CN108832896B - 一种片外可调的弛张型压控振荡器电路 - Google Patents

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Abstract

一种片外可调的弛张型压控振荡器电路，属于电力电子技术领域。包括电流产生单元、尖峰吸收单元、振荡与补偿单元和输出缓冲单元，电流产生单元产生的电流用来对振荡与补偿单元中的电容充放电，并且该电流可以通过片外给定的片外可调电压来控制；振荡与补偿单元用于根据电容充放电来产生振荡信号，利用电流产生单元产生的电流控制振荡信号的频率，并且能够通过补偿使得振荡信号的振荡频率的可调性提高；尖峰吸收单元用于消除充放电状态切换时由于寄生电容产生的电压尖峰，提高噪声抑制能力；输出缓冲单元主要是用于对输出的振荡信号的整型，可以去除输出信号的毛刺，使得输出振荡信号更加理想。

Description

一种片外可调的弛张型压控振荡器电路
技术领域
本发明属于电力电子技术领域，具体涉及一种振荡器电路，特别涉及一种可以实现片外压控、频率可调的弛张型振荡器电路。
背景技术
在许多电源管理芯片中，振荡器是一个非常重要的模块，可以产生固定的时钟频率供电源系统中的其他模块使用。振荡器主要分成谐波振荡器和弛张振荡器，弛张振荡器主要用来产生非正弦输出信号，如方波信号。对于弛张型压控振荡器来说，电压作为输入，时钟信号作为输出，振荡频率决定了系统的工作频率。
常用的弛张型压控振荡器以多级单端反相器级联构成的环形振荡器为主，通过控制电压来改变反相器输出端的等效电容或者等效电阻从而改变振荡器的振荡频率。但是这种技术对于电压上的任何噪声都会在频率上体现，即噪声抑制能力不足。一般来说，对振荡器的要求不仅要实现较宽的频率调节范围，并且可以实现输出频率的可片外调节性，在较大的温度和极端的工艺下的振荡频率也不会变化太大，要求有稳定的性能。现在存在的技术不足是频率调节的难控制、输出频率的调节范围限制以及电路的复杂性。
发明内容
针对上述现有技术中弛张型振荡器存在的噪声抑制能力不足、频率调节难控制、输出频率的调节范围受限制以及电路复杂等问题，本发明提出了一种弛张型压控振荡器，结构简单，利用电流产生单元提供电流，该电流用于对振荡与补偿单元中的第三电容充放电产生特定频率的振荡信号，片外可调电压Vctrl用于控制电流产生单元产生的电流从而调节振荡信号的频率，使得频率调节更易控制；另外通过尖峰吸收单元可以有效地消除在充放电状态切换时由于寄生电容产生的电压尖峰，提高噪声抑制能力。
本发明的技术方案为：
一种片外可调的弛张型压控振荡器电路，包括电流产生单元、尖峰吸收单元、振荡与补偿单元和输出缓冲单元，
所述电流产生单元包括第一NMOS管MN1、第二NMOS管MN2、第三NMOS管MN3、第一PMOS管MP1、第二PMOS管MP2、第三PMOS管MP3、第四PMOS管MP4、第一电流源I1和第二电流源I2，
第一PMOS管MP1的栅极连接片外可调电压Vctrl，其源极连接第二PMOS管MP2的源极并通过第一电流源I1后连接电源电压VDD，其漏极连接第一NMOS管MN1、第二NMOS管MN2和第三NMOS管MN3的源极并接地VSS；
第二PMOS管MP2的栅极连接偏置电压Vbias，其漏极连接第一NMOS管MN1的栅极和漏极以及第二NMOS管MN2和第三NMOS管MN3的栅极并通过第二电流源I2后连接电源电压VDD；
第三PMOS管MP3的栅漏短接并连接第二NMOS管MN2的漏极和第四PMOS管MP4的栅极，其源极连接第四PMOS管MP4的源极并连接电源电压VDD；
第四PMOS管MP4的漏极作为所述电流产生单元的第一输出端OUT1，第三NMOS管MN3的漏极作为所述电流产生单元的第二输出端OUT2；
所述尖峰吸收单元包括第四NMOS管MN和第五PMOS管MP，第四NMOS管MN的栅极连接所述振荡与补偿单元的输出端，其源极接地VSS，其漏极连接所述电流产生单元的第一输出端OUT1和所述振荡与补偿单元的第一输入端；
