CN107959476B - 低功耗电流饥饿型振荡器电路 - Google Patents

低功耗电流饥饿型振荡器电路 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种低功耗电流饥饿型振荡器电路，包括：电源端和接地端；基准产生电路，与所述基准产生电路电连接的低压环形振荡器，以及与所述低压环形振荡器电连接的电压转换电路；其中，所述基准产生电路包括：第一PMOS管，所述第一PMOS管的源极与所述电源端电连接，所述第一PMOS管的栅极与误差放大器的输出端电连接，所述第一PMOS管的漏极分别与所述误差放大器的正输出端和第一电阻的第一端电连接，所述第一电阻的第二端与所述接地端电连接。本发明所提供的低功耗电流饥饿型振荡器电路可实现精确的振荡器频率输出和较低功耗，并且电路的工作电压对振荡器频率值影响很小，电路结构简单。

Description

低功耗电流饥饿型振荡器电路
技术领域
本发明涉及集成电路设计领域，特别涉及一种低功耗电流饥饿型振荡器电路。
背景技术
随着集成电路技术的发展，集成电路中的振荡器对低功耗、高稳定的需求也越来越强烈；传统的环路振荡器功耗随电源电压变化的影响明显，传统的迟滞振荡器也存在功耗大，电路复杂的缺陷。
发明内容
本发明提供了一种低功耗电流饥饿型振荡器电路，其目的是为了解决振荡器功耗过大，影响电源电压变化的问题。
为了达到上述目的，本发明的实施例提供了一种低功耗电流饥饿型振荡器电路，包括：
电源端和接地端；
基准产生电路，与所述基准产生电路电连接的低压环形振荡器，以及与所述低压环形振荡器电连接的电压转换电路；
其中，所述基准产生电路包括：
第一PMOS管，所述第一PMOS管的源极与所述电源端电连接，所述第一PMOS管的栅极与误差放大器的输出端电连接，所述第一PMOS管的漏极分别与所述误差放大器的正输出端和第一电阻的第一端电连接，所述第一电阻的第二端与所述接地端电连接；
第二PMOS管，所述第二PMOS管的源极与所述电源端电连接，所述第二PMOS管的栅极与误差放大器的输出端电连接，所述第二PMOS管的漏极分别与所述误差放大器的负输出端，第一电容的第一端和所述低压环形振荡器的低压电源端电连接，所述第一电容的第二端与所述接地端电连接。
其中，所述低压环形振荡器包括：
第一反相器，所述第一反相器的电源端口与所述低压电源端电连接，所述第一反相器的接地端口与所述接地端电连接；
第二反相器，所述第二反相器的电源端口与所述低压电源端电连接，所述第二反相器的接地端口与所述接地端电连接，所述第二反相器的输入端与所述第一反相器的输出端电连接；
第三反相器，所述第三反相器的电源端口与所述低压电源端电连接，所述第三反相器的接地端口与所述接地端电连接，所述第三反相器的输入端分别与所述第二反相器的输出端和第二电容的第一端电连接，所述第二电容的第二端与所述接地端电连接，所述第三反相器的输出端分别与所述第一反相器的输入端和所述电压转换电路电连接。
其中，所述电压转换电路包括：
输入端口和输出端口，且所述输入端口与所述低压环形振荡器电连接；
第三PMOS管，所述第三PMOS管的源极与所述电源端电连接，所述第三PMOS管的漏极分别与所述第三PMOS管的栅极，第四PMOS管的栅极，第五PMOS管的源极电连接；
第四PMOS管，所述第四PMOS管的源极与所述电源端电连接，所述第四PMOS管的漏极分别与第六PMOS管的源极，第三电容的第一端，第八PMOS管的栅极电连接；
第五PMOS管，所述第五PMOS管的栅极分别与第六PMOS管的栅极，第五PMOS管的漏极，第五NMOS管的漏极电连接；
第六PMOS管，所述第六PMOS管的漏极与所述接地端电连接；
第一NMOS管，所述第一NMOS管的漏极分别与电源端，第一NMOS管的栅极，第二NMOS管的栅极，第七NMOS管的栅极电连接，所述第一NMOS管的源极分别与第三NMOS管的漏极和栅极，第四NMOS管的漏极，第五NMOS管的栅极电连接；
