CN107659269A - 低功耗振荡器电路结构 - Google Patents

低功耗振荡器电路结构 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种低功耗振荡器电路结构，包括外部启动电路模块，其中，所述的电路结构还包括：偏置电流产生电路模块、锯齿波产生电路模块、比较器与触发电路模块、方波产生电路模块，所述的外部启动电路模块依次连接所述的偏置电流产生电路模块、锯齿波产生电路模块、比较器与触发电路模块以及方波产生电路模块。采用该种结构的低功耗振荡器电路结构，可降低功耗、改善现有技术时钟温漂较差的特点、便于调整时钟频率、适用范围广泛。

Description

低功耗振荡器电路结构
技术领域
本发明涉及SOC芯片领域，尤其涉及SOC芯片内置的低频震荡电路领域，具体是指一种低功耗振荡器电路结构。
背景技术
SOC芯片具有功能强大、应用灵活、通用性强的特点，所以在消防、安防与物联网系统当中得到了广泛应用。为了降低整机系统功耗，SOC电路在待机时处于睡眠模式，内部时钟源仅启用低频时钟。传统的SOC电路中低频时钟方案常采用外部晶振。这种方案的优点是时钟信号频率稳定，抗干扰能力强；缺点是晶振在工作时功耗较大，应用配置较为单一，且需要外围元件增加了硬件系统的成本。因此为了提高产品的通用性并降低成本增加经济效益，现在的低频时钟方案倾向于采用内置低频振荡器电路。为了满足芯片与系统应用的要求，低频振荡器需要兼顾功耗、温漂、电路适应性等多个方面。
现有的低频振荡器电路主要存在的问题是：只能满足一个或两个性能指标、温漂较差、调整方式较为单一，如果要求振荡器需要有多个工作频率，实现起来不够方便，不够全面，给系统应用带来较大的局限。
图1为现有技术中的一种低频振荡器，时钟频率32kHz。主要组成模块有三个：1、三角波产生电路；2、比较器电路；3、触发器电路。电路通过对电容充放电产生三角波，到达比较器阈值时比较器输出会翻转，再通过触发器产生数字信号并经过反馈调整对电容充放电的极性，同时在输出端产生方波信号。电路起振稳定后就可以得到频率固定的时钟信号。
这种电路最大的特点是用简单的反相器来替代比较器。由于比较器的功耗占据了振荡器整体功耗的很大一部分，所以使用反相器作为比较器可以大幅减少比较器部分的功耗，使得电路整体功耗显著降低，3.3V供电、32kHz频率下可以低至1μA左右。但是这种电路的缺点是：对电容充放电电流的温度系数受MOS管阈值电压自身温度系数影响较大，这会导致振荡器的频率存在较大温漂。在-40℃～80℃的温度范围内温漂接近±25％。因此图1的电路不能应用于对时钟温漂有一定要求的系统当中。
该技术方案存在以下技术问题，图1电路中的三角波产生电路模块中，对电容充放电电流的温漂与MOS管阈值电压的温漂强相关，所以产生的三角波在不同温度下上升/下降斜率不同，最终经过比较器判决与触发器触发后产生的时钟信号也存在较大的温度系数；调整时钟频率主要通过调整三角波产生模块当中的电容，调整方式较为单一。如果要求振荡器需要有多个工作频率，实现起来不够方便。
发明内容
本发明的目的是克服了上述现有技术的缺点，提供一种可以同时实现功耗低、温漂小、调整振荡频率方式具有多样性、频率可调范围宽、具有广泛应用范围的低功耗振荡器电路结构。
为了实现上述目的，本发明的低功耗振荡器电路结构具有如下构成：
该低功耗振荡器电路结构，包括外部启动电路模块，其主要特点是，所述的低功耗振荡器电路结构还包括：
偏置电流产生电路模块，用于产生振荡器所需的偏置电流；
锯齿波产生电路模块，用于产生周期性的锯齿波信号；
比较器与触发电路模块，用于切换时钟周期；
方波产生电路模块，用于产生输出的时钟信号；
所述的外部启动电路模块依次连接所述的偏置电流产生电路模块、锯齿波产生电路模块、比较器与触发电路模块以及方波产生电路模块。
