CN105932983A - 一种单路比较的振荡器和电源管理芯片 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单路比较的振荡器及电源管理芯片，包括：充放电偏置模块、开关模块、储能模块和单路比较模块；所述单路比较模块将其内设的阈值电压与储能模块的电压进行比较，判断储能模块的电压达到预设条件时，根据当前储能模块的电压输出对应的电平，并根据所述电平控制开关模块内充放电通路的通断；充放电偏置模块根据充放电通路的通断状态对储能模块进行充放电；由于单路比较模块只有一路输入就能实现将输入的储能模块的电压与内设的阈值电压比较的功能，可替换现有的比较器，从而降低了整体电路的功耗，节省了芯片的版图面积。

Description

一种单路比较的振荡器和电源管理芯片

技术领域

本发明涉及振荡器电路技术领域，特别涉及一种单路比较的振荡器和电源管理芯片。

背景技术

在任何一个电子系统中，振荡器电路都是必不可少的。随着成本压力的不断增大，芯片面积需要不断减小，在保证功能的前提下，设计更简单的电路结构，能够减小模块的面积和降低功耗。

传统的振荡器如图1所示，一般需要两个比较器（U1、U2），一个电容C，一套给电容充放电偏置电路（MOS管P、N组成），给两个比较器分别输入一个高阈值VRA1和低阈值VRA2。当电容电压大于高阈值时，比较器翻转，信号Vo为高电平，控制偏置电路放电（MOS管N导通放电），电容电压下降。当电容电压小于低阈值时，信号Vo为低电平，控制偏置电路充电（MOS管P导通充电），电容电压上升。如此循环往复，即可输出振荡的信号Vo。这种结构原理简单，但是采用比较器会导致结构复杂，功耗较高，占用芯片版图面积较大。

因此，有必要对现有技术进行改进。

发明内容

鉴于上述现有技术的不足之处，本发明的目的在于提供一种单路比较的振荡器和电源管理芯片，以解决现有振荡器功耗较高、占用芯片版图面积较大的问题。

为了达到上述目的，本发明采取了以下技术方案：

一种单路比较的振荡器，其包括：充放电偏置模块、开关模块、储能模块和单路比较模块；

所述单路比较模块将其内设的阈值电压与储能模块的电压进行比较，判断储能模块的电压达到预设条件时，根据当前储能模块的电压输出对应的电平，并根据所述电平控制开关模块内充放电通路的通断；充放电偏置模块根据充放电通路的通断状态对储能模块进行充放电。

所述的单路比较的振荡器中，所述阈值电压包括下限阈值和上限阈值；所述预设条件包括储能模块的电压是否为零，是否大于上限阈值，以及是否小于下限阈值；

所述充放电偏置模块包括放电电路和充电电路；

所述放电电路在开关模块内的放电通路导通时、对储能模块进行放电；所述充电电路在开关模块内的充电通路导通时、提供充电电流通过充电通路对储能模块进行充电。

所述的单路比较的振荡器中，所述放电电路包括第一NMOS管、第二NMOS管、第三NMOS管、第四NMOS管、第五NMOS管和第六NMOS管；

所述第一NMOS管的栅极连接第一NMOS管的漏极和基准电压端，第一NMOS管的栅极还连接第三NMOS管的栅极和第五NMOS管的栅极，第二NMOS管的栅极连接第二NMOS管的漏极和第一NMOS管的源极，第二NMOS管的栅极还连接第四NMOS管的栅极和第六NMOS管的栅极，所述第三NMOS管的源极连接第四NMOS管的漏极，第五NMOS管的源极连接第六NMOS管的漏极，第三NMOS管的漏极连接充电电路，第五NMOS管的漏极连接开关模块；第二NMOS管、第四NMOS管和第六NMOS管的源极均接地，第六NMOS管的源极还连接储能模块。