第二NMOS管，所述第二NMOS管的漏极与所述电源端电连接，所述第二NMOS管的源极分别与第四NMOS管的漏极，第四电容的第一端，第八NMOS管的栅极电连接；
第三NMOS管，所述第三NMOS管的源极与所述接地端电连接；
第四NMOS管，所述第四NMOS管的源极与所述接地端电连接；
第五NMOS管，所述第五NMOS管的源极与所述接地端电连接；
第七NMOS管，所述第七NMOS管的漏极与所述电源端电连接，所述第七NMOS管的源极与第七PMOS管的源极电连接；
第七PMOS管，所述第七PMOS管的栅极分别与第六NMOS管的栅极和所述输入端口电连接，所述第七PMOS管的漏极分别与第六NMOS管的漏极，第三电容的第二端，第四电容的第二端电连接；
第六NMOS管，所述第六NMOS管的源极与所述接地端电连接；
第八PMOS管，所述第八PMOS管的源极与所述电源端电连接，所述第八PMOS管的漏极分别与第八NMOS管的漏极和所述输出端口电连接；
第八NMOS管，所述第八NMOS管的源极与所述接地端电连接。
本发明的上述方案有如下的有益效果：
本发明的上述实施例所述的低功耗电流饥饿型振荡器电路采用自偏置方式，省去了基准电路，且结构简单；同时将环形振荡器电路电源电压降低，大幅度降低功耗，采用电流饥饿方式，功耗稳定，摒除了传统环形振荡器功耗随电源电压变化的因素，振荡器消耗电流稳定，电源电压抑制比较高。
附图说明
图1为本发明的电路连接示意图；
图2为本发明的EA放大器的简化电路图；
图3为本发明的电压转换电路的电路连接图。
【附图标记说明】
1-电源端；2-接地端；3-第一PMOS管；4-第二PMOS管；5-误差放大器；6-第一电阻；7-第一电容；8-第一反相器；9-第二反相器；10-第三反相器；11-第二电容；12-输入端口；13-输出端口；14-第三PMOS管；15-第四PMOS管；16-第五PMOS管；17-第六PMOS管；18-第一NMOS管；19-第二NMOS管；20-第三NMOS管；21-第四NMOS管；22-第五NMOS管；23-第七NMOS管；24-第七PMOS管；25-第六NMOS管；26-第八PMOS管；27-第八NMOS管；28-第三电容；29-第四电容；30-低压电源端。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
本发明针对现有的振荡器功耗过大，影响电源电压变化的问题，提供了一种低功耗电流饥饿型振荡器电路。
如图1所示，本发明的实施例提供了一种低功耗电流饥饿型振荡器电路，包括：电源端1和接地端2；基准产生电路，与所述基准产生电路电连接的低压环形振荡器，以及与所述低压环形振荡器电连接的电压转换电路；其中，所述基准产生电路包括：第一PMOS管3，所述第一PMOS管3的源极与所述电源端1电连接，所述第一PMOS管3的栅极与误差放大器5的输出端电连接，所述第一PMOS管3的漏极分别与所述误差放大器5的正输出端和第一电阻6的第一端电连接，所述第一电阻6的第二端与所述接地端2电连接；第二PMOS管4，所述第二PMOS管4的源极与所述电源端1电连接，所述第二PMOS管4的栅极与误差放大器5的输出端电连接，所述第二PMOS管4的漏极分别与所述误差放大器5的负输出端，第一电容7的第一端和所述低压环形振荡器的低压电源端30电连接，所述第一电容7的第二端与所述接地端2电连接。
本发明的上述实施例所述的低功耗电流饥饿型振荡器电路采用自偏置方式，省去了基准电路，且结构简单；同时将环形振荡器电路电源电压降低，大幅度降低功耗，采用电流饥饿方式，功耗稳定，摒除了传统环形振荡器功耗随电源电压变化的因素，振荡器消耗电流稳定，电源电压抑制比较高；其中，所述基准产生电路的主要作用是产生基准电流和低压电源，所述基准产生电路由误差放大器5、第一PMOS管3、第二PMOS管4、第一电阻6和第一电容7共同组成；所述基准产生电路由两个反馈环路组成，所述第一电容7、第二PMOS管4和误差放大器5负输出端共同组成慢反馈环路，所述第一电阻6、第一PMOS管3和误差放大器5正输出端共同组成快反馈环路；当VB电压出现波动变高后，VP电压会下降，引起第二PMOS管4电流上升，由于VA点电压变化比VB点电压变化快，导致VA电压会快速超过VB，反馈回来导致VP电压上升，VA电压迅速低于VB，最终使VA和VB会稳定在我们设定的值Vref上面。
