CN104124921A - 基于电流模比较器的低压低功耗cmos张弛振荡器及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于电流模比较器的低压低功耗CMOS张弛振荡器及方法。该振荡器包括电流基准源、电流模比较器、电流源负载RS触发器。与现有技术基于电流模比较器的张弛振荡器相比，本发明提出的张弛振荡器采用电流源负载RS触发器降低了RS触发器的翻转电平随电源电压变化的敏感性，同时双电容结构给输出方波信号占空比的设计提供了更大的灵活性。其优点在于：电路结构简单，输出振荡方波信号可以被设计成任意的占空比，同时克服了传统张弛振荡器无法在低电源电压下工作、功耗较大、输出频率随电源电压和温度变化敏感等缺点，特别适合于植入医疗器件、无线传感网络节点等要求低电源电压、低功耗的应用领域。

Description

基于电流模比较器的低压低功耗CMOS张弛振荡器及方法

技术领域

本发明涉及集成电路领域，尤其涉及一种具有低压低功耗的全片上集成CMOS张弛振荡器及振荡产生方法。

背景技术

时钟源是诸多电子系统的重要模块，应用范围从DC/DC变换器、信号处理到通信系统载波调制。可以说，时钟源的好坏直接影响到电子系统的整体性能，所以对时钟源的要求也越来越高。

目前，电子系统普遍采用晶体振荡器作为时钟源，这得益于晶体振荡器的高精度与高稳定度。然而由于晶体振荡器采用了石英晶体，这使得它与标准的CMOS集成电路不兼容，成本较高，此外，晶体振荡器体积较大，这也限制了电子系统的进一步小型化。随着植入医疗器件、无线传感网络等新兴应用领域的发展，振荡器的全片上集成也成为了集成电路工业界和学术界的研究热点。

主要有三种片上集成振荡器，即LC振荡器、环形振荡器、张弛振荡器。片上集成LC振荡器可以实现较高的精度，然而它们实现的振荡器频率较高，因而功耗较大；工作在亚阈值区的环形振荡器可以实现较低的功耗，但是输出频率随电源电压变化较大，且输出频率精度无法很好地控制。相比而言，张弛振荡器功耗更低，输出频率精度也比较容易控制，因而在低频低功耗片上振荡器领域得到了更为广泛的关注。

文献Y.H.Chiang and S.I.Liu,"A Submicrowatt1.1-MHz CMOS RelaxationOscillator With Temperature Compensation,"Circuits and Systems II:Express Briefs,IEEE Transactions on,vol.60,pp.837-841,2013.实现了一种基于电流模比较器的张弛振荡器，由于电流模比较器实现了传统张弛振荡器电压比较器和电容充电支路的复用，因而可以有效降低功耗。图1为该张弛振荡器原理框图，该设计采用了工作于亚阈值区晶体管、电流模比较器、尾电流控制的反相器结构来降低振荡器的功耗。

但是上述基于电流模比较器的张弛振荡器在有效降低功耗的同时，至少存在输出频率受电源电压变化影响较大、输出振荡方波信号占空比不可调等缺陷。

发明内容

针对现有基于电流模比较器的张弛振荡器存在的输出频率随电源电压变化较敏感、输出振荡信号占空比不可调等缺陷，本发明提供了一种基于电流模比较器的低压低功耗CMOS张弛振荡器。为了实现本发明的发明目的，采用以下的技术方案来实现：

