CN107508579A - 一种电荷转移rc张弛振荡器 - Google Patents

一种电荷转移rc张弛振荡器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种应用于低功耗设备中的RC张弛振荡器电路结构。相比背景技术提出的张弛振荡器电路结构，本发明使用伪反相器链代替比较器，从而避免了比较器的失调和延时随工艺、电压、温度的变化对时钟频率的影响。同时振荡器的频率与充放电电流和伪反相器链的阈值的大小无关。将传统的电容负极接地变为交替地与两个参考电压连接，利用电荷转移的方式在电容的正极产生具有阶跃电压的三角波信号，从而可以使用伪反相器判断该信号的电平高低。提出了一种延迟时间不随电源电压变化的无短路电流的伪反相器链结构，并且反相器链的延迟时间可以通过调整电阻值来实现。

Description

一种电荷转移RC张弛振荡器
技术领域
本发明属于电子电路技术领域，尤其涉及RC张弛振荡器电路。
背景技术
振荡器在能量收集系统、微控制器、高速接口电路等低功耗片上集成系统中具有广泛的应用。在这些应用中，面积和功耗是需要考虑的两个关键问题。例如，在低功率的能量收集系统中，系统收集的能量非常有限，对时钟电路的功耗有严格的限制。RC张弛振荡器具有低功耗，易于片上集成的特点，非常适合于应用在这些低功耗电子设备中。
参照图5。文献“S.L.J.Gierkink and E.van Tuij,A coupled sawtoothoscillator combining low jitter with high control linearity[J],IEEE Journalof Solid-State Circuits,vol.37,no.6,pp.702-710,Jun 2002.”公开了一种RC张弛振荡器电路。该结构主要包括一个电容充放电电路、两个比较器和一个RS触发器。在充放电电路中，充电电流源IREF1与开关S1的一端相连，放电电流源IREF2与开关S2一端相连，开关S1和开关S2的另一端连接到电容C正极，电容C的负极接地。电容C的正极VC与比较器CMP1的同相端和比较器CMP2的反向端相连，比较器CMP1的反向端连接参考电平VH，比较器CMP2的同相端连接参考电平VL。比较器CMP1的输出连接RS触发器的R端，比较器CMP2的输出连接RS触发器的S端。RS触发器的输出端Q端控制开关S1，RS触发器的输出端控制开关S2。当电容上的电压VC超过比较器CMP1的阈值电压VH时，比较器CMP1的输出翻转，RS触发器的输出Q变为高电平。开关S1关断，开关S2导通，电容C上的电荷通过放电支路开始放电。当电容C上的电压VC低于比较器CMP2的阈值电压VL时，比较器CMP2的输出翻转，RS触发器的输出Q变为低电平。开关S1导通，开关S2关断，电容C通过充电支路开始充电，如此循环。振荡器的周期与充电电流源IREF1和放电电流源IREF2、电容C以及参考电压VH和参考电压VL的值有关。该RC张弛振荡器存在以下缺点：比较器的失调和延迟时间随着温度、电压、工艺的变化而变化，导致振荡器的频率不稳定。
发明内容
本发明解决的技术问题是：为了克服现有方案中比较器失调和延迟的变化造成RC张弛振荡器的频率不稳定的不足，本发明提供了一种电荷转移的RC张弛振荡器电路结构，通过将电容负极交替地与两个参考电压连接实现电荷转移，电容正极交替地进行充放电，从而在电容的正极产生具有阶跃电压的三角波信号，并利用伪反相器判断三角波信号的平均电压，产生周期性的时钟信号。该方法没有使用比较器，避免了比较器失调和延迟对振荡器频率的影响。并且伪反相器的阈值电压的变化对振荡器的频率也没有影响。
本发明的技术方案是：一种RC张弛振荡器电路，包括参考电压产生电路1、电容充放电电路2和伪反相器链3；所述参考电压产生电路1产生两个参考电压VREF1和VREF2，两个参考电压参数值决定所产生的频率大小。并将参考电压信号输入给电容充放电电路2；电容充放电电路2中电容的负极交替地连接两个参考电压，电容的正极交替地进行充电或放电，从而在电容正极产生具有阶跃电压的三角波信号VCP，三角波信号VCP输入到伪反相器链3，并产生占空比为50％的方波信号；伪反相器链3的输出信号反馈给电容充放电电路2的输入，控制电容充放电电路。
