CN113092856A - 一种检测lc谐振频率的振荡器电路 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种检测LC谐振频率的振荡器电路，包括与供电模块电连接的LC谐振腔、正反馈放大电路及启动电路；所述电源模块用于向所述正反馈放大电路提供偏置电流，所述正反馈放大电路用于对所述LC谐振腔的谐振频率进行检测与调整，所述启动电路用于向所述正反馈放大电路提供启动电信号。本发明解决了传统反馈结构的振荡电路一般需要用到运算放大器，电路结构相对比较复杂，功耗也比较高等问题。负阻结构的电路结构比较简单，但需要双端口输入，给应用带来很多限制的问题，本发明结构简单、功耗低、启动快速，可以节省管脚资源，提高应用灵活性，满足了实际应用需求。

Description

一种检测LC谐振频率的振荡器电路
技术领域
本发明涉及集成电路设计技术领域，特别是涉及一种检测LC谐振频率的振荡器电路。
背景技术
在很多低频、高频通信系统中，LC网络可作为天线使用。为了达到最佳的通信效果，通信系统的载波频率需要和LC天线的谐振频率一致。LC天线的谐振频率可以通过仪器进行测量，也可以采用LC振荡器进行检测。利用振荡器对LC谐振频率进行检测时，LC天线作为振荡器的谐振腔，其振荡频率就是LC天线的谐振频率。传统的LC振荡器一般都是双端口输入，结构较为复杂。加快起振过程则需要消耗更大的电流。
现有的LC振荡器一般采用反馈和负阻结构。反馈结构中，一般需要用到运算放大器，使整体回路形成正反馈结构从而引起振荡；负阻结构中，一般采用NMOS和PMOS构成的交叉耦合对来产生负阻，给振荡器提供能量补偿，从而维持稳定的振荡状态。
然而，反馈结构的振荡电路一般需要用到运算放大器，电路结构相对比较复杂，功耗也比较高。负阻结构的电路结构比较简单，但需要双端口输入，给应用带来很多限制。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的目的是提供一种结构简单、功耗低、启动快速，可以节省管脚资源，提高应用灵活性的检测LC谐振频率的振荡器电路。
一种检测LC谐振频率的振荡器电路，包括与供电模块电连接的LC谐振腔、正反馈放大电路及启动电路；所述电源模块用于向所述正反馈放大电路提供偏置电流，所述正反馈放大电路用于对所述LC谐振腔的谐振频率进行检测与调整，所述启动电路用于向所述正反馈放大电路提供启动电信号。
另外，根据本发明提供的检测LC谐振频率的振荡器电路，还可以具有如下附加的技术特征：
进一步地，所述供电模块包括分别与电源输出端电连接的第一电流镜、第二电流镜及第三电流镜；所述第一电流镜包括通过栅极连接的第一MOS管、第二MOS管及第三MOS管；所述第二电流镜包括通过栅极连接的第十MOS管及第十一MOS管；所述第三电流镜包括通过栅极连接的第四MOS管及第五MOS管。
进一步地，所述正反馈放大电路包括第四MOS管、第五MOS管、第一电阻、第八MOS管及第二电阻。
进一步地，所述第八MOS管、第二电阻及LC谐振腔形成共源放大器，所述正反馈放大电路与所述LC谐振腔电连接。
进一步地，所述LC谐振腔包括相并联的第一电容及第一电感。
进一步地，所述正反馈放大电路的增益为：
Figure BDA0002971292280000021
其中，gm5和gm8分别为第五MOS管和第八MOS管的跨导，ZLC为LC谐振腔的阻抗。
进一步地，所述电路还包括用于向所述第八MOS管提供直流偏置的第九MOS管，以及与所述第九MOS管电连接的低通滤波器和比较器，所述低通滤波器用于使比较器的正向输入电压维持平稳；所述低通滤波器包括第三电阻及第四电容。
进一步地，所述快启动电路包括通过电容与LC谐振腔连接的第一启动电路及第二启动电路，所述第一启动电路及第二启动电路的使能端反相连接。
进一步地，所述第一启动电路包括依次连接的第六MOS管、第一反相器、第二反相器、第一与非门及第四反相器；其中，所述第一与非门的第二端与第四反相器的第一端通过第三电容接地，所述第四反相器的第二端与第一使能端电连接。
进一步地，所述第二启动电路包括依次连接的第七MOS管、第三反相器、第二与非门及第五反相器；其中，所述第二与非门的第三端与第二使能端电连接，所述第五反向器的第二端与所述第一使能端电连接。
根据本发明提出的检测LC谐振频率的振荡器电路，包括与供电模块电连接的LC谐振腔、正反馈放大电路及启动电路；所述电源模块用于向所述正反馈放大电路提供偏置电流，所述正反馈放大电路用于对所述LC谐振腔的谐振频率进行检测与调整，所述启动电路用于向所述正反馈放大电路提供启动电信号。本发明含有偏置、放大功能复用的正反馈放大回路，且LC谐振腔作为一级放大器的负载，从而实现LC振荡器的功能；同时内部振荡信号通过比较器整形为数字信号进行输出；此外快速启动电路配合相应的控制信号，保证低功耗条件下能实现振荡器的快速启动；具有结构简单、功耗低、启动快速的特点，可以节省管脚资源，提高应用灵活性，满足了实际应用需求。