第五PMOS管MP的栅极连接振荡与补偿单元的输出端，其源极连接电源电压VDD，其漏极连接所述电流产生单元的第二输出端OUT2和所述振荡与补偿单元的第二输入端；
所述输出缓冲单元的输入端连接所述振荡与补偿单元的输出端，其输出端作为所述振荡器电路的输出端。
具体的，所述振荡与补偿单元包括第一反相器INV1、第二反相器INV2、第三反相器INV3、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第一电阻R1、第二电阻R2、第一传输门TG1和第二传输门TG2，
第一传输门TG1的输入端作为所述振荡与补偿单元的第二输入端，其输出端连接所述第二传输门TG2的输出端和第一反相器INV1的输入端；
第二传输门TG2的输入端作为所述振荡与补偿单元的第一输入端；
第二反相器INV2的输入端连接第一反相器INV1的输出端，其输出端作为所述振荡与补偿单元的输出端并连接第三反相器INV3的输入端、第一传输门TG1的低电平有效使能端和第二传输门TG2的高电平有效使能端；
第三反相器INV3的输出端连接第一传输门TG1的高电平有效使能端和第二传输门TG2的低电平有效使能端；
第一电阻R1和第二电阻R2串联并接在作为所述振荡与补偿单元的输出端和地VSS之间；
第一电容C1和第二电容C2串联并接在作为所述振荡与补偿单元的输出端和地VSS之间，其串联点连接第一电阻R1和第二电阻R2的串联点并通过第三电容C3后连接第一反相器INV1的输入端。
具体的，所述输出缓冲单元包括偶数个串联的反相器。
本发明的有益效果为：本发明提出的振荡器电路，结构简单，可以实现频率片外调节；具有较宽的输出频率范围，振荡信号的可调性大，应用场合范围广；提高了噪声抑制能力。
附图说明
本发明的附图用来提供对发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明。
图1为本发明提出的一种片外可调的弛张型压控振荡器电路的整体结构示意图。
图2为电流产生单元的电路结构示意图。
图3为实施例中给出的振荡与补偿单元的电路结构示意图。
图4为本发明提出的一种片外可调的弛张型压控振荡器电路的输出信号CLK的波形图。
图5为本发明提出的一种片外可调的弛张型压控振荡器电路在不同片外可调电压Vctrl下的输出信号CLK的频率示意图。
图6为电流产生单元中第二PMOS管MP2的电流I0随片外可调电压Vctrl变化的关系图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例详细描述本发明。
本发明提出一种片外可调的弛张型压控振荡器电路，利用电流产生单元产生的电流对电容充放电来产生输出的振荡信号CLK，片外可调电压Vctrl用于控制振荡信号CLK的频率，如图1所示是本发明提出的一种片外可调的弛张型压控振荡器电路的整体结构示意图，包括电流产生单元、尖峰吸收单元、振荡与补偿单元和输出缓冲单元。
电流产生单元用来产生电路所需的电流，该电流用来对振荡与补偿单元中的电容充放电，并且该电流可以通过片外给定的片外可调电压Vctrl来控制，对片外给定的电压有比较好的依赖关系；如图2所示，电流产生单元包括第一NMOS管MN1、第二NMOS管MN2、第三NMOS管MN3、第一PMOS管MP1、第二PMOS管MP2、第三PMOS管MP3、第四PMOS管MP4、第一电流源I1和第二电流源I2，第一PMOS管MP1的栅极连接片外可调电压Vctrl，其源极连接第二PMOS管MP2的源极并通过第一电流源I1后连接电源电压VDD，其漏极连接第一NMOS管MN1、第二NMOS管MN2和第三NMOS管MN3的源极并接地VSS；第二PMOS管MP2的栅极连接偏置电压Vbias，其漏极连接第一NMOS管MN1的栅极和漏极以及第二NMOS管MN2和第三NMOS管MN3的栅极并通过第二电流源I2后连接电源电压VDD；第三PMOS管MP3的栅漏短接并连接第二NMOS管MN2的漏极和第四PMOS管MP4的栅极，其源极连接第四PMOS管MP4的源极并连接电源电压VDD；第四PMOS管MP4的漏极作为电流产生单元的第一输出端OUT1，第三NMOS管MN3的漏极作为电流产生单元的第二输出端OUT2；