本发明的进一步技术方案是：所述参考电压产生电路1包括电流源IREF，电阻R1、电R2、电容C1、电容C2；电流源IREF的一端与电源相连，电流源IREF的另一端与电阻R1的一端VREF1相连。电阻R1的一端与电流源IREF的一端VREF1相连，电阻R1的另一端与电阻R2的一端VREF2相连，电阻R2的另一端与地相连。电容C1的一端与电阻R1的一端VREF1相连，电容C1的另一端与地相连。电容C2的一端与电阻R2的一端VREF2相连，电容C2的另一端与地相连。
本发明的进一步技术方案是：所述电容充放电电路2包括充电电流源IREF1、放电电流源IREF2、开关S1-S6和电容C。开关S1的一端与参考电压产生电路1的输出VREF1相连，开关S1的另一端与电容C的负极VCN相连。开关S2的一端与参考电压产生电路1的输出VREF2相连，开关S2的另一端与电容C的负极VCN相连。开关S3的一端与电容C的负极VCN相连，开关S3的另一端与电流源IREF1的一端相连。开关S4的一端与电容C的负极VCN相连，开关S4的另一端与电流源IREF2的一端相连。电流源IREF1的一端与电源相连，电流源IREF1的另一端与开关S5的一端相连。电流源IREF2的一端与地相连，电流源IREF2的另一端与开关S6的一端相连。开关S5的一端与电容C的正极VCP相连，开关S5的另一端与电流源IREF1的一端相连。开关S6的一端与电容C的正极VCP相连，开关S6的另一端与电流源IREF2的一端相连。
本发明的进一步技术方案是：所述伪反相器链3由四级伪反相器组成，第一级伪反相器INV1的输入与电容充放电电路2的输出VCP相连；第二级伪反相器INV2的输入与第一级伪反相器INV1的输出相连；第三级伪反相器INV3的输入与第二级伪反相器INV2的输出相连；第四级伪反相器INV4的输入与第三级伪反相器INV3的输出相连。第三级伪反相器的输出为φ，第四级伪反相器的输出为输出信号φ和输出信号反馈给电容充放电电路2的输入，控制电容充放电电路。
发明效果
本发明的技术效果在于：该电路由参考电压产生电路、电容充放电电路和伪反相器链组成。参考电压产生电路产生两个稳定的参考电压。电容的负极连接交替地连接这两个参考电压，电容的正极交替的进行充电或放电。从而在电容正极产生具有阶跃电压的三角波信号；具有阶跃电压的三角波信号输入到反相器链，产生占空比为50％的方波信号。该电路将传统的电容负极接地变为交替地与两个参考电压连接，利用电荷转移的方式在电容的正极产生具有阶跃电压的三角波信号，从而可以使用伪反相器判断该信号的电平高低。该方法没有使用比较器，避免了技术背景中比较器失调和延迟对振荡器频率的影响。并且伪反相器的阈值电压的变化对振荡器的频率也没有影响。
附图说明
图1为本发明提出的RC张弛振荡器结构框图。
图2为本发明提出的RC张弛振荡器电路的原理图。
图3为本发明提出的RC张弛振荡器工作原理示意图。
图4为本发明提出的RC张弛振荡器电路的具体实现。
图5为背景技术的RC张弛振荡器电路。
附图标记说明：1—参考电压产生电路；2—电容充放电电路；3—伪反相器链。
具体实施方式
参见图1—图4，本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种电荷转移的RC张弛振荡器电路，包括参考电压产生电路1、电容充放电电路2和伪反相器链3。参考电路产生电路1的输出VREF1和输出VREF2与电容充放电电路2的输入相连；电容充放电电路2的输出VCP与反相器链3的输入相连；伪反相器链3的输出φ和输出与电容充放电电路2的输入相连。
所述参考电压产生电路1产生两个稳定的参考电压VREF1和参考电压VREF2。参考电压VREF1和参考电压VREF2交替地与电容C的负极VCN连接。充电电流源IREF1和放电电流源IREF2交替地对电容C的正极VCP充放电，在电容C的正极VCP产生具有阶跃电压的三角波信号，具有阶跃电压的三角波信号VCP输入到反相器链3，产生两个占空比为50％，相位差为180°的方波信号φ和方波信号方波信号φ和方波信号反馈到电容充放电电路2。