所述的单路比较的振荡器中，所述充电电路包括第一PMOS管、第二PMOS管、第三PMOS管和第四PMOS管；

所述第一PMOS管和第三PMOS管的源极均连接电源端，第一PMOS管的栅极连接第一PMOS管的漏极、第二PMOS管的源极和第三PMOS管的栅极，第二PMOS管的栅极连接第二PMOS管的漏极、第四PMOS管的栅极和第三NMOS管的漏极，第三PMOS管的漏极连接第四PMOS管的源极，第四PMOS管的漏极连接开关模块。

所述的单路比较的振荡器中，所述开关模块包括第五PMOS管和第七NMOS管；

所述第五PMOS管的源极连接第四PMOS管的漏极，第五PMOS管的栅极连接第七NMOS管的栅极和单路比较模块的输出端；第五PMOS管的漏极连接第七NMOS管的漏极、单路比较模块的输入端和储能模块；第七NMOS管的源极连接第五NMOS管的漏极。

所述的单路比较的振荡器中，所述储能模块包括电容，电容的一端连接第五PMOS管的漏极、第七NMOS管的漏极和单路比较模块的输入端，电容的另一端连接第六NMOS管的源极和地。

所述的单路比较的振荡器中，所述单路比较模块包括施密特触发器和反馈电路；

所述施密特触发器将其内设的阈值电压与输入的电压进行比较，判断输入的电压大于上限阈值时输出低电平，该电压小于下限阈值时输出高电平；所述反馈电路对高低电平进行反向并反馈给开关模块。

所述的单路比较的振荡器中，所述施密特触发器包括第六PMOS管、第七PMOS管、第八PMOS管、第八NMOS管、第九NMOS管和第十NMOS管；

所述第六PMOS管的源极和第十NMOS管的漏极均连接电源端，第六PMOS管、第七PMOS管、第八NMOS管、第九NMOS管的栅极均相连且连接单路比较模块的输入端，第六PMOS管的漏极连接第七PMOS管的源极和第八PMOS管的源极；第七PMOS管的漏极连接第八PMOS管的栅极、第九NMOS管的漏极、第十NMOS管栅极和反馈电路；第九NMOS管的源极连接第八NMOS管的漏极和第十NMOS管的源极，第八PMOS管漏极和第八NMOS管的源极均接地。

所述的单路比较的振荡器中，所述反馈电路包括第一反相器、第二反相器、第三反相器、第四反相器、第五反相器、第六反相器、第七反相器、第一与非门和第二与非门；

所述第一反相器的输入端连接第八PMOS管的栅极和第十NMOS管栅极，第一反相器的输出端连接第五反相器的输入端和第一与非门的一输入端，第一与非门的输出端连接第二反相器的输入端，第二反相器的输出端连接第三反相器的输入端，第三反相器的输出端连接第四反相器的输入端和第二与非门的一输入端；第四反相器的输出端连接单路比较模块的输出端，第五反相器的输出端连接第二与非门的另一输入端，第二与非门的输出端连接第六反相器的输入端，第六反相器的输出端连接第七反相器的输入端，第七反相器的输出端连接第一与非门的另一输入端。

一种电源管理芯片，包括所述的单路比较的振荡器。

相较于现有技术，本发明提供的单路比较的振荡器和电源管理芯片，通过单路比较模块将其内设的阈值电压与储能模块的电压进行比较，判断储能模块的电压达到预设条件时，根据当前储能模块的电压输出对应的电平，并根据所述电平控制开关模块内充放电通路的通断；充放电偏置模块根据充放电通路的通断状态对储能模块进行充放电；由于单路比较模块只有一路输入就能实现将输入的储能模块的电压与内设的阈值电压进行比较的功能，可替换现有的比较器，从而降低了整体电路的功耗，节省了芯片的版图面积。

附图说明

图1为现有的振荡器的电路图；

图2为本发明实施例提供的单路比较的振荡器的结构框图；

图3为本发明实施例提供的单路比较的振荡器的电路图；

图4为本发明实施例提供的单路比较模块的电路图。

具体实施方式

本发明提供一种单路比较的振荡器和电源管理芯片，适用于任何需要振荡器电路的设备中，其采用一个施密特（Schmidt）触发器来代替现有比较器的功能，该施密特触发器只有一个输入端，相当于比较时只有单路输入信号，不需要电源提供阈值电压，利用施密特触发器中MOS管本身的VTH（阈值电压）与唯一输入端上电容两端电压进行比较，再结合反馈和充放电偏置即可输出振荡信号。为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