较佳地，所述的偏置电流产生电路模块包括第一MOSFET管、第二MOSFET管、第三MOSFET管、第四MOSFET管以及电阻，其中，所述的第一MOSFET管的栅极与第二MOSFET管的栅极以及第一MOSFET管的漏极均相连接，所述的第一MOSFET管的漏极与所述的第四MOSFET管的漏极以及外部启动电路模块均相连接，所述的第一MOSFET管与所述的第二MOSFET管共源极，所述的第二MOSFET管的漏极分别与所述的第三MOSFET管的栅极以及所述的电阻的一端相连接，所述的电阻的另一端以所述的第三MOSFET管的漏极相连接，所述的第三MOSFET管的漏极还与所述的第四MOSFET管的栅极相连接，所述的第三MOSFET管与所述的第四MOSFET管共源极，所述的第二MOSFET管的源极、第三MOSFET管的源极以及第四MOSFET管的栅极分别与所述的锯齿波产生电路模块相连接。
更佳地，所述的锯齿波产生电路模块包括第五MOSFET管、第六MOSFET管、第七MOSFET管、第八MOSFET管、VDD端、第一开关以及电容单元组，其中，所述的第五MOSFET管与所述的第六MOSFET管共栅极、共漏极，所述的第五MOSFET管的源极与所述的第二MOSFET管的源极相连接，所述的第六MOSFET管的源极与所述的第七MOSFET管的漏极相连接，所述的第七MOSFET管与所述的第八MOSFET管共源极且所述的第七MOSFET管与第八MOSFET管的源极接地，所述的第六MOSFET管的源极通过所述的第一开关与所述的第八MOSFET管的漏极相连接，所述的第七MOSFET管的栅极与所述的第三MOSFET管的漏极相连接，所述的第七MOSFET管的源极与所述的第三MOSFET管的源极相连接，所述的第五MOSFET管的漏极与所述的电容单元组的一端相连接，所述的电容单元组的另一端接地，所述的第五MOSFET管的源极、漏极、栅极以及第八MOSFET管的栅极、源极分别与所述的比较器与触发电路模块相连接，且所述的第五MOSFET管的源极与VDD端相连接，所述的第五MOSFET管与所述的第六MOSFET管构成反相器，通过电容单元组充放电极性改变，完成电路工作周期的切换。
更进一步地，所述的电容单元组包括第一电容、第二电容、第三电容、第四电容、第五电容、第二开关、第三开关、第四开关以及第五开关，其中，所述的第一电容的一端通过所述的第二开关与所述的第五MOSFET管的漏极相连接，所述的第一电容的另一端接地；所述的第二电容的一端通过所述的第三开关与所述的第五MOSFET管的漏极相连接，所述的第二电容的另一端接地；所述的第三电容的一端通过所述的第四开关与所述的第五MOSFET管的漏极相连接，所述的第三电容的另一端接地；所述的第四电容的一端通过所述的第五开关与所述的第五MOSFET管的漏极相连接，所述的第四电容的另一端接地；所述的第五电容的一端与所述的第五MOSFET管的漏极相连接，该第五电容的另一端接地。
更进一步地，所述的比较器与触发电路模块包括第九MOSFET管、第十MOSFET管、缓冲单元以及第一反相器，其中，所述的第九MOSFET管的栅极与所述的第五MOSFET管的漏极相连接，所述的第九MOSFET管的源极与所述的第五MOSFET管的源极相连接，所述的第十MOSFET管与所述的第七MOSFET管共栅极，该第十MOSFET管与所述的第九MOSFET管共漏极，且该第十MOSFET管与所述的第八MOSFET管共源极，所述的第九MOSFET管的漏极还与所述的缓冲单元的输入端相连接，所述的第九MOSFET管与第十MOSFET管构成比较器，所述的缓冲单元的输出端分别与所述的第一反相器的输入端以及方波产生模块相连接，所述的第一反相器的输出端与所述的第五MOSFET管的栅极相连接。
较佳地，所述的方波产生电路模块由T触发器构成，所述的T触发器的输入端连接所述的比较器与触发电路模块，所述的T触发器的输出端产生输出的时钟信号。