改变片外可调电压Vctrl时第一PMOS管MP1的源极电压随之改变，同时第二PMOS管MP2的源极电压改变，进而改变第二PMOS管MP2的工作状态，根据基尔霍夫电流定律，流经第二PMOS管MP2的电流和流经第一PMOS管MP1的电流之和等于第一电流源I1电流，当第二PMOS管MP2从关断状态到开启状转变时，流经第二PMOS管MP2的电流也随之增大，进而增大了后级的偏置电流，从而改变了振荡器的振荡频率。并且可以根据不同需求的振荡频率来设置片外可调电压Vctrl的大小。
振荡与补偿单元用于根据电容充放电来产生振荡信号CLK，利用电流产生单元产生的电流控制振荡信号CLK的频率，并且能够通过补偿使得振荡信号CLK的振荡频率的可调性提高；如图3所示给出了振荡与补偿单元的一种电路实现结构，包括第一反相器INV1、第二反相器INV2、第三反相器INV3、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第一电阻R1、第二电阻R2、第一传输门TG1和第二传输门TG2，第一传输门TG1的输入端作为振荡与补偿单元的第二输入端，其输出端连接第二传输门TG2的输出端和第一反相器INV1的输入端；第二传输门TG2的输入端作为振荡与补偿单元的第一输入端；第二反相器INV2的输入端连接第一反相器INV1的输出端，其输出端作为振荡与补偿单元的输出端并连接第三反相器INV3的输入端、第一传输门TG1的低电平有效使能端和第二传输门TG2的高电平有效使能端；第三反相器INV3的输出端连接第一传输门TG1的高电平有效使能端和第二传输门TG2的低电平有效使能端；第一电阻R1和第二电阻R2串联并接在作为振荡与补偿单元的输出端和地VSS之间；第一电容C1和第二电容C2串联并接在作为振荡与补偿单元的输出端和地VSS之间，其串联点连接第一电阻R1和第二电阻R2的串联点并通过第三电容C3后连接第一反相器INV1的输入端。
当振荡与补偿单元的输出端即结点C的电位高低转变时，通过控制第一传输门TG1和第二传输门TG2的开关状态来实现对第三电容C3的充放电，A点即第一反相器INV1的输入端的电位通过第一反相器INV1和第二反相器INV2实现高低电平翻转，产生振荡信号CLK。第一电阻R1、第二电阻R2、第一电容C1和第二电容C2构成补偿单元，第一电阻R1和第二电阻R2可以使A点充放电电平离开简并点，提高振荡频率的可调节性，第一电容C1和第二电容C2主要为了加速第三电容C3上的电平变化。
尖峰吸收单元用于消除充放电状态切换时由于寄生电容产生的电压尖峰，提高噪声抑制能力；如图1所示，尖峰吸收单元包括第四NMOS管MN和第五PMOS管MP，第四NMOS管MN的栅极连接振荡与补偿单元的输出端，其源极接地VSS，其漏极连接电流产生单元的第一输出端OUT1和振荡与补偿单元的第一输入端；第五PMOS管MP的栅极连接振荡与补偿单元的输出端，其源极连接电源电压VDD，其漏极连接电流产生单元的第二输出端OUT2和振荡与补偿单元的第二输入端。
当电流产生单元产生的电流对第三电容C3充电时，第四NMOS管MN关断，第五PMOS管MP开启，电流产生单元第一输出端OUT1输出的电流流经第二传输门TG2，电流产生单元第二输出端OUT2输出的电流流经第五PMOS管MP；当电流产生单元产生的电流对第三电容C3放电时，第四NMOS管MN开启，第五PMOS管MP关断，电流产生单元的第一输出端OUT1输出的电流流经第四NMOS管MN，电流产生单元的第二输出端OUT2输出的电流流经第二传输门TG1，可以有效地消除在充放电状态切换时由于寄生电容产生的电压尖峰。
输出缓冲单元主要是用于对输出的振荡信号CLK的整型，可以去除输出信号的毛刺，使得输出振荡信号CLK更加理想。输出缓冲单元可以由偶数个反相器构成，输出缓冲单元的输入端连接振荡与补偿单元的输出端，其输出端作为振荡器电路的输出端输出振荡信号CLK。
