CN112953526A - 一种环形振荡电路、方法以及集成芯片 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种环形振荡电路、方法以及集成芯片。本发明技术通过根据供电电压对应产生振荡频率，并输出频率信号；获取所述振荡频率，并将所述振荡频率转换为与其相关的等效电阻；使所述等效电阻与一可调电阻进行分压，以输出电压控制信号；将所述电压控制信号与一标准电压进行比较，以输出开关信号，所述开关信号用于控制所述供电电压的大小。如此，将不受工作条件的影响，使得输出频率信号精度高且电路易于集成。

Description

一种环形振荡电路、方法以及集成芯片

技术领域

本发明涉及电路技术领域，尤其涉及一种环形振荡电路、方法以及集成芯片。

背景技术

集成IC高频振荡器的产生电路主要有环形振荡器，LC振荡器，晶体振荡器。其中，环形振荡器的结构简单，易于集成，但是精度很低，受电源、温度、工艺的影响很大；LC振荡器可用的频率范围宽，电路简单灵活，但是集成在IC内部精度不高，而且很占面积，成本较高；晶体振荡器利用其固有振动频率，能有效控制和稳定振荡频率，使输出频率精度高，温漂时漂都很小，但是频率单一不可调，而且必须外置，需要额外的两个引脚与之连接。

现有技术中，环形振荡器的电路结构如图1所示，通过门电路的固有传输延时特性将奇数个反相器首尾相连而成，该电路没有稳态，因为在静态(假定没有振荡时)下任何一个反相器的输入和输出都不可能稳定在高电平或低电平，只能处于高、低电平之间，处于放大状态。假定由于某种原因V11产生了微小的正跳变，经过D1的传输延时tpd后，V12产生了一个幅度更大的负跳变，在经过D2的传输延时tpd后，使V13产生更大的正跳变，依次类推，在经过奇数个传输延时(2n+1)*tpd后，在VO产生一个更大的负跳变并反馈到D1的输入端。可见，在经过奇数个(2n+1)*tpd后，V11跳变为低电平，再经过奇数个(2n+1)*tpd后，V11又将跳变为高电平。如此周而复始，便产生自激振荡。

然而，在确定的工作条件(如电源电压、反相器尺寸、温度)下，每个反相器的传输延时是确定的，通过设置反相器的个数(3个到上百个，视实际应用决定)，或者插入阻容元器件，可以得到预期的振荡频率。但在实际工作中，电源电压会有波动，反相器自身特性也具有一定的离散型，温度的变化范围更无法控制，基于以上原因，上述环形振荡器的精度很低。

发明内容

鉴于此，有必要提供一种环形振荡电路、方法以及集成芯片，能满足高精度且易于集成的要求。

本发明为达上述目的所提出的技术方案如下：

一种环形振荡电路，所述环形振荡电路包括电源控制模块、环形振荡器、频率转换模块，所述电源控制模块与所述环形振荡器电连接，所述频率转换模块的一端与所述电源控制模块电连接，所述频率转换模块的另一端与所述环形振荡器电连接，所述电源控制模块用于控制输出供电电压至所述环形振荡器，所述环形振荡器用于在所述电源控制模块输出的供电电压下产生振荡频率，并输出频率信号，所述频率转换模块用于将所述环形振荡器的振荡频率转换为等效电阻，以通过电阻分压产生电压控制信号，所述电压控制信号用于控制所述电源控制模块输出至所述环形振荡器的供电电压。

进一步地，所述电源控制模块用于将所述电压控制信号与一标准电压进行比较，以产生一开关信号，所述开关信号用于控制输出至所述环形振荡器的供电电压的大小。

进一步地，所述电源控制模块包括比较器，第一电子开关及电源，所述比较器的同相输入端与芯片内部基准电压电连接，所述比较器的反相输入端与所述频率转换模块电连接，所述比较器的输出端与所述第一电子开关的第一端电连接，所述第一电子开关的第二端与所述电源电连接，所述第一电子开关的第三端与所述环形振荡器电连接。

进一步地，所述环形振荡器包括第一反相器、第二反相器、第三反相器，这三个反相器依次串联连接，且其电源端均电连接于所述第一电子开关的第三端，所述第一反相器的输入端与第三反相器的输出端电连接，所述第三反相器的输出端用于输出频率信号，所述第一反相器的输入端还与所述频率转换模块电连接。