请同时参阅图2和图3，本发明实施例提供的单路比较的振荡器包括充放电偏置模块100、开关模块200、储能模块300和单路比较模块400。所述单路比较模块400将其内设的阈值电压与储能模块300的电压进行比较，判断储能模块300的电压达到预设条件时，根据当前储能模块300的电压输出对应的电平，并根据所述电平控制开关模块200内充放电通路的通断；充放电偏置模块100根据充放电通路的通断状态对储能模块300进行充放电。所述内设的阈值电压由单路比较模块400的电路结构决定，包括下限阈值V-和上限阈值V+。预设条件包括储能模块300的电压是否为零，是否大于上限阈值V+，以及储能模块300的电压是否小于下限阈值V-。本实施例通过对储能模块300进行充放电来产生周期的震荡信号，且储能模块300的电压在下限阈值V-（下降沿触发，也叫后沿触发）和上限阈值V+（上升沿触发，也叫前沿触发）之间震荡。则各模块的具体工作原理为：

初始状态下，储能模块300内没有存储电能，其电压为零，单路比较模块400根据零电压输出对应的低电平。该低电平控制开关模块200内充电通路导通，充放电偏置模块100通过充电通路对储能模块300充电。

当储能模块300充电至其电压大于上限阈值V+时，当前储能模块300的电压为高电平，则单路比较模块400输出高电平。该高电平控制开关模块200内放电通路导通，充放电偏置模块100通过放电通路对储能模块300放电。

当储能模块300放电至其电压小于下限阈值V-时，当前储能模块300的电压为低电平，则单路比较模块400输出低电平。该低电平控制开关模块200内充电通路导通，充放电偏置模块100通过充电通路对储能模块300充电。

如此循环往复，则单路比较模块400不断交叉输出高低电平，从而形成周期的震荡信号。由于单路比较模块400只有一路输入，即输入储能模块300的电压，与内设的阈值电压比较，相当于实现了单路输入的比较功能。用单路比较模块400来替换现有的比较器，即可降低整体电路的功耗，节省了芯片的版图面积。

所述充放电偏置模块100包括放电电路110和充电电路120。所述放电电路110在开关模块200内的放电通路导通时、对储能模块300进行放电。所述充电电路120在开关模块200内的充电通路导通时、提供充电电流通过充电通路对储能模块300进行充电。

如图3所示，所述放电电路110包括第一NMOS管N1、第二NMOS管N2、第三NMOS管N3、第四NMOS管N4、第五NMOS管N5和第六NMOS管N6；所述第一NMOS管N1的栅极连接第一NMOS管N1的漏极和基准电压端（输入基准电流BIAS），第一NMOS管N1的栅极还连接第三NMOS管N3的栅极和第五NMOS管N5的栅极，第二NMOS管N2的栅极连接第二NMOS管N2的漏极和第一NMOS管N1的源极，第二NMOS管N2的栅极还连接第四NMOS管N4的栅极和第六NMOS管N6的栅极，所述第三NMOS管N3的源极连接第四NMOS管N4的漏极，第五NMOS管N5的源极连接第六NMOS管N6的漏极，第三NMOS管N3的漏极连接充电电路120，第五NMOS管N5的漏极连接开关模块200；第二NMOS管N2、第四NMOS管N4和第六NMOS管N6的源极均接地，第六NMOS管N6的源极还连接储能模块300。

所述充电电路120包括第一PMOS管P1、第二PMOS管P2、第三PMOS管P3和第四PMOS管P4；所述第一PMOS管P1和第三PMOS管P3的源极均连接电源端VDD，第一PMOS管P1的栅极连接第一PMOS管P1的漏极、第二PMOS管P2的源极和第三PMOS管P3的栅极，第二PMOS管P2的栅极连接第二PMOS管P2的漏极、第四PMOS管P4的栅极和第三NMOS管N3的漏极，第三PMOS管P3的漏极连接第四PMOS管P4的源极，第四PMOS管P4的漏极连接开关模块200。

