CN106026983A - 一种环形振荡器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种环形振荡器，包括基准源电路、可调节电流源电路和环形振荡电路，基准源电路用来产生直流电流IB，直流电流IB输入可调节电流源电路中M4漏极；可调节电流源电路用来在外部控制电平作用下产生三个恒流源I1、I2、I3，并输入环形振荡电路；环形振荡电路用来在恒流I1、I2、I3的作用下输出OSC时钟信号。本发明频率稳定度高、精确度高且频率可调节；结构简单且灵活多变，可采用CMOS工艺实现，适合工业化；应用广泛，可为低频数字集成电路提供精准的时钟信号。

Description

一种环形振荡器
技术领域
本发明属于电源管理技术领域，具体涉及一种环形振荡器。
背景技术
为了使数字集成电路正常工作，需要为其提供精确而稳定的时钟信号。压控振荡器(Voltage Controled Oscillator，VCO)振荡频率高，频率稳定度高，但电路结构较为复杂，主要用于高频数字集成电路中。而在低频数字集成电路中，出于设计成本考虑，主要采用电容充放电形式的环形振荡器来提供时钟信号。传统的环形振荡器具有电路结构简单的优势，但也存在频率稳定度、精确度不够高和只能输出单一频率的局限性，大大限制了环形振荡器的使用范围。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种频率稳定度高、精确度高且频率可调的环形振荡器。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
一种环形振荡器，包括：
可调节电流源电路，用来在外部控制电平作用下产生三个恒流源I1、I2、I3，并输入环形振荡电路；
环形振荡电路，用来在恒流I1、I2、I3的作用下输出OSC时钟信号。
上述可调节电流源电路由MOSFET M4～M9、电阻R1～R4和开关S1～S7构成；
M4漏极连M4栅极，M4栅极连M5栅极，M4源极连R1和S1的第一端；R1的第二端连R2和S2的第一端，S1、S2和R2的第二端均接地；
M5漏极连M6漏极，M5源极连R3和S3的第一端，R3的第二端接连R4和S4的第一端，S3、S4和R4的第二端均接地；
M6源极连外部电源VDD，M6栅极连M7栅极、外部电源VDD；M7源极接外部电源VDD，M7漏极用作输出端，且连接S5的第一端；M8栅极和源极接外部电源VDD，M8漏极用作输出端，且连接S6的第一端；M9栅极和源极接外部电源VDD，M9漏极用作输出端，且连接S7的第一端；S5、S6、S7的第二端均接地。
上述环形振荡电路由N型MOSFET M1～M3、反相器INV1～INV4、电容C1～C3和与门AND构成；
M1、M2、M3漏极分别接受可调节电流源电路输出的恒流源I1、I2、I3，M1、M2、M3源级均接地，C1、C2、C3分别并联在M1、M2、M3的漏极与源极间；
INV1输入端接M1漏极，INV1输出端接M2栅极，M2漏极接M3栅极，M3漏极接INV2输入端，INV2输出端接AND输入端；
AND输出端接INV4输入端，INV4输出端接INV3输入端，INV3输出端接M1栅极。
上述环形振荡器还包括基准源电路，所述的基准源电路用来产生直流电流IB，直流电流IB输入可调节电流源电路中M4漏极。
本发明可调节电流源电路包括系列电阻R1～R4以及各电阻两端并联的开关S1～S4，开关S1～S4分别由控制使能端TRM1、TRM2、TRM3、TRM4输入的电平控制。由于基准源电路输出IB恒定，通过改变可调节电流源电路中电阻值即可改变M4、M5的栅源电压，进而改变I1、I2、I3大小。环形振荡电路中电容的充电时间受I1～I3大小影响，通过改变I1～I3大小进而改变各级反相器的延迟时间，达到修改环形振荡器振荡频率的目的。实现了较低频率条件下获得可以调节的频率输出范围，突破了传统的环形振荡器只能输出单一的不可调节频率的缺陷。