进一步地，所述频率转换模块包括第二电子开关、第三电子开关、第一电容及可调电阻，所述第二电子开关的第一端与所述第三电子开关的第一端均电连接于所述第一反相器的输入端，所述第二电子开关的第二端与所述比较器的反向输入端电连接，所述第二电子开关的第二端通过所述可调电阻电连接至所述电源，所述第二电子开关的第三端与所述第三电子开关的第三端电连接，所述第二电子开关的第三端还通过所述第一电容与所述第三电子开关的第二端电连接，所述第三电子开关的第二端接地。

进一步地，所述频率转换模块还可包括第二电容，所述第二电容的一端电连接至所述第二电子开关的第二端，所述第二电容的另一端电连接至所述第三电子开关的第二端，所述第二电容用于滤除高频开关噪声信号。

进一步地，所述第一电子开关与所述第二电子开关均为P沟道场效应管，所述第一电子开关与所述第二电子开关的第一端、第二端、第三端分别对应于P沟道场效应管的栅极、源极、漏极，所述第三电子开关为N沟道场效应管，所述第三电子开关的第一端、第二端、第三端分别对应于N沟道场效应管的栅极、源极、漏极。

一种集成芯片，所述集成芯片包括如上述任一项所述的环形振荡电路。

一种环形振荡方法，包括以下步骤：

S1、根据供电电压对应产生振荡频率，并输出频率信号；

S2、获取所述振荡频率，并将所述振荡频率转换为与其相关的等效电阻；

S3、使所述等效电阻与一可调电阻进行分压，以输出电压控制信号；

S4、将所述电压控制信号与一标准电压进行比较，以输出开关信号，所述开关信号用于控制所述供电电压的大小。

上述环形振荡电路、方法以及集成芯片根据供电电压对应产生振荡频率，并输出频率信号；获取所述振荡频率，并将所述振荡频率转换为与其相关的等效电阻；使所述等效电阻与一可调电阻进行分压，以输出电压控制信号；将所述电压控制信号与一标准电压进行比较，以输出开关信号，所述开关信号用于控制所述供电电压的大小。如此，将不受工作条件的影响，使得输出频率信号精度高且易于集成。

附图说明

图1是现有技术中环形振荡器的电路结构示意图。

图2是本发明提供的环形振荡电路的一较佳实施方式的方框示意图。

图3是本发明提供的环形振荡电路的一较佳实施方式的电路图。

图4是本发明提供的环形振荡方法的一较佳实施方式的流程图。

主要元件符号说明

环形振荡电路 100

电源控制模块 10

环形振荡器 20

频率转换模块 30

电源 Vcc、U1

可调电阻 Rref

电子开关 Q1、Q2、Q3

比较器 CMP

电容 C1、C2

反相器 INV1、INV2、INV3、D1、

D2、D(2n+1)

如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提供一种环形振荡电路，所述环形振荡电路可应用于集成芯片中，例如IGBT驱动芯片。

请参考图2，所示是本发明提供的环形振荡电路100的一较佳实施方式的电路示意图。所述环形振荡电路100包括电源控制模块10、环形振荡器20、频率转换模块30。所述电源控制模块10与所述环形振荡器20电连接。所述频率转换模块30的一端与所述电源控制模块10电连接，所述频率转换模块30的另一端与所述环形振荡器20电连接。

所述电源控制模块10用于控制输出供电电压至所述环形振荡器20。所述环形振荡器20用于在所述电源控制模块10输出的供电电压下产生振荡频率，并输出频率信号。所述频率转换模块30用于根据所述环形振荡器20的振荡频率输出电压控制信号，所述电压控制信号用于控制所述电源控制模块10输出至所述环形振荡器20的供电电压。

如此，通过所述频率转换模块30的负反馈作用，将根据所述环形振荡器20的振荡频率来反馈调整所述电源控制模块10输出的供电电压，从而调整所述环形振荡器20输出的频率信号。该设计将不受工作条件的影响，输出频率信号精度高且易于集成。

优选地，所述电源控制模块10用于将所述电压控制信号与一标准电压进行比较，以产生一开关信号，所述开关信号用于控制输出至所述环形振荡器20的供电电压的大小。不难理解，所述供电电压越高，所述环形振荡器20产生的振荡频率也越高，反之则反。

