CN105099454B - 一种压频转换电路和环振型模数转换器 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种压频转换电路以及包含该压频转换电路的环振型模数转换器。在本发明中多级CMOS非门电路中的PMOS管和NMOS采用近零阈值MOS管，依据近零阈值MOS管的e指数电流响应工作原理，其漏极电流是关于e指数的栅压幂率，能够获得较大的电压增益，因而采用超低输入电压即可实现振荡电路的起振以及维持振荡电路的持续振荡，且由于近零阈值MOS管具有低通滤波的作用，因而能降低输出信号的频率。
Description
技术领域
本申请涉及电子电路设计领域，更具体地说，涉及一种压频转换电路和环振型模数转换器。
背景技术
压频转换电路是一种基于电路振荡原理输出特定频率信号的电子电路模块，在微电子领域得到了广泛的应用。
传统压频转换电路的拓扑结构是由输入电压作为供电电源的多达几十级的奇数个非门谐振电路。为了满足起振与维持振荡的要求，其输入电压一般都大于1V，且输出信号频率一般都大于1MHz，因而不能满足脑植入传感器的前端信号的超低电压输入和低频输出的要求。
发明内容
有鉴于此，本申请提供一种压频转换电路和环振型模数转换器，在保证容易起振和维持振荡的要求下，降低了输入电压和输出信号频率的等级，满足脑植入传感器的前端信号的要求。
为了实现上述目的，现提出的方案如下：
一种压频转换电路，应用于环振型模数转换器，包括：
多级CMOS非门电路，其中所述CMOS非门电路的级数为奇数级，所述多级CMOS非门电路的PMOS管和NMOS为近零阈值PMOS管和近零阈值NMOS管；
连接在所述多级的CMOS非门电路的非门输入端和非门输出端之间的电阻；
与所述多级CMOS非门电路输入端相连，且接地的电容；
与所述多级CMOS非门电路的PMOS管的源极相连的输入电源，所述输入电源与信号输入端相连。
优选的，还包括：用于提高输出信号带负载能力的一级CMOS非门电路；
其中，所述一级CMOS非门电路的非门输入端与所述多级CMOS非门电路的非门输出端相连；
所述一级CMOS非门电路的非门输出端与信号输出端相连；
所述一级CMOS非门电路的PMOS管的源极与所述电源相连，NMOS管的源极接地。
优选的，所述多级CMOS非门电路为三级CMOS非门电路、五级CMOS非门电路或7级CMOS非门电路。
优选的，所述多级CMOS非门电路的PMOS管为大宽长比的PMOS管，NMOS管为大宽长比NMOS管；
所述多级CMOS非门电路的PMOS管的衬底与所述输入电源相连，所述NMOS管的衬底接地。
优选的，所述多级CMOS非门电路的PMOS管和NMOS管的衬底接地。
优选的，所述多级CMOS非门电路的PMOS管的宽长比为2.5mm/180nm，NMOS管的宽长比为1mm/180nm。
优选的，所述多级CMOS非门电路的PMOS管的宽长比和NMOS管的宽长比均为100μm/nm。
优选的，所述电阻的阻值为50kΩ～1000kΩ，所述电容的电容值为80fF～8pF。
优选的，所述一级CMOS非门电路的PMOS管的宽长比为300μm/180nm，NMOS管的宽长比为200μm/180nm。
一种环振型模数转换器，包括如上所述的压频转换电路。
经由上述技术方案可知，本申请公开了一种压频转换电路以及包含该压频转换电路的环振型模数转换器。该压频转换电路包括多级CMOS非门电路、电阻、电容、输入电源端、以及信号输入端和信号输出端。其中所述电阻连接在多级CMOS非门电路的非门输入端和非门输出端，所述电容与多级CMOS非门电路的非门输入端相连，且接地，以组成振荡电路。在本发明中多级CMOS非门电路中的PMOS管和NMOS采用近零阈值MOS管，依据近零阈值MOS管的e指数电流响应工作原理，其漏极电流是关于e指数的栅压幂率，能够获得较大的电压增益，因而采用超低输入电压即可实现振荡电路的起振以及维持振荡电路的持续振荡，且由于近零阈值MOS管具有低通滤波的作用，因而能降低输出信号的频率。由此可见，本发明所公开的压频转换电路具有超低输入电压和低频输出的特点，从而满足脑植入传感器的前端信号的要求。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1示出了本发明一个实施例公开的一种压频转换电路的电路图；
图2示出了本发明另一个实施例公开的一种压频转换电路的电路图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参见图1示出了本发明一个实施例公开的一种压频转换电路的电路图。
由图1可知，该压频转换电路包括：多级CMOS非门电路N、电阻R、电容C、输入电源Vdc以及信号输入端Vin。
其中，所述多级CMOS非门电路的级数为奇数级，且所述多级CMOS非门电路的PMOS管和NMOS管均为近零阈值的MOS管。需要说明的是，在超低电压为电子领域中所述近零阈值的MOS管的实际阈值处于20mV左右。
该压频转换电路的具体连接关系如下：
所述电阻R连接在于所述多级CMOS非门电路N的非门输入端和非门输出端之间。
所述电容C与所述多级CMOS非门电路N的非门输入端相连，且另一端接地。
所述输入电压与所述多级CMOS非门电路N中所有PMOS管的源极相连，且所述输入电压和信号输入端直接相连。
