CN109714029B - 锯齿波发生电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种锯齿波发生电路，MOSCAP电容、第一电流源、第一PMOS管、第一NMOS管、运算放大器、斯密特触发器和延时器组成锯齿波发生单元产生锯齿波信号；第二PMOS管、第二NMOS管、第三NMOS管、第四NMOS管和第二电流源组成拉升电路用于快速拉升MOSCAP电容电压至强反型状态；第五NMOS管和第三电流源组成源极跟随电路保证锯齿波电压从0开始上升；延时器、单刀单掷开关和第一电容组成采样保持电路用于记忆锯齿波下限比较电压；单刀双掷开关用于选择上限比较电压和下限比较电压。本发明通过增加电路控制MOSCAP电容快速工作于强反型状态，保证了锯齿波的幅度范围，可产生大幅度高线性度的锯齿波。

Description

锯齿波发生电路

技术领域

本发明属于模拟集成电路领域，具体涉及一种高线性度的锯齿波发生电路。

背景技术

在模拟集成电路的设计中，锯齿波发生器有着广泛的应用。传统的锯齿波发生器中，充放电电路的电容通常采用MOS电容，这样可以减少制造中使用光刻板，降低制造成本。

图1是现有的采用MOSCAP电容的锯齿波发生电路的电路结构图。电流源I_C为充电电流，PMOS管MP1和NMOS管MN1分别控制充电和放电，图例中采用MOSCAP电容做充放电电容，用运算放大器OA和斯密特触发器SMIT组成比较器。当MOSCAP电容的电压V_ST慢速充电达到上限V_R时，比较器翻转，V_PULSE＝1，经过延时器DELAY后，NMOS管MN1导通，MOSCAP电容放电。延时器DELAY的作用是确保环路延时内，MOSCAP电容快速放电至0。然后比较器翻转，V_PULSE＝0，电流源I_C再次通过PMOS管MP1给MOSCAP电容慢速充电。锯齿波V_ST就产生了，锯齿波的斜率由充电电流I_C和MOSCAP电容的容值决定。

但是这个电路产生的锯齿波存在线性度不佳的缺陷。在系统应用中，这将导致使用这种锯齿波发生器的PWM(脉冲宽度调制)系统的线性还原度变差。

发明内容

本发明要解决的技术问题是为了克服现有技术中锯齿波线性度不佳的缺陷，提供一种高线性度的锯齿波发生电路。

本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题：

一种锯齿波发生电路，包括MOSCAP电容、第一电源、第二电源、第一电流源、第二电流源、第三电流源、第一PMOS管、第二PMOS管、第一NMOS管、第二NMOS管、第三NMOS管、第四NMOS管、第五NMOS管、运算放大器、斯密特触发器、延时器、单刀单掷开关、单刀双掷开关和第一电容；

所述第一电流源的一端连接所述第一电源，另一端连接所述第一PMOS管的源级，所述第一PMOS管的漏极、所述第一NMOS管的漏级、所述MOSCAP电容的栅极和所述第三NMOS管的栅极、所述第四NMOS管的源极、所述第五NMOS管的栅极电连接在一起，所述第一NMOS管的源极接地，所述MOSCAP电容的源极和漏级均接地；所述第二电流源的一端连接所述第一电源和所述第五NMOS管的漏极，另一端连接所述第二PMOS管的源级，所述第二NMOS管的源极接地,所述第三NMOS管的源极接地，所述第二PMOS管的漏极、所述第二NMOS管的漏极、所述第三NMOS管的漏极、所述第四NMOS管的栅极和所述延时器的输入端电连接在一起，所述第四NMOS管的漏极连接所述第一电源；所述延时器的输出端连接所述单刀单掷开关的控制端，所述第三电流源的一端接地，另一端与所述第五NMOS管的源极、所述单刀单掷开关的固定端、所述运算放大器的负级输入端电连接在一起，所述运算放大器的正级输入端连接所述单刀双掷开关的固定端，所述运算放大器的输出端连接所述斯密特触发器的输入端；所述单刀单掷开关的活动端与所述第一电容的一端、所述单刀双掷开关的第二活动端电连接在一起，所述第一电容的另一端接地；所述单刀双掷开关第一活动端连接所述第二电源；所述斯密特触发器的输出端与所述单刀双掷开关的控制端、所述第一PMOS管的栅极、所述第一NMOS管的栅极、所述第二PMOS管的栅极、所述第二NMOS管的栅极电连接在一起；

所述第五NMOS管的源极输出锯齿波电压。

本发明的积极进步效果在于：增加拉升电路、源级跟随电路、采样保持电路和单刀双掷开关，可自动控制MOSCAP电容快速工作于强反型状态，同时又最大限度的保证了锯齿波的幅度范围，保证可产生大幅度高线性度的锯齿波。电路中仅使用了MOS管，不需要增加新的层次和特殊工艺，可普遍集成于芯片内部，节省芯片面积和成本。

