CN103812445A - 一种振荡器 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种振荡器，其包括：电压切换模块、电压比较模块、电容、检测模块和驱动模块，其中，电压切换模块用于根据第一使能信号和检测模块检测的检测信号生成电压输出信号，并且电压输出信号在高电压和低电压之间切换；电压比较模块与电压切换模块相连,用于在被第二使能信号触发之后将电压输出信号与预设的电压阈值进行比较并输出比较信号；电容的正极端与电压比较模块相连，负极端接地，用于根据比较信号进行充放电；检测模块与电容的正极端相连，用于根据电容的电压生成检测信号；驱动模块与检测模块相连，用于根据检测信号生成时钟信号。采用本发明提出的振荡器，能够明显地减小电路工作时的静态电流，有效地降低电路的功耗。

Description

一种振荡器

技术领域

本发明涉及数字电路技术领域，特别涉及一种振荡器。

背景技术

在集成电路设计中，混合信号系统中的信号同步、计数器、开关电容放大器、数模转换等都会用到时钟信号，时钟信号一般采用通过芯片外部接入或由内部集成振荡器电路来产生。目前常用的振荡器电路，如图1所示，振荡器电路运用比较电路控制电流给电容充放电形成环路来实现振荡以生成时钟信号。此振荡器电路的工作过程如下：

当使能信号EN为高电平时，整个电路处于Power Down（电源休眠）模式，不工作，此时，增强型NMOS（N-Mental-Oxide-Semiconductor，N型金属-氧化物-半导体）管MN10导通，电容C1的上极板VC为低电平（零电平），VC与比较器comp0的正输入端相连，比较器comp0不工作；当EN为低电平时，整个电路开始工作，增强型NMOS管MN10断开，VC为低电平，比较器comp0的输出VCOUT0为低电平，触发器schm10输出Vng和产生的时钟信号CLK0都为低电平，增强型NMOS管MN20处于断开状态，电流源IDC1给电容C1进行充电，VC电压升高；当VC电压大于比较器comp0预设的阈值电压VTH0时，比较器的输出VCOUT0为高电平，Vng和CLK0变为高电平，增强型NMOS管MN20导通，VC（节点电荷被放完）电压变为低电平，比较器的输出VCOUT0变为低电平，Vng和CLK0都变为低电平，NMOS管MN20断开，电流源IDC1重新开始对电容C1进行充电，如上所述，循环产生时钟脉冲信号CLK0。

该方案采用电流源给电容充放电方式的振荡器电路虽然简单易行，调节方便，但在电路产生较高频率的时钟时，其充电电流较大，功耗较大，从而限制了采用电流源给电容充电的振荡器电路在低功耗系统中的应用。

发明内容

本发明的目的旨在解决上述的技术缺陷之一。

为此，本发明的目的在于提出一种振荡器，该振荡器能够明显减小电路工作时的静态电流，降低损耗。

为达到上述目的，本发明的实施例提出了一种振荡器，该振荡器包括电压切换模块、电压比较模块、电容、检测模块和驱动模块，其中，所述电压切换模块，用于根据第一使能信号和所述检测模块检测的检测信号生成电压输出信号，其中，所述电压输出信号在高电压和低电压之间切换；所述电压比较模块，所述电压比较模块与所述电压切换模块相连，且所述电压比较模块受第二使能信号控制，所述电压比较模块用于在被所述第二使能信号触发之后将所述电压输出信号与预设的电压阈值进行比较并输出比较信号，其中，所述第一使能信号和所述第二使能信号互为反相信号；所述电容，所述电容的正极端与所述电压比较模块相连，所述电容的负极端接地，用于根据所述比较信号进行充放电；所述检测模块，所述检测模块与所述电容的正极端相连，用于根据所述电容的电压生成检测信号；以及所述驱动模块，所述驱动模块与所述检测模块相连，用于根据所述检测信号生成时钟信号。

根据本发明实施例提出的振荡器电路，在结构上电压比较模块的输出既是逻辑输出又可作为电源，提供电流给电容进行充放电，从而不再需要单独的电流源来对电容进行充放电，能够明显地减小电路工作时的静态电流，有效地降低电路的功耗。并且，电路结构简单，可靠性高。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为一种现有的振荡器电路示意图；

