CN110336558B - 振荡电路和集成电路 - Google Patents

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Abstract

一种振荡电路，该振荡电路通过一个自启动的基准电路在镜像电路的输入端形成偏置电流，镜像电路镜像偏置电流产生基准电流，将基准电流接入到振荡单元产生振荡信号并通过整形输出，可见本振荡电路结构简单，不需要启动电路，能耗低，且产生的基准电流与电源电压无关。

Description

振荡电路和集成电路
技术领域
本申请属于CMOS集成电路设计技术领域，尤其涉及一种振荡电路和集成电路。
背景技术
振荡器是许多电子系统的主要部分，应用范围从微处理器中的时钟产生到蜂窝电话中的载波合成，要求的结构和性能参数差别很大。利用CMOS工艺设计稳定、高性能的振荡器不断提出重大课题。
以现在的工艺设计的CMOS振荡器一般是环形振荡器，环形振荡器由电流基准电路、环形振荡单元以及整形电路组成。电流基准电路采用电流镜结构，产生了与电源无关的偏置。环形振荡单元通过基准电流进行充放电产生振荡信号，而传统的振荡电路的电流基准电路需要增加启动电路，使得电路结构更加复杂。启动电路也会带来额外的功耗，使得振荡电路整体功耗高。
发明内容
本申请的目的在于提供一种振荡电路和集成电路，旨在解决传统的振荡电路需要启动电路，使得电路结构复杂，同时也带来额外功耗的问题。
本申请实施例的第一方面提供了一种振荡电路，包括：
输出端子；
电源端子，所述电源端子用于接入电源；
公共电位端子，所述公共电位端子用于连接公共电位；
镜像电路，所述镜像电路的电源端连接所述电源端子，所述镜像电路的输入端连接偏置电流；
偏置电路，连接在所述镜像电路的输入端和所述公共电位端子之间，所述偏置电路能自导通以在所述镜像电路的输入端形成所述偏置电流，所述镜像电路镜像所述偏置电流在输出端输出基准电流；
振荡单元，所述振荡单元的输入端与所述镜像电路的输出端连接，所述振荡单元设置为根据所述基准电流发生振荡并在输出端输出振荡信号；以及
整形电路，与所述电源端子、所述镜像电路的输入端、所述公共电位端子、所述振荡单元的输出端以及所述输出端子连接，所述整形电路设置为对振荡信号进行整形，产生方波振荡信号。
在其中一个实施例中，所述偏置电路包括第一晶体管和第一负载，所述第一晶体管为阈值电压接近零电压或负电压的Native NMOS管，所述第一晶体管的漏极连接所述镜像电路的输入端，所述第一晶体管的源极连接所述第一负载的第一端，所述第一负载的第二端、所述第一晶体管的栅极以及所述晶体管的衬底接公共电位端子。
在其中一个实施例中，所述镜像电路包括同属性的第二晶体管和第三晶体管，所述第二晶体管的第一导通端和所述第三晶体管的第一导通端作为所述镜像电路的电源端，所述第二晶体管的第二导通端作为所述镜像电路的输入端，所述第三晶体管的第二导通端作为所述镜像电路的输出端，所述第二晶体管的栅极和所述第三晶体管的栅极和所述第二晶体管的第二导通端共接。
在其中一个实施例中，所述第二晶体管和第三晶体管为PMOS管，所述PMOS管的源极作为所述第一导通端，所述PMOS管的漏极作为所述第二导通端。
在其中一个实施例中，所述第一负载为电阻、电容、电感、晶体管中的至少一种。
在其中一个实施例中，所述振荡单元为环形振荡电路。
在其中一个实施例中，所述振荡单元包括n个同向串联在振荡单元的输入端和输出端之间的反相器，以及连接在相邻的两个反相器和公共电位端子之间的n个电容，n为3以上的奇数。
在其中一个实施例中，所述反相器包括两个级联连接在公共电位端子、振荡单元的输入端和振荡单元的输出端之间的晶体管。
在其中一个实施例中，所述整形电路包括第四晶体管和第五晶体管，所述第四晶体管与所述第二晶体管同属性，所述第四晶体管的第一导通端与所述电源端子连接，所述第四晶体管的控制端与所述第二晶体管的控制端共接，所述第四晶体管的第二导通端与所述第五晶体管的第一导通端共接所述输出端子，所述第五晶体管的控制端与所述振荡单元的输出端连接，所述第五晶体管的第二导通端与所述公共电位端子连接。
本申请实施例的第二方面提供了一种集成电路，包括上述振荡电路。
上述的振荡电路中的基准电路自启动以在镜像电路的输入端形成偏置电流，镜像电路镜像偏置电流产生基准电流，将基准电流接入到振荡单元产生振荡信号并通过整形输出，可见本振荡电路结构简单，不需要启动电路，能耗低，且产生的基准电流与电源电压无关。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请一实施例提供的振荡电路的电路示意图；