优选地，所述频率转换模块30用于将所述环形振荡器20的振荡频率转换为等效电阻，并使其与一可调电阻进行分压，以产生所述电压控制信号。如此，可通过改变所述可调电阻的大小来改变所述电压控制信号的大小，进而控制振荡频率。本设计将使得所述环形振荡电路100的输出频率具有可调性。

图3为所述环形振荡电路100的一较佳实施方式的电路图，如图3所示，所述电源控制模块10包括比较器CMP，电子开关Q1及电源Vcc。所述比较器CMP的同相输入端与芯片内部基准电压Vref电连接，所述比较器CMP的反相输入端与所述频率转换模块30电连接，所述比较器CMP的输出端与所述电子开关Q1的第一端电连接。所述电子开关Q1的第二端与所述电源Vcc电连接，所述电子开关Q1的第三端与所述环形振荡器20电连接。

所述环形振荡器20包括至少三个反相器。在本实施方式中，所述环形振荡器20包括三个反相器INV1-INV3。这三个反相器INV1-INV3依次串联连接，且其电源端均电连接于所述电子开关Q1的第三端。反相器INV1的输入端与反相器INV3的输出端电连接。所述反相器INV3的输出端为所述环形振荡器20的频率信号输出端。所述反相器INV1的输入端还与所述频率转换模块30电连接，用于反馈所述环形振荡器20的振荡频率。在其他实施方式中，反相器的个数也可以是其他数量，这些反相器的连接方式与反相器数量为三个的时候类似，在此不再赘述。

在本实施方式中，所述频率转换模块30包括电子开关Q2、电子开关Q3、电容C1及可调电阻Rref。所述可调电阻Rref为内部基准电阻。所述电子开关Q2的第一端与所述电子开关Q3的第一端均电连接于所述反相器INV1的输入端。所述电子开关Q2的第二端与所述比较器CMP的反向输入端电连接。所述电子开关Q2的第二端通过所述可调电阻Rref电连接至所述电源Vcc。所述电子开关Q2的第三端与所述电子开关Q3的第三端电连接。所述电子开关Q2的第三端还通过所述电容C1与所述电子开关Q3的第二端电连接。所述电子开关Q3的第二端接地。

当所述环形振荡器20的输出端VO输出的频率信号为低电平时，所述电子开关Q2导通，所述电子开关Q3截止，所述电容C1充电。当所述环形振荡器20的输出端VO输出的频率信号为高电平时，所述电子开关Q2截止，所述电子开关Q3导通，所述电容C1放电。在所述环形振荡器20每一个振荡周期内，所述电容C1都将进行一次充电和放电过程。每次充放电消耗的电荷量q＝c*v，其中c为所述电容C1的电容值，v为所述电容C1的电压。如此，等效电流i＝q*f＝c*v*f，等效电阻R＝v/i＝v/(c*v*f)＝1/(c*f)，其中f为所述环形振荡器20的振荡频率。该等效电阻R将与所述可调电阻Rref进行分压，从而可调整输出至所述比较器CMP的反向输入端的电压Vdiv，从而控制所述比较器CMP输出端的电压Vcon的电压范围，进而控制所述电子开关Q1的关断，最终将控制所述电源控制模块10输出至所述环形振荡器20的供电电压Vpow，如此一来，无需外挂晶振或大量电感元件，通过改变可调电阻Rref的电阻值，即可调节输出信号的频率大小，还通过引入负反馈环路，使得输出频率与自身离散型及温度无关，实现高精度的频率输出。本发明成本低、功耗低、频率可调且易于集成。

在本实施方式中，所述频率转换模块30还可包括电容C2。所述电容C2的一端电连接至所述电子开关Q2的第二端，所述电容C2的另一端电连接至所述电子开关Q3的第二端。所述电容C2用于滤除高频开关噪声信号。

在本实施方式中，所述电子开关Q1与电子开关Q2均为P沟道场效应管，所述电子开关Q1与所述电子开关Q2的第一端、第二端、第三端分别对应于P沟道场效应管的栅极、源极、漏极。所述电子开关Q3为N沟道场效应管，所述电子开关Q3的第一端、第二端、第三端分别对应于N沟道场效应管的栅极、源极、漏极。

