CN110299900A - 一种支持多频率输出的精准振荡器电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种支持多频率输出的精准振荡器电路，涉及集成IC集成电路领域。该电路包括由奇数个反相器构成的环形振荡器电路，各相器的输出端均连接有一个电容，各反相器的源极分别接入有使该环形振荡器电路的每级延迟时间为一个固定时间单位的基准电流Iref，基准电流Iref由带隙基准电流源电路输出，带隙基准电流源电路包括依次连接的电流源启动电路、一级运算放大器、基准电压与绝对温度成正比的电流产生器以及双电压域基准电流源转化电路，双电压域基准电流源转化电路完成基准电流工作在不同电压域的转换。本发明采用带隙基准电流源电路产生基准电流Iref，并通过电流镜镜像，实现了对环形振荡器电路中的各级反相器的振荡频率的精准控制。

Description

一种支持多频率输出的精准振荡器电路

技术领域

本发明涉及集成IC集成电路领域，具体涉及一种适用于指纹传感器、物联网等领域的支持多频率输出的精准振荡器电路。

背景技术

振荡器在电子系统中非常重要，应用范围非常广泛，从为数字系统提供时钟到射频电路中的载波信号的产生。振荡器的结构也非常多，有 LC 振荡器、环形振荡器、交叉耦合振荡器、科尔皮兹振荡器等等，不同的结构性能参数差别比较大。

图1为常用的使用反相器的环形振荡器，图中只有 3 个反相器首尾连接形成闭环。这种振荡器有奇数个反相器构成，结构非常简单。在电路刚上电时，X、Y 和 Z 点有可能处于反相器的逻辑阈值，即反相器的输入和输出电压相等。如果电路中 没有噪声，则该电路会一直保持这种状态。但是器件是存在噪声的，X、Y 和 Z 点电压会出现扰动，结果噪声不断放大，当信号最终达到电源电压就会振荡。刚开始 X、Y 和 Z 点电压处于逻辑阈值电压，噪声扰动 X、Y 和 Z 点电压，并不断放大，最终达到电源电压幅度，造成时钟信号输出不精准。

发明内容

为了解决上述技术存在的缺陷，本发明提供一种适用于指纹传感器、物联网等领域的支持多频率输出的精准振荡器电路。

本发明实现上述技术效果所采用的技术方案是：

一种支持多频率输出的精准振荡器电路，包括由奇数个反相器构成的环形振荡器电路，其中，各相器的输出端均连接有一个电容，电容的另一极接地，各反相器的源极分别接入有使该环形振荡器电路的每级延迟时间为一个固定时间单位的基准电流Iref，所述基准电流Iref由带隙基准电流源电路输出，所述带隙基准电流源电路包括依次连接的电流源启动电路、一级运算放大器、基准电压与绝对温度成正比的电流产生器以及双电压域基准电流源转化电路，所述双电压域基准电流源转化电路包括三组电流镜，完成基准电流工作在不同电压域的转换。

优选地，在上述的支持多频率输出的精准振荡器电路中，各反相器的源极分别接入有使该环形振荡器电路的每级延迟时间为的基准电流Iref。

优选地，在上述的支持多频率输出的精准振荡器电路中，所述电流源启动电路由PMOS管P50M2、P50M3、P50M4构成，PMOS管P50M2、P50M3、P50M4的源极接VHD，栅极接入所述一级运算放大器，PMOS管P50M2、P50M3的漏极接入所述基准电压与绝对温度成正比的电流产生器，PMOS管P50M4的漏极接电阻R4，电阻R4的另一端接地。

优选地，在上述的支持多频率输出的精准振荡器电路中，所述一级运算放大器由PMOS管P50M6、P50M7，以及NMOS管N50M5、N50M6、N50M7构成，NMOS管N50M5的栅极接VHD为该一级运算放大器提供尾电流，该一级运算放大器的输出与PMOS管P50M2、P50M3、P50M4、P50M5的栅极相连。

优选地，在上述的支持多频率输出的精准振荡器电路中，所述基准电压与绝对温度成正比的电流产生器由三极管D1、D2以及电阻R1、R2、R3构成，电阻R1的两端分别接PMOS管P50M2的漏极和地，三极管D1的发射级与PMOS管P50M2的漏极相连，三极管D1、D2的基级和集电极均接地，电阻R2两端分别接PMOS管P50M3的漏极和三极管D2的发射极，电阻R3的两端分别接PMOS管P50M3的漏极和地。