一种基于电流模比较器的低压低功耗CMOS张弛振荡器，包括：

电流基准源，用于产生偏置参考电流；

启动电路，产生启动信号，用于上电后启动所述的电流基准源；

电流模比较器，具有电容C₁和C₂，用于电容充放电和充电电压上限的设置；

电流源负载RS触发器，反复复位与置位，所述电容C₁和C₂根据RS触发器的状态交替充电和放电，实现一定频率振荡方波信号的输出。

所述的电流基准源为输出电流随温度成正比的CMOS亚阈值基准源。

所述的电流模比较器包括第一比较器、第二比较器、电阻R_C、所述电容C₁和C₂，以及用于对所述电容放电的NMOS管M₁₉和M₂₀；

所述的第一比较器由PMOS管M₇、M₈，NMOS管M₉、M₁₀构成；

所述的第二比较器由PMOS管M₁₁、所述PMOS管M₇，NMOS管M₁₂、所述的NMOS管M₉构成；

第一比较器和第二比较器的反相输入端共享，且为M₉的源端。M₉栅漏短接，并连接到PMOS管M₇的漏端，第一比较器和第二比较器的正相输入端分别是M₁₀和M₁₂的源端，M₁₀和M₁₂的栅端均连接到M₉的栅端。M₁₀和M₁₂的漏端分别连接到M₈和M₁₁的漏端，M₇、M₈和M₁₁的栅端短接在一起，并连接到所述电流基准源的偏置。电容C₁和C₂分别接第一比较器和第二比较器的正相输入端，电阻R_C的一端接两个比较器共享的反相输入端，电容C₁、C₂和电阻R_C的另一端接地。用于电容C₁和C₂放电的NMOS管M₁₉和M₂₀的漏端分别连接到第一比较器和第二比较器的输入端，M₁₉和M₂₀的源端均接地，栅端受所述RS触发器控制。

所述的电流源负载RS触发器为交叉耦合的或非门以及两个电流源负载反相器构成；所述或非门为NMOS下拉网络和电流源负载构成有比逻辑门。

所述电阻R_C由正温度系数电阻R_P和负温度系数电阻R_N串联构成。

一种基于电流模比较器的低压低功耗CMOS张弛振荡器的振荡产生方法，

1)基准电流I_REF对电容C₁不断充电，直到C₁两端电压V_C1超过基准电压V_REF；

2)当V_C1超过V_REF，第一电流模比较器输出端电压V₁升高，对RS触发器置位，RS触发器状态发生转变，此时I_REF开始对电容C₂充电，电容C₁通过MOS开关迅速放电到地；

3)电容C₂不断充电直到C₂两端电压V_C2超过V_REF，第二电流模比较器输出电压电压V₂升高，使得RS触发器状态再次发生转变，I_REF开始对C₁充电，C₂通过MOS开关迅速放电到地，一个完整振荡周期完成。

步骤3)所述的振荡周期表示为其中C₁和C₂为充放电电容，V_REF为电容充电上限电压，I_REF为电容充电电流，τ为电流模比较器和RS触发器的延时。

本发明的有益技术效果在于，通过采用工作于亚阈值区的晶体管、电流模比较器、电流源负载的RS触发器，保证了张弛振荡器在低电源电压下正常工作的同时，降低了张弛振荡器的功耗。本发明中，两个电流模比较器实现了对称的电路结构，通过电容C₁和C₂交替充放电来产生振荡信号。相比现有基于电流模比较器的张弛振荡器，通过调整电容C₁和C₂比例，理论上可以实现任意占空比的输出信号。电流源负载RS触发器的应用，保证了电容充电的上限值不随电源电压变化，因而降低了振荡器随电源电压变化的敏感性。

附图说明

图1为现有技术张弛振荡器的电路原理图。

图2是本发明基于电流模比较器的低压低功耗CMOS张弛振荡器原理框图；

图3为本发明中相关节点波形图；

图4为本发明中基于电流模比较器的低压低功耗CMOS张弛振荡器的具体电路原理图。

具体实施方式

一种基于电流模比较器的低压低功耗CMOS张弛振荡器，包括：

电流基准源，用于产生偏置参考电流；

启动电路，产生启动信号，用于上电后启动所述的电流基准源；

电流模比较器，具有电容C₁和C₂，用于电容充放电和充电电压上限的设置；

电流源负载RS触发器，反复复位与置位，所述电容C₁和C₂根据RS触发器的状态交替充电和放电，实现一定频率振荡方波信号的输出。

本发明中，电流模比较器在实现了电容充电的同时实现了电压比较的功能，用一个电流模比较器实现了传统张弛振荡器中的电容充电电路和电压比较器，降低了整个振荡器电路的复杂度，简化了电流支路，从而降低了整个振荡器的功耗。同时，双电流模比较器以及双电容实现了对称的电路结构，通过两个电容C₁和C₂交替充放电来产生振荡信号，通过调整电容C₁和C₂容值比例，理论上可以实现任意占空比的输出信号。

