CN104917492B - 一种cmos振荡器 - Google Patents

Abstract

本发明属于模拟集成电路技术领域，具体的说涉及一种CMOS振荡器。本发明采用电容的泵压特性，代替了传统的电阻电容充放电过程，采用了电平转换和电容泵压相结合的方式，轻易的实现了高速的振荡器特性，所发明的电路结构简单，减小了传统的使用运算放大器的振荡器电路面积并且降低了成本；同时，引入了双稳态电路，与电平转换电路相结合，利用电平转换电路延迟小的特点，在电源上电时，能够快速启动响应，大大缩短了振荡器的启动时间。本发明特别适用于高频CMOS振荡器。

Description

一种CMOS振荡器

技术领域

本发明属于模拟集成电路技术领域，具体的说涉及一种CMOS振荡器。

背景技术

振荡器(英文：Oscillator)，简称OSC，是一种用来产生重复电子信号(通常是正弦波或者矩形波)的电子装置，其产生的各种振荡信号可提供各种时序、开关控制以及信号的各种调制等，成为模拟和数字电路系统中的关键功能模块，对数字和模拟信号处理的性能具有重要的影响。随着半导体CMOS技术的日趋成熟，CMOS振荡器发展很快，并逐渐取代了传统的振荡器。

振荡器按照电路结构的不同主要分为RC振荡器、LC振荡器以及晶体振荡器等。图1所示为传统的RC振荡器结构框图，包括：运算放大器A1、A2，充放电电容C0，RS触发器以及充放电控制电路部分。其中充放电控制电路与运放A1的正相输入端以及运放A2的反相输入端连接，充放电电容C0与运放A1的反相输入端以及运放A2的正相输入端连接，RS触发器的输入S端与运放A1的输出端连接，RS触发器的输入R端与运放A2的输出端连接，V1和V2都是翻转电压，其中V1与运放A1的反相输入端连接，V2与运放A2的正相输入端连接。电容C0在充放电的过程中产生周期性的锯齿波，锯齿波与两个翻转电压V1、V2相比较，进而两个运放A1、A2的输出端产生周期性的脉冲信号，两个脉冲信号经过RS触发器，最终产生周期性的振荡信号。

传统的RC振荡器应用十分广泛，但是也存在着不小的缺点：由于电路中存在两个翻转电压V1、V2，因此电路需要两个运放A1、A2来作为比较器，这样就会增加电路的面积和成本，增加了电路结构的复杂程度，而且两个比较器的失调电压的不同又会造成振荡器输出频率的偏差。

发明内容

本发明所要解决的，就是针对上述传统RC振荡器存在的问题，提出一种结构简单的高频CMOS振荡器。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种CMOS振荡器，如图2所示，包括电平转换电路、充放电电路、电流源I1、第一反相器INV1、第二反相器INV2、第三反相器INV3、第四反相器INV4、第五反相器INV5、第一NMOS管N1、第二NMOS管N2、与非门NAND、直流电源VDC和第一电容C1构成；其中，所述电平转换电路的电源输入端接电源VDD，其第一输入端接第二NMOS管N2的漏极、第五反相器的输出端和第四反相器的输入端，其第二输入端接第一NMOS管N1的漏极、第五反相器的输入端和第四反相器的输出端，其输出端接充放电电路的第一输入端以及与非门NAND的第一输入端和第一反相器的输入端；所述充放电电路的电源输入端接电流源I1的输出端，其第二输入端接与非门NAND的输出端，其第一输出端接第二NMOS管N2的栅极，其第二输出端接第一NMOS管N1的栅极；与非门NAND的第二输入端接直流电源VDC的正极；直流电源VDC的负极接地GND；第一反相器INV1的输出端接第二反相器INV2的输入端；第二反相器INV2的输出端接第三方向器N3的输出端；第二反相器INV2和第三反相器INV3的连接点通过第一电容C1后接地GND；第三反相器INV3的输出端为振荡器的输出端。