优选地，在上述的支持多频率输出的精准振荡器电路中，所述双电压域基准电流源转化电路由PMOS管P50M5、P18M1、P18M2、P18M3以及NMOS管N50M3、N50M4构成，在PMOS管P18M2的漏极形成基准电流Iref，给所述环形振荡器电路提供基准电流，PMOS管P50M5与P50M2、P50M3、P50M4的栅极连接在一起，且尺寸匹配一致，PMOS管P50M5的漏极接VHD，形成第一组电流镜，PMOS管P50M5的漏极与N50M3的栅极和漏极连接在一起，PMOS管N50M3充当该支路电流的负载，NMOS管N50M4的栅极与NMOS管N50M3的栅极相连，两者的源级均接地，且尺寸匹配，形成第二组电流镜，用于将支路电流镜像过来，PMOS管P18M1、P18M2、N18M1形成第三组镜像，PMOS管P18M1、P18M2的源级接VDD，完成基准电流工作在不同电压域的转换以及芯片内通过VDD供电的电路提供基准电流Iref，PMOS管P18M3的栅极接PD待机信号，用于控制该支路电流置0，使芯片内其他使用该基准电流Iref的电路进入休眠状态。

优选地，在上述的支持多频率输出的精准振荡器电路中，NMOS管N50M3、N50M4为5V的NMOS管，且为低电压阈值Vth的NMOS管。

本发明的有益效果是：本发明的精准振荡器电路通过在环形振荡器电路中的每个反相器的输出端增加一个电容，使得每一级的延迟时间得到了增加，无须级联许多反相器，同时，采用带隙基准电流源电路产生基准电流Iref，并通过电流镜镜像的方法，实现了控制环形振荡器电路中的各级反相器用该基准电流Iref进行充放电，使得每一级的延迟时间得到了固定，实现了对环形振荡器电路中的各级反相器的振荡频率的精准控制。

附图说明

图1为现有的环形振荡器的电路图；

图2为本发明的简略模型框图；

图3为本发明所述的带隙基准电流源电路图；

图4为本发明一实施例的环形振荡器电路图。

具体实施方式

为使对本发明作进一步的了解，下面参照说明书附图和具体实施例对本发明作进一步说明：

如图1至图3所示，本发明公开了一种支持多频率输出的精准振荡器电路，包括由奇数个反相器构成的环形振荡器电路，其中，各相器的输出端均连接有一个电容，电容的另一极接地。通过在每级反相器的输出端连接一个接地的电容，增加了每一级反相器的延迟时间，就不需要通过级联许多反相器来获得延迟时间。但是反相器对电容的充放电电流不能太大，否则反相器很快就对电容完成充放电。而且这个电流很难计算，这就造成了很难对振荡频率的控制。为解决该问题，本发明在各反相器的源极分别接入有使该环形振荡器电路的每级延迟时间为一个固定时间单位的基准电流Iref，该基准电流Iref由带隙基准电流源电路输出。具体地，该带隙基准电流源电路包括依次连接的电流源启动电路、一级运算放大器、基准电压与绝对温度成正比的电流产生器以及双电压域基准电流源转化电路，双电压域基准电流源转化电路包括三组电流镜，完成基准电流工作在不同电压域的转换。

具体地，在本发明的优选实施例中，各反相器的源极分别接入有使该环形振荡器电路的每级延迟时间为的基准电流Iref。电流源启动电路由PMOS管P50M2、P50M3、P50M4构成，PMOS管P50M2、P50M3、P50M4的源极接VHD，栅极接入一级运算放大器，PMOS管P50M2、P50M3的漏极接入基准电压与绝对温度成正比的电流产生器，PMOS管P50M4的漏极接电阻R4，电阻R4的另一端接地。一级运算放大器由PMOS管P50M6、P50M7，以及NMOS管N50M5、N50M6、N50M7构成，NMOS管N50M5的栅极接VHD为该一级运算放大器提供尾电流，该一级运算放大器的输出与PMOS管P50M2、P50M3、P50M4、P50M5的栅极相连。