采用该发明的低功耗振荡器电路结构，设置了偏置电流产生模块，调整方式具备多样性，可根据不同系统应用调整低频时钟的频率、降低功耗、抗干扰能力强、克服现有技术时钟温漂较差的缺点、具有应用范围广的优点。
附图说明
图1为现有技术中的一种低频振荡器方案的电路结构图。
图2为本发明的低功耗振荡器电路结构的一种实施方式的电路结构图。
具体实施方式
为了能够更清楚地描述本发明的技术内容，下面结合具体实施例来进行进一步的描述。
以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的装置和方法的例子。
在本申请使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本申请。在本申请和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。下面参考附图详细描述本发明的各实施方式。
如图2所示，为本发明的低功耗振荡器电路结构一种实施方式的电路结构图，该低功耗振荡器电路结构，包括外部启动电路模块，其中，所述的低功耗振荡器电路结构还包括：
偏置电流单元(即偏置电流产生电路模块)，用于产生振荡器所需的偏置电流；
锯齿波产生电路(即锯齿波产生电路模块)，对电容充放电产生周期性的锯齿波信号，用于后续产生时钟；
比较器与触发单元(比较器与触发电路模块)，当锯齿波信号达到比较器阈值时比较器会翻转并最终改变电容充放电的极性，完成时钟周期的切换；
方波产生(即方波产生电路模块)，T触发器为主的模块用于产生最终的时钟信号。
所述的外部启动电路模块依次连接所述的偏置电流产生电路模块、锯齿波产生电路模块、比较器与触发电路模块以及方波产生电路模块。
在具体实施例中，所述的偏置电流产生电路模块包括第一MOSFET管Q1、第二MOSFET管Q2、第三MOSFET管Q3、第四MOSFET管Q4以及电阻R，其中，所述的第一MOSFET管Q1的栅极与第二MOSFET管Q2的栅极以及第一MOSFET管Q1的漏极均相连接，所述的第一MOSFET管Q1的漏极与所述的第四MOSFET管Q4的漏极以及外部启动电路模块均相连接，所述的第一MOSFET管Q1与所述的第二MOSFET管Q2共源极，所述的第二MOSFET管Q2的漏极分别与所述的第三MOSFET管Q3的栅极以及所述的电阻R的一端相连接，所述的电阻R的另一端以所述的第三MOSFET管Q3的漏极相连接，所述的第三MOSFET管Q3的漏极还与所述的第四MOSFET管Q4的栅极相连接，所述的第三MOSFET管Q3与所述的第四MOSFET管Q4共源极，所述的第二MOSFET管Q2的源极、第三MOSFET管Q3的源极以及第四MOSFET管Q4的栅极分别与所述的锯齿波产生电路模块相连接。
在具体实施例中，所述的锯齿波产生电路模块包括第五MOSFET管Q5、第六MOSFET管Q6、第七MOSFET管Q7、第八MOSFET管Q8、VDD端、第一开关SB1以及电容单元组，其中，所述的第五MOSFET管Q5与所述的第六MOSFET管Q6共栅极、共漏极，所述的第五MOSFET管Q5的源极与所述的第二MOSFET管Q2的源极相连接，所述的第六MOSFET管Q6的源极与所述的第七MOSFET管Q7的漏极相连接，所述的第七MOSFET管Q7与所述的第八MOSFET管Q8共源极且所述的第七MOSFET管Q7与第八MOSFET管Q8的源极接地，所述的第六MOSFET管Q6的源极通过所述的第一开关SB1与所述的第八MOSFET管Q8的漏极相连接，所述的第七MOSFET管Q7的栅极与所述的第三MOSFET管Q3的漏极相连接，所述的第七MOSFET管Q7的源极与所述的第三MOSFET管Q3的源极相连接，所述的第五MOSFET管Q5的漏极与所述的电容单元组的一端相连接，所述的电容单元组的另一端接地，所述的第五MOSFET管Q5的源极、漏极、栅极以及第八MOSFET管Q8的栅极、源极分别与所述的比较器与触发电路模块相连接，且所述的第五MOSFET管Q5的源极与VDD端相连接。