为便于理解本发明的基于电流模比较器的张弛振荡器，图2给出了本发明的张弛振荡器原理框图。参考电流I_REF流过电阻R_C，在其两端产生参考电压V_REF，同时偏置电流I_REF对电容C₁(C₂)充电，当电压V_C1(V_C2)超过V_REF时，NMOS晶体管M₁₀(M₁₂)关闭，M₁₀(M₁₂)漏端电压升高。电容C₁和C₂根据RS触发器的状态交替充电和放电。为理解该电路的工作原理，假设电容初始电压为均为0，RS触发器的Q端为低电平，Qn为高电平。工作过程简述如下：

1)I_REF对C₁不断充电，直到C₁两端电压V_C1超过V_REF；

2)当V_C1超过V_REF，V₁电压升高，对RS触发器置位，RS触发器状态发生转变，Qn为低电平，Q端为高电平，此时I_REF开始对C₂充电，C₁通过M₁₉迅速放电到地；

3)C₂不断充电直到C₂两端电压V_C2超过V_REF，此时RS触发器状态再次发生转变，一个完整振荡周期完成。

该过程的简化波形图如图3所示，考虑到电流模比较器和RS触发器的延时，本发明的张弛振荡器的振荡周期可以表达为：

$T=\frac{V_{\mathrm{REF}}(C_1+C_2)}{I_{\mathrm{REF}}}+2*\mathrm{\τ}---\left(1\right)$

其中，τ为比较器和RS触发器的延时，当需要获得典型的50％占空比输出方波振荡信号时，C₁和C₂可以被设计成C₁＝C₂＝C。

本发明的具体电路原理图如图4所示。下面对其各模块工作原理分别进行阐述：

a.电流基准源：

电流基准源采用工作于亚阈值区的晶体管和电阻实现了随温度变化成正比(PTAT)的电流源。工作于亚阈值区的NMOS漏端电流满足式(2)。

$I_D=\frac{W}{L}{I}_0\exp \left(\frac{V_{\mathrm{GS}}-V_{\mathrm{TH}}}{{\mathrm{\ηV}}_T}\right)---\left(2\right)$

其中μ为迁移率，C_OX为栅氧电容，V_T为热电压，V_GS为NMOS管栅源电压，V_TH为NMOS管阈值电压，η为亚阈值斜率因子。

NMOS晶体管M₅和M₆均工作于亚阈值区，电阻R上的电压降为：

V_R＝V_GS5-V_GS6    (3)

M₃和M₄宽长比相等，因而M5和M6的漏端电流相等，结合式(1)可推导出正温度系数电流源I_PTAT为：

$I_{\mathrm{PTAT}}=\frac{{\mathrm{\ηV}}_T}{R}\ln \left(\frac{W_2/L_2}{W_1/L_1}\right)---\left(4\right)$

从该式可以看出，输出电流与电源电压无关。

b.电流模比较器

如图4所示，本发明集成了两个电流模比较器，M₇、M₈、M₉、M₁₀构成第一比较器，M₇、M₁₁、M₉、M₁₂构成第二比较器，两比较器的正相输入端分别接电容C₁和C₂的一端，共享反相输入端。反相输入端接在由正温度系数电阻R_P和负温度系数电阻R_N串联构成的电阻R_C的一端。

优选地，所述NMOS管M₉、M₁₀、M₁₂工作于亚阈值区，使得振荡器能够在低电压低电流下工作，进一步降低功耗。

c.电流源负载RS触发器

如图4所示，RS触发器为带有尾电流控制的电流源负载RS触发器。由于电流源负载镜像于与电源电压无关的电流基准源，因而RS触发器输入翻转电平也与电源电压无关。进一步，电容充电的上限电压也不随电源电压变化，从而保证了输出信号频率随电源电压变化的不敏感性。