进一步的，如图3所示，所述充放电电路由第一PMOS管P1、第二PMOS管P2、第三NMOS管N3、第四NMOS管N4、第二电容C2和第三电容C3构成；其中，第一PMOS管P1的源极和第二PMOS管P2的源极为充放电电路的电源输入端；第一PMOS管P1的栅极作为充放电电路的第一输入端；第一PMOS管P1的栅极接第三NMOS管N3的栅极作为充放电电路的第三输出端；第二PMOS管P2的栅极接第四NMOS管MN4的栅极作为充放电电路的第二输入端；第一PMOS管P1的漏极接第三NMOS管N3的漏极和第三电容C3的一端；第一PMOS管P1、第三NMOS管N3和第三电容C3的连接点作为充放电电路的第一输出端；第二PMOS管P2的漏极接第四NMOS管N4的漏极和第三电容C3的另一端；第二PMOS管P2的漏极、第四NMOS管N4的漏极和第三电容C3的连接点作为充放电电路的第二输出端；第二输出端还通过第二电容C2后接地GND。

更进一步的，如图4所示，所述电平转换电路由第三PMOS管P3、第四PMOS管P4、第五NMOS管N5、第六NMOS管N6构成；其中，第三PMOS管P3的源极和第四PMOS管P4的源极为电平转换电路的电源输入端；第三PMOS管P3的栅极接第四PMOS管P4的漏极和第六NMOS管N6的漏极作为电平转换电路的输出端，其漏极接第四PMOS管P4的栅极和第五NMOS管N5的漏极；第五NMOS管N5的栅极为电平转换电路的第一输入端，其源极接地GND；第六NMOS管N6的栅极为电平转换电路的第二输入端，其源极接地GND。

本发明的有益效果为，简化并改善了传统RC振荡器的电路结构，从而降低了电路的面积和成本，同时采用电平转换和带有电荷泵效果的充放电电路使得振荡器的频率很高，而且，由于双稳态电路以及电平转换电路的作用，使得电路的上电启动响应时间非常快。

附图说明

图1为传统的RC振荡器电路结构示意图；

图2为本发明的振荡器结构示意图；

图3为本发明的充放电电路具体结构示意图；

图4为本发明的电平转换结构示意图；

图5为本发明的振荡器总体结构具体示意图；

图6为本发明的仿真结果示意图。

具体实施方式

下面结合附图，详细描述本发明的技术方案：

本发明提出的一种CMOS振荡器，如图2所示，包括电平转换电路、充放电电路、电流源I1、第一反相器INV1、第二方向器N2、第三方向器N3、第四反相器INV4、第五反相器INV5、第一NMOS管N1、第二NMOS管N2、与非门NAND、直流电源VDC和第一电容C1构成；其中，所述电平转换电路的电源输入端接电源VDD，其第一输入端接第二NMOS管N2的漏极、第五反相器的输出端和第四反相器的输入端，其第二输入端接第一NMOS管N1的漏极、第五反相器的输入端和第四反相器的输出端，其输出端接充放电电路的第一输入端以及与非门NAND的第一输入端和第一反相器的输入端；所述充放电电路的电源输入端接电流源I1的输出端，其第二输入端接与非门NAND的输出端，其第一输出端接第二NMOS管N2的栅极，其第二输出端接第一NMOS管N1的栅极；与非门NAND的第二输入端接直流电源VDC的正极；直流电源VDC的负极接地GND；第一反相器INV1的输出端接第二反相器INV2的输入端；第二反相器INV2的输出端接第三方向器N3的输出端；第二反相器INV2和第三反相器INV3的连接点通过第一电容C1后接地GND；第三反相器INV3的输出端为振荡器的输出端。

上述方案中，第四反相器INV4和第五反相器INV5构成的双稳态电路、第一NMOS管N1、第二NMOS管N2、与非门NAND、直流电源VDC、滤波电容C1、第一反相器INV1、第二反相器INV2、第三反相器INV3构成的整形电路。