在具体实施例中，所述的电容单元组包括第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第四电容C4、第五电容C0、第二开关SB2、第三开关SB3、第四开关SB4以及第五开关SB5，其中，所述的第一电容C1的一端通过所述的第二开关SB2与所述的第五MOSFET管Q5的漏极相连接，所述的第一电容C1的另一端接地；所述的第二电容C2的一端通过所述的第三开关SB3与所述的第五MOSFET管Q5的漏极相连接，所述的第二电容C2的另一端接地；所述的第三电容C3的一端通过所述的第四开关SB4与所述的第五MOSFET管Q5的漏极相连接，所述的第三电容C3的另一端接地；所述的第四电容C4的一端通过所述的第五开关SB5与所述的第五MOSFET管Q5的漏极相连接，所述的第四电容C4的另一端接地；所述的第五电容C0的一端与所述的第五MOSFET管Q5的漏极相连接，该第五电容C0的另一端接地。
在具体实施例中，所述的比较器与触发电路模块包括第九MOSFET管Q9、第十MOSFET管Q10、缓冲单元以及第一反相器，其中，所述的第九MOSFET管Q9的栅极与所述的第五MOSFET管Q5的漏极相连接，所述的第九MOSFET管Q9的源极与所述的第五MOSFET管Q5的源极相连接，所述的第十MOSFET管Q10与所述的第七MOSFET管Q7共栅极，该第十MOSFET管Q10与所述的第九MOSFET管Q9共漏极，且该第十MOSFET管Q10与所述的第八MOSFET管Q8共源极，所述的第九MOSFET管Q9的漏极还与所述的缓冲单元的输入端相连接，所述的第九MOSFET管Q9与第十MOSFET管Q10构成比较器，所述的缓冲单元的输出端分别与所述的第一反相器的输入端以及方波产生模块相连接，所述的第一反相器的输出端与所述的第五MOSFET管Q5的栅极相连接。
在具体实施例中，所述的方波产生电路模块由T触发器构成，所述的T触发器的输入端连接所述的比较器与触发电路模块，所述的T触发器的输出端产生输出的时钟信号。
本发明的实施例的工作原理如下，偏置电流产生电路模块产生的偏置电流经过电流镜镜像后提供给锯齿波产生电路模块，其中，由所述的第七MOSFET管Q7与第四MOSFET管Q4构成电流镜镜像；假设此时锯齿波产生电路模块中的反相器(图2中用椭圆形框标出，即第五MOSFET管与第六MOSFET所构成的电路结构)输入端为高，那么电流镜镜像产生的电流将对所述的电容单元组放电；当电路放电到使电容单元组中的电容上的电压达到比较器翻转阈值时比较器输出翻转，通过反馈使电容充放电极性改变，完成电路工作周期的切换。从放电开始到电容充放电极性改变的时间间隔为T1。在完成周期切换后，此时椭圆形框中反相器输入为低，反相器的PMOS管对电容有一个强上拉到VDD的电流，导致比较器再次翻转并又一次改变电容的充放电极性。从充电开始到电容极性翻转的时间间隔为T2。由于T2时刻对电容充电电流很大，通过合理的设计可以使T2＜＜T1。从而使得对电容充放电的波形类似锯齿波。最后方波产生模块利用T触发器根据比较器周期性输出的高电平脉冲触发翻转生成确定的时钟频率信号。因此时钟的周期可以表示为：
表达式中，C是可调电容值，在实施例中，可以通过选择电容单元组中的不同开关的通断，实现电容大小的调节；UT是比较器的翻转阈值；Ibias是偏置电流，I是偏置电流镜像后的对电容的放电电流，I与Ibias是一镜像比例关系，其中，N是一个常数系数，N的取值由所需的时钟频率周期决定，其中，周期越小，N越大，可以通过调节所述的第七MOSFET管Q7与第四MOSFET管Q4的比例来调节镜像比例。
运用本发明的低功耗振荡器电路结构的实施例中使用的是“MOS管峰值电流偏置结构”，这种结构功耗较小，特别适用于低功耗电路当中，其具备功耗小、反应灵敏的特点。