所述参考电压产生电路1由电流源IREF，电阻R1-R2、电容C1-C2组成。电流源IREF的一端与电源相连，电流源IREF的另一端与电阻R1的一端VREF1相连。电阻R1的一端与电流源IREF的一端VREF1相连，电阻R1的另一端与电阻R2的一端VREF2相连，电阻R2的另一端与地相连。电容C1的一端与电阻R1的一端VREF1相连，电容C1的另一端与地相连。电容C2的一端与电阻R2的一端VREF2相连，电容C2的另一端与地相连。
所述电容充放电电路2由充电电流源IREF1、放电电流源IREF2、开关S1-S6和电容C组成。开关S1的一端与参考电压产生电路1的输出VREF1相连，开关S1的另一端与电容C的负极VCN相连。开关S2的一端与参考电压产生电路1的输出VREF2相连，开关S2的另一端与电容C的负极VCN相连。开关S3的一端与电容C的负极VCN相连，开关S3的另一端与电流源IREF1的一端相连。开关S4的一端与电容C的负极VCN相连，开关S4的另一端与电流源IREF2的一端相连。电流源IREF1的一端与电源相连，电流源IREF1的另一端与开关S5的一端相连。电流源IREF2的一端与地相连，电流源IREF2的另一端与开关S6的一端相连。开关S5的一端与电容C的正极VCP相连，开关S5的另一端与电流源IREF1的一端相连。开关S6的一端与电容C的正极VCP相连，开关S6的另一端与电流源IREF2的一端相连。
所述伪反相器链3由四级伪反相器组成。第一级伪反相器INV1的输入与电容充放电电路2的输出VCP相连；第二级伪反相器INV2的输入与第一级伪反相器INV1的输出相连；第三级伪反相器INV3的输入与第二级伪反相器INV2的输出相连；第四级伪反相器INV4的输入与第三级伪反相器INV3的输出相连。第三级伪反相器的输出为φ，第四级伪反相器的输出为
本发明的原理：
参照图2-3。在状态φ＝0时，开关S1、开关S3和开关S6导通，开关S2、开关S4和开关S5关断。电流源IREF1流过开关S3对电容C的负极VCN充电，电流源IREF2流过开关S6对电容C的正极VCP放电。节点VCP的电压下降，节点VCN的通过开关S1连接到节点VREF1。当电容C的正极VCP的电压低于反相器链的阈值电压时，输出信号φ翻转，电路转换到φ＝1的状态，开关S1、开关S3和开关S6关断，开关S2、开关S4和开关S5导通。电容C的正极VCP从电压VREF1阶跃到电压VREF2，电流源IREF1流过开关S5对电容C的正极VCP充电，电流源IREF2流过开关S4对电容C的负极VCN放电，节点VCP的电压上升，节点VCP的通过开关S2连接到节点VREF2。当电容C的正极VCP的电压超过反相器链的阈值电压时，输出信号φ翻转，电路转换到φ＝0的状态。如果C1>>C，C2>>C，在状态切换时，节点VCP的阶跃电压VSTEP为
VSTEP＝VREF1-VREF2＝IREF(R1+R2)-IREFR2＝IREFR1 (1)
如果IREF1＝IREF2，根据电容C的充放电关系，
C×VSTEP＝IREF1×T/2 (2)
由式(1)和(2)得到振荡器的时钟周期T为
根据式(3)，振荡器的时钟频率由电流源IREF和电流源IREF1的比值、电阻R和电容C决定，与电流源的绝对值和反相器链的阈值电压无关。该电路没有使用比较器，从而避免了比较器的失调和延时随工艺、电压、温度的变化对时钟频率的影响。
在状态φ＝0时，开关S1、开关S3和开关S6导通，开关S2、开关S4和开关S5关断。电流源IREF1通过开关S3流入电容C的负极，电流源IREF2通过开关S6流处电容C的正极。如果IREF1＝IREF2，那么流过开关S1的电流为零，电流源IREF完全流入电阻R1和R2。同理，在状态φ＝1时，流过开关S2的电流也为零，电流源IREF完全流入电阻R1和R2。因此，稳态时，参考电压VREF1和参考电压VREF2能够保持稳定，与电流源IREF1和电流源IREF2无关。