图2为根据本发明实施例的振荡器的结构示意图；以及

图3为根据本发明一个实施例的振荡器的电路示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

下文的公开提供了许多不同的实施例或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本发明。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。此外，本发明提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的可应用于性和/或其他材料的使用。另外，以下描述的第一特征在第二特征之“上”的结构可以包括第一和第二特征形成为直接接触的实施例，也可以包括另外的特征形成在第一和第二特征之间的实施例，这样第一和第二特征可能不是直接接触。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

参照下面的描述和附图，将清楚本发明的实施例的这些和其他方面。在这些描述和附图中，具体公开了本发明的实施例中的一些特定实施方式，来表示实施本发明的实施例的原理的一些方式，但是应当理解，本发明的实施例的范围不受此限制。相反，本发明的实施例包括落入所附加权利要求书的精神和内涵范围内的所有变化、修改和等同物。

下面参照附图的具体实施例来对本发明提出的振荡器进行详细的描述。

如图2所示，本发明实施例提出的振荡器包括电压切换模块201、电压比较模块202、电容C0、检测模块203和驱动模块204。

其中，电压切换模块201用于根据第一使能信号ENB和检测模块203检测的检测信号生成电压输出信号VR，并且电压输出信号VR在高电压和低电压之间进行切换，当电压高于电压比较模块的预设电压VTH时，电压输出信号VR为高电压，当电压低于电压比较模块的预设电压VTH时，电压输出信号VR为低电压。电压比较模块202与电压切换模块201相连，且电压比较模块202受第二使能信号EN控制，电压比较模块202用于在被第二使能信号EN触发之后将电压切换模块201生成的电压输出信号VR与预设的电压阈值VTH进行比较并输出比较信号，第一使能信号ENB和第二使能信号EN互为反相信号。其中，需要说明的是，预设的电压阈值VTH要比预设的参考电源的参考电压VREF小。

在本实施例中，如图2所示，电容C0的正极端与电压比较模块202相连，电容C0的负极端接地，用于根据比较信号进行充放电。检测模块203与电容C0的正极端相连，用于根据电容C0的电压生成检测信号VC1。而驱动模块204与检测模块203相连，用于根据检测信号VC1生成时钟信号CLK。

在本发明的一个实施例中，如图2所示，上述振荡器还包括放电控制模块205，放电控制模块205分别与电压比较模块202和电容C0相连，放电控制模块205在该振荡器不工作时根据第一使能信号ENB对电容C0进行放电。

具体地，在本发明的一个实施例中，如图3所示，电压切换模块201包括第一PMOS（P-Mental-Oxide-Semiconductor，P型金属-氧化物-半导体）管MP 1、第二PMOS管MP2、第一NMOS管MN1、第二NMOS管MN2和反相器INV0。

其中，第一PMOS管MP1的源极与预设的参考电源相连，通过第一PMOS管MP 1的源极输入参考电压为VREF，第一PMOS管MP 1的栅极与第一使能信号ENB相连，第一PMOS管MP1的漏极与第二PMOS管MP2的源极相连，第一PMOS管MP1的衬底接电源VCC。第二PMOS管MP2的源极与第一PMOS管MP1的漏极相连，第二PMOS管MP2的栅极与检测模块203输出的检测信号VC1相连，第二PMOS管MP2的衬底同样接电源VCC。第一NMOS管MN1和第二NMOS管MN2相互并联连接，第一NMOS管MN1的漏极和第二NMOS管MN2的漏极均与第二PMOS管MP2的漏极相连，第一NMOS管MN1的源极和第二NMOS管MN2的源极与地相连，第一NMOS管MN1的栅极与第一使能信号ENB相连，第二NMOS管的栅极与检测模块203输出的检测信号VC1相连，第一NMOS管MN1的衬底和第二NMOS管MN2的衬底也均与地相连。反相器INV1的输入端接第二使能信号EN，反相器INV1的输出端则为第一使能信号ENB，从而使得第一使能信号ENB与第二使能信号EN互为反相信号。

在本发明的实施例中，电压切换模块201主要是在使能信号允许电路工作的情况下，通过检测模块203反馈回来的信号VC1值实现对电压输出信号VR即输入到电压比较模块202正输入端电压的切换，构成振荡环路的一部分。其中，第一NMOS管MN1的功能是使能开关，当第一使能信号ENB为高时，把电压切换模块201的输出电压信号VR即电压比较模块202的输入电压置为低电平，即接地电压。

