CN106059534A - 一种用于能量采集系统的cmos振荡器 - Google Patents

Abstract

本发明属于电子技术领域，涉及一种用于能量采集系统的CMOS振荡器。本发明采用电流基准和流控振荡器，可使振荡器在超低工作电压下正常工作；采用周期信号检测技术和多路选择器，可使振荡器在大工作电压范围输出正确结果。同时该振荡器还具有超低功耗和高电源抑制比的特点。具体电路由电流基准模块、环形流控振荡器、电平位移模块、周期信号鉴别电路、多路选择器和输出缓冲级构成。该发明属于电力电子技术领域。

Description

一种用于能量采集系统的CMOS振荡器

技术领域

本发明属于电子技术领域，涉及一种用于能量采集系统的CMOS振荡器。

背景技术

伴随着可穿戴移动计算设备在医疗保健领域、健康领域以及消费电子领域的广泛应用，人们对可穿戴设备的续航能力提出了更高的要求。设备的续航能力不仅取决于设备中低功耗技术的应用水平，也受限于锂电池或其他供电模块的性能。

能量采集技术是一种将环境中的能量，如太阳能、热能、机械能或电池能转化为电能，并加以利用，最终为电子设备供电的技术，它的应用可为可穿戴设备等提供高的续航能力。但由于能量采集所获得的能量十分微弱并且不稳定，这使得包括振荡器在内的子模块电路设计面临很大的挑战。

对于能量采集系统来说，振荡器模块是至关重要的系统子模块。振荡器输出的时钟信号，为基于例如电荷泵(charge pump)或boost变换器等电源技术的能量采集系统提供开关控制信号，使系统可以正常工作；为系统中其他数字时序逻辑电路提供时钟，以实现更复杂的系统功能。但是能量采集系统所能利用的能量十分有限，并且可能随环境改变而剧烈变化；另外，系统性能也与开关频率密切相关，这就要求振荡器应具有超低功耗、可工作在超低电压、高电源抑制比等特点。传统的CMOS低频振荡器一般需要较高的工作电压，而针对低压设计的振荡器在较高电压下有频率急剧升高、动态功耗较大等问题，这些都制约了能量采集系统的功能实现和性能优化。

发明内容

本发明的目的，就是针对上述CMOS振荡器存在的问题，提出一种能工作在超低电压、宽工作电压范围、超低功耗的CMOS振荡器，以满足能量采集系统的应用要求。

本发明的技术方案是：一种用于能量采集系统的CMOS振荡器，包括电流基准模块、环形流控振荡器、电平位移模块、周期信号鉴别电路、多路选择器和输出缓冲级构成；所述环形流控振荡器的输入端接电流基准模块的输出端，环形流控振荡器的第一输出端接周期信号鉴别电流的输入端，环形流控振荡器的第二输出端分别接电平位移模块的输入端和多路选择器的一个输入端；电平位移模块的输出端接多路选择器的另一个输入端；周期信号鉴别电路的输出端接多路选择器的控制信号端，周期信号鉴别电路根据环形流控振荡器的输出电压产生控制信号，多路选择器根据周期信号鉴别电路产生的控制信号，选择输出环形流控振荡器的信号或电平位移模块的信号；多路选择器的输出端接输出缓冲级的输入端，输出缓冲级的输出端为振荡器的输出端；

所述周期信号鉴别电路由第一反相器INV1、第二反相器INV2、第三反相器INV3、第四反相器INV4、第一PMOS管MP1、第二PMOS管MP2、NMOS管MN1和电容C1构成；第一反相器INV1的输入端接环形流控振荡器的第一输出端，第一反相器INV1的输出端接第二反相器INV2的输入端；第一PMOS管MP1的源极接电源，其栅极接偏置电压；第二PMOS管MP2的源极接第一PMOS管MP1的漏极，第二PMOS管MP2的栅极接第二反相器INV2的输出端；NMOS管MN1的漏极接第二PMOS管MP2的漏极，NMOS管MN1的栅极接第二反相器INV2的输出端，NMOS管MN1的源极接地；第二PMOS管MP2漏极与NMOS管MN1漏极的连接点通过电容C1后接地；第三反相器INV3的输入端接第二PMOS管MP2漏极与NMOS管MN1漏极的连接点，第三反相器INV3的输出端接第四反相器INV4的输入端，第四反相器INV4的输出端为周期信号鉴别电路的输出端。

