CN111490755B - 张弛振荡器电路 - Google Patents

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Abstract

张弛振荡器电路，涉及集成电路技术。本发明包括电流源模块、窗比较器、SR触发器和反相器，电流源模块的输出端连接窗比较器的输入端，窗比较器的输入端通过第一电容C1接地，窗比较器的输出端连接SR触发器的输入端，SR触发器的输出端连接反相器的输入端和电流源模块的反馈输入端，所述电流源模块包括充电电流源和放电电流源，充电电流源和放电电流源皆与电流源模块的输出端连接，其特征在于，所述充电电流源是输出电流波形为三角波的电流源，所述放电电流源是输出电流波形为三角波的电流源。本发明的充电时间和放电时间之和也随时间周期性变化，可提供频率随时间周期变化的展频时钟。

Description

张弛振荡器电路
技术领域
本发明涉及集成电路技术。
背景技术
展频时钟(Spread Spectrum Clocking，简称SSC，也可以称为扩频时钟)的主要目的是减小电磁辐射(Electromagnetic interferce，简称EMI，或者称为电磁干扰)。
固定频率时钟的能量集中在固定频率点。展频时钟的频率随时间做周期性变化，所以展频时钟的电磁辐射分散在展频的频带上。因此，展频时钟相比于固定频率时钟的电磁辐射大大降低。
电磁辐射会对其他电子设备造成干扰，影响正常的通信和功能。对一些电子产品，特别是消费类电子产品，一些行业组织如全美联邦通讯委员会(Federal Communicationcommission，简称FCC)和欧盟都制定了相应的电磁辐射标准，对于电子系统可产生的电磁辐射量做出了限制。对于不达标的电子产品，不能取得相应的认证，不能在目标市场销售。
已知实现展频时钟功能最广泛的办法有以下两种：
1.具有展频功能的晶体振荡器(Spread spectrum XO，简称SSXO)，如图1。
2.具有展频时钟功能的锁相环(Phase Locked Loop)电路，如中国专利申请CN1434570A的“具有可调整展频范围的展频锁相回路”。
上述二者都是通过对锁相环电路控制得到具有展频功能的时钟。对锁相环电路控制得到展频时钟，一般是通过三角波产生电路和△-Σ调试器对锁相环的分频系数进行周期性的调整。
具有展频功能的晶体振荡器价格较贵且占用单板面积；具有展频功能的锁相环电路设计复杂，且占用较大的芯片面积；两者还较大的增加了电子系统的功耗，不适用于低成本的芯片或电子产品。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种低功耗、低成本并具有展频功能的张弛振荡器电路。
本发明解决所述技术问题采用的技术方案是，张弛振荡器电路，包括电流源模块、窗比较器、SR触发器和反相器，电流源模块的输出端连接窗比较器的输入端，窗比较器的输入端通过第一电容C1接地，窗比较器的输出端连接SR触发器的输入端，SR触发器的输出端连接反相器的输入端和电流源模块的反馈输入端，
所述电流源模块包括充电电流源和放电电流源，充电电流源和放电电流源皆与电流源模块的输出端连接，其特征在于，
所述充电电流源是输出电流波形为三角波的电流源，
所述放电电流源是输出电流波形为三角波的电流源。
进一步的，所述充电电流源输出的三角波与放电电流源输出的三角波的周期大小相同。
所述电流源模块包括三角波电压产生电路和电流源产生电路，
所述三角波电压产生电路的输出信号为周期性的、上升段和下降段对称的三角波；
所述电流源产生电路包括：
运算放大器，其反相输入端接三角波电压产生电路，输出端接第一PMOS管的栅极，第一PMOS管的漏极接运算放大器的同相输入端，第一PMOS管的漏极还通过第一电阻R1接地；