本发明的上述实施例中使用了简单的电流漏负载反相放大器作为比较器，可以减少比较器部分的功耗。同时为了克服现有技术电路中充放电电流温漂较大的缺点，本发明做了改进，增加了单独的偏置电流产生模块。偏置电流产生电路模块，如图2所示，采用自偏置形式，可以降低对电源电压的灵敏度。利用MOS管电流的基本计算公式可以推导出偏置电流Ibias的表达式：
式中将与温度变化无关的常量统一用k代替；R是图2中偏置电流产生电路模块中的电阻R；μn是电子迁移率。
等式两边同时对温度求偏导，化简后可以得到偏置电流的温度系数表达式：
由于电子迁移率的温漂曲线是呈负温度系数抛物线，因此本发明通过选择温度变化趋势与迁移率类似的电阻就可以在一定程度上补偿迁移率的负温度特性，显著降低偏置电流的温度系数，进而改善时钟频率的温漂。在-40℃～80℃的温度范围内，时钟温漂在±5％左右，相比于现有技术电路有明显提高。同时调整电阻R的阻值可以降低偏置电流的大小，进而降低整个振荡器的功耗。在3.3V供电，时钟频率32kHz条件下功耗也在1μA左右。
将与温度变化无关的常量视为1，本发明的偏置电流产生电路模块中的偏置电流的大小可用如下表达式计算得到：
其中I为偏置电流产生电路模块输出的偏置电流的大小，R为偏置电流中的电阻的大小，从上述表达式中可以看出本发明中的偏置电路产生电路模块需要用到的电阻数量很少(仅用一个电阻就可实现电路需要达到的功能)，由此可知，本发明中的偏置电流产生电路模块具有电路面积小的特点，因此，可适用的范围也较为广泛。
本实施例中调整时钟频率的方法有两种：
1、调整锯齿波产生模块中可调电容的电容值；
2、改变接入锯齿波产生模块中电流镜镜像比例的大小，即通过调整所述的第七MOSFET管Q7与第四MOSFET管Q4的比例来调节镜像比例，改变对电容的放电电流。
因此本发明调整频率的方式比现有技术更为丰富，可以根据不同系统应用调整低频时钟的频率。在此基础上如果设置的时钟频率小于32kHz，不仅可以进一步降低振荡器的电流还可以显著降低整芯片在待机模式下的功耗，满足更多的系统需求；本实施例中，使用了自偏置形式的偏置电流电路，合理选择偏置电路中电阻的类型和大小可以改善时钟温漂，并降低功耗，克服了现有技术时钟温漂较差的缺点；本实施例中，可以通过调整电流与电容两个维度来修调时钟频率，所以频率可调范围更宽，避免了现有技术中时钟频率较为固定不易调整的缺点，使芯片可以适应不同的应用场合。
采用该发明的低功耗振荡器电路结构，设置了偏置电流产生模块，调整方式具备多样性，可根据不同系统应用调整低频时钟的频率、降低功耗、抗干扰能力强、克服现有技术时钟温漂较差的缺点、具有应用范围广的优点。
本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。以上所述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种低功耗振荡器电路结构，包括外部启动电路模块，其特征在于，所述的低功耗振荡器电路结构还包括：
偏置电流产生电路模块，用于产生振荡器所需的偏置电流；
锯齿波产生电路模块，用于产生周期性的锯齿波信号；
比较器与触发电路模块，用于切换时钟周期；
方波产生电路模块，用于产生输出的时钟信号；
所述的外部启动电路模块依次连接所述的偏置电流产生电路模块、锯齿波产生电路模块、比较器与触发电路模块以及方波产生电路模块。