如图3所示，所述充放电电路由第一PMOS管P1、第二PMOS管P2、第三NMOS管N3、第四NMOS管N4、第二电容C2和第三电容C3构成；其中，第一PMOS管P1的源极和第二PMOS管P2的源极为充放电电路的电源输入端；第一PMOS管P1的栅极接第三NMOS管N3的栅极作为充放电电路的第一输入端；第二PMOS管P2的栅极接第四NMOS管MN4的栅极作为充放电电路的第二输入端；第一PMOS管P1的漏极接第三NMOS管N3的漏极和第三电容C3的一端；第一PMOS管P1、第三NMOS管N3和第三电容C3的连接点作为充放电电路的第一输出端；第二PMOS管P2的漏极接第四NMOS管N4的漏极和第三电容C3的另一端；第二PMOS管P2的漏极、第四NMOS管N4的漏极和第三电容C3的连接点作为充放电电路的第二输出端；第二输出端还通过第二电容C2后接地GND。

充放电电路的工作原理如下：第一PMOS管P1的栅极以及第三NMOS管N3的栅极连接的是与非门NAND的一个输入端，当此输入端为高电平时，经过与非门NAND的作用，与非门NAND的输出端为低电平，第二PMOS管P2导通，电流源I1通过第二PMOS管P2对电容C2充电，电容C2充当充电电容，当电容C2的上端口被充至大于第一NMOS管N1的阈值电压时，第一NMOS管N1导通，而且此时电容C3的右端口的电位和电容C2的上端口电位相同，第一NMOS管N1的导通致使双稳态电路切换状态，通过前述的电平转换电路，使得第一PMOS管P1的栅极以及第三NMOS管N3的栅极，即与非门NAND的一个输入端变为低电平，此时经过与非门NAND的作用，与非门NAND的输出端为高电平，即第四NMOS管N4的栅极和第二PMOS管P2的栅极为高电平，进而，第四NMOS管N4导通，此时，由于电容C3的泵压作用，使得电容C3左端口的电平被迅速抬高，从而使得NMOS管M2的栅极为高电平，进而第二NMOS管N2导通，第二NMOS管N2的导通使得双稳态电路的状态再次切换，于是进入了下一个循环，周而复始。本发明的这种独特充放电电路结构，很好的代替了传统电阻电容充电放电的过程，而且由于泵压电容C3的作用，使得电平的变化更加迅速，进而达到了本发明的结构简单，轻易达到高速的目的。

如图4所示，所述电平转换电路由第三PMOS管P3、第四PMOS管P4、第五NMOS管N5、第六NMOS管N6构成；其中，第三PMOS管P3的源极和第四PMOS管P4的源极为电平转换电路的电源输入端；第三PMOS管P3的栅极接第四PMOS管P4的漏极和第六NMOS管N6的漏极作为电平转换电路的输出端，其漏极接第四PMOS管P4的栅极和第五NMOS管N5的漏极；第五NMOS管N5的栅极为电平转换电路的第一输入端，其源极接地GND；第六NMOS管N6的栅极为电平转换电路的第二输入端，其源极接地GND。

电平转换电路的工作原理如下：第五NMOS管N5的栅极连接的信号和第六NMOS管N6的栅极连接的信号是反相的，即如图4所示的in1和in2是反相的，假定in1为高电平，则in2为低电平，此时第五NMOS管N5导通，NMOS管M4截止，第五NMOS管N5的漏极被拉至低电平，同时第四PMOS管P4的栅极也被拉至低电平，从而第四PMOS管P4导通，于是第四PMOS管P4的漏极被拉高为高电平，整个转换过程的延迟很小，速度很快，适用于本发明的高速环境，并且有助于缩短本发明的上电启动时间。