第二PMOS管，其源极接高电平，栅极和漏极接第一PMOS管的源极；
第三PMOS管，其栅极接第二PMOS管的栅极，源极接高电平，漏极接第一NMOS管的漏极；
第四PMOS管，其源极接高电平，栅极接第二PMOS管的栅极，漏极接第五PMOS管的源极；
第五PMOS管，其栅极接反馈输入端，其漏极接电流源产生电路的输出端，电流源产生电路的输出端也是电流源模块的输出端；
第一NMOS管，其栅极接漏极，源极接地；
第三NMOS管，其栅极接反馈输入端，其漏极接第五PMOS管的漏极，源极接第二NMOS管的漏极；
第二NMOS管，其栅极接第一NMOS管的栅极，源极接地。
所述三角波电压产生电路包括：
第二电阻，设置于外部参考电压输入端和第一参考点之间；
第五开关，一端接地，另一端通过第三电阻接第一参考点；
第一参考点连接三角波电压产生电路的输出端，还通过第二电容接地；
第三比较器，其反相输入端接高阈值电平输入点，其同相输入端接第一参考点，其输出端接SR触发器的S端；
第四比较器，其同相输入端接低阈值电平输入点，其反相输入端接第一参考点，其输出端接SR触发器的R端；
SR触发器，其输出端接第二反相器的输入端，还连接第五开关的控制端；
第二反相器，其输出端作为三角波电压产生电路的输出端。
本发明的有益效果是，成本低，功耗低，本发明的充电时间和放电时间之和也随时间周期性变化，可提供频率随时间周期变化的展频时钟。
附图说明
图1是带展频功能的晶体振荡器内部框图。
图2是传统的张弛振荡器电路原理图。
图3是传统张弛振荡器的时钟产生原理图。
图4是本发明的整体结构示意图。
图5是本发明的电流源模块的示意图。
图6是第一种三角波电压产生电路的电路图。
图7是第二种三角波电压产生电路的电路图。
图8是本发明的开关控制信号、参考电压Vs、电流源1、电流源2和张弛振荡器输出output频率对应关系图。
图9是本发明的具有展频功能的张弛振荡器仿真波形图。
具体实施方式
现有技术中，传统的张弛振荡器如图2所示。
电路由第一电流源21、第二电流源22、第一开关s1、第二开关s2、第一电容c1、窗比较器、SR触发器23和第一反相器24组成。
传统张弛振荡器产生时钟原理如图3所示。第一开关s1、第二开关s2均由MOS管构成。例如第一开关s1由PMOS管，第二开关s2由NMOS管组成。工作原理由两个状态构成：
充电过程：当电源VDD上电时，第一开关s1的PMOS管导通而第二开关s2的NMOS管关断，第一电流源1给第一电容c1充电，第一电容c1的电压逐渐上升，此时第一比较器25输出为低，第二比较器26的输出为高，SR触发器23的输出信号fb为低。fb作为对第一开关s1和第二开关s2的反馈控制信号。Output是张弛振荡器的时钟输出信号。
放电过程：当第一电容c1的电压上升到超过第一比较器25的高阈值电平Vref_H时，第一比较器25的输出翻转为高，SR触发器23的输出fb变为高，使得第二开关s2的NMOS导通，而第一开关s1的PMOS关断，此时第一电容c1开始通过第二开关s2放电。
当第一电容c1的电压放电到低于第二比较器26的低阈值电平Vref_L时，第二比较器26的输出为高，SR触发器23的输出fb变为低。此时，振荡器的状态又回到了第一开关s1导通、第二开关s2关断的充电过程。
充电和放电过程周而复始，于是振荡器的输出output得到了一个频率不变的时钟，参见图3。
由于两个电流源电流值保持不变，因此充电和放电时间之和保持不变，得到的时钟频率为固定值。
本发明图2所示的张弛振荡器的电流源模块进行了改进，将电流源模块的输出改为随时间周期性变化的电流值，张弛振荡器的充电时间和放电时间之和也随时间周期性变化，得到的时钟频率为周期性变化的时钟，即展频时钟。
本发明的电流源模块如图5所示。三角波电压产生电路产生一个三角波变化的参考电压Vs，作为电流源产生电路的参考电压。
