CN113381732A - 双比较器控制的低功耗松弛振荡器及工作方法 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种双比较器控制的低功耗松弛振荡器及工作方法，该振荡器包括：电流产生电路、主比较器、辅助比较器、缓冲电路、MOS开关管和充电电容。利用辅助比较器提前反转，产生使能信号，控制主比较器工作。由于辅助比较器自身功耗很小，主比较器仅在周期内部分时间开启，达到降低系统功耗的目的。

Description

双比较器控制的低功耗松弛振荡器及工作方法

技术领域

本发明涉及集成电路设计技术领域，具体涉及一种双比较器控制的低功耗松弛振荡器及工作方法。

背景技术

在电源管理芯片、数模混合集成电路系统中，振荡器是必不可少的电路。振荡器电路能够为超大规模集成电路系统提供时钟信号，同时也可以作为电源模块同步驱动的核心单元。

晶体振荡器可以产生高精度的时钟信号，但是由于体积较为庞大，无法集成在芯片上，所以多用于PCB板级的时钟信号供给。由于市面上的消费类电子产品追求低功耗，超长的使用寿命，较低的成本，所以系统通常采用高度集成，功耗较低且频率稳定的振荡器。松弛振荡器的电路架构较为简单，可在芯片系统上高度集成，在电源管理信号和数模混合电路中广泛应用。

图1为传统的松弛振荡器结构示意图。该电路主要由基准电压产生电路，恒流源充电模块，比较器判别模块以及缓冲电路组成。该系统电路模块均处于持续工作的状态，使得系统损耗较大。如图1所示，在典型的松弛振荡器结构中比较器CMP会一直比较VREF和VRAMP信号并输出结果。由于比较器具有较快的速度和较高的精度，使得比较器的电流消耗在整个系统中的占比很大，比较器持续工作的状态导致其电流没有达到合理的利用，使振荡器功耗提升。因此，急需解决比较器持续进行信号比较而造成系统功耗很大的问题。

发明内容

针对现有技术存在的问题，提供一种双比较器控制的低功耗松弛振荡器电路，在电容充电电压上升的过程中，先采用一个低功耗的辅助比较器电路产生使能信号，来决定主比较器的导通或关断，由于主比较器只在整个周期的部分区间内产生电流损耗，使得单位周期内的电流平均值降低，最终实现低功耗的目的。

本发明提供一种双比较器控制的低功耗松弛振荡器，包括：电流产生电路、主比较器、辅助比较器、缓冲电路、NMOS开关管和充电电容；

所述电流产生电路的输出电流为电容充电，产生电压VRAMP。VRAMP信号连接到主比较器和辅助比较器的正向输入端；所述主比较器和辅助比较器的反相输入端连接参考电平VREF；所述辅助比较器的输出端连接主比较器的使能端，当使能信号为高电平时，主比较器才开始工作。整个周期主比较器仅在较短时间内导通，可以有效减小总体的电流损耗，达到低功耗的目的；所述主比较器的输出端连接缓冲电路的输入端，所述缓冲电路的输出端连接NMOS开关管的栅极；所述NMOS开关管的源极和漏极分别连接充电电容的上下极板。

优选的，所述辅助比较器包括一个非对称性输入对管和多组电流镜。

进一步优选的，所述辅助比较器输入对管中正端输入管的宽长比大于负端输入管。

进一步优选的，所述主比较器包括一个输入对管、多组电流镜以及与电流镜相连接的多个MOS开关管。

进一步优选的，所述主比较器的多组所述电流镜包括第一MOS管(MC9)和第二MOS管(MC10)组成的第一组电流镜；第三MOS管(MC3)和第四MOS管(MC4)组成的第二组电流镜、第五MOS管(MC5)和第六MOS管(MC6)组成的第三组电流镜；第七MOS管(MC7)和第八MOS管(MC8)组成的第四组电流镜。

进一步优选的，主比较器具有多个MOS开关管，包括分别与第二组电流镜中第三MOS管(MC3)源极连接的第一MOS开关管(MC11)、与第四MOS管(MC4)源极连接的第三MOS开关管(MC13)、与第三组电流镜中第五MOS管(MC5)源极连接的第二MOS开关管(MC12)以及与第六MOS管(MC6)源极连接的第四MOS开关管(MC14)。

本发明还提供一种双比较器控制的低功耗松弛振荡器工作方法，应用于上述双比较器控制的低功耗松弛振荡器。电流产生电路为电容充电产生VRAMP信号，该信号分别输入到辅助比较器和主比较器的正向输入端，所述VRAMP信号的电压逐渐增大；

辅助比较器输入对管具有失调电压，当VRAMP信号的电压逐渐增大时，辅助比较器先于主比较器翻转，输出使能信号VOA由低电平转为高电平，触发主比较器工作；

当主比较器的正向输入信号VRAMP大于反向输入信号VREF时，主比较器开始翻转，主比较器输出的VOM信号由低电平翻转为高电平；VOM为高电平使NMOS开关管闭合，充电电容放电，VRAMP信号电压下降；

