CN109257032A - 低频振荡器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种一种低频振荡器，由四个PMOS晶体管，五个NMOS晶体管，两个比较器，一个RS触发器，一个反相器，一个电容，两个电阻组成。本发明能够由低频振荡器本身产生基准电压。

Description

低频振荡器
技术领域
本发明涉及半导体集成电路领域，特别是涉及一种低频振荡器。
背景技术
片上低功耗低频振荡器在微控制器(MCU)等产品中用于待机时钟，上电计数等。典型的低功耗低频振荡器频率为32KHz～500KHz。
图1是一种现有的低频振荡器原理图，由三个比较器CMP3～CMP5，两个PMOS晶体管MP5、MP6，一个RS触发器，一个电阻R3，两个电容C2、C3，四个电子开关S1～S4组成。电子开关S2、S4由RS触发器的输出端Q端控制(如图中的To S2、S4)，电子开关S1、S3由RS触发器的输出端端控制(如图中的To S1、S3)。
这种传统的低频振荡器工作原理是：
当CAPP小于VREF时，比较器CMP4输出低电平，RS触发器S端有效，电子开关S2和S4闭合，电子开关S1和S3打开，电容C2放电，电容C3充电，反之亦然，形成弛豫振荡。
假设PMOS晶体管MP5＝MP6，支路电流I:VREF/R3。
单个电容上C3的Q＝ΔV×C3＝I×T，ΔV:VREF-0，T＝R1×C3，C3＝C2所以频率F＝1/(2×T)＝1/(2×R3×C3)。其中，T为绝对温度，Q为电荷常量，VREF为参考电压。
这种传统的低频振荡器需要由外部提供基准电压，参考电流和参考电压不同源。所以存在不同的电压系数和温度系数，导致输出频率的温度系数较大。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种低频振荡器，能够由低频振荡器本身产生基准电压。
为解决上述技术问题，本发明的低频振荡器，由四个PMOS晶体管、五个NMOS晶体管、两个比较器、一个反相器、一个RS触发器、一个电容和两个电阻组成；
第一至第四PMOS晶体管的源极与电源电压端VDD相连接，第一PMOS晶体管的栅极和漏极与第二PMOS晶体管的栅极、第一NMOS晶体管的漏极相连接，其连接的节点记为PB；第二PMOS晶体管的漏极与第三PMOS晶体管的栅极，第四PMOS晶体管的栅极和第二NMOS晶体管的漏极相连接，其连接的节点记为PG；第一NMOS晶体管的源极与第二NMOS晶体管的源极、第四NMOS晶体管的漏极相连接；
第三PMOS晶体管的漏极与第二电阻的一端相连接，第二电阻的另一端与第一电阻的一端、第一NMOS晶体管的栅极相连接，其连接的节点记为VM；第一电阻的另一端与第二NMOS晶体管的栅极、第三NMOS晶体管的栅极和漏极、第四NMOS晶体管的栅极相连接，其连接的节点记为VN；第三NMOS晶体管的源极和第四NMOS晶体管的源极接地；第四PMOS晶体管的漏极与所述反相器的正电源端相连接，第五NMOS晶体管的漏极与所述反相器的负电源端相连接，其栅极与所述节点VN端相连接，其源极接地；所述反相器的输出端与第一比较器的反向输入端、第二比较器的正向输入端以及第一电容的一端相连接，其连接的节点记为VC，第一电容的另一端接地；第一比较器的正向输入端与所述节点VP端相连接，第二比较器的反向输入端与所述节点VN端相连接；第一比较器的输出端与RS触发器的置位端S相连接，第二比较器的输出端与RS触发器的复位端R相连接，RS触发器的输出端Q与反相器的输入端相连接。
采用本发明的低频振荡器不需要由外部提供基准电压，完全由该低频振荡器自身产生基准电压。
本发明在同样支路电流的情况下，使得振荡幅度的范围增加，比较器失调电压带来的频率非线性减少。
附图说明
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：
图1是现有的低频振荡器原理图；
图2是改进后的低频振荡器一实施例原理图；
图3是图2中偏置电压和电流产生电路原理图；
图4是仿真结果图(瞬态)；
图5是仿真结果图(温度特性)。
具体实施方式
图2是改进后的低频振荡器一实施例原理图，在图2所示的实施例中，这种改进后的低频振荡器由四个PMOS晶体管MP1～MP4，五个NMOS晶体管MN1～MN5，两个比较器CMP1、CMP2，一个反相器，一个RS触发器，一个电容C1，两个电阻R1、R2组成。
PMOS晶体管MP1～MP4的源极与电源电压端VDD相连接，PMOS晶体管MP1的栅极和漏极与PMOS晶体管MP2的栅极、NMOS晶体管MN1的漏极相连接，其连接的节点记为PB。PMOS晶体管MP2的漏极与PMOS晶体管MP3的栅极，PMOS晶体管MP4的栅极和NMOS晶体管MN2的漏极相连接，其连接的节点记为PG。NMOS晶体管MN1的源极与NMOS晶体管MN2的源极、NMOS晶体管MN4的漏极相连接。
PMOS晶体管MP3的漏极与电阻R2的一端相连接，电阻R2的另一端与电阻R1的一端、NMOS晶体管MN1的栅极相连接，其连接的节点记为VM。电阻R1的另一端与NMOS晶体管MN2的栅极、NMOS晶体管MN3的栅极和漏极、NMOS晶体管MN4的栅极相连接，其连接的节点记为VN。NMOS晶体管MN3的源极和NMOS晶体管MN4的源极接地。