其中，所述第一NMOS管N1~第六NMOS管N6组成一电流镜，第五NMOS管N5、第六NMOS管N6给储能模块300提供放电电流。第一PMOS管P1~第四PMOS管P4组成另一电流镜，第三PMOS管P3和第四PMOS管P4给储能模块300提供充电电流。

请继续参阅图3，所述开关模块200包括第五PMOS管P5和第七NMOS管N7；所述第五PMOS管P5的源极连接第四PMOS管P4的漏极，第五PMOS管P5的栅极连接第七NMOS管N7的栅极和单路比较模块400的输出端；第五PMOS管P5的漏极连接第七NMOS管N7的漏极、单路比较模块400的输入端和储能模块300；第七NMOS管N7的源极连接第五NMOS管N5的漏极。

其中，所述第五PMOS管P5为充电通路，栅极电压为低电平（由充放电偏置模块100输出）时导通。第七NMOS管N7为放电通路，栅极电压为高电平（由充放电偏置模块100输出）时导通。

所述储能模块300为电容，可直接设置一电容C1，电容C1的一端连接第五PMOS管P5的漏极、第七NMOS管N7的漏极和单路比较模块400的输入端，电容C1的另一端连接第六NMOS管N6的源极和地。本实施例中采用NMOS管来做电容，则NMOS管的栅极作为电容C1的一端，NMOS管的源极和漏极相连作为电容C1的另一端。

请一并参阅图4，所述单路比较模块400包括施密特（Schmidt）触发器410和反馈电路420。所述施密特触发器410将其内设的阈值电压与输入的电压进行比较，判断输入的电压大于上限阈值V+时输出低电平，该电压小于下限阈值V-时输出高电平。所述反馈电路420对高低电平进行反向并反馈给开关模块200。

其中，所述施密特触发器410包括第六PMOS管P6、第七PMOS管P7、第八PMOS管P8、第八NMOS管N8、第九NMOS管N9和第十NMOS管N10；所述第六PMOS管P6的源极和第十NMOS管N10的漏极均连接电源端VDD，第六PMOS管P6、第七PMOS管P7、第八NMOS管N8、第九NMOS管N9的栅极均相连且连接单路比较模块400的输入端IN，第六PMOS管P6的漏极连接第七PMOS管P7的源极和第八PMOS管P8的源极；第七PMOS管P7的漏极连接第八PMOS管P8的栅极、第九NMOS管N9的漏极、第十NMOS管N10栅极和反馈电路420；第九NMOS管N9的源极连接第八NMOS管N8的漏极和第十NMOS管N10的源极，第八PMOS管P8漏极和第八NMOS管N8的源极均接地。

所述反馈电路420包括第一反相器A1、第二反相器A2、第三反相器A3、第四反相器A5、第五反相器A5、第六反相器A6、第七反相器A7、第一与非门A8和第二与非门A9；所述第一反相器A1的输入端连接第八PMOS管P8的栅极和第十NMOS管N10栅极，第一反相器A1的输出端连接第五反相器A5的输入端和第一与非门A8的一输入端，第一与非门A8的输出端连接第二反相器A2的输入端，第二反相器A2的输出端连接第三反相器A3的输入端，第三反相器A3的输出端连接第四反相器A5的输入端和第二与非门A9的一输入端；第四反相器A5的输出端连接单路比较模块400的输出端OUT，第五反相器A5的输出端连接第二与非门A9的另一输入端，第二与非门A9的输出端连接第六反相器A6的输入端，第六反相器A6的输出端连接第七反相器A7的输入端，第七反相器A7的输出端连接第一与非门A8的另一输入端。

其中，第六PMOS管P6和第八PMOS管P8的宽长比决定了下限阈值V-的取值，第八NMOS管N8和第十NMOS管N10的宽长比决定了上限阈值V+的取值。所述第一反相器A1~第二与非门A9组成一RS触发器，且该RS触发器只工作在置位和复位的状态。当施密特触发器410输出为高时，RS触发器输出为低；当施密特触发器410输出为低时，RS触发器输出为高。