2.根据权利要求1所述的低功耗振荡器电路结构，其特征在于，所述的偏置电流产生电路模块包括第一MOSFET管、第二MOSFET管、第三MOSFET管、第四MOSFET管以及电阻，其中，所述的第一MOSFET管的栅极与第二MOSFET管的栅极以及第一MOSFET管的漏极均相连接，所述的第一MOSFET管的漏极与所述的第四MOSFET管的漏极以及外部启动电路模块均相连接，所述的第一MOSFET管与所述的第二MOSFET管共源极，所述的第二MOSFET管的漏极分别与所述的第三MOSFET管的栅极以及所述的电阻的一端相连接，所述的电阻的另一端以所述的第三MOSFET管的漏极相连接，所述的第三MOSFET管的漏极还与所述的第四MOSFET管的栅极相连接，所述的第三MOSFET管与所述的第四MOSFET管共源极，所述的第二MOSFET管的源极、第三MOSFET管的源极以及第四MOSFET管的栅极分别与所述的锯齿波产生电路模块相连接。
3.根据权利要求2所述的低功耗振荡器电路结构，其特征在于，所述的锯齿波产生电路模块包括第五MOSFET管、第六MOSFET管、第七MOSFET管、第八MOSFET管、VDD端、第一开关以及电容单元组，其中，所述的第五MOSFET管与所述的第六MOSFET管共栅极、共漏极，所述的第五MOSFET管的源极与所述的第二MOSFET管的源极相连接，所述的第六MOSFET管的源极与所述的第七MOSFET管的漏极相连接，所述的第七MOSFET管与所述的第八MOSFET管共源极且所述的第七MOSFET管与第八MOSFET管的源极接地，所述的第六MOSFET管的源极通过所述的第一开关与所述的第八MOSFET管的漏极相连接，所述的第七MOSFET管的栅极与所述的第三MOSFET管的漏极相连接，所述的第七MOSFET管的源极与所述的第三MOSFET管的源极相连接，所述的第五MOSFET管的漏极与所述的电容单元组的一端相连接，所述的电容单元组的另一端接地，所述的第五MOSFET管的源极、漏极、栅极以及第八MOSFET管的栅极、源极分别与所述的比较器与触发电路模块相连接，且所述的第五MOSFET管的源极与VDD端相连接，所述的第五MOSFET管与所述的第六MOSFET管构成反相器，通过电容单元组充放电极性改变，完成电路工作周期的切换。
4.根据权利要求3所述的低功耗振荡器电路结构，其特征在于，所述的电容单元组包括第一电容、第二电容、第三电容、第四电容、第五电容、第二开关、第三开关、第四开关以及第五开关，其中，所述的第一电容的一端通过所述的第二开关与所述的第五MOSFET管的漏极相连接，所述的第一电容的另一端接地；所述的第二电容的一端通过所述的第三开关与所述的第五MOSFET管的漏极相连接，所述的第二电容的另一端接地；所述的第三电容的一端通过所述的第四开关与所述的第五MOSFET管的漏极相连接，所述的第三电容的另一端接地；所述的第四电容的一端通过所述的第五开关与所述的第五MOSFET管的漏极相连接，所述的第四电容的另一端接地；所述的第五电容的一端与所述的第五MOSFET管的漏极相连接，该第五电容的另一端接地。
5.根据权利要求3所述的低功耗振荡器电路结构，其特征在于，所述的比较器与触发电路模块包括第九MOSFET管、第十MOSFET管、缓冲单元以及第一反相器，其中，所述的第九MOSFET管的栅极与所述的第五MOSFET管的漏极相连接，所述的第九MOSFET管的源极与所述的第五MOSFET管的源极相连接，所述的第十MOSFET管与所述的第七MOSFET管共栅极，该第十MOSFET管与所述的第九MOSFET管共漏极，且该第十MOSFET管与所述的第八MOSFET管共源极，所述的第九MOSFET管的漏极还与所述的缓冲单元的输入端相连接，所述的第九MOSFET管与第十MOSFET管构成比较器，所述的缓冲单元的输出端分别与所述的第一反相器的输入端以及方波产生模块相连接，所述的第一反相器的输出端与所述的第五MOSFET管的栅极相连接。
6.根据权利要求1～5中任一项所述的低功耗振荡器电路结构，其特征在于，所述的方波产生电路模块由T触发器构成，所述的T触发器的输入端连接所述的比较器与触发电路模块，所述的T触发器的输出端产生输出的时钟信号。
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