请参考图4，本发明还提出了一种环形振荡方法，包括如下步骤：

S1、根据供电电压对应产生振荡频率，并输出频率信号。

S2、获取所述振荡频率，并将所述振荡频率转换为与其相关的等效电阻。

S3、使所述等效电阻与一可调电阻进行分压，以输出电压控制信号。在本实施方式中，所述可调电阻为内部基准电阻。

S4、将所述电压控制信号与一标准电压进行比较，以输出开关信号，所述开关信号用于控制所述供电电压的大小。在本实施方式中，所述标准电压为内部基准电压。

上述环形振荡电路、方法以及集成芯片根据供电电压对应产生振荡频率，并输出频率信号；获取所述振荡频率，并将所述振荡频率转换为与其相关的等效电阻；使所述等效电阻与一可调电阻进行分压，以输出电压控制信号；将所述电压控制信号与一标准电压进行比较，以输出开关信号，所述开关信号用于控制所述供电电压的大小。如此，将不受工作条件的影响，使得输出频率信号精度高且易于集成。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种环形振荡电路，其特征在于，所述环形振荡电路包括电源控制模块、环形振荡器、频率转换模块，所述电源控制模块与所述环形振荡器电连接，所述频率转换模块的一端与所述电源控制模块电连接，所述频率转换模块的另一端与所述环形振荡器电连接，所述电源控制模块用于控制输出供电电压至所述环形振荡器，所述环形振荡器用于在所述电源控制模块输出的供电电压下产生振荡频率，并输出频率信号，所述频率转换模块用于将所述环形振荡器的振荡频率转换为等效电阻，以通过电阻分压产生电压控制信号，所述电压控制信号用于控制所述电源控制模块输出至所述环形振荡器的供电电压。

2.根据权利要求1所述的环形振荡电路，其特征在于，所述电源控制模块用于将所述电压控制信号与一标准电压进行比较，以产生一开关信号，所述开关信号用于控制输出至所述环形振荡器的供电电压的大小。

3.根据权利要求1所述的环形振荡电路，其特征在于，所述电源控制模块包括比较器，第一电子开关及电源，所述比较器的同相输入端与芯片内部基准电压电连接，所述比较器的反相输入端与所述频率转换模块电连接，所述比较器的输出端与所述第一电子开关的第一端电连接，所述第一电子开关的第二端与所述电源电连接，所述第一电子开关的第三端与所述环形振荡器电连接。

4.根据权利要求3所述的环形振荡电路，其特征在于，所述环形振荡器包括第一反相器、第二反相器、第三反相器，这三个反相器依次串联连接，且其电源端均电连接于所述第一电子开关的第三端，所述第一反相器的输入端与第三反相器的输出端电连接，所述第三反相器的输出端用于输出频率信号，所述第一反相器的输入端还与所述频率转换模块电连接。

5.根据权利要求4所述的环形振荡电路，其特征在于，所述频率转换模块包括第二电子开关、第三电子开关、第一电容及可调电阻，所述第二电子开关的第一端与所述第三电子开关的第一端均电连接于所述第一反相器的输入端，所述第二电子开关的第二端与所述比较器的反向输入端电连接，所述第二电子开关的第二端通过所述可调电阻电连接至所述电源，所述第二电子开关的第三端与所述第三电子开关的第三端电连接，所述第二电子开关的第三端还通过所述第一电容与所述第三电子开关的第二端电连接，所述第三电子开关的第二端接地。

6.根据权利要求5所述的环形振荡电路，其特征在于，所述频率转换模块还可包括第二电容，所述第二电容的一端电连接至所述第二电子开关的第二端，所述第二电容的另一端电连接至所述第三电子开关的第二端，所述第二电容用于滤除高频开关噪声信号。

7.根据权利要求6所述的环形振荡电路，其特征在于，所述第一电子开关与所述第二电子开关均为P沟道场效应管，所述第一电子开关与所述第二电子开关的第一端、第二端、第三端分别对应于P沟道场效应管的栅极、源极、漏极，所述第三电子开关为N沟道场效应管，所述第三电子开关的第一端、第二端、第三端分别对应于N沟道场效应管的栅极、源极、漏极。

8.一种集成芯片，其特征在于，所述集成芯片包括如权利要求1至7任一项所述的环形振荡电路。

9.一种环形振荡方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、根据供电电压对应产生振荡频率，并输出频率信号；

S2、获取所述振荡频率，并将所述振荡频率转换为与其相关的等效电阻；

S3、使所述等效电阻与一可调电阻进行分压，以输出电压控制信号；

S4、将所述电压控制信号与一标准电压进行比较，以输出开关信号，所述开关信号用于控制所述供电电压的大小。

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