本发明采用三级反相器级联实现振荡功能，利用电阻网络R1～R4改变电容C1～C3的充电电流，从而改变反相器的延迟时间，达到改变环形振荡器振荡频率的目的。本发明环形振荡电路能克服受集成电路制造工艺偏差引起的频率偏差问题，提高环形振荡器的频率精确度。
本发明具有如下优点和有益效果：
(1)高频率稳定度、高精确度且频率可调节。
(2)结构简单且灵活多变，可采用CMOS工艺实现，适合工业化。
(3)应用广泛，可为锂电池电源管理芯片、直流-直流电压转换(Direct Currentto Direct Current，DC-DC)芯片、发光二极管(Light Emitting Diode，LED)驱动器芯片等低频数字集成电路提供精准的时钟信号。
附图说明
图1是本发明的整体结构框图；
图2是环形振荡电路的电路结构图；
图3是可调节电流源电路的电路结构图。
具体实施方式
见图1，环形振荡器包括基准源电路、可调节电流源电路和环形振荡电路，基准源电路非必须。基准源电路、可调节电流源电路和环形振荡电路均接外部电源(VDD)、外部控制信号EN和地(GND)。IB为经典结构的基准源电路产生的直流电流，流入可调节电流源电路中。外部控制电平TRM1、TRM2、TRM3、TRM4输入可调节电流源电路，控制可调节电流源电路产生三个恒流源I1、I2、I3，I1、I2、I3大小与MOSFET的宽长比有关，其中，分别表示M7、M8、M9的宽长比。I1、I2、I3输入环形振荡电路，引起振荡，环形振荡电路输出端输出OSC时钟信号。
图2所示为环形振荡电路的电路结构图，环形振荡电路利用上一级反相器的恒流源对电容充电到下一级反相器阈值电压的时间，来作为反相器间的信号传输延时，从而精确控制环形振荡器输出信号的周期。
本发明中，环形振荡电路由N型MOSFET M1、M2、M3、反相器INV1、INV2、INV3、INV4、电容C1、C2、C3和与门AND构成。M1、M2、M3漏极分别接受到EN信号控制的恒流源I1、I2、I3，M1、M2、M3源极直接接地，C1、C2、C3分别并联在M1、M2、M3的漏极与源极间。
第一级反相器输出端接INV1输入端，第二级反相器输出端接M3栅极，第三级反相器输出端接INV2输入端。第一级反相器即并联的M1和C1，第二级反相器即并联的M2和C2，第三级反相器即并联的M3和C3。INV2输出端和外部控制信号EN的输出端一同接到AND输入端，AND输出端接INV4输入端，INV4输出端接入INV3输入端，INV3输出端接到M1栅极。
本发明是由三级反相器级联而成的环形振荡电路，外部电路产生的使能控制信号EN输入环形振荡电路，同时控制恒流源I1、I2、I3的关断。当EN为低电平时，关闭其控制的所有开关S5、S6、S7，使得环形振荡电路所有恒流源被切断；当EN为高电平时，打开其控制的所有开关S5、S6、S7，使得环形振荡电路的所有恒流源打开。
由恒流源对电容的充电公式U＝I*t/C，U为电容充电产生的电压差，t为充电时间，I为恒流源电流，C为电容值。时钟周期为I1对C1充电到INV1阈值、I2对C2充电到M3阈值、I3对C3充电到INV2阈值的充电时间之和。为简便起见，设计时取恒流源电流值I1＝I2＝I3＝I，因此CLK的时钟周期T＝3VTH/I，VTH为INV1、INV2、INV3、INV4的阈值。环形振荡器受到控制信号EN的控制，当EN为低电平时，关断所有电流源及其偏置电路。INV1阈值即第一级反相器到第二级反相器的传输延迟，M3阈值即第二级反相器到第三级反相器的传输延迟，INV2阈值即第三级反相器到第一级反相器的传输延迟。