请继续参阅图3和图4，所述单路比较的振荡器的工作原理为：

初始状态下，电容C1上的电压为零，此时第六PMOS管P6和第七PMOS管P7导通，第八NMOS管N8和第九NMOS管N9截止，施密特触发器410输出高电平。则反馈电路420输出低电平的震荡信号CLK，使第五PMOS管P5导通且第七NMOS管N7截止。电源端VDD输出充电电流依次通过第三PMOS管P3、第四PMOS管P4、第五PMOS管P5流向电容C1对其充电。电容C1的电压开始上升。

当电容C1上的电压上升至大于上限阈值V+时，第八NMOS管N8和第九NMOS管N9导通，第六PMOS管P6和第七PMOS管P7截止，施密特触发器410输出低电平，则反馈电路420输出高电平的震荡信号CLK。该高电平控制第七NMOS管N7导通且第五PMOS管P5截止，第五NMOS管N5和第六NMOS管N6通过输入的基准电压导通。则电容C1通过第七NMOS管N7、第五NMOS管N5、第六NMOS管N6放电，电容C1上的电压开始降低。

当电容C1上的电压下降至小于下限阈值V-时，第六PMOS管P6和第七PMOS管P7导通，第八NMOS管N8和第九NMOS管N9截止，施密特触发器410输出高电平。反馈电路420输出低电平的震荡信号CLK，使第五PMOS管P5导通且第七NMOS管N7截止。电源端VDD输出充电电流依次通过第三PMOS管P3、第四PMOS管P4、第五PMOS管P5流向电容C1对其充电。电容C1的电压开始上升。

如此循环往复，电容C1上的电压在下限阈值V-和上限阈值V+之间震荡（初始状态不算），从而输出一周期的震荡信号CLK，如时钟信号。

基于上述的单路比较的振荡器，本发明实施例还相应提供一种电源管理芯片。所述电源管理芯片内集成所述单路比较的振荡器，由该振荡器输出电源管理芯片所需的震荡信号。

综上所述，本发明提供的单路比较的振荡器和电源管理芯片，利用施密特触发器前沿触发和后沿触发特性，自动提供下限阈值和上限阈值来与其输入端的电容电压进行比较输出对应的电平，经反馈电路反向后输出控制开关模块内充放电通路的通断，再结合充放电偏置模块内的放电电路和充电电路对电容充放电，即可输出震荡信号。与传统的振荡器相比，省去了两个比较器，且只需单路输入进行比较，无需另外输入用于比较的两个阈值，简化了电路结构，降低了电路功耗，节省了芯片的版图面积，降低了芯片的制造成本。

可以理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，而所有这些改变或替换都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种单路比较的振荡器，其特征在于，包括：充放电偏置模块、开关模块、储能模块和单路比较模块；

所述单路比较模块将其内设的阈值电压与储能模块的电压进行比较，判断储能模块的电压达到预设条件时，根据当前储能模块的电压输出对应的电平，并根据所述电平控制开关模块内充放电通路的通断；充放电偏置模块根据充放电通路的通断状态对储能模块进行充放电。

2.根据权利要求1所述的单路比较的振荡器，其特征在于，所述阈值电压包括下限阈值和上限阈值；所述预设条件包括储能模块的电压是否为零，是否大于上限阈值，以及是否小于下限阈值；

所述充放电偏置模块包括放电电路和充电电路；

所述放电电路在开关模块内的放电通路导通时、对储能模块进行放电；所述充电电路在开关模块内的充电通路导通时、提供充电电流通过充电通路对储能模块进行充电。

3.根据权利要求2所述的单路比较的振荡器，其特征在于，所述放电电路包括第一NMOS管、第二NMOS管、第三NMOS管、第四NMOS管、第五NMOS管和第六NMOS管；