通过上面我们就可以得到基准电流公式：
如图2所示，图中电路为EA放大器的简化图，其中输入共模电压可等效为Vref基准，这样可以为该电路节省一路基准电路；其中VD为VDS电压，其大小由基准偏置电流决定，假设MN0与基准偏置之间比例为n，则流过MN0的电流为nIbias，所以VD电压为：
同时可得VA电压：
联立(1.01)和(1.05)可得到：
其中kn，Vth为晶体管工艺参数，n和R0为设计参数。
由式(1.07)可知道，当上述参数设定好以后，VA为定值，可设定为基准电压Vref。
其中，所述低压环形振荡器包括：第一反相器8，所述第一反相器8的电源端1口与所述低压电源端30电连接，所述第一反相器8的接地端2口与所述接地端2电连接；第二反相器9，所述第二反相器9的电源端1口与所述低压电源端30电连接，所述第二反相器9的接地端2口与所述接地端2电连接，所述第二反相器9的输入端与所述第一反相器8的输出端电连接；第三反相器10，所述第三反相器10的电源端1口与所述低压电源端30电连接，所述第三反相器10的接地端2口与所述接地端2电连接，所述第三反相器10的输入端分别与所述第二反相器9的输出端和第二电容11的第一端电连接，所述第二电容11的第二端与所述接地端2电连接，所述第三反相器10的输出端分别与所述第一反相器8的输入端和所述电压转换电路电连接。
本发明的上述实施例所述的低压环形振荡器由第一反相器8、第二反相器9、第三反相器10和第二电容11共同组成，且所述第二电容11为调频电容；所述低压环形振荡器所消耗的平均能量为：
其中，Cp为反相器寄生电容之和，V为反相器电源电压，f为环形振荡器振荡频率；
而基准给提供的能量为：
所以当电路稳定时候，Psupply＝Pconsume (1.10)
可得到振荡器频率为：
由上式(1.11)可知，该振荡电路输出频率不随着电源电压VDD的变化而变化，而且与内部低压电源电压的大小无关，排除了电源波动对输出频率的影响，只随着工艺参数的变化而变化；并且由式(1.12)可知，由于环形振荡器电源为内部电压基准Vref，电路功耗相对较低，且功耗稳定，不会随着电源电压的变化而变化。
如图3所示，所述电压转换电路包括：输入端口12和输出端口13，且所述输入端口12与所述低压环形振荡器电连接；第三PMOS管14，所述第三PMOS管14的源极与所述电源端1电连接，所述第三PMOS管14的漏极分别与所述第三PMOS管14的栅极，第四PMOS管15的栅极，第五PMOS管16的源极电连接；第四PMOS管15，所述第四PMOS管15的源极与所述电源端1电连接，所述第四PMOS管15的漏极分别与第六PMOS管17的源极，第三电容28的第一端，第八PMOS管26的栅极电连接；第五PMOS管16，所述第五PMOS管16的栅极分别与第六PMOS管17的栅极，第五PMOS管16的漏极，第五NMOS管22的漏极电连接；第六PMOS管17，所述第六PMOS管17的漏极与所述接地端2电连接；第一NMOS管18，所述第一NMOS管18的漏极分别与电源端1，第一NMOS管18的栅极，第二NMOS管19的栅极，第七NMOS管23的栅极电连接，所述第一NMOS管18的源极分别与第三NMOS管20的漏极和栅极，第四NMOS管21的漏极，第五NMOS管22的栅极电连接；第二NMOS管19，所述第二NMOS管19的漏极与所述电源端1电连接，所述第二NMOS管19的源极分别与第四NMOS管21的漏极，第四电容29的第一端，第八NMOS管27的栅极电连接；第三NMOS管20，所述第三NMOS管20的源极与所述接地端2电连接；第四NMOS管21，所述第四NMOS管21的源极与所述接地端2电连接；第五NMOS管22，所述第五NMOS管22的源极与所