附图说明

图1为现有技术的锯齿波发生器的电路结构示意图。

图2为本发明的一较佳实施例的锯齿波发生电路的电路结构示意图。

图3为本发明的一较佳实施例的锯齿波发生电路的各节点的电压波形图。

具体实施方式

下面通过实施例的方式进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。

本实施例提供一种高线性度的锯齿波发生电路，如图2所示，本实施例的高线性度的锯齿波发生电路包括MOSCAP电容、第一电源V_DD、第二电源V_R、第一电流源I_C、第二电流源I_B1、第三电流源I_B2、第一PMOS管MP1、第二PMOS管MP2、第一NMOS管MN1、第二NMOS管MN2、第三NMOS管MN3、第四NMOS管MN4、第五NMOS管MN5、运算放大器U1、斯密特触发器U2、延时器DELAY、单刀单掷开关SW、单刀双掷开关SPDT和第一电容C_S。

本实施例中，第一电流源I_C的一端连接第一电源V_DD，另一端连接第一PMOS管MP1的源级，第一PMOS管MP1的漏极、第一NMOS管MN1的漏级、MOSCAP电容的栅极和第三NMOS管MN3的栅极、第四NMOS管MN4的源极、第五NMOS管MN5的栅极电连接在一起，形成节点V_C；第一NMOS管MN1的源极接地，MOSCAP电容的源极和漏级均接地；第二电流源I_B1的一端连接第一电源V_DD和第五NMOS管MN5的漏极，另一端连接第二PMOS管MP2的源级，第二NMOS管MN2的源极接地,第三NMOS管MN3的源极接地，第二PMOS管MP2的漏极、第二NMOS管MN2的漏极、第三NMOS管MN3的漏极、第四NMOS管MN4的栅极和延时器DELAY的输入端电连接在一起，形成节点V_S，第四NMOS管MN4的漏极连接第一电源V_DD；延时器DELAY的输出端连接单刀单掷开关SW的控制端，第三电流源I_B2的一端接地，另一端与第五NMOS管MN5的源极、单刀单掷开关SW的固定端、运算放大器U1的负级输入端电连接在一起，形成节点V_ST，运算放大器U1的正级输入端连接单刀双掷开关SPDT的固定端，运算放大器U1的输出端连接斯密特触发器U2的输入端；单刀单掷开关SW的活动端与第一电容C_S的一端、单刀双掷开关SPDT的第二活动端S1电连接在一起，第一电容C_S的另一端接地；单刀双掷开关SPDT的第一活动端S0连接第二电源V_R；斯密特触发器U2的输出端与单刀双掷开关SPDT的控制端、第一PMOS管MP1的栅极、第一NMOS管MN1的栅极、第二PMOS管MP2的栅极、第二NMOS管MN2的栅极电连接在一起，形成节点V_PULSE。

节点V_ST输出锯齿波电压。

其中，MOSCAP电容、第一电源V_DD、第一PMOS管MP1、第一NMOS管MN1、运算放大器U1、斯密特触发器U2和延时器DELAY组成锯齿波发生单元，用于产生锯齿波波形；第二PMOS管MP2、第二NMOS管MN2、第三NMOS管MN3、第四NMOS管MN4和第二电流源I_B1组成拉升电路，用于保证MOSCAP电容先快速拉升至强反型状态，然后从强反型状态开始慢速充电；第五NMOS管MN5和第三电流源I_B2组成源极跟随电路，用于保证锯齿波电压从0开始上升；延时器DELAY、单刀单掷开关SW和第一电容C_S组成采样保持电路，用于记忆锯齿波下限比较电压；单刀双掷开关SPDT用于选择上限比较电压和下限比较电压。

本实施例的工作过程如下：

当MOSCAP电容充电时，V_PULSE为低电平，第二PMOS管MP2导通，当V_C电压低于第三NMOS管MN3的阈值电压时，第四NMOS管MN4的栅极为高，第四NMOS管MN4将MOSCAP电容电压V_C快速拉升至第三NMOS管MN3的阈值电压(在此过程中，V_S电压为高，单刀单掷开关SW导通，延时器DELAY、单刀单掷开关SW和第一电容C_S组成的采样保持电路记忆此时的V_ST电压为锯齿波下限比较电压V_L)，当V_C超过第三NMOS管MN3的阈值电压时，第四NMOS管MN4的栅极变低，第四NMOS管MN4关闭。此时，MOSCAP电容的电压V_C已经超过阈值电压，MOSCAP电容工作在强反型状态，MOSCAP电容的容值保持恒定，充电电流I_C继续给MOSCAP电容充电，MOSCAP电容电压V_C平稳上升。在充电过程中，因为V_PULSE为低电平，单刀双掷开关SPDT选择的比较电压是上限比较电压V_R。所以MOSCAP电容电压V_C平稳上升至V_R，然后由运算放大器U1和斯密特触发器U2组成的比较器翻转，V_PULSE为高电平，开始放电。