在本实施例中，如图3所示，电压比较模块202为比较器COMP。比较器COMP的正输入端与电压切换模块201的输出端相连，比较器的负输入端与预设的电压阈值VTH相连，比较器COMP的控制端与第二使能信号EN相连，比较器COMP的输出端分别与电容C0和检测模块203相连。电压比较模块202主要是运用比较器COMP对输入的电压进行比较输出高低电平的比较信号，来实现对电容C0的充放电，比较器COMP既用于比较，又提供放电的电流，从而达到降低功耗的目的。

在本发明的一个实施例中，如图3所示，放电控制模块205包括一个NMOS管，即第三NMOS管MN3。第三NMOS管MN3与电容C0并联，第三NMOS管MN3的漏极与电压比较模块202的输出端相连，第三NMOS管MN3的源极与地相连，且第三NMOS管MN3的栅极与第一使能信号ENB相连，第三NMOS管MN3的衬底接地。第三NMOS管MN3也是使能开关，在振荡器电路不工作时将电容的正极端VCOUT节点置为低电平。具体地，在如图3所示的具体实施例中，电容C0的正极端即上极板与电压比较模块202的输出端相接，电容C0的负极端即下极板接地。

在本实施例中，如图3所示，检测模块203为施密特触发器SCHM1，施密特触发器SCHM1的输入端与电压比较模块202的输出端和电容C0的正极端相连，施密特触发器SCHM1根据电容C0的电压生成检测信号VC1。施密特触发器SCHM1主要是对电容C0上的电压VCOUT进行检测，当VCOUT电压高于施密特触发器SCHM1的翻转阈值电压时，施密特触发器SCHM1VC1的输出VC1为高电平，当VCOUT电压低于施密特触发器SCHM1的翻转阈值电压时，输出施密特触发器SCHM1的输出VC1为低电平。

如图3所示，驱动模块204包括相互串联的第一反相器INV1和第二反相器INV2。第一反相器INV1的输入端与检测模块203相连，第一反相器INV1的输出端与第二反相器INV2的输入端相连，第二反相器INV2的输出端为时钟信号CLK,也是整个振荡器电路的输出。第一反相器INV1和第二反相器INV2主要为输出提供驱动。

可以理解的是，驱动模块204可以为偶数个反相器串接来替换，即如果对驱动要求很高，可以用较多的偶数个反相器来逐级提高驱动能力。

综上所述，本发明实施例的振荡器电路工作的过程为：初始状态时，第二使能信号EN为低电平，第一使能信号ENB为高电平，整个电路处于Power Down（电源休眠）模式，此时，第一PMOS管MP1的栅极为高电平，MP1不导通，而第一NMOS管MN1的栅极为高电平，MN1导通，第一NMOS管MN1的漏极与地相连，所以VR为低电平即接地电压，即比较器COMP的正输入端为低电平，比较器COMP不工作，输出为高阻，第一使能信号ENB使得第三NMOS管MN3的栅极为高电平，MN3导通，第三NMOS管MN3的漏极与地相连，所以节点VCOUT被拉为低电平即接地电压，施密特触发器SCHM1的输出VC1也为低电平，检测信号VC1反馈到第二PMOS管MP2的栅极，第二PMOS管MP2导通，第二NMOS管栅极为低电平，MN2断开，整个振荡器电路输出的时钟信号CLK则一直为低电平。

当第二使能信号EN变为高电平时，则ENB为低电平，振荡器电路开始正常工作，此时，第一PMOS管MP1的栅极为低电平，MP1导通，由于尚未开始给电容C0充电，节点VCOUT仍为低电平，施密特触发器SCHM1的输出VC1仍为低电平，则第二PMOS管MP2的栅极为低电平，MP2处于导通状态。第一NMOS管MN1和第二NMOS管MN2断开，则比较器COMP的正输入端的电压VR等于振荡器电路输入的参考电压VREF，比较器COMP正常工作，由于振荡器电路输入的参考电压VREF比比较器COMP负输入端的预设电压阈值VTH大，比较器COMP的输出为高电平，比较器COMP的输出电流开始给电容C0充电，VCOUT节点的电压上升。

当VCOUT的电压大于施密特触发器SCHM1的翻转阈值电压时，施密特触发器SCHM1的输出VC1跳变为高电平，震荡电路输出的时钟信号CLK变为高电平，此时，第二PMOS管MP2的栅极电压为高电平，第二PMOS管MP2不导通，即断开，第二NMOS管MN2的栅极电压为高电平，MN2导通，第二NMOS管MN2的漏极与地相连，VR节点与第二NMOS管MN2的源极相连，所以VR节点为接地电压，此时比较器COMP的正输入端的电压VR小于负输入端预设的电压阈值VTH，比较器COMP输出为低电平，开始给电容C0放电，VCOUT节点的电压降低。