附图说明
图1为本发明实施例提供的检测LC谐振频率的振荡器电路的结构框图；
图2为本发明实施例提供的检测LC谐振频率的振荡器电路的电路图；
图3为本发明实施例提供的检测LC谐振频率的振荡器电路的工作过程示意图。
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
为使本发明的目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。附图中给出了本发明的若干实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容更加透彻全面。
需要说明的是，当元件被称为“固设于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”、“上”、“下”以及类似的表述只是为了说明的目的，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
如图1至图3所示，基于上述问题，本发明实施例公开了一种检测LC谐振频率的振荡器电路，包括与供电模块10电连接的正反馈放大电路20、LC谐振腔30及启动电路40。
具体的，所述电源模块10用于向所述正反馈放大电路20提供偏置电流，所述正反馈放大电路20用于对所述LC谐振腔30的谐振频率进行检测与调整，所述启动电路40用于向所述正反馈放大电路20提供启动电信号。
进一步地，所述供电模块10包括分别与电源输出端电连接的第一电流镜、第二电流镜及第三电流镜。所述第一电流镜包括通过栅极连接的第一MOS管M1、第二MOS管M2及第三MOS管M3。所述第二电流镜包括通过栅极连接的第十MOS管M10及第十一MOS管M11；所述第三电流镜包括通过栅极连接的第四MOS管M4及第五MOS管M5。
具体的，所述第一MOS管M1、第二MOS管M2及第三MOS管M3均为NMOS管，所述第一MOS管M1、第二MOS管M2及第三MOS管M3的源极接地；所述第一MOS管M1的漏极与电源输出端电连接，所述第二MOS管M2的漏极通过第十MOS管与电源输出端电连接，所述第三MOS管M3的漏极通过第九MOS管M9与电源输出端电连接。所述第十MOS管M10及第十一MOS管M11均为PMOS管，所述第十MOS管M10及第十一MOS管M11的源极与电源输出端电连接；所述第十MOS管M10的漏极通过第二MOS管M2接地，所述第十一MOS管M11的漏极通过第四MOS管M4接地。所述第四MOS管M4及第五MOS管M5均为NMOS管，所述第四MOS管M4及第五MOS管M5的源极接地、漏极与电源输出端电连接
进一步地，所述正反馈放大电路20包括第四MOS管M4、第五MOS管M5、第一电阻R1、第八MOS管M8及第二电阻R2。其中，所述第八MOS管M8为PMOS管，所述第二电阻R2为可变电阻。
进一步地，所述第八MOS管M8、第二电阻R2及LC谐振腔30形成共源放大器，所述正反馈放大电路与所述LC谐振腔30电连接。所述LC谐振腔30包括相并联的第一电容C1及第一电感L1。
所述正反馈放大电路的增益为：
Figure BDA0002971292280000061
其中，gm5和gm8分别为第五MOS管M5和第八MOS管M8的跨导，ZLC为LC谐振腔的阻抗。
可以理解的，整个正反馈放大回路中，偏置功能和放大功能得到了充分的复用，从而简化了电路结构、降低了功耗。
进一步地，所述电路还包括用于向所述第四MOS管M4提供直流偏置的第九MOS管M9，以及与所述第九MOS管M9电连接的低通滤波器和比较器，所述低通滤波器用于使比较器Comp的正向输入电压维持平稳；所述低通滤波器包括第三电阻R3及第四电容C4。其中，所述第四电容C4的下极板接地，所述第三电阻R3的第一端与第九MOS管M9的源极连接，所述第三电阻R3的第二端与第八MOS管M8的栅极连接。
进一步地，所述快启动电路40包括通过电容与LC谐振腔30连接的第一启动电路及第二启动电路，所述第一启动电路及第二启动电路的使能端反相连接。
具体的，所述第一启动电路包括依次连接的第六MOS管M6、第一反相器INV1、第二反相器INV2、第一与非门NAND1及第四反相器INV4；其中，所述第一与非门NAND1的第二端与第四反相器INV4的第一端通过第三电容C3接地，所述第四反相器INV4的第二端与第一使能端ST电连接。所述第二启动电路包括依次连接的第七MOS管M7、第三反相器INV3、第二与非门NAND2及第五反相器INV5；其中，所述第二与非门NAND2的第三端与第二使能端EN电连接，所述第五反向器INV5的第二端与所述第一使能端电连接ST。其中，所述第六MOS管M6为PMOS管，所述第七MOS管M7为NMOS管。