图3所示为可调节电流源电路的电路结构图，可调节电流源电路由MOSFET M4、M5、M6、M7、M8、M9、电阻R1、R2、R3、R4和开关S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7构成。IB为由经典结构的基准源电路产生的普通直流电流，基准源电路一端接外部电源VDD，一端接M4漏极。
M4漏极同时与基准源电路输出端、M4栅极相连，M4栅极与M5栅极相连，M4源极接R1和S1。R1一端接M4源极和S1，另一端接R2。S1一端接M4源极和R1，另一端接地，并由外部信号TRM1控制。R2一端接R1和S2，另一端接地。S2一端接R1和R2之间，另一端接地，并由外部控制信号TRM2控制。
M5栅极与M4栅极相接，M5漏极与M6漏极相接，M5源极接R3和S3。R3一端接M5源极和S3，另一端接R4。S3一端接R3和M5间，另一端接地，并受外部信号TRM3控制。R4一端接R3和S4，另一端接地。S4一端接R3和R4间，另一端接地，由外部信号TRM4控制。
M6漏极与M5漏极相连，M6源极接外部电源VDD，M6栅极与M7栅极、外部电源VDD相连。M7源极接外部电源VDD，M7栅极连M6栅极、外部电源VDD，M7漏极用作输出端输出I1，且与S5相连。S5一端接M7漏极，另一端接地，受EN信号控制，当EN为高电平时S5断开，EN为低电平时S5导通。
M8、M9的栅极和源极均接外部电源VDD，M8、M9的漏极用作输出端分别输出I2、I3，并分别与S6、S7相连。S6一端接M8漏极，另一端接地；S7一端接M9漏极，另一端接地。S6和S7均受EN信号控制，EN为低电平开关导通，EN为高电平开关断开。
通过TRM1、TRM2、TRM3、TRM4控制S1～S4中一个或多个开关的断开和导通，调节电阻网络的总电阻值，在输出端获得不同的电流值，从而控制调节环形振荡电路的振荡频率，并且调节振荡频率在所需频率的有效范围内。若断开S1或S2，则减小M4漏极电阻，可减小输出端电流值；若断开S3或S4，则减小M5漏极电阻，则可增大输出端电流值。如此便可以在环形振荡电路中获得所需振荡频率。

Claims (2)

1.一种环形振荡器，其特征是，包括：
可调节电流源电路，用来在外部控制电平作用下产生三个恒流源I1、I2、I3，并输入环形振荡电路；
环形振荡电路，用来在恒流I1、I2、I3的作用下输出OSC时钟信号；
所述的可调节电流源电路由MOSFET M4~M9、电阻R1~R4和开关S1~S7构成；
M4漏极连M4栅极，M4栅极连M5栅极，M4源极连R1和S1的第一端；R1的第二端连R2和S2的第一端，S1、S2和R2的第二端均接地；
M5漏极连M6漏极，M5源极连R3和S3的第一端，R3的第二端接连R4和S4的第一端，S3、S4和R4的第二端均接地；
M6源极连外部电源VDD，M6栅极连M7栅极、外部电源VDD；M7源极接外部电源VDD，M7漏极用作输出端，且连接S5的第一端；M8栅极和源极接外部电源VDD，M8漏极用作输出端，且连接S6的第一端；M9栅极和源极接外部电源VDD，M9漏极用作输出端，且连接S7的第一端；S5、S6、S7的第二端均接地；
所述的环形振荡电路由N型MOSFET M1~M3、反相器INV1~INV4、电容C1~C3和与门AND构成；
M1、M2、M3漏极分别接受可调节电流源电路输出的恒流源I1、I2、I3，M1、M2、M3源级均接地，C1、C2、C3分别并联在M1、M2、M3的漏极与源极间；
INV1输入端接M1漏极，INV1输出端接M2栅极，M2漏极接M3栅极，M3漏极接INV2输入端，INV2输出端接AND输入端；
AND输出端接INV4输入端，INV4输出端接INV3输入端，INV3输出端接M1栅极。
2.如权利要求1所述的环形振荡器，其特征是：
还包括基准源电路，所述的基准源电路用来产生直流电流IB，直流电流IB输入可调节电流源电路中M4漏极。
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