述接地端2电连接；第七NMOS管23，所述第七NMOS管23的漏极与所述电源端1电连接，所述第七NMOS管23的源极与第七PMOS管24的源极电连接；第七PMOS管24，所述第七PMOS管24的栅极分别与第六NMOS管25的栅极和所述输入端口12电连接，所述第七PMOS管24的漏极分别与第六NMOS管25的漏极，第三电容28的第二端，第四电容29的第二端电连接；第六NMOS管25，所述第六NMOS管25的源极与所述接地端2电连接；第八PMOS管26，所述第八PMOS管26的源极与所述电源端1电连接，所述第八PMOS管26的漏极分别与第八NMOS管27的漏极和所述输出端口13电连接；第八NMOS管27，所述第八NMOS管27的源极与所述接地端2电连接。
本发明的上述实施例所述的电压转换电路的作用是将低压振荡信号OSC_LV转换为电源电压振荡信号OSC_HV，起到低压转高压的作用；这样输出电压可以正常驱动电源电压的信号；其中，所述第一NMOS管18、第二NMOS管19、第三NMOS管20和第四NMOS管21组成第一偏置电路，产生偏置电压Vn_bias和VA，Vn_bias为OSC_HV输出NMOS提供静态偏置电压，VA为动态OSC_LV信号转换电路提供偏置电压用以产生VD电压；所述第五NMOS管22、第三PMOS管14、第四PMOS管15、第五PMOS管16和第六PMOS管17组成第二偏置电路，产生偏置电压Vp_bias，Vp_bias为OSC_HV输出PMOS提供静态偏置电压。
具体振荡信号由低压域向高压域转换原理如下，当OSC_LV输出为高的时候，OSC_LV_N电压为0，此时Vn_bias和Vp_bias电压为静态偏置时候的电压，Vp_bias为第八PMOS管26提供偏置电压，为输出点OSC_HV提供上拉电流I_pu，Vn_bias为第八NMOS管27提供偏置电压，为输出点OSC_HV提供下拉电流I_pd，此时上拉电流I_pu大于I_pd，OSC_HV输出为高；当OSC_LV输出为低电平的时候，所述第七PMOS管24和所述第六NMOS管25组成反相器，使得OSC_LV_N电压变为高电平电压VD，同时由于第三电容28和第四电容29上两端压降不能突变，所以此时Vp_bias和Vn_bias电压同时上升VD，所述第八PMOS管26所能提供的上拉电流减小，第八NMOS管27提供的下拉电流增大，I_pu小于I_pd，OSC_HV输出电压变低。
本发明的上述实施例所述的电压转换电路利用了电流比较的方式和电容两端电压不能突变的原理，巧妙的将一个低电源电压的频率OSC_LV信号转变为高电源电压的频率OSC_HV信号，其中偏置部分不需要消耗很大电流，转换部分只需为小部分电容进行充放电，实现了电压转换和低功耗的功能。
本发明的上述实施例所述的低功耗电流饥饿型振荡器电路采用自偏置方式，省去了基准电路，且结构简单；同时将环形振荡器电路电源电压降低，大幅度降低功耗，采用电流饥饿方式，功耗稳定，摒除了传统环形振荡器功耗随电源电压变化的因素，振荡器消耗电流稳定，电源电压抑制比较高。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种低功耗电流饥饿型振荡器电路，其特征在于，包括：
电源端和接地端；
基准产生电路，与所述基准产生电路电连接的低压环形振荡器，以及与所述低压环形振荡器电连接的电压转换电路；
其中，所述基准产生电路包括：
第一PMOS管，所述第一PMOS管的源极与所述电源端电连接，所述第一PMOS管的栅极与误差放大器的输出端电连接，所述第一PMOS管的漏极分别与所述误差放大器的正输出端和第一电阻的第一端电连接，所述第一电阻的第二端与所述接地端电连接；
第二PMOS管，所述第二PMOS管的源极与所述电源端电连接，所述第二PMOS管的栅极与误差放大器的输出端电连接，所述第二PMOS管的漏极分别与所述误差放大器的负输出端，第一电容的第一端和所述低压环形振荡器的低压电源端电连接，所述第一电容的第二端与所述接地端电连接；