应当理解的，由M1、M2、M3构成的电流镜中，M3的输出电流给M9提供电流偏置；M10、M11构成的电流镜，M9的输出电流给M8提供直流偏置。且由于M8上的电流比较小，流过LC谐振腔30产生的压降非常小，因此，M4的源极电压近似为0，如此，M4和M5也构成了一个电流镜。M4的电流放大N倍后，复制到M5，M5和R1构成了共源放大器，M5为放大管，R1为负载。L、C1构成了LC谐振腔30，在谐振频率处，LC谐振腔30的阻抗很大，因此，M8、R2、LC谐振腔30也构成了带源极负反馈的共源放大器，其中M8为核心放大管，R2是源极反馈电阻，LC谐振腔30为负载。
此外，R2既作为M8的源极负反馈电阻，也可以调节M8的偏置电流，从而调节环路增益。R3和C4构成低通滤波器，保证比较器COMP的正向输入电压维持平稳。电路在振荡器过程中，M5的漏极有一定幅度的振荡信号，该信号经过比较器后被转换成数字信号输出，即Fout。
在反相器INV1～INV5、与非门NAND1～NAND2、C3、M6、M7构成的快速启动电路中，当振荡器没有使能时，EN和ST信号都为0，M6和M7都处于关闭状态。在振荡器使能之后(EN变为高)，等振荡器建立完静态工作点，会接着来一个快速启动使能信号ST。在ST的上升沿会产生一个短脉冲信号开启M6，在M6开启之前，M7会处于开启状态从而将M7的漏极电压释放到0。在M6开启过程中，M7都处于关闭状态，从而在M6开启的瞬间，会有一个电流脉冲通过电容C2注入到LC谐振腔，从而加速振荡器启振。
本发明提出的一种检测LC谐振频率的振荡器电路，包括与供电模块电连接的LC谐振腔、正反馈放大电路及启动电路；所述电源模块用于向所述正反馈放大电路提供偏置电流，所述正反馈放大电路用于对所述LC谐振腔的谐振频率进行检测与调整，所述启动电路用于向所述正反馈放大电路提供启动电信号。本发明含有偏置、放大功能复用的正反馈放大回路，且LC谐振腔作为一级放大器的负载，从而实现LC振荡器的功能；同时内部振荡信号通过比较器整形为数字信号进行输出；此外快速启动电路配合相应的控制信号，保证低功耗条件下能实现振荡器的快速启动；具有结构简单、功耗低、启动快速的特点，可以节省管脚资源，提高应用灵活性，满足了实际应用需求。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种检测LC谐振频率的振荡器电路，其特征在于，包括与供电模块电连接的LC谐振腔、正反馈放大电路及启动电路；所述电源模块用于向所述正反馈放大电路提供偏置电流，所述正反馈放大电路用于对所述LC谐振腔的谐振频率进行检测与调整，所述启动电路用于向所述正反馈放大电路提供启动电信号。
2.根据权利要求1所述的检测LC谐振频率的振荡器电路，其特征在于，所述供电模块包括分别与电源输出端电连接的第一电流镜、第二电流镜及第三电流镜；所述第一电流镜包括通过栅极连接的第一MOS管、第二MOS管及第三MOS管；所述第二电流镜包括通过栅极连接的第十MOS管及第十一MOS管；所述第三电流镜包括通过栅极连接的第四MOS管及第五MOS管。
3.根据权利要求2所述的检测LC谐振频率的振荡器电路，其特征在于，所述正反馈放大电路包括第四MOS管、第五MOS管、第一电阻、第八MOS管及第二电阻。
4.根据权利要求3所述的检测LC谐振频率的振荡器电路，其特征在于，所述第八MOS管、第二电阻及LC谐振腔形成共源放大器，所述正反馈放大电路与所述LC谐振腔电连接。
5.根据权利要求4所述的检测LC谐振频率的振荡器电路，其特征在于，所述LC谐振腔包括相并联的第一电容及第一电感。
6.根据权利要求1至5任意一项所述的检测LC谐振频率的振荡器电路，其特征在于，所述正反馈放大电路的增益为：
Figure FDA0002971292270000021
其中，gm5和gm8分别为第五MOS管和第八MOS管的跨导，ZLC为LC谐振腔的阻抗。
7.根据权利要求2所述的检测LC谐振频率的振荡器电路，其特征在于，所述电路还包括用于向所述第八MOS管提供直流偏置的第九MOS管，以及与所述第九MOS管电连接的低通滤波器和比较器，所述低通滤波器用于使比较器的正向输入电压维持平稳；所述低通滤波器包括第三电阻及第四电容。
8.根据权利要求3所述的检测LC谐振频率的振荡器电路，其特征在于，所述快启动电路包括通过电容与LC谐振腔连接的第一启动电路及第二启动电路，所述第一启动电路及第二启动电路的使能端反相连接。
9.根据权利要求8所述的检测LC谐振频率的振荡器电路，其特征在于，所述第一启动电路包括依次连接的第六MOS管、第一反相器、第二反相器、第一与非门及第四反相器；其中，所述第一与非门的第二端与第四反相器的第一端通过第三电容接地，所述第四反相器的第二端与第一使能端电连接。
10.根据权利要求9所述的检测LC谐振频率的振荡器电路，其特征在于，所述第二启动电路包括依次连接的第七MOS管、第三反相器、第二与非门及第五反相器；其中，所述第二与非门的第三端与第二使能端电连接，所述第五反向器的第二端与所述第一使能端电连接。
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