具体地，在本发明的优选实施例中，基准电压与绝对温度成正比的电流产生器由三极管D1、D2以及电阻R1、R2、R3构成，用于输出基准电压与绝对温度成正比的PTAT电流。电阻R1的两端分别接PMOS管P50M2的漏极和地，三极管D1的发射级与PMOS管P50M2的漏极相连，三极管D1、D2的基级和集电极均接地。电阻R2两端分别接PMOS管P50M3的漏极和三极管D2的发射极，电阻R3的两端分别接PMOS管P50M3的漏极和地。通过添加电阻R1、R3来产生一个基准电压与绝对温度互补的CTAT电流，CTAT电流与PTAT电流求和，随着温度的上升，三极管D1、D2压降减少，从而使得流过电阻R1、R3的电流减少。

进一步地，在本发明的优选实施例中，双电压域基准电流源转化电路由PMOS管P50M5、P18M1、P18M2、P18M3以及NMOS管N50M3、N50M4构成，在PMOS管P18M2的漏极形成基准电流Iref，给环形振荡器电路提供基准电流。PMOS管P50M5与P50M2、P50M3、P50M4的栅极连接在一起，且尺寸匹配一致，PMOS管P50M5的漏极接VHD，形成第一组电流镜，PMOS管P50M5的漏极与N50M3的栅极和漏极连接在一起，PMOS管N50M3充当该支路电流的负载。NMOS管N50M4的栅极与NMOS管N50M3的栅极相连，两者的源级均接地，且尺寸匹配，形成第二组电流镜，用于将支路电流镜像过来。为了实现双电压域基准电流源的转化，该处NMOS管N50M3、N50M4为5V的NMOS管，且为低电压阈值Vth的NMOS管。PMOS管P18M1、P18M2、N18M1形成第三组镜像，PMOS管P18M1、P18M2的源级接VDD，完成基准电流工作在不同电压域的转换以及芯片内通过VDD供电的电路提供基准电流Iref。PMOS管P18M3的栅极接PD待机信号，用于控制该支路电流置0，使芯片内其他使用该基准电流Iref的电路进入休眠状态。该双电压域基准电流源转化电路，灵活地解决了芯片内部由VHD供电和由VDD供电的电路所需的基准电流源的来源问题，有机地将模块复用，大大降低了芯片的功耗和面积，有效的降低了芯片的成本。

如图4所示，本发明的一实施例的精准振荡器电路，一共有 9 级反相器构成，其中虚线框的电路在后面有两个重复单元未画出。M16、M17、M18 和 M19 构成一级反相器，其中M16 控制反相器对电容的充电电流大小，而 M19 控制电容的放电电流大小。在此反相器的输出端接了一个MOS电容和晶体管M20。反相器链在电路上电后，反相器的输出和输入端电压可能相等，如果没有噪声将永远维持状态。电路中即使有噪声，也需要很久才能振荡器，不能满足系统要求，所以必须消除这种状态。在电路上电后，M20 管的栅极先输入为高电平，这样 M20 管导通，将反相器的输出端拉到低电平，同理后面 3 个模块也是如此。其中第 7 个反相器由与非门构成，在消除振荡器不正常工作阶段，与非门的一个输入为低电平。不管另一个输入为高电平还是低电平，与非门的输出都为高电平。这相当于将闭环的反相器链给断开了，这避免了有的反相器输入为低电平时，输出也为低电平，这会造成一个大电流流过该反相器。当电路需要振荡时，将 M20、M30 等管的栅极给拉低，同时与非门的另一个输入端拉高，即将DIG_CTRL 信号拉高。在反相器链的输出端级联了两个方向器构成的缓冲器，进行波形整形。因为反相器对电容充放电会造成输出电压上升沿和下降沿缓慢变化，不够陡峭。

在电路的最左端是反相器对电容充放电的基准电流Iref，由上述的带隙基准电流源电路提供。该振荡器有三种频率可供选择，其中 S1、S2 和 S3 端为频率选择端。当 S1为高电平，输出频率为第一频率；S1 和 S2 为高电平，输出频率为第二频率；S1、S2 和 S3都为高电平时，输出频率为第三频率。M7 是与与非门的一个输入端连接，当上电时，M7 的栅极被拉低，会有一个大的电流流过 M7 管。这样流过 M7 的电流会减少，也是就说在消除振荡器非正常工作阶段，电路的功耗被降低。由于 M11 的栅极电压非常重，关系到后面反相器的参考电流大小，所以在 M11 管的栅极增加了一个 MOS 电容 M10。如需做更多频率拓展，可按照该样式增加开关S4-Sn和电流镜支路，来增加电容充放电电流的大小，形成更多的频率输出。