所述低压环形振荡器包括：
第一反相器，所述第一反相器的电源端口与所述低压电源端电连接，所述第一反相器的接地端口与所述接地端电连接；
第二反相器，所述第二反相器的电源端口与所述低压电源端电连接，所述第二反相器的接地端口与所述接地端电连接，所述第二反相器的输入端与所述第一反相器的输出端电连接；
第三反相器，所述第三反相器的电源端口与所述低压电源端电连接，所述第三反相器的接地端口与所述接地端电连接，所述第三反相器的输入端分别与所述第二反相器的输出端和第二电容的第一端电连接，所述第二电容的第二端与所述接地端电连接，所述第三反相器的输出端分别与所述第一反相器的输入端和所述电压转换电路电连接；
所述电压转换电路包括：
输入端口和输出端口，且所述输入端口与所述低压环形振荡器电连接；
第三PMOS管，所述第三PMOS管的源极与所述电源端电连接，所述第三PMOS管的漏极分别与所述第三PMOS管的栅极，第四PMOS管的栅极，第五PMOS管的源极电连接；
第四PMOS管，所述第四PMOS管的源极与所述电源端电连接，所述第四PMOS管的漏极分别与第六PMOS管的源极，第三电容的第一端，第八PMOS管的栅极电连接；
第五PMOS管，所述第五PMOS管的栅极分别与第六PMOS管的栅极，第五PMOS管的漏极，第五NMOS管的漏极电连接；
第六PMOS管，所述第六PMOS管的漏极与所述接地端电连接；
第一NMOS管，所述第一NMOS管的漏极分别与电源端，第一NMOS管的栅极，第二NMOS管的栅极，第七NMOS管的栅极电连接，所述第一NMOS管的源极分别与第三NMOS管的漏极和栅极，第四NMOS管的漏极，第五NMOS管的栅极电连接；
第二NMOS管，所述第二NMOS管的漏极与所述电源端电连接，所述第二NMOS管的源极分别与第四NMOS管的漏极，第四电容的第一端，第八NMOS管的栅极电连接；
第三NMOS管，所述第三NMOS管的源极与所述接地端电连接；
第四NMOS管，所述第四NMOS管的源极与所述接地端电连接；
第五NMOS管，所述第五NMOS管的源极与所述接地端电连接；
第七NMOS管，所述第七NMOS管的漏极与所述电源端电连接，所述第七NMOS管的源极与第七PMOS管的源极电连接；
第七PMOS管，所述第七PMOS管的栅极分别与第六NMOS管的栅极和所述输入端口电连接，所述第七PMOS管的漏极分别与第六NMOS管的漏极，第三电容的第二端，第四电容的第二端电连接；
第六NMOS管，所述第六NMOS管的源极与所述接地端电连接；
第八PMOS管，所述第八PMOS管的源极与所述电源端电连接，所述第八PMOS管的漏极分别与第八NMOS管的漏极和所述输出端口电连接；
第八NMOS管，所述第八NMOS管的源极与所述接地端电连接；
所述第一NMOS管、所述第二NMOS管、所述第三NMOS管和所述第四NMOS管组成第一偏置电路，产生偏置电压Vn_bias和VA；
所述第五NMOS管、所述第三PMOS管、所述第四PMOS管、所述第五PMOS管和所述第六PMOS管组成第二偏置电路，产生偏置电压Vp_bias；
所述电压转换电路将低压振荡信号转换为电源电压振荡信号；
所述电压振荡信号输出为高电平时，OSC_LV_N电压为0，所述第二偏置电路为所述第八PMOS管提供偏置电压Vp_bias，为所述电源电压振荡信号提供上拉电流，所述第一偏置电路为所述第八NMOS管提供偏置电压Vn_bias，为所述电源电压振荡信号提供下拉电流，所述上拉电流大于所述下拉电流，所述电源电压振荡信号输出为高电平；
所述电压振荡信号输出为低电平时，所述第七PMOS管和所述第六NMOS管组成反相器，使得OSC_LV_N电压电压变为高电平电压VD，偏置电压Vn_bias、Vp_bias同时上升为高电平电压VD，所述第八PMOS管提供的上拉电流减小，所述第八NMOS管的下拉电流增大，所述上拉电流小于所述下拉电流，所述电源电压振荡信号输出为低电平。
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