CN109167571A - 一种低功耗环形振荡器及其实现方法 - Google Patents

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许卫明
史兴强
朱晓宇
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Abstract

本发明公开一种低功耗环形振荡器及其实现方法，属于环形振荡技术领域。所述低功耗环形振荡器包括可变电阻Rx、使能开关Sen、可编程偏置电流模块Ix、多个复位开关、环形振荡环路和RS触发器。本发明还提供了低功耗环形振荡器的实现方法，通过可编程偏置电流的输入，产生对应的环形振荡器充放电电流，这样环形振荡器的功耗就可以通过偏置电流进行调节，达到低功耗和频率调节的目的。同时，通过改变环形振荡环路中反向器级联个数，也可以进行频率调节。基于此方法的环形振荡器可以在较大范围内数字化调节频率，同时有效降低功耗，可以应用于不同的场合。

Description

一种低功耗环形振荡器及其实现方法
技术领域
本发明涉及环形振荡技术领域，特别涉及一种低功耗环形振荡器及其实现方法。
背景技术
随着半导体行业发展，CMOS工艺生产技术提高，芯片面积越来越小，对芯片内部各模块的低功耗、高稳定、高精度要求也越来越高，振荡器模块作为系统时钟产生的关键部件，广泛应用于电子及通信系统中。
环形振荡器大多采用反向器级联的方式，如图1所示，通过对反向器输出端的电容进行充放电来产生振荡信号，这种结构工作电流大，功耗较高，输出信号是固定的频率，不可调节，很难满足现在高端芯片对振荡器高精度、高稳定、低功耗的要求。
随着技术的进步，越来越多的便携式应用场合中需要在使用电池供电，为了更长的电池使用寿命，要求集成电路有更低的功耗；同时，越来越多的模块集成，它们的时钟频率也不尽相同，电路中时钟信号需要可编程的输出。
发明内容
本发明的目的在于提供一种低功耗环形振荡器及其实现方法，以解决现有环形振荡器功耗大，且输出频率不可调的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供一种低功耗环形振荡器，包括可变电阻Rx、使能开关Sen、可编程偏置电流模块Ix、多个复位开关、环形振荡环路和RS触发器；其中，
所述可变电阻Rx一端通过使能开关Sen接电源，另一端接可编程偏置电流模块Ix，可编程偏置电流模块Ix的另一端接地，并产生偏置电流Ibias_P和Ibias_N，多个复位开关分别接入偏置电流Ibias_P和Ibias_N，以及环形振荡环路的每一节，输出接到RS触发器，产生振荡信号。
可选的，所述低功耗环形振荡环路还包括多个环形振荡级数调节开关，用于设置环形振荡回路中反向器个数。
可选的，所述环形振荡环路由奇数级反向器和多个电容构成。
本发明还提供了一种低功耗环形振荡器的实现方法，包括如下步骤：
步骤1、复位可编程偏置电流模块Ix，清空电容电荷；
步骤2、设置可编程偏置电流；
步骤3、环形振荡回路反向器个数设置；
步骤4、设置使能开关，环形振荡器开始工作；
步骤5、测量输出信号频率，若不满足要求，重复步骤2和步骤3，直到满足规范要求。
可选的，所述步骤2中设置可编程偏置电流分为两部分：首先调节可变电阻Rx，产生初始的偏置电流输出到可编程偏置电流模块Ix；然后调节可编程偏置电流模块Ix中MOS管跟后级偏置MOS管的比例关系，来决定环形振荡环路中的反向器偏置电流大小，最终确定输出信号的频率。
在本发明中提供了一种低功耗环形振荡器及其实现方法，所述低功耗环形振荡器包括可变电阻Rx、使能开关Sen、可编程偏置电流模块Ix、多个复位开关、环形振荡环路和RS触发器。可变电阻Rx一端通过使能开关Sen接电源，另一端接可编程偏置电流模块Ix，可编程偏置电流模块Ix的另一端接地，并产生偏置电流Ibias_P和Ibias_N，多个复位开关分别接入偏置电流Ibias_P和Ibias_N，以及环形振荡器的每一节，输出接到RS触发器，产生振荡信号。本发明还提供了低功耗环形振荡器的实现方法，通过可编程偏置电流的输入，产生对应的环形振荡器充放电电流，这样环形振荡器的功耗就可以通过偏置电流进行调节，达到低功耗和频率调节的目的。同时，通过改变环形振荡环路中反向器级联个数，也可以进行频率调节。基于此方法的环形振荡器可以在较大范围内数字化调节频率，同时有效降低功耗，可以应用于不同的场合。
附图说明
图1是现有环形振荡器的结构示意图；
图2是本发明提供的低功耗环形振荡器的结构示意图；
图3是图2的虚线框中的具体结构示意图；
图4是本发明提供的低功耗环形振荡器的实现方法的流程示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明提出的一种低功耗环形振荡器及其实现方法作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
实施例一
本发明提供了一种低功耗环形振荡器，其结构示意图如图2所示。所述低功耗环形振荡器包括可变电阻Rx、使能开关Sen、可编程偏置电流模块Ix、多个复位开关、偏置电流Ibias_P和Ibias_N、环形振荡环路和RS触发器。
具体的，如图3所示，所述可变电阻Rx一端通过所述使能开关Sen接电源，另一端接所述可编程偏置电流模块Ix，所述可编程偏置电流模块Ix的另一端接地，并产生偏置电流Ibias_P和Ibias_N，作为充放电电流；多个复位开关Sr<0>，Sr<1>，...，Sr<n-1>，Sr<n>分别接入偏置电流Ibias_P和Ibias_N，以及环形振荡环路的每一节，用来清空电荷；输出接到RS触发器，产生振荡信号fout。进一步的，所述低功耗环形振荡器还包括多个环形振荡级数调节开关S<0>，S<1>，...，S<n-1>，S<n>，用于设置环形振荡环路中反向器个数，所述环形振荡环路由奇数级反向器和多个电容C<0>，C<1>，...，C<n-1>，C<n>构成。
通过奇数级的带可编程偏置电流模块的反向器级联，不断地对电容C<0>，C<1>，...，C<n-1>，C<n>进行充放电，来快速产生频率可变的输出信号，调节可变电阻Rx产生原始的偏置电流，再通过可编程偏置电流模块Ix中的MOS管跟后级偏置MOS管的比例关系（该MOS管跟后级偏置MOS管组成电流镜的前后级），产生环形振荡器中电容的充放电电流，再通过RS触发器的整形输出，最终产生宽范围频率变化的时钟信号fout。
实施例二
本发明提供了一种低功耗环形振荡器的实现方法，流程示意图如图4所示，包括如下步骤：
步骤S41、复位可编程偏置电流模块Ix，清空电容电荷；
步骤S42、设置偏置电流；
步骤S43、环形振荡回路反向器个数设置；
步骤S44、设置使能开关，环形振荡器开始工作；
步骤S45、测量输出信号频率，若不满足要求，重复步骤S42和步骤S43，直到满足规范要求。
具体的，首先使能开关Sen关闭，复位开关Sr<0>闭合，偏置电流关闭，复位开关Sr<1>，...，Sr<n-1>，Sr<n>闭合，电容电荷清空。
接着寄存器配置，设置可编程偏置电流。具体的，设置可编程偏置电流分为两部分，首先是可变电阻Rx的调节，产生初始的偏置电流，输出到可编程偏置电流模块Ix；然后调节可编程偏置电流模块Ix中MOS管跟后一级MOS管的比例关系，来决定环形振荡环路中的反向器偏置电流大小，最终确定输出信号的频率。偏置电流用来给电容充放电，其大小低至uA级，有效地降低了振荡模块的功耗。
然后寄存器配置，环形振荡回路反向器个数设置。通过开关S<0>，S<1>，...，S<n-1>，S<n>的开/关来设置环形振荡回路中反向器个数，每个步进减少的反向器个数为奇数，用来调节单个周期中充放电延时，对输出信号频率做相应的微调。
以上两步中的设置完成后，查看输出信号频率规范，环形振荡器开始工作，大约一个时钟周期后，振荡波形产生。振荡波形输出后，通过测试管脚测试其频率，并跟规范要求频率对比，判断是否在规范要求范围内。若不满足，重新设置偏置电流和环路反向器个数，直到输出信号频率满足规范要求。
可编程偏置电流的输入，产生对应的环形振荡器充放电电流，这样环形振荡器的功耗就可以通过偏置电流进行调节，达到低功耗和频率调节的目的。同时，通过改变环形振荡环路中反向器级联个数，也可以进行频率调节。基于此方法的环形振荡器可以在较大范围内数字化调节频率，同时有效降低功耗，可以应用于不同的场合。
上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。