本发明的有益效果为，通过将电流基准技术和环形流控振荡器结合，把振荡器的工作电流限制在很低的范围内，使得振荡器可以在超低压下工作，同时使输出频率具有较高的电源抑制比。利用周期信号鉴别电路、电平位移电路和多路选择器，可以使振荡器在极宽的工作电压范围内输出正确、可识别的波形，并且由于采用了低功耗设计，子模块的功耗很低。因此可以满足能量采集系统的对振荡器模块的要求。

附图说明

图1为CMOS振荡器模块整体框图。

图2为环形流控振荡器结构图。

图3为环形流控振荡器的延时单元电路图。

图4为周期信号鉴别电路。

具体实施方式

下面结合附图，详细描述本发明的技术方案：

如图1所示，该振荡器的整体电路由电流基准模块、环形流控振荡器、电平位移模块、周期信号鉴别电路、多路选择器和输出缓冲级构成。电流基准模块产生一个几十nA级的电流，其输出接到环形流控振荡器和周期信号鉴别模块，为环形流控振荡器中的所有单元提供工作电流，并为周期信号鉴别模块提供偏置电压。环形流控振荡器在电流基准模块产生的工作电流的控制下输出一个上摆小于MOS器件阈值的周期信号。振荡器输出的周期信号分成三路：第一路直接送如多路选择器；第二路送入电平位移电路，电平位移电路的输出再送入多路选择器；第三路送入周期信号鉴别电路。周期信号鉴别电路接受振荡器的输出信号，并判断这个信号的高电平的电压是否足够高。如果足够高，则输出控制信号0，选择直接输出环形流控振荡器的输出信号；如果不足够高，则输出控制信号1，选择输出电平位移电路处理之后的周期信号。多路选择器的输出接到输出缓冲级，输出缓冲级的输出作为整个振荡器模块的最终输出信号。

环形流控振荡器的整体连接框图如图2所示，图示以4个延时单元的连接方式为例，实际延时单元个数可根据需求而改变。环形流控振荡器延时单元如图3所示。虚线框内所示的两个反相器构成双稳态结构，确保上下两路的逻辑相反，避免振荡器稳定在稳态。延时单元内的所有反相器都由电流源供电。由于电流由基准电流源产生，所以受电源电压的影响不大，具有较高的电源抑制比。若假设在振荡器工作过程中，电流源的电流不变，则工作电流Ibias和振荡器高电平电压Vtop之间应满足关系

$I_{bias}=\frac{W}{L}{\mathrm{\μC}}_D{V_T}^2\exp \left(\frac{V_{top}-V_{th}}{{\mathrm{nV}}_T}\right)$

由此可见，环形流控振荡器高电平电压随工作电流的降低而降低，实际情况中，会降至MOS管阈值电压以下。逻辑门的翻转电压与电源电压有关，大概为电源电压的一半。在电源电压较高时，如果直接将环形流控振荡器的输出信号输入数字电路，数字电路会认为环形流控振荡器的输出一直为低。所以需要电平位移模块将环形流控振荡器的输出高电位的电压转换成电源电压。但在实际应用中，电平位移电路对最低工作电压有一定要求，如果电源电压很低，电平位移电路的输出会产生错误，不能正常工作。