VRAMP下降直至小于VREF时，主比较器输出的VOM信号由高电平翻转为低电平；

VRAMP继续下降，辅助比较器输出使能信号VOA由高电平翻转为低电平。

在上述任意一项实施例中优选的，所述辅助比较器的输出使能信号VOA由低电平转为高电平时，采用如下方式触发主比较器工作；

辅助比较器的输出使能信号VOA为高电平时，控制主比较器中的四个NMOS开关管同步开启，形成从VDD到VSS的通路，主比较器工作。

在上述任意一项实施例中优选的，所述电流产生电路的输出电流向内部电容充电，产生关键信号VRAMP的持续上升阶段；一旦触发参考电平VREF，VRAMP由于开关控制迅速放电，VRAMP信号迅速下降，由此产生一个完整的信号周期。

本发明提供的双比较器控制的低功耗松弛振荡器，相比于传统比较器至少具有以下优点：

1、利用辅助比较器提前反转，产生使能信号，控制主比较器工作。由于辅助比较器自身功耗很小，主比较器仅在周期内部分时间开启，达到降低系统功耗的目的。

2、利用辅助比较器中输入对管的尺寸不同产生失调电压，辅助比较器提前反转，输出主比较器的使能信号，该创新点易于实施，电路结构简单；

3、本电路比较器各支路下端放置NMOS开关，利用辅助比较器A输出使能信号VOA控制开关的通断，主比较器最终输出电路的控制波形。辅助比较器功耗很小，主比较器仅在整个周期范围内部分时间消耗电流，使得系统电流均值大幅下降，达到低功耗的目的。

附图说明

图1所示为本申请背景技术中提供的传统振荡器结构示意图。

图2所示为本申请一实施例提供的一种双比较器控制的低功耗松弛振荡器结构简图；

图3所示为本申请一实施例提供的双比较器控制的低功耗松弛振荡器中电流产生电路的结构图。

图4所示为本申请一实施例提供的双比较器控制的低功耗松弛振荡器中辅助比较器的结构图。

图5所示为本申请一实施例提供的双比较器控制的低功耗松弛振荡器中主比较器的结构图。

图6所示为本申请一实施例提供的双比较器控制的低功耗松弛振荡器工作方法的时序图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

此外，在示例性实施例中，因为相同的参考标记表示具有相同结构的相同部件或相同方法的相同步骤，如果示例性地描述了一实施例，则在其他示例性实施例中仅描述与已描述实施例不同的结构或方法。

在整个说明书及权利要求书中，当一个部件描述为“连接”到另一部件，该一个部件可以“直接连接”到另一部件，或者通过第三部件“电连接”到另一部件。此外，除非明确地进行相反的描述，术语“包括”及其相应术语应仅理解为包括所述部件，而不应该理解为排除任何其他部件。

如图2所示，本发明提供一种双比较器控制的低功耗松弛振荡器，包括：电流产生电路、主比较器M、辅助比较器A、缓冲电路BUF、NMOS开关管M1和充电电容C1；

所述电流产生电路的输出电流为电容充电，产生电压VRAMP。VRAMP信号连接到主比较器和辅助比较器的正向输入端；所述主比较器和辅助比较器的反相输入端连接参考电平VREF；所述辅助比较器A的输出端连接主比较器M的使能端；所述主比较器M的输出端连接缓冲电路BUF的输入端，所述缓冲电路的输出端连接NMOS开关管M1的栅极；所述NMOS开关管的源极和漏极分别连接充电电容C1的上下极板。

如图3所示为电流产生电路模块结构图。其主要结构有放大器模块，NMOS管M2，调节偏置电流的电阻RT，以及M3-6组成的电流镜。其中放大器模块AMP，NMOS管M2和电阻RT构成电流偏置模块。其原理为AMP和M2组成环路负反馈，使放大器的输入负端电压等于正端电压VREF。电流IB是电阻RT的电流，也是器件M3，M5电流镜支路的电流。由公式(1)可以得出电流产生电路基准电流IB的表达式。

IC是M6/M4的支路电流。设M6支路电流与基准电流的比为N。

I_C＝I_M6＝N·I_B (2)

如图4所示，其中，辅助比较器中输入对管为MA1、MA2；辅助比较器中输入对管为非对称输入对管；所述非对称输入对管中MA1管的宽长比大于MA2管。

MA5，MA6、MA7，MA8、MA9，MA10以及MA11，MA12均构成电流镜。对于典型比较器，输入电压相同并且MA1和MA2的宽长比相等时，输入对管的电流相等，一旦VRAMP信号高于VREF会实现电平翻转。当MA1的宽长比大于MA2时，MA1、MA2产生相同电流会使VRAMP与VREF会产生失调压差。要想使辅助比较器正常工作，MA4需要在MA1，2翻转的时刻之前开启，为比较器提供尾电流。电路应满足下式：

V_{GS_MA4}＝VRAMP-V_{DS_MA6} (4)

V_{GS_MA1}＝VRAMP+VOFF-V_{DS_MA4}-V_{DS_MA6} (5)

V_{GS_MA1}＜V_{GS_MA4} (6)