Claims (5)

1.一种低功耗环形振荡器，其特征在于，包括可变电阻Rx、使能开关Sen、可编程偏置电流模块Ix、多个复位开关、环形振荡环路和RS触发器；其中，
所述可变电阻Rx一端通过使能开关Sen接电源，另一端接可编程偏置电流模块Ix，可编程偏置电流模块Ix的另一端接地，并产生偏置电流Ibias_P和Ibias_N，多个复位开关分别接入偏置电流Ibias_P和Ibias_N，以及环形振荡环路的每一节，输出接到RS触发器，产生振荡信号。
2.如权利要求1所述的低功耗环形振荡器，其特征在于，所述低功耗环形振荡器还包括多个环形振荡级数调节开关，用于设置环形振荡环路中反向器个数。
3.如权利要求1所述的低功耗环形振荡器，其特征在于，所述环形振荡环路由奇数级反向器和多个电容构成。
4.一种低功耗环形振荡器的实现方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1、复位可编程偏置电流模块Ix，清空电容电荷；
步骤2、设置偏置电流；
步骤3、环形振荡回路反向器个数设置；
步骤4、设置使能开关，环形振荡器开始工作；
步骤5、测量输出信号频率，若不满足要求，重复步骤2和步骤3，直到满足规范要求。
5.如权利要求4所述的低功耗环形振荡器的实现方法，其特征在于，所述步骤2中设置偏置电流分为两部分：首先调节可变电阻Rx，产生初始的偏置电流输出到可编程偏置电流模块Ix；然后调节可编程偏置电流模块Ix中MOS管跟后级偏置MOS管的比例关系，来决定环形振荡环路中的反向器偏置电流大小，最终确定输出信号的频率。
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