PMOS晶体管MP4的漏极与所述反相器INV的正电源端相连接。
NMOS晶体管MN5的漏极与所述反相器INV的负电源端相连接，其栅极与所述节点VN端相连接，其源极接地GND。
所述反相器INV的输出端与比较器CMP1的反向输入端、比较器CMP2的正向输入端以及电容C1的一端相连接，其连接的节点记为VC。电容C1的另一端接地。
比较器CMP1的正向输入端与所述节点VP端相连接，比较器CMP2的反向输入端与所述节点VN端相连接。
比较器CMP1的输出端与RS触发器的置位端S相连接，比较器CMP2的输出端与RS触发器的复位端R相连接，RS触发器的输出端Q与反相器INV的输入端相连接。
当节点VC端的电压大于节点VP端时，比较器CMP1输出低RS触发器S端有效，输出端Q为高电平，反相器INV输出低电平，对电容C1放电，节点VC端的电压下降；反之亦然，形成弛豫振荡。
振荡频率为F＝1/(2×(R1+R2)×C1)。
参见图3所示，由PMOS晶体管MP1～MP3、NMOS晶体管MN1～MN4、电阻R1、R2组成了图2所示低频振荡器的偏置电压和电流产生电路。
其中，MN2＝N*MN1，R1上的电压差为(kT/q)*lnN，R1上流过电流为IB，IB＝(kT/q)*lnN/R1，设R1的温度系数和(kT/q)相等，当IB等于0温度系数，调整R2的温度系数，使(R1+R2)C等于0温度系数，所以得到等于0温度系数的频率。“*”表示乘号，k是波尔兹曼常数，T是绝对温度，q是电荷常量，N是NMOS晶体管MN2和NMOS晶体管MN1的比值，ln是以e为底数的对数。
图4、5是仿真的结果，图4表示输出时钟的瞬态波形。图5表示输出时钟频率的温度特性(-40～125℃)。
以上通过具体实施方式对本发明进行了详细的说明，但这些并非构成对本发明的限制。在不脱离本发明原理的情况下，本领域的技术人员还可做出许多变形和改进，这些也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种低频振荡器，其特征在于：由四个PMOS晶体管，五个NMOS晶体管、一个反相器、两个比较器、一个RS触发器、一个电容和两个电阻组成；第一至第四PMOS晶体管的源极与电源电压端VDD相连接，第一PMOS晶体管的栅极和漏极与第二PMOS晶体管的栅极、第一NMOS晶体管的漏极相连接，其连接的节点记为PB；第二PMOS晶体管的漏极与第三PMOS晶体管的栅极，第四PMOS晶体管的栅极和第二NMOS晶体管的漏极相连接，其连接的节点记为PG；第一NMOS晶体管的源极与第二NMOS晶体管的源极、第四NMOS晶体管的漏极相连接；
第三PMOS晶体管的漏极与第二电阻的一端相连接，第二电阻的另一端与第一电阻的一端、第一NMOS晶体管的栅极相连接，其连接的节点记为VM；第一电阻的另一端与第二NMOS晶体管的栅极、第三NMOS晶体管的栅极和漏极、第四NMOS晶体管的栅极相连接，其连接的节点记为VN；第三NMOS晶体管的源极和第四NMOS晶体管的源极接地；第四PMOS晶体管的漏极与所述反相器的正电源端相连接，第五NMOS晶体管的漏极与所述反相器的负电源端相连接，其栅极与所述节点VN端相连接，其源极接地；所述反相器的输出端与第一比较器的反向输入端、第二比较器的正向输入端以及第一电容的一端相连接，其连接的节点记为VC，第一电容的另一端接地；第一比较器的正向输入端与所述节点VP端相连接，第二比较器的反向输入端与所述节点VN端相连接；第一比较器的输出端与RS触发器的置位端S相连接，第二比较器的输出端与RS触发器的复位端R相连接，RS触发器的输出端Q与反相器的输入端相连接。
2.如权利要求1所述的低频振荡器，其特征在于：当节点VC端的电压大于节点VP端时，第一比较器输出低电平，RS触发器S端有效，其输出端Q为高电平，反相器输出低电平，对第一电容放电，节点VC端的电压下降；反之亦然，形成弛豫振荡。
3.如权利要求1或2所述的低频振荡器，其特征在于：振荡频率F＝1/2×(R1+R2)×C1，其中，R1为第一电阻，R2为第二电阻，C1为第一电容。
4.如权利要求1所述的低频振荡器，其特征在于：由第一PMOS晶体管～第三PMOS晶体管、第一NMOS晶体管～第四NMOS晶体管、第一电阻、第二电阻组成了所示低频振荡器的偏置电压和电流产生电路；
其中，MN2＝N*MN1，R1上的电压差为(kT/q)*lnN，R1上流过电流为IB，IB＝(kT/q)*lnN/R1，设R1的温度系数和(kT/q)相等，当IB等于0温度系数，调整R2的温度系数，使(R1+R2)C等于0温度系数，所以得到等于0温度系数的频率，“*”表示乘号，k是波尔兹曼常数，T是绝对温度，q是电荷常量，N是MN2和的比值，ln是以e为底数的对数，MN2为第二NMOS晶体管，MN1为第一NMOS晶体管，R1为第一电阻，R2为第二电阻。
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