为了使振荡器的工作电压范围兼顾超低电压和较高的电压，本发明提出了如图4所示的周期信号鉴别电路。环形流控振荡器输出接到第一反相器INV1的输入端口，第一反相器INV1的输出接到第二反相器INV2的输入，第二反相器INV2的输出分别接到第二PMOS管MP2和第一NMOS管MN1的栅极；第一NMOS管MN1的源极接地；第二PMOS管MP2和第一NMOS管MN1的漏极相连，并接一个电容C1，电容C1的另一端接地；第二PMOS管MP2的源极接第一PMOS管MP1的漏极，第一PMOS管MP1的源极接高电位，栅极接偏置电压，作电流源；第三反相器INV3的输入接第二PMOS管MP2和第一NMOS管MN1的漏极，输出接INV4的输入，最终控制信号从INV4的输入端输出。

电路工作原理如下：

如果环形流控振荡器输出的信号的高电平电压足够高，那么信号经过两个反相器之后为方波。在方波信号的低电平时，MP2开启，MN1关断，MP1的漏电流给C1充电；在方波信号的高电平时，MP2关断，MN1开启，C1通过MN1放电。如果认为NMOS的放电速度很快，而MP1提供的充电电流很小，C1在充电阶段只获得很少的电荷，在放电阶段就完全放掉，那么在一个周期内，C1上极板的电压不会超过反相器INV3的翻转电压，所以INV4输出0。如果环形流控振荡器的输出信号的高电平电压过低，反相器会将信号识别成低电平，INV2的输出即为0，MP2打开，MN1关断，MP2给电容C1充电，直至C1上极板电压达到接近电源电压，此时INV4的输出为1。综上，环形流控振荡器输出信号的高电平电压足够高时，周期信号鉴别电路输出0，反之输出1。

将环形流控振荡器的输出信号和经过电平位移电路处理后的信号输出到多路选择器的输入端，将周期信号鉴别电路的输入端接到多路选择器的控制端。输出选择信号为0则直接输出环形流控振荡器的输出，为1则输出电平位移电路处理之后的信号。多路选择器的输出端缓冲级，以便驱动后续电路。

根据上述说明，采用电流基准模块、环形流控振荡器、电平位移模块、周期信号鉴别电路、多路选择器和输出缓冲级的振荡器模块，具有可工作在超低工作电压、宽工作电压范围、高电源抑制比和超低功耗的特点，符合能量采集系统对振荡器的要求。

Claims (1)

1.一种用于能量采集系统的CMOS振荡器，包括电流基准模块、环形流控振荡器、电平位移模块、周期信号鉴别电路、多路选择器和输出缓冲级构成；所述环形流控振荡器的输入端接电流基准模块的输出端，环形流控振荡器的第一输出端接周期信号鉴别电流的输入端，环形流控振荡器的第二输出端分别接电平位移模块的输入端和多路选择器的一个输入端；电平位移模块的输出端接多路选择器的另一个输入端；周期信号鉴别电路的输出端接多路选择器的控制信号端，周期信号鉴别电路根据环形流控振荡器的输出电压产生控制信号，多路选择器根据周期信号鉴别电路产生的控制信号，选择输出环形流控振荡器的信号或电平位移模块的信号；多路选择器的输出端接输出缓冲级的输入端，输出缓冲级的输出端为振荡器的输出端；

所述周期信号鉴别电路由第一反相器INV1、第二反相器INV2、第三反相器INV3、第四反相器INV4、第一PMOS管MP1、第二PMOS管MP2、NMOS管MN1和电容C1构成；第一反相器INV1的输入端接环形流控振荡器的第一输出端，第一反相器INV1的输出端接第二反相器INV2的输入端；第一PMOS管MP1的源极接电源，其栅极接偏置电压；第二PMOS管MP2的源极接第一PMOS管MP1的漏极，第二PMOS管MP2的栅极接第二反相器INV2的输出端；NMOS管MN1的漏极接第二PMOS管MP2的漏极，NMOS管MN1的栅极接第二反相器INV2的输出端，NMOS管MN1的源极接地；第二PMOS管MP2漏极与NMOS管MN1漏极的连接点通过电容C1后接地；第三反相器INV3的输入端接第二PMOS管MP2漏极与NMOS管MN1漏极的连接点，第三反相器INV3的输出端接第四反相器INV4的输入端，第四反相器INV4的输出端为周期信号鉴别电路的输出端。