如图5所示，为本发明的整体电路结构，本发明的电路总体工作原理如下：首先，电路上电，假定双稳态电路的初始状态为高电平，即反相器N5的输入端以及反相器N4的输出端为高电平，电平转换电路使得输出端第三PMOS管P3的栅极以及第四PMOS管P4的漏极迅速变为高电平，此信号经过三级反相器N1、N2、N3的整形，最终输出信号为低电平，同时高电平使得第三NMOS管N3导通，同时与非门NAND的输出为低电平，使得第二PMOS管P2导通，电流源I1通过第二PMOS管P2和第三NMOS管N3给电容C3和C2充电，使得第一NMOS管N1的栅极电位不断抬高，直至超过第一NMOS管N1的阈值电压，第一NMOS管N1导通，双稳态的状态被拉为低电平，即反相器N5的输入端以及反相器N4的输出端为低电平，从而反相器N5的输出端以及反相器N4的输入端为高电平，电平转换电路使得输出端第三PMOS管P3的栅极以及第四PMOS管P4的漏极迅速变为低电平，此低电平使得与非门NAND的输出端变为高电平，进而第四NMOS管N4导通，此时由于电容C3的泵压作用，使得电容C3左端口的电压被迅速抬高，使得第二NMOS管N2迅速导通，反相器N5的输出端以及反相器N4的输入端被迅速拉至低电平，进而反相器N5的输入端以及反相器N4的输出端为高电平，回到初始状态，进入下一轮循环，从而在输出端产生周期性高低变化的电平。由于电容C3的泵压作用代替了传统RC振荡器单纯的电容充放电过程，使得本发明的振荡频率轻易达到高速，由于双稳态电路以及电平转换电路的作用，使得本发明的上电启动时间很短。

本发明的仿真结果如图6所示，振荡器频率达到了3.3MHz，启动时间为0.16us。达到了本发明的目的，即结构新颖简单，代替了传统RC振荡器需要两个运放的复杂结构，节省了电路面积和成本，同时轻易达到高速，并且启动时间很短。

Claims (2)

1.一种CMOS振荡器，包括电平转换电路、充放电电路、电流源I1、第一反相器INV1、第二反相器INV2、第三反相器INV3、第四反相器INV4、第五反相器INV5、第一NMOS管N1、第二NMOS管N2、与非门NAND、直流电源VDC和第一电容C1构成；其中，所述电平转换电路的电源输入端接电源VDD，其第一输入端接第二NMOS管N2的漏极、第五反相器INV5的输出端和第四反相器INV4的输入端，其第二输入端接第一NMOS管N1的漏极、第五反相器INV5的输入端和第四反相器INV4的输出端，其第一输出端接充放电电路的第一输入端以及与非门NAND的第一输入端和第一反相器INV1的输入端；所述充放电电路的电源输入端接电流源I1的输出端，其第二输入端接与非门NAND的输出端，其第一输出端接第二NMOS管N2的栅极，其第二输出端接第一NMOS管N1的栅极；与非门NAND的第二输入端接直流电源VDC的正极；直流电源VDC的负极接地GND；第一反相器INV1的输出端接第二反相器INV2的输入端；第二反相器INV2的输出端接第三方向器N3的输出端；第二反相器INV2和第三反相器INV3的连接点通过第一电容C1后接地GND；第三反相器INV3的输出端为振荡器的输出端；所述充放电电路由第一PMOS管P1、第二PMOS管P2、第三NMOS管N3、第四NMOS管N4、第二电容C2和第三电容C3构成；其中，第一PMOS管P1的源极和第二PMOS管P2的源极为充放电电路的电源输入端；第一PMOS管P1的栅极接第三NMOS管N3的栅极作为充放电电路的第一输入端；第二PMOS管P2的栅极接第四NMOS管N4的栅极作为充放电电路的第二输入端；第一PMOS管P1的漏极接第三NMOS管N3的漏极和第三电容C3的一端；第一PMOS管P1、第三NMOS管N3和第三电容C3的连接点作为充放电电路的第一输出端；第二PMOS管P2的漏极接第四NMOS管N4的漏极和第三电容C3的另一端；第二PMOS管P2的漏极、第四NMOS管N4的漏极和第三电容C3的连接点作为充放电电路的第二输出端；第二输出端还通过第二电容C2后接地GND。

2.根据权利要求1所述的一种CMOS振荡器，其特征在于，所述电平转换电路由第三PMOS管P3、第四PMOS管P4、第五NMOS管N5、第六NMOS管N6构成；其中，第三PMOS管P3的源极和第四PMOS管P4的源极为电平转换电路的电源输入端；第三PMOS管P3的栅极接第四PMOS管P4的漏极和第六NMOS管N6的漏极作为电平转换电路的输出端，其漏极接第四PMOS管P4的栅极和第五NMOS管N5的漏极；第五NMOS管N5的栅极为电平转换电路的第一输入端，其源极接地GND；第六NMOS管N6的栅极为电平转换电路的第二输入端，其源极接地GND。