综上所述，本发明提出的振荡器电路，可以实现频率片外调节，不含双极型晶体管，具有较宽的输出频率范围；另外本发明提出了一种新的电流产生的方法，并应用在该振荡器电路中；利用片外可调电压Vctrl改变电流产生单元产生的电流来准确控制产生的振荡信号CLK的不同频率输出；另外利用尖峰吸收电路消除充放电状态切换时由于寄生电容产生的电压尖峰，提高噪声抑制能力；本发明的电路结构简单，输出振荡频率的可调节性大，频率的输出范围宽，应用场合范围更广。
本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其他各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种片外可调的弛张型压控振荡器电路，其特征在于，包括电流产生单元、尖峰吸收单元、振荡与补偿单元和输出缓冲单元，
所述电流产生单元包括第一NMOS管(MN1)、第二NMOS管(MN2)、第三NMOS管(MN3)、第一PMOS管(MP1)、第二PMOS管(MP2)、第三PMOS管(MP3)、第四PMOS管(MP4)、第一电流源(I1)和第二电流源(I2)，
第一PMOS管(MP1)的栅极连接片外可调电压(Vctrl)，其源极连接第二PMOS管(MP2)的源极并通过第一电流源(I1)后连接电源电压(VDD)，其漏极连接第一NMOS管(MN1)、第二NMOS管(MN2)和第三NMOS管(MN3)的源极并接地(VSS)；
第二PMOS管(MP2)的栅极连接偏置电压(Vbias)，其漏极连接第一NMOS管(MN1)的栅极和漏极以及第二NMOS管(MN2)和第三NMOS管(MN3)的栅极并通过第二电流源(I2)后连接电源电压(VDD)；
第三PMOS管(MP3)的栅漏短接并连接第二NMOS管(MN2)的漏极和第四PMOS管(MP4)的栅极，其源极连接第四PMOS管(MP4)的源极并连接电源电压(VDD)；
第四PMOS管(MP4)的漏极作为所述电流产生单元的第一输出端(OUT1)，第三NMOS管(MN3)的漏极作为所述电流产生单元的第二输出端(OUT2)；
所述尖峰吸收单元包括第四NMOS管(MN)和第五PMOS管(MP)，第四NMOS管(MN)的栅极连接所述振荡与补偿单元的输出端，其源极接地(VSS)，其漏极连接所述电流产生单元的第一输出端(OUT1)和所述振荡与补偿单元的第一输入端；
第五PMOS管(MP)的栅极连接振荡与补偿单元的输出端，其源极连接电源电压(VDD)，其漏极连接所述电流产生单元的第二输出端(OUT2)和所述振荡与补偿单元的第二输入端；
所述输出缓冲单元的输入端连接所述振荡与补偿单元的输出端，其输出端作为所述振荡器电路的输出端；
所述振荡与补偿单元包括第一反相器(INV1)、第二反相器(INV2)、第三反相器(INV3)、第一电容(C1)、第二电容(C2)、第三电容(C3)、第一电阻(R1)、第二电阻(R2)、第一传输门(TG1)和第二传输门(TG2)，
第一传输门(TG1)的输入端作为所述振荡与补偿单元的第二输入端，其输出端连接所述第二传输门(TG2)的输出端和第一反相器(INV1)的输入端；
第二传输门(TG2)的输入端作为所述振荡与补偿单元的第一输入端；
第二反相器(INV2)的输入端连接第一反相器(INV1)的输出端，其输出端作为所述振荡与补偿单元的输出端并连接第三反相器(INV3)的输入端、第一传输门(TG1)的低电平有效使能端和第二传输门(TG2)的高电平有效使能端；
第三反相器(INV3)的输出端连接第一传输门(TG1)的高电平有效使能端和第二传输门(TG2)的低电平有效使能端；
第一电阻(R1)和第二电阻(R2)串联并接在作为所述振荡与补偿单元的输出端和地(VSS)之间；
第一电容(C1)和第二电容(C2)串联并接在作为所述振荡与补偿单元的输出端和地(VSS)之间，其串联点连接第一电阻(R1)和第二电阻(R2)的串联点并通过第三电容(C3)后连接第一反相器(INV1)的输入端。
2.根据权利要求1所述的片外可调的弛张型压控振荡器电路，其特征在于，所述输出缓冲单元包括偶数个串联的反相器。
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