所述第一NMOS管的栅极连接第一NMOS管的漏极和基准电压端，第一NMOS管的栅极还连接第三NMOS管的栅极和第五NMOS管的栅极，第二NMOS管的栅极连接第二NMOS管的漏极和第一NMOS管的源极，第二NMOS管的栅极还连接第四NMOS管的栅极和第六NMOS管的栅极，所述第三NMOS管的源极连接第四NMOS管的漏极，第五NMOS管的源极连接第六NMOS管的漏极，第三NMOS管的漏极连接充电电路，第五NMOS管的漏极连接开关模块；第二NMOS管、第四NMOS管和第六NMOS管的源极均接地，第六NMOS管的源极还连接储能模块。

4.根据权利要求3所述的单路比较的振荡器，其特征在于，所述充电电路包括第一PMOS管、第二PMOS管、第三PMOS管和第四PMOS管；

所述第一PMOS管和第三PMOS管的源极均连接电源端，第一PMOS管的栅极连接第一PMOS管的漏极、第二PMOS管的源极和第三PMOS管的栅极，第二PMOS管的栅极连接第二PMOS管的漏极、第四PMOS管的栅极和第三NMOS管的漏极，第三PMOS管的漏极连接第四PMOS管的源极，第四PMOS管的漏极连接开关模块。

5.根据权利要求4所述的单路比较的振荡器，其特征在于，所述开关模块包括第五PMOS管和第七NMOS管；

所述第五PMOS管的源极连接第四PMOS管的漏极，第五PMOS管的栅极连接第七NMOS管的栅极和单路比较模块的输出端；第五PMOS管的漏极连接第七NMOS管的漏极、单路比较模块的输入端和储能模块；第七NMOS管的源极连接第五NMOS管的漏极。

6.根据权利要求5所述的单路比较的振荡器，其特征在于，所述储能模块包括电容，电容的一端连接第五PMOS管的漏极、第七NMOS管的漏极和单路比较模块的输入端，电容的另一端连接第六NMOS管的源极和地。

7.根据权利要求1所述的单路比较的振荡器，其特征在于，所述单路比较模块包括施密特触发器和反馈电路；

所述施密特触发器将其内设的阈值电压与输入的电压进行比较，判断输入的电压大于上限阈值时输出低电平，该电压小于下限阈值时输出高电平；所述反馈电路对高低电平进行反向并反馈给开关模块。

8.根据权利要求7所述的单路比较的振荡器，其特征在于，所述施密特触发器包括第六PMOS管、第七PMOS管、第八PMOS管、第八NMOS管、第九NMOS管和第十NMOS管；

所述第六PMOS管的源极和第十NMOS管的漏极均连接电源端，第六PMOS管、第七PMOS管、第八NMOS管、第九NMOS管的栅极均相连且连接单路比较模块的输入端，第六PMOS管的漏极连接第七PMOS管的源极和第八PMOS管的源极；第七PMOS管的漏极连接第八PMOS管的栅极、第九NMOS管的漏极、第十NMOS管栅极和反馈电路；第九NMOS管的源极连接第八NMOS管的漏极和第十NMOS管的源极，第八PMOS管漏极和第八NMOS管的源极均接地。

9.根据权利要求8所述的单路比较的振荡器，其特征在于，所述反馈电路包括第一反相器、第二反相器、第三反相器、第四反相器、第五反相器、第六反相器、第七反相器、第一与非门和第二与非门；

所述第一反相器的输入端连接第八PMOS管的栅极和第十NMOS管栅极，第一反相器的输出端连接第五反相器的输入端和第一与非门的一输入端，第一与非门的输出端连接第二反相器的输入端，第二反相器的输出端连接第三反相器的输入端，第三反相器的输出端连接第四反相器的输入端和第二与非门的一输入端；第四反相器的输出端连接单路比较模块的输出端，第五反相器的输出端连接第二与非门的另一输入端，第二与非门的输出端连接第六反相器的输入端，第六反相器的输出端连接第七反相器的输入端，第七反相器的输出端连接第一与非门的另一输入端。

10.一种电源管理芯片，其特征在于，包括如权利要求1-9任一所述的单路比较的振荡器。