三角波电压产生电路的原理如下：电压Vbg是由芯片带隙基准源(Bandgap)或者芯片外部接入的参考电压，第三开关s3和第五开关s5状态相同，即同时闭合导通或者打开中断，而第四开关s4的开关状态与第三开关s3和第五开关s5相反。
充电过程：当第三开关s3和第五开关s5闭合导通，第四开关s4断开时，电压Vbg对第二电容c2充电，参考电压Vs为第二电容c2的电压从0开始上升，第三电容c3通过第五开关s5对地放电。
放电过程：当第三开关s3和第五开关s5断开，第四开关s4闭合导通时，第二电容c2的电压对第三电容c3进行放电，所以参考电压Vs逐渐降低。
充电过程和放电过程交替进行，于是可以得到周期的三角波电压Vs。对第三开关s3，第四开关s4，第五开关s5的控制电路如图6所示。
充电过程：第三开关s3和第五开关s5闭合，电压Vbg对第二电容c2进行充电，第二电容c2上的电压即参考电压Vs逐渐上升，第三比较器53输出为低，第四比较器54输出为高，SR触发器的输出fb2为高。SR触发器经过第二反相器52的输出fb3为低，控制第四开关s4，第四开关s4断开。
放电过程：当第二电容c2上的电压即参考电压Vs高于第三比较器53的高阈值电平Vref_H2时，第三比较器53输出为高，SR触发器的输出fb2变低，第三开关s3和第五开关s5断开，第四开关s4闭合导通，第二电容c2的电荷向第三电容c3放电，参考电压Vs逐渐降低，直到低于第四比较器4的低阈值电平Vref_L2。
当参考电压Vs低于第四比较器54的低阈值电平Vref_L2时，第四比较器54的输出为高，重新回到充电过程。充电过程和放电过程周而复始，于是得到一个周期的三角波电压Vs。
作为第二种三角波电压产生电路，第三电容c3被省略掉，第三开关s3、第四开关s4分别为一个限流电阻2和限流电阻3取代，如图7所示。
充电过程：电压Vbg直接对第二电容c2充电。
放电过程：第五开关s5闭合导通，第二电容c2对地放电，电压Vbg因为有限流电阻到地，使得电压Vbg不会出现短路的情况。
三角波电压产生之后，由于运算放大器的正负输入端的“虚短”原理：即在运算放大器的放大作用下，运算放大器的正负输入端电压几乎一致。因此，电压VFB等于参考电压Vs，那么流经第一电阻R1和第一PMOS管PMOS1的电流为：
而Vs为三角形变化的电压，即得到了三角变化的电流。
PMOS管PMOS2、PMOS3、PMOS4构成一组PMOS电流镜，第四PMOS管PMOS4的电流相当于张弛振荡器的电流源1。NMOS管NMOS1和NMOS2构成一组电流镜，第三PMOS管PMOS3的电流作为NMOS电流镜的电流输入，经过第二NMOS管NMOS2输出的电流作为张弛振荡器的电流源2。
由此张弛振荡器的电流源1和电流源2为周期变化的三角波电流。通过前面对张弛振荡器的原理介绍，可以得到图8的参考电压Vs、电流源1和电流源2、张弛振荡器输出output频率对应关系。
参见图4，结合图7，并由式1可知，在t0到t1时间段，参考电压Vs逐渐上升时，电流源1和电流源2的充电电流和放电电流逐渐增大，第一电容c1上的电压Vc1(P0点处电压)达到第一比较器25的高阈值电平Vref_H1和第二比较器26的高阈值电平Vref_H2的时间也就越短，因此张弛振荡器的频率逐渐增加，直到第二电容c2充电结束。
在t1到t2时间段，参考电压Vs逐渐下降时，第一电流源25和第二电流源26的充电电流和放电电流逐渐减小，第一电容c1上的电压Vc1达到第一比较器25的高阈值电平Vref_H1和第二比较器26的高阈值Vref_H2的时间也就越长，因此张弛振荡器的频率逐渐减小，直到第二电容c2放电结束。
时间t0～t2是展频时钟变化周期，下一个周期的output频率如同t0～t2周期内的变化情况，周而复始。因此，实现了张弛振荡器输出output频率随时间周期变化的目的。