当MOSCAP电容放电时，V_PULSE为高电平，第一NMOS管MN1、第二NMOS管MN2导通，MOSCAP电容通过第一NMOS管MN1快速放电，第二NMOS管MN2导通保证第四NMOS管MN4在放电过程中关闭。在放电过程中，因为V_PULSE为高电平，单刀双掷开关SPDT选择的比较电压是下限比较电压V_L。因为V_L是第三NMOS管MN3临近导通时V_ST的电压，所以MOSCAP电容电压V_C平稳下降至第三NMOS管MN3临近导通时的V_C电压，然后由运算放大器U1和斯密特触发器U2组成的比较器翻转，V_PULSE为低电平，开始充电。

本实施例的锯齿波发生电路通过增加延时器DELAY、单刀单掷开关SW和第一电容C_S组成的采样保持电路，记忆MOSCAP电容电压接近强反型时的V_C电压作为充电电容的下限电压，并使用第四NMOS管MN4在MOSCAP电容电压低于导通阈值时快速拉升至导通阈值，使MOSCAP电容快速工作于强反型状态；然后增加了第三NMOS管MN3来监测MOSCAP电容电压是否高于导通阈值，以决定是否关闭第四NMOS管MN4，并提供采样保持的脉冲控制信号；增加第二NMOS管MN2是为了在放电时确保第四NMOS管MN4关闭；增加第二PMOS管MP2和第二电流源I_B1是为了在充电开始时拉升V_S。增加了第五NMOS管MN5和偏置电流--第二电流源I_B2组成的源级跟随电路是为了让V_ST锯齿波信号从接近于0开始上升；通过合理的控制各个管子的尺寸和偏置电流以及延时器DELAY的延时时间，就可以在节点V_ST产生从接近于0到V_R的高线性度锯齿波信号。本实施例的锯齿波发生电路通过上述充电、放电过程的循环往复，在节点V_ST输出高线性度的锯齿波波形。

如图3所示，本实施例的锯齿波发生电路工作后，节点V_C的电压在每一次充电开始时直接跳过了MOSCAP电容V_TH(阈值电压)之前的状态，从强反型状态开始充电；节点V_S每次给出采样保持脉冲，使得MOSCAP几个周期之后就只放电到弱反型状态，从而缩短快速拉升至V_TH的时间；节点V_ST的电压是从接近于0到V_R的高线性度锯齿波信号。

本实施例的锯齿波发生电路通过新增的拉升电路、源级跟随电路、采样保持电路和单刀双掷开关，可自动控制MOSCAP电容快速工作于强反型状态，同时又最大限度的保证了锯齿波的幅度范围，保证可产生大幅度高线性度的锯齿波。电路中仅使用了MOS管，不需要增加新的层次和特殊工艺，可普遍集成于芯片内部，节省芯片面积和成本。

本实施例的电路可以有以下变种形式：本实施例采用的是N沟道MOSCAP电容，也可以采用P沟道MOSCAP电容，采用对偶的结构来解决PMOSCAP的非线性问题；这时只要将图2中所有的NMOS和PMOS互换，同时电源和地互换即可，在此不再赘述。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种锯齿波发生电路，其特征在于，包括MOSCAP电容、第一电源、第二电源、第一电流源、第二电流源、第三电流源、第一PMOS管、第二PMOS管、第一NMOS管、第二NMOS管、第三NMOS管、第四NMOS管、第五NMOS管、运算放大器、斯密特触发器、延时器、单刀单掷开关、单刀双掷开关和第一电容；

所述第一电流源的一端连接所述第一电源，另一端连接所述第一PMOS管的源级，所述第一PMOS管的漏极、所述第一NMOS管的漏级、所述MOSCAP电容的栅极和所述第三NMOS管的栅极、所述第四NMOS管的源极、所述第五NMOS管的栅极电连接在一起，所述第一NMOS管的源极接地，所述MOSCAP电容的源极和漏级均接地；所述第二电流源的一端连接所述第一电源和所述第五NMOS管的漏极，另一端连接所述第二PMOS管的源级，所述第二NMOS管的源极接地,所述第三NMOS管的源极接地，所述第二PMOS管的漏极、所述第二NMOS管的漏极、所述第三NMOS管的漏极、所述第四NMOS管的栅极和所述延时器的输入端电连接在一起，所述第四NMOS管的漏极连接所述第一电源；所述延时器的输出端连接所述单刀单掷开关的控制端，所述第三电流源的一端接地，另一端与所述第五NMOS管的源极、所述单刀单掷开关的固定端、所述运算放大器的负级输入端电连接在一起，所述运算放大器的正级输入端连接所述单刀双掷开关的固定端，所述运算放大器的输出端连接所述斯密特触发器的输入端；所述单刀单掷开关的活动端与所述第一电容的一端、所述单刀双掷开关的第二活动端电连接在一起，所述第一电容的另一端接地；所述单刀双掷开关第一活动端连接所述第二电源；所述斯密特触发器的输出端与所述单刀双掷开关的控制端、所述第一PMOS管的栅极、所述第一NMOS管的栅极、所述第二PMOS管的栅极、所述第二NMOS管的栅极电连接在一起；

所述第五NMOS管的源极输出锯齿波电压。

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