通过上述的连接方式，多级CMOS非门电路N、电阻R、电容C、输入电源Vdc、输入信号端Vin组成振荡电路，用于实现压频转换。
由于在本实施例中，多级CMOS非门电路中的PMOS管和NMOS采用近零阈值MOS管，依据近零阈值MOS管的e指数电流响应工作原理，其漏极电流是关于e指数的栅压幂率，能够获得较大的电压增益，因而采用超低输入电压即可实现振荡电路的起振以及维持振荡电路的持续振荡，且由于近零阈值MOS管具有低通滤波的作用，因而能降低输出信号的频率。由此可见，本发明所公开的压频转换电路具有超低输入电压和低频输出的特定，从而满足脑植入传感器的前端信号的要求。
需要说明的是，在本发明的其他实施例中该多级CMOS非门电路可为三级CMOS非门电路、五级CMOS非门电路或7级CMOS非门电路。然而，通过实验可知三级CMOS非门电路(N1、N2、N3)时的电压增益大于27倍，即可确保振荡电路的振荡要求，因而在实际设计电路时，为了简化电路结构通常采用三级CMOS非门电路。
可选的，为了保证输出振荡信号的带负载能力，在本发明的其他实施例中该压频转换电路还包括一级CMOS非门电路N4。
可选的，在本申请中为了获取近零阈值的MOS管，所述多级CMOS非门电路的PMOS管为大宽长比的PMOS管，NMOS管为大宽长比NMOS管，且PMOS管的衬底与所述输入电源相连，所述NMOS管的衬底接地。
如：多级CMOS非门电路的PMOS管的宽长比为2.5mm/180nm，NMOS管的宽长比为1mm/180nm。
参见图2示出了本发明另一个实施例公开的一种压频转换电路的电路图。
由图2可知，与上一个实施例不同的是，在本实施例中所述多级CMOS非门电路N的PMOS管和NMOS管的衬底接地。
采用衬底零电压偏置的方法不仅进一步降低了多级CMOS非门电路N的阈值，同时可大幅度降低了多级CMOS非门电路的PMOS管和NMOS管的宽长比，节省了电流，降低了电路消耗。可选的，在本实施例中，所述多级CMOS非门电路的PMOS管的宽长比和NMOS管的宽长比均为100μm/nm。
需要说明的是，在上述任意实施例中所述电阻的阻值为50kΩ～1000kΩ，所述电容的电容值为80fF～8pF。所述一级CMOS非门电路的PMOS管的宽长比为300μm/180nm，NMOS管的宽长比为200μm/180nm。
通过实验可知，采用上述实施例中公开的压频转换电路在进行压频转换时，其输入电压为50mV～160mV，其输出信号频率为12kHz～50kHz,，峰峰值电压为40mV～150mV，其超低输入电压和低频率输出的线性关系可大大满足脑植入触感器的前端信号的要求。
另外，本发明还公开了一种环振型模数转换器。该环振型模数转换器包括上述任意实施例中公开的压频转换电路。
最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (10)
1.一种压频转换电路，应用于环振型模数转换器，其特征在于，包括：
多级CMOS非门电路，其中所述CMOS非门电路的级数为奇数级，所述多级CMOS非门电路的PMOS管和NMOS管为近零阈值PMOS管和近零阈值NMOS管；
连接在所述多级CMOS非门电路的非门输入端和非门输出端之间的电阻；
与所述多级CMOS非门电路输入端相连，且接地的电容；
与所述多级CMOS非门电路的PMOS管的源极相连的输入电源，所述输入电源与信号输入端相连。
2.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，还包括：用于提高输出信号带负载能力的一级CMOS非门电路；
其中，所述一级CMOS非门电路的非门输入端与所述多级CMOS非门电路的非门输出端相连；
所述一级CMOS非门电路的非门输出端与信号输出端相连；
所述一级CMOS非门电路的PMOS管的源极与所述电源相连，NMOS管的源极接地。
3.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述多级CMOS非门电路为三级CMOS非门电路、五级CMOS非门电路或7级CMOS非门电路。
4.根据权利要求1或2所述的电路，其特征在于，所述多级CMOS非门电路的PMOS管和NMOS管均为近零阈值的MOS管；
所述多级CMOS非门电路的PMOS管的衬底与所述输入电源相连，所述NMOS管的衬底接地。
5.根据权利要求1或2所述的电路，其特征在于，所述多级CMOS非门电路的PMOS管和NMOS管的衬底接地。
6.根据权利要求4所述的电路，其特征在于，所述多级CMOS非门电路的PMOS管的宽长比为2.5mm/180nm，NMOS管的宽长比为1mm/180nm。
7.根据权利要求5所述的电路，其特征在于，所述多级CMOS非门电路的PMOS管的宽长比和NMOS管的宽长比均为100μm/nm。
8.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述电阻的阻值为50kΩ～1000kΩ，所述电容的电容值为80fF～8pF。
9.根据权利要求2所述的电路，其特征在于，所述一级CMOS非门电路的PMOS管的宽长比为300μm/180nm，NMOS管的宽长比为200μm/180nm。
10.一种环振型模数转换器，其特征在于，包括权利要求1至权利要求9中任意一项权利要求所述的压频转换电路。
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