对于张弛振荡器中的第一比较器25和第二比较器26的组合，以及三角波发生器的第三比较器53和第四比较器54的组合，除了用两个比较器组合实现以外，也可以使用施密特触发器实现。
本发明中，所有开关管可以由PMOS管、NMOS管构成，也可以由PMOS管与NMOS管共同组成的开关构成。
PMOS管和NMOS管的开启特性相反。当PMOS管的栅极为逻辑电平“0”时，PMOS管的源极和漏极导通。当NMOS管的栅极为逻辑电平“1”时，NMOS管的源极和漏极导通。所以当选择不同类型的开关管，导通的逻辑电平可能不同。
仿真测试主要工作点波形如图9所示。
第二电容c2电压即参考电压Vs在充电过程逐渐上升，产生一个对应变化趋势的电流源1和电流源2。
第一电容c1电压的变化频率直接对应张弛振荡器的output输出频率。张弛振荡器的output可以再串联反相器进行整形。
可以看到，随着第二电容c2电压逐渐上升，张弛振荡器的output输出周期越来越小，即频率越来越高。
图9显示了第二电容c2的充电过程，第二电容c2的放电过程与之趋势相反。第二电容c2电压即参考电压Vs在充电过程逐渐下降，张弛振荡器的output输出周期越来越大，即频率越来越低。

Claims (3)

1.张弛振荡器电路，包括电流源模块、窗比较器、SR触发器和反相器，电流源模块的输出端连接窗比较器的输入端，窗比较器的输入端通过第一电容C1接地，窗比较器的输出端连接SR触发器的输入端，SR触发器的输出端连接反相器的输入端和电流源模块的反馈输入端，
所述电流源模块包括充电电流源和放电电流源，充电电流源和放电电流源皆与电流源模块的输出端连接，其特征在于，
所述电流源模块包括三角波电压产生电路和电流源产生电路，
所述充电电流源是输出电流波形为三角波的电流源，
所述放电电流源是输出电流波形为三角波的电流源；
所述三角波电压产生电路包括：
第二电阻，设置于外部参考电压输入端和第一参考点之间；
第五开关，一端接地，另一端通过第三电阻接第一参考点；
第一参考点连接三角波电压产生电路的输出端，还通过第二电容接地；
第三比较器，其反相输入端接高阈值电平输入点，其同相输入端接第一参考点，其输出端接SR触发器的S端；
第四比较器，其同相输入端接低阈值电平输入点，其反相输入端接第一参考点，其输出端接SR触发器的R端；
SR触发器，其输出端接第二反相器的输入端，还连接第五开关的控制端；
第二反相器，其输出端作为三角波电压产生电路的输出端。
2.如权利要求1所述的张弛振荡器电路，其特征在于，所述充电电流源输出的三角波与放电电流源输出的三角波的周期大小相同。
3.如权利要求1所述的张弛振荡器电路，其特征在于，
所述三角波电压产生电路的输出信号为周期性的、上升段和下降段对称的三角波；
所述电流源产生电路包括：
运算放大器，其反相输入端接三角波电压产生电路，输出端接第一PMOS管的栅极，第一PMOS管的漏极接运算放大器的同相输入端，第一PMOS管的漏极还通过第一电阻接地；
第二PMOS管，其源极接高电平，栅极和漏极接第一PMOS管的源极；
第三PMOS管，其栅极接第二PMOS管的栅极，源极接高电平，漏极接第一NMOS管的漏极；
第四PMOS管，其源极接高电平，栅极接第二PMOS管的栅极，漏极接第五PMOS管的源极；
第五PMOS管，其栅极接反馈输入端，其漏极接电流源产生电路的输出端，电流源产生电路的输出端也是电流源模块的输出端；
第一NMOS管，其栅极接漏极，源极接地；
第三NMOS管，其栅极接反馈输入端，其漏极接第五PMOS管的漏极，源极接第二NMOS管的漏极；
第二NMOS管，其栅极接第一NMOS管的栅极，源极接地。
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