当电路状态切换时，电容C的正极VCP发生阶跃，其原理是将电容C1或电容C2的电荷转移到电容C。当电容C的负极从参考电压VREF2切换到参考电压VREF1时，电容C的正极VCP阶跃电压VSTEP+为：
当电容C的负极从参考电压VREF1切换到参考电压VREF2时，电容C的正极VCP阶跃电压VSTEP-为：
根据式(4)和式(5)，如果C1＝C2，电路在φ＝0和状态φ＝1两种状态之间切换时，阶跃电压VSTEP+与阶跃电压VSTEP-相等。当C1>>C，C2>>C，式(4)和式(5)可以近似为式(1)。
本发明RC张弛振荡器的电路给出如下具体实施例：
参照图4。RC张弛振荡器电路由参考电压产生电路1、电容充放电电路2和伪反相器链3组成。
所述参考电压产生电路1由电流镜像电路、电阻R1、电阻R2、电容C1和电容C2组成。其中，电流镜电路由PMOS管M1和PMOS管M2组成。PMOS管M1、M2，其栅极相连，构成电流镜结构；其源极相连，并连接到电源。电阻R1与电阻R2串联，电阻R1的一端与PMOS管M2的漏极VREF2相连，电阻R1的另一端与电阻R2的一端VREF1相连，电阻R1的另一端连接到地。电容C1的一端与PMOS管M2的漏极VREF2相连，电容C1的另一端连接到地。电容C2的一端与R2的一端VREF2相连，电容C2的另一端连接到地。
参考电流IREF由电流产生电路产生，通过PMOS管M1镜像到PMOS管M2。流过PMOS管M2的电流流过电阻R1和电阻R2，在电阻R2上产生与电阻值R2成正比的稳定的参考电压VREF2，在电阻R1上产生与电阻值R1+R2成正比的稳定参考电压VREF2。
所述电流充放电电路2由电流镜电路，电容C，充电支路，放电支路以及NMOS管M5-M8组成。PMOS管M1、PMOS管M3、PMOS管M4，其栅极相连，构成电流镜结构；其源极相连，并连接到电源。NMOS管M9、NMOS管M10，其栅极相连，构成电流镜结构；其源极相连，并连接到地。电容C的充电支路由PMOS管M4、PMOS管M11组成。PMOS管M4的漏极与PMOS管M11的源极相连，构成电容C的充电支路。NMOS管M10的漏极与NMOS管M12的源极相连，构成电容C的放电支路。NMOS管M5的漏极与电容C1的一端VREF1相连，NMOS管M5的源极与电容C的负极VCN相连。NMOS管M7的漏极与电容C的负极VCN相连，NMOS管M7的源极与PMOS管M4的漏极相连。NMOS管M6的漏极与电容C2的一端VREF2相连，NMOS管M6的源极与电容C的负极VCN相连。NMOS管M8的漏极与电容C的负极VCN相连，NMOS管M8的源极与NMOS管M10的漏极相连。NMOS管M5-M8为开关器件，NMOS管M5的栅极连接信号NMOS管M6的栅极连接信号φ，NMOS管M7的栅极连接信号NMOS管M8的栅极连接信号φ。PMOS管M11和NMOS管M12为开关器件，PMOS管M11的漏极与NMOS管M12的漏极相连，并连接到电容C的正极VCP。PMOS管M11的栅极与NMOS管M12的栅极相连，并连接信号
参考电流IREF通过PMOS管M1镜像到PMOS管M2、PMOS管M3和PMOS管M4，通过NMOS管M9镜像到NMOS管M10。NMOS管M5-M8、PMOS管M11和NMOS管M12为开关器件。当信号φ＝0时，NMOS管M5、NMOS管M7和NMOS管M12导通，NMOS管M6、NMOS管M8和PMOS管M11关断。电容C的负极VCN通过NMOS管M5连接到VREF1。流过PMOS管M4和NMOS管M7的电流从电容C的负极VCN流入，从电容C的正极VCP流出，并且流过NMOS管M12和NMOS管M10。当信号φ＝1时，NMOS管M6、NMOS管M8和PMOS管M11导通，NMOS管M5、NMOS管M7和NMOS管M12关断。电容C的正极VCP通过NMOS管M6连接到VREF2。流过PMOS管M4和PMOS管M11的电流从电容C的正极VCP流入，从电容C的负极VCN流出，并且流过NMOS管M8和NMOS管M10。电容C的负极VCN交替地与参考电压VREF1和VREF2连接，电容C的正极VCP交替地进行充电和放电，从而电容C的正极产生具有阶跃电压的周期性的三角波信号。