当VCOUT的电压小于施密特触发器SCHM1的翻转电压时，施密特触发器SCHM1的输出VC1跳变为低电平，振荡器电路输出的时钟信号CLK变为低电平，此时第二PMOS管MP2和第二NMOS管MN2的栅极都为低电平，所以第二PMOS管MP2导通，第二NMOS管MN2断开，由于第一PMOS管MP1也是导通的，并且第一PMOS管与预设的参考电源相连，输入参考电压VREF，所以VR节点的电压等于振荡电路输入的参考电压VREF，即VR大于比较器COMP负输入端预设的电压阈值VTH，比较器COMP输出为高电压，比较器COMP又开始给电容C0充电，VCOUT电压上升……，如此循环则达到时钟信号CLK生成的目的。

需要说明的是，以上所述电路实现方案仅为多种可实现方案中的一种，本领域技术人员可以理解，还存在其他可实现如上功能的电路实现方案。因此，本发明并不仅限于此实施例。

根据本发明实施例提出的振荡器电路，在结构上电压比较模块的输出既是逻辑输出又可作为电源，提供电流给电容进行充放电，从而不再需要单独的电流源来对电容进行充放电，能够明显地减小电路工作时的静态电流，有效地降低电路的功耗。并且，电路结构简单，可靠性高。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同限定。

Claims (7)

1.一种振荡器，其特征在于，包括电压切换模块、电压比较模块、电容、检测模块和驱动模块，其中，

所述电压切换模块，用于根据第一使能信号和所述检测模块检测的检测信号生成电压输出信号，其中，所述电压输出信号在高电压和低电压之间切换；

所述电压比较模块，所述电压比较模块与所述电压切换模块相连，所述电压比较模块用于在被所述第二使能信号触发之后将所述电压输出信号与预设的电压阈值进行比较并输出比较信号，其中，所述第一使能信号和所述第二使能信号互为反相信号；

所述电容，所述电容的正极端与所述电压比较模块相连，所述电容的负极端接地，用于根据所述比较信号进行充放电；

所述检测模块，所述检测模块与所述电容的正极端相连，用于根据所述电容的电压生成检测信号；以及

所述驱动模块，所述驱动模块与所述检测模块相连，用于根据所述检测信号生成时钟信号。

2.如权利要求1所述的振荡器，其特征在于，还包括：

放电控制模块，所述放电控制模块分别与所述电压比较模块和所述电容相连，所述放电控制模块在所述振荡器不工作时根据所述第一使能信号对所述电容进行放电。

3.如权利要求1所述的振荡器，其特征在于，所述电压切换模块进一步包括：

第一PMOS管，所述第一PMOS管的源极与预设的参考电源相连，所述第一PMOS管的栅极与所述第一使能信号相连；

第二PMOS管，所述第二PMOS管的源极与所述第一PMOS管的漏极相连，所述第二PMOS管的栅极与所述检测信号相连；以及

相互并联的第一NMOS管和第二NMOS管，所述第一NMOS管的漏极和所述第二NMOS管的漏极与所述第二PMOS管的漏极相连，所述第一NMOS管的源极和所述第二NMOS管的源极与地相连，且所述第一NMOS管的栅极与所述第一使能信号相连，所述第二NMOS管的栅极与所述检测信号相连。

4.如权利要求2所述的振荡器，其特征在于，所述放电控制模块进一步包括：

第三NMOS管，所述第三NMOS管与所述电容并联，所述第三NMOS管的漏极与所述电压比较模块的输出端相连，所述第三NMOS管的源极与地相连，且所述第三NMOS管的栅极与所述第一使能信号相连。

5.如权利要求1所述的振荡器，其特征在于，所述检测模块为施密特触发器，所述施密特触发器根据所述电容的电压生成所述检测信号。

6.如权利要求5所述的振荡器，其特征在于，所述电压比较模块为比较器，所述比较器的正输入端与所述电压切换模块的输出端相连，所述比较器的负输入端与所述预设的电压阈值相连，所述比较器的控制端与所述第二使能信号相连，所述比较器的输出端分别与所述电容的正极端和所述施密特触发器相连。

7.如权利要求1所述的振荡器，其特征在于，所述驱动模块进一步包括相互串联的第一反相器和第二反相器。

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