图2为图1所示的振荡电路中的基准电路提供基准电流的示例电路原理图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
请参阅图1，本申请一实施例提供的可集成在集成电路中的振荡电路输出端子CLK、电源端子VCC、公共电位端子VSS、镜像电路100、偏置电路200、振荡单元300以及整形电路400。
电源端子VCC用于接入电源，公共电位端子VSS用于连接公共电位，比如大地。镜像电路100的电源端用于连接电源端子VCC，镜像电路100的输入端连接偏置电流Iq，镜像电路100镜像偏置电流Iq以在输出端输出基准电流I_REF；偏置电路200连接在镜像电路100的输入端和公共电位端子VSS之间，偏置电路200能自导通以在镜像电路100的输入端形成偏置电流Iq；振荡单元300的输入端与镜像电路100的输出端连接，振荡单元300设置为根据基准电流I_REF发生振荡并在输出端输出振荡信号；整形电路400与电源端子VCC、镜像电路100的输出端、公共电位端子VSS、振荡单元300的输出端以及输出端子CLK连接，整形电路400设置为对振荡信号进行整形，产生方波振荡信号。
请参阅图2，在其中一个实施例中，偏置电路200包括阈值电压接近零电压或者为负电压第一晶体管201和第一负载202，第一晶体管201的第一导通端连接镜像电路100的输入端，第一晶体管201的第二导通端连接第一负载202的第一端，第一负载202的第二端、第一晶体管201的栅极以及晶体管的衬底接公共电位端子VSS，偏置电路200能自导通以在镜像电路100的输入端形成偏置电流Iq。
本实施例中，第一晶体管201为Native NMOS管NB0，Native NMOS管NB0的漏极作为第一晶体管201的第一导通端，Native NMOS管NB0的源极作为第一晶体管201的第二导通端，Native NMOS管NB0的阈值电压VTNativeNMOS为接近零的正电压或负电压，在基准电路接上电源的情况下可以直接导通，不需要启动电路驱动。在其他实施方式中，第一晶体管201可以为其他自导通器件。第一负载202可以为有源阻抗或无源阻抗，本例中利用无源阻抗电阻RB0为例进行说明。在其他实施方式中，第一负载202可以为电阻、电容、电感、晶体管等至少一种。
在其中一个实施例中，请参阅图2，镜像电路100包括同属性的第二晶体管101和第三晶体管102，第二晶体管101的第一导通端和第三晶体管102的第一导通端作为镜像电路100的电源端，第二晶体管101的第二导通端作为镜像电路100的输入端，第三晶体管102的第二导通端作为镜像电路100的输出端，第二晶体管101的栅极和第三晶体管102的栅极和第二晶体管101的第二导通端共接。比如，第二晶体管101和第三晶体管102构成双极型基本电流镜、MOS管基本电流镜或级联电流镜。
在其中一个实施例中，第二晶体管101和第三晶体管102为PMOS管PB0、PB1，PMOS管PB0、PB1的源极作为第一导通端，PMOS管PB0、PB1的漏极作为第二导通端。
该基准电路通过栅极接地的Native NMOS管NB0的源端作用在电阻RB0上，利用Native NMOS管NB0阈值电压VTNative NMOS接近零或者为负的特性，产生偏置电流Iq。通过PMOS管PB1镜像偏置电流Iq产生大小不同的基准电流I_REF1，I_REF1＝n*Iq(n＝1,2,3…)，具体地，偏置电流Iq和基准电流I_REF1的公式分别如下：
IREF1＝n*Iq
在其中一个实施例中，振荡单元300为环形振荡电路。请参阅图2，振荡单元300包括n个同向串联在振荡单元300的输入端和输出端之间的反相器301，以及连接在相邻的两个反相器301和公共电位端子VSS之间的n个电容CB0，n为3以上的奇数，本实施例中n为3。
每个反相器301包括两个级联连接在公共电位端子VSS、振荡单元300的输入端和振荡单元300的输出端之间的晶体管。具体地，两个晶体管其中一个为PMOS管PB3，另一个为NMOS管NB1，每个反相器301中的PMOS管PB3的源极共接作为振荡单元300的输入端，连接到镜像电路100的输出端，每个反相器301中的PMOS管PB3和NMOS管NB1的栅极共接到第一节点，每个反相器301中的PMOS管PB3和NMOS管NB1的漏极共接到第二节点，每个反相器301的第二节点和相邻反相器301的第一节点的共接到一个电容的第一端，电容的另一端和每个反相器301中的NMOS管NB1的源极共接到公共电位端子VSS，其将其中一个第一节点作为振荡单元300的输出端。振荡单元300通过基准电流IREF对三级反相器301和电容构成的电路进行充放电，使得环形的振荡单元300发生振荡产生振荡信号。