该张弛振荡器具有能够在低电源电压下工作，功耗较低，输出频率随电源电压变化不敏感，输出振荡方波信号占空比可调等优点。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于电流模比较器的低压低功耗CMOS张弛振荡器，其特征在于，包括：

电流基准源，用于产生偏置参考电流；

启动电路，产生启动信号，用于上电后启动所述的电流基准源；

电流模比较器，具有电容C₁和C₂，用于电容充放电和充电电压上限的设置；

电流源负载RS触发器，反复复位与置位，所述电容C₁和C₂根据RS触发器的状态交替充电和放电，实现一定频率振荡方波信号的输出。

2.如权利要求1所述的基于电流模比较器的低压低功耗CMOS张弛振荡器，其特征在于，所述的电流基准源为输出电流随温度成正比的CMOS亚阈值基准源。

3.如权利要求1所述的基于电流模比较器的低压低功耗CMOS张弛振荡器，其特征在于，所述的电流模比较器包括第一比较器、第二比较器、电阻R_C、所述电容C₁和C₂，以及用于对所述电容放电的NMOS管M₁₉和M₂₀；

所述的第一比较器由PMOS管M₇、M₈，NMOS管M₉、M₁₀构成；

所述的第二比较器由PMOS管M₁₁、所述PMOS管M₇，NMOS管M₁₂、所述的NMOS管M₉构成；

第一比较器和第二比较器的反相输入端共享，且为M₉的源端，M₉栅漏短接，并连接到PMOS管M₇的漏端，第一比较器和第二比较器的正相输入端分别是M₁₀和M₁₂的源端，M₁₀和M₁₂的栅端均连接到M₉的栅端，M₁₀和M₁₂的漏端分别连接到M₈和M₁₁的漏端，M₇、M₈和M₁₁的栅端短接在一起，并连接到所述电流基准源的偏置，电容C₁和C₂分别接第一比较器和第二比较器的正相输入端，电阻R_C的一端接两个比较器共享的反相输入端，电容C₁、C₂和电阻R_C的另一端接地，用于电容C₁和C₂放电的NMOS管M₁₉和M₂₀的漏端分别连接到第一比较器和第二比较器的输入端，M₁₉和M₂₀的源端均接地，栅端受所述RS触发器控制。

4.如权利要求1所述的基于电流模比较器的低压低功耗CMOS张弛振荡器，其特征在于，所述的电流源负载RS触发器为交叉耦合的或非门以及两个电流源负载反相器构成；所述或非门为NMOS下拉网络和电流源负载构成有比逻辑门。

5.如权利要求3所述的基于电流模比较器的低压低功耗CMOS张弛振荡器，其特征在于，所述电阻R_C由正温度系数电阻R_P和负温度系数电阻R_N串联构成。

6.一种基于电流模比较器的低压低功耗CMOS张弛振荡器的振荡产生方法，其特征在于，

1)基准电流I_REF对电容C₁不断充电，直到C₁两端电压V_C1超过基准电压V_REF；

2)当V_C1超过V_REF，第一电流模比较器输出端电压V₁升高，对RS触发器置位，RS触发器状态发生转变，此时I_REF开始对电容C₂充电，电容C₁通过MOS开关迅速放电到地；

3)电容C₂不断充电直到C₂两端电压V_C2超过V_REF，第二电流模比较器输出电压电压V₂升高，使得RS触发器状态再次发生转变，I_REF开始对C₁充电，C₂通过MOS开关迅速放电到地，一个完整振荡周期完成。

7.根据权利要求6所述的振荡产生方法，其特征在于，步骤3)所述的振荡周期表示为其中C₁和C₂为充放电电容，V_REF为电容充电上限电压，I_REF为电容充电电流，τ为电流模比较器和RS触发器的延时。