所述伪反相器链3由四级伪反相器组成。由于电容充放电电路2的输出VCP的电压为中间电平的电压，采用传统的反相器判断电平高低会产生很大的短路电流。采用伪反相器结构，可以避免短路电流。第一级伪反相器是在传统反相器的PMOS管M13/NMOS管M14的源极分别增加长沟道晶体管MR1-MR2/MR3-MR4作为限流电阻，并且增加了PMOS管M15和NMOS管M16产生一定的迟滞。并且，伪反相器的延迟时间由晶体管MR1-MR2/MR3-MR4的等效电阻值决定，通过调整晶体管MR1-MR4的尺寸可以改变伪反向器的延迟时间。采用长沟到晶体管MR1-MR4作为电阻,可以实现电阻值随着电源电压的增大而增大，从而使反相器的延迟时间基本与电源电压无关。为了进一步减小短路电流，PMOS管M13和NMOS管M14采用高阈值电压的器件实现。第二级反相器采用传统的反相器结构，PMOS管M17和NMOS管M18仍然使用高阈值电压器件，以避免短路电流。第三级采用传统反相器结构，PMOS管M19和NMOS管M20均使用普通阈值电压器件。第四级反相器采用传统反相器结构，PMOS管M21和NMOS管M22均使用普通阈值电压器件。

Claims (4)

1.一种电荷转移RC张弛振荡器，其特征在于，包括参考电压产生电路(1)、电容充放电电路(2)和伪反相器链(3)；所述参考电压产生电路(1)产生两个参考电压VREF1和VREF2，并将参考电压信号输入给电容充放电电路(2)；电容充放电电路(2)中电容的负极交替地连接两个参考电压，电容的正极交替地进行充电或放电，从而在电容正极产生具有阶跃电压的三角波信号VCP，三角波信号VCP输入到伪反相器链(3)，并产生占空比为50％的方波信号；伪反相器链(3)的输出信号反馈给电容充放电电路(2)的输入，控制电容充放电电路。
2.如权利要求1所述的一种电荷转移RC张弛振荡器，其特征在于，所述参考电压产生电路(1)包括电流源IREF，电阻R1、电R2、电容C1、电容C2；电流源IREF的一端与电源相连，电流源IREF的另一端与电阻R1的一端VREF1相连。电阻R1的一端与电流源IREF的一端VREF1相连，电阻R1的另一端与电阻R2的一端VREF2相连，电阻R2的另一端与地相连。电容C1的一端与电阻R1的一端VREF1相连，电容C1的另一端与地相连。电容C2的一端与电阻R2的一端VREF2相连，电容C2的另一端与地相连。
3.如权利要求1所述的一种电荷转移RC张弛振荡器，其特征在于，所述电容充放电电路(2)包括充电电流源IREF1、放电电流源IREF2、开关S1-S6和电容C；开关S1的一端与参考电压产生电路(1)的输出VREF1相连，开关S1的另一端与电容C的负极VCN相连。开关S2的一端与参考电压产生电路1的输出VREF2相连，开关S2的另一端与电容C的负极VCN相连。开关S3的一端与电容C的负极VCN相连，开关S3的另一端与电流源IREF1的一端相连。开关S4的一端与电容C的负极VCN相连，开关S4的另一端与电流源IREF2的一端相连。电流源IREF1的一端与电源相连，电流源IREF1的另一端与开关S5的一端相连。电流源IREF2的一端与地相连，电流源IREF2的另一端与开关S6的一端相连。开关S5的一端与电容C的正极VCP相连，开关S5的另一端与电流源IREF1的一端相连。开关S6的一端与电容C的正极VCP相连，开关S6的另一端与电流源IREF2的一端相连。
4.如权利要求1所述的一种电荷转移RC张弛振荡器，其特征在于，所述伪反相器链(3)由四级伪反相器组成，第一级伪反相器INV1的输入与电容充放电电路(2)的输出VCP相连；第二级伪反相器INV2的输入与第一级伪反相器INV1的输出相连；第三级伪反相器INV3的输入与第二级伪反相器INV2的输出相连；第四级伪反相器INV4的输入与第三级伪反相器INV3的输出相连。第三级伪反相器的输出为φ，第四级伪反相器的输出为输出信号φ和输出信号反馈给电容充放电电路(2)的输入，控制电容充放电电路。
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