综上所述，本发明的精准振荡器电路通过在环形振荡器电路中的每个反相器的输出端增加一个电容，使得每一级的延迟时间得到了增加，无须级联许多反相器，同时，采用带隙基准电流源电路产生基准电流Iref，并通过电流镜镜像的方法，实现了控制环形振荡器电路中的各级反相器用该基准电流Iref进行充放电，使得每一级的延迟时间得到了固定，实现了对环形振荡器电路中的各级反相器的振荡频率的精准控制。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内，本发明要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (7)

1.一种支持多频率输出的精准振荡器电路，包括由奇数个反相器构成的环形振荡器电路，其特征在于，各相器的输出端均连接有一个电容，电容的另一极接地，各反相器的源极分别接入有使该环形振荡器电路的每级延迟时间为一个固定时间单位的基准电流Iref，所述基准电流Iref由带隙基准电流源电路输出，所述带隙基准电流源电路包括依次连接的电流源启动电路、一级运算放大器、基准电压与绝对温度成正比的电流产生器以及双电压域基准电流源转化电路，所述双电压域基准电流源转化电路包括三组电流镜，完成基准电流工作在不同电压域的转换。

2.根据权利要求1所述的支持多频率输出的精准振荡器电路，其特征在于，各反相器的源极分别接入有使该环形振荡器电路的每级延迟时间为的基准电流Iref。

3.根据权利要求1所述的支持多频率输出的精准振荡器电路，其特征在于，所述电流源启动电路由PMOS管P50M2、P50M3、P50M4构成，PMOS管P50M2、P50M3、P50M4的源极接VHD，栅极接入所述一级运算放大器，PMOS管P50M2、P50M3的漏极接入所述基准电压与绝对温度成正比的电流产生器，PMOS管P50M4的漏极接电阻R4，电阻R4的另一端接地。

4.根据权利要求2所述的支持多频率输出的精准振荡器电路，其特征在于，所述一级运算放大器由PMOS管P50M6、P50M7，以及NMOS管N50M5、N50M6、N50M7构成，NMOS管N50M5的栅极接VHD为该一级运算放大器提供尾电流，该一级运算放大器的输出与PMOS管P50M2、P50M3、P50M4、P50M5的栅极相连。

5.根据权利要求2所述的支持多频率输出的精准振荡器电路，其特征在于，所述基准电压与绝对温度成正比的电流产生器由三极管D1、D2以及电阻R1、R2、R3构成，电阻R1的两端分别接PMOS管P50M2的漏极和地，三极管D1的发射级与PMOS管P50M2的漏极相连，三极管D1、D2的基级和集电极均接地，电阻R2两端分别接PMOS管P50M3的漏极和三极管D2的发射极，电阻R3的两端分别接PMOS管P50M3的漏极和地。

6.根据权利要求3所述的支持多频率输出的精准振荡器电路，其特征在于，所述双电压域基准电流源转化电路由PMOS管P50M5、P18M1、P18M2、P18M3以及NMOS管N50M3、N50M4构成，在PMOS管P18M2的漏极形成基准电流Iref，给所述环形振荡器电路提供基准电流，PMOS管P50M5与P50M2、P50M3、P50M4的栅极连接在一起，且尺寸匹配一致，PMOS管P50M5的漏极接VHD，形成第一组电流镜，PMOS管P50M5的漏极与N50M3的栅极和漏极连接在一起，PMOS管N50M3充当该支路电流的负载，NMOS管N50M4的栅极与NMOS管N50M3的栅极相连，两者的源级均接地，且尺寸匹配，形成第二组电流镜，用于将支路电流镜像过来，PMOS管P18M1、P18M2、N18M1形成第三组镜像，PMOS管P18M1、P18M2的源级接VDD，完成基准电流工作在不同电压域的转换以及芯片内通过VDD供电的电路提供基准电流Iref，PMOS管P18M3的栅极接PD待机信号，用于控制该支路电流置0，使芯片内其他使用该基准电流Iref的电路进入休眠状态。

7.根据权利要求6所述的支持多频率输出的精准振荡器电路，其特征在于，NMOS管N50M3、N50M4为5V的NMOS管，且为低电压阈值Vth的NMOS管。