整形电路400包括第四晶体管PB2和第五晶体管NB2，第四晶体管PB2与第二晶体管PB0同属性，第四晶体管PB2的第一导通端与电源端子VCC连接，第四晶体管PB2的控制端与第二晶体管PB0的控制端共接，第四晶体管PB2的第二导通端与第五晶体管NB2的第一导通端共接输出端子CLK，第五晶体管NB2的控制端与振荡单元300的输出端连接，第五晶体管NB2的第二导通端与公共电位端子VSS连接。本实施例中，第四晶体管PB2与第二晶体管PB0构成一镜像电路，通过PMOS管镜像偏置电流Iq产生大小不同的基准电流I_REF2，I_REF2＝m*Iq(m＝1,2,3…)，具体地，偏置电流Iq和基准电流I_REF2的公式分别如下：
IREF2＝m*Iq
通过PMOS器件PB2镜像的电流进行限流，第五晶体管NB2为NMOS管，NMOS管对振荡信号进行整形，产生方波振荡信号，电路功耗和振荡频率公式如下：
Itotal＝(m+n+1)*Iq
其中，VGSN为NMOS管NB1的栅源电压；C为电容CB0的电容值。
本振荡电路在加上电源的情况下，基准电路只可以稳定在正常的工作状态下，不需要启动电路；电流基准电路结构简单；由电路功耗可知，电路功耗低。由振荡频率公式可知，频率调节方便，通过调整偏置电流n*Iq的值，可以灵活调节振荡频率。
以上所述仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种振荡电路，其特征在于，包括：
输出端子；
电源端子，所述电源端子用于接入电源；
公共电位端子，所述公共电位端子用于连接公共电位；
镜像电路，所述镜像电路的电源端连接所述电源端子，所述镜像电路的输入端连接偏置电流；
偏置电路，连接在所述镜像电路的输入端和所述公共电位端子之间，所述偏置电路能自导通以在所述镜像电路的输入端形成所述偏置电流，所述镜像电路镜像所述偏置电流在输出端输出基准电流；
振荡单元，所述振荡单元的输入端与所述镜像电路的输出端连接，所述振荡单元设置为根据所述基准电流发生振荡并在输出端输出振荡信号；以及
整形电路，与所述电源端子、所述镜像电路的输入端、所述公共电位端子、所述振荡单元的输出端以及所述输出端子连接，所述整形电路设置为对对振荡信号进行整形，产生方波振荡信号；
所述偏置电路包括第一晶体管和第一负载，所述第一晶体管为阈值电压接近零电压或负电压的Native NMOS管，所述第一晶体管的漏极连接所述镜像电路的输入端，所述第一晶体管的源极连接所述第一负载的第一端，所述第一负载的第二端、所述第一晶体管的栅极以及所述晶体管的衬底接公共电位端子；
所述镜像电路包括同属性的第二晶体管和第三晶体管，所述第二晶体管的第一导通端和所述第三晶体管的第一导通端作为所述镜像电路的电源端，所述第二晶体管的第二导通端作为所述镜像电路的输入端，所述第三晶体管的第二导通端作为所述镜像电路的输出端，所述第二晶体管的栅极和所述第三晶体管的栅极和所述第二晶体管的第二导通端共接。
2.如权利要求1所述的振荡电路，其特征在于，所述第二晶体管和第三晶体管为PMOS管，所述PMOS管的源极作为所述第一导通端，所述PMOS管的漏极作为所述第二导通端。
3.如权利要求1所述的振荡电路，其特征在于，所述第一负载为电阻、电容、电感、晶体管中的至少一种。
4.如权利要求1所述的振荡电路，其特征在于，所述振荡单元为环形振荡电路。
5.如权利要求1至4任一项所述的振荡电路，其特征在于，所述振荡单元包括n个同向串联在振荡单元的输入端和输出端之间的反相器，以及连接在相邻的两个反相器和公共电位端子之间的n个电容，n为3以上的奇数。
6.如权利要求5所述的振荡电路，其特征在于，所述反相器包括两个级联连接在公共电位端子、振荡单元的输入端和振荡单元的输出端之间的晶体管。
7.如权利要求1所述的振荡电路，其特征在于，所述整形电路包括第四晶体管和第五晶体管，所述第四晶体管与所述第二晶体管同属性，所述第四晶体管的第一导通端与所述电源端子连接，所述第四晶体管的控制端与所述第二晶体管的控制端共接，所述第四晶体管的第二导通端与所述第五晶体管的第一导通端共接所述输出端子，所述第五晶体管的控制端与所述振荡单元的输出端连接，所述第五晶体管的第二导通端与所述公共电位端子连接。
8.一种集成电路，其特征在于，包括权利要求1至7任一项所述的振荡电路。
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