极以及M10和M11的栅极；电流源镜像电路的另一边由M9的漏极与M11的源极串联连接；镜像管M11管和M13管的漏端以及镜像管M12和M13的栅极并联连接，该并联接点连接启动电路的输出端并连接电流相加电路的另一输入端；利用R4的电压差，结合镜像管M12和M13，产生一个与温度和工艺特性相关的负电流，该负电流的大小随温度的升高而增加，而随工艺中载流子速度的提高而增加，随电压的升高而变大。

8.根据权利要求1或2或4或5所述的低功耗振荡电路，其特征在于：所述尾电流源的电流相加电路包括镜像管M14，M15，还包括电流相加管M16，M17和M18；镜像管M14栅极连接尾电流源的正电流电路的输出端，镜像管M14的漏极连接二极管连接 M15的漏极和栅极以及M16的栅极；采用二极管连接方式的M18的栅极和漏极与镜像管M16和M17的漏极并联连接，该并联接点输出相加的电流；镜像管M17的栅极连接负电流电路的输出端；镜像管M14和M18的源极接电源，镜像管M15，M16和M17的源极接地；正电流电路输出的正电流通过镜像管M14和M15，将正电流镜像到电流相加管M16，负电流电路输出的负电流加到电流相加管M17，电流相加管M16中的正电流与电流相加管M17的负电流汇集于电流相加管M18，用于实现正电流与负电流的补偿，使电流相加管M18输出的电流时与温度、电压和工艺特性相关度很低的电流。

9.根据权利要求1所述的低功耗振荡电路，其特征在于：所述启动电路由充电管M19，M20，M21和电容C1组成；充电管M19的栅极和漏极接地，源极接电源，漏极连接电容C1的一端，并连接M20和M21管的栅极，电容C1的另一端接地；启动电路输出端M20以及M21管的漏极分别连接正电流源电路和负电流源电路中的镜像管M6和M13的栅级；用于在电路上电时，使正电流源电路和负电流源电路从自稳定状态转入正常工作状态。

10.根据权利要求1所述的低功耗振荡电路，其特征还在于：所述一种驱动电路为驱动能力逐渐增加的驱动电路，它由一个电压受限的反相器和一个反相器组构成；其中

一个电压受限的反相器由一个NMOS晶体管和一个PMOS管以及二极管连接的NMOS晶体管和二极管连接的PMOS晶体管组成，用于驱动后级的反相器电路；电压受限的反相器采用二极管连接的NMOS管和PMOS管，使其输入翻转电压低于传统反相器，从而降低受控振荡器的驱动要求，同时也降低电路的功耗；

一个反相器组包括级联连接的多级反相器，多级反相器的驱动能力不同，后级反相器的驱动能力大于前级的反相器的驱动能力，驱动能力按照2ⁿ逐级加大，多级反相器的级数n的取值范围为3～5。

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