VOFF＜V_{DS_MA4} (7)

如图5所示为主比较器M晶体管电路图。主比较器中输入对管为MC1、MC2；栅极信号分别为VRAMP和VREF。电流镜包括第一MOS管MC9和第二MOS管MC10组成的第一组电流镜；第三MOS管MC3和第四MOS管MC4组成的第二组电流镜、第五MOS管MC5和第六MOS管MC6组成的第三组电流镜；第七MOS管MC7和第八MOS管MC8组成的第四组电流镜。

多个所述MOS开关管包括分别与第二组电流镜中第三MOS管MC3源极连接的第一MOS开关管MC11、与第四MOS管MC4源极连接的第三MOS开关管MC13、与第三组电流镜中第五MOS管MC5源极连接的第二MOS开关管MC12以及与第六MOS管MC6源极连接的第四MOS开关管MC14。

主比较器还包括PMOS管MC15，所述PMOS管的栅极连接辅助比较器的输出端，漏极连接主比较器的输出端，源极连接VDD。

本电路利用辅助比较器A输出使能信号VOA控制开关的通断，实现电路的不连续工作。当VOA为高电平时，主比较器M才导通，电路开始工作；当VOA为低电平时，主比较器M不导通，没有电路电流的消耗。主比较器M在MC11-MC14导通后才开始比较VRAMP和VREF两端电压并输出波形VOM。当VOA为低电平时主比较器不工作，MC15利用PMOS管的开关作用，给反相器提供一个高电平，使VOM不工作状态下能够输出稳定的低电平，从而控制充电电容C1的开关M2一直保持关闭。

本发明还提供一种双比较器控制的低功耗松弛振荡器工作方法，包括以下步骤：

VRAMP信号分别输入到辅助比较器和主比较器中，VRAMP信号由电流给电容充电产生，并且电压逐渐增大；

辅助比较器输入对管具有失调电压，当VRAMP信号的电压增大时，辅助比较器先于主比较器翻转，输出使能信号VOA由低电平转为高电平，触发主比较器工作；

当主比较器的正向输入端信号VRAMP大于反向输入端信号VREF时，主比较器开始翻转，主比较器输出的VOM信号由低电平翻转为高电平；VOM为高电平时会控制NMOS开关管闭合，则充电电容放电，VRAMP信号电压下降；

VRAMP下降直至小于VREF，主比较器输出的VOM信号由高电平翻转为低电平；

VRAMP继续下降，辅助比较器输出使能信号VOA由高电平翻转为低电平。

所述辅助比较器的输出使能信号VOA由低电平转为高电平时，由于，控制主比较器中的四个NMOS开关管同步开启，形成从VDD到VSS的通路，主比较器工作。

电流产生电路的输出电流向内部电容充电，产生关键信号VRAMP的持续上升阶段；一旦触发参考电平VREF，VRAMP信号由于开关控制迅速下降，由此产生一个完整的信号周期。

振荡器的工作时序如图6所示，辅助比较器A和主比较器M的正负输入端信号分别为VRAMP和VREF。电流给电容C1充电使得VRAMP电压持续上升。T1时刻，辅助比较器由于失调电压的作用会先于主比较器翻转，则VOA由低电平翻转为高电平。当VOA为高时，主比较器M开始工作。T2时刻，VREF等于VRAMP时，主比较器M开始翻转信号，VOM波形由低电平翻转为高电平。当VOM输出为高电平时，经过缓冲级后控制开关管M1闭合，电容C1放电，VRAMP迅速下降。T3时刻，VRAMP小于VREF，VOM由高电平翻转为低电平。T4时刻，辅助比较器输出的使能信号VOA从高电平翻转为低电平。此时，主比较器M处于不工作的状态。整个信号周期完成，该周期内主比较器M只有图中标注的T_CMPM时间段内工作，所以系统平均电流消耗减少，损耗降低。

以上结合具体实施例描述了本申请的基本原理，但是，需要指出的是，在本申请中提及的优点、优势、效果等仅是示例而非限制，不能认为这些优点、优势、效果等是本申请的各个实施例必须具备的。另外，上述公开的具体细节仅是为了示例的作用和便于理解的作用，而非限制，上述细节并不限制本申请为必须采用上述具体的细节来实现。

本申请中涉及的器件、装置、设备、系统的方框图仅作为例示性的例子并且不意图要求或暗示必须按照方框图示出的方式进行连接、布置、配置。如本领域技术人员将认识到的，可以按任意方式连接、布置、配置这些器件、装置、设备、系统。诸如“包括”、“包含”、“具有”等等的词语是开放性词汇，指“包括但不限于”，且可与其互换使用。这里所使用的词汇“或”和“和”指词汇“和/或”，且可与其互换使用，除非上下文明确指示不是如此。这里所使用的词汇“诸如”指词组“诸如但不限于”，且可与其互换使用。

还需要指出的是，在本申请的装置、设备和方法中，各部件或各步骤是可以分解和/或重新组合的。这些分解和/或重新组合应视为本申请的等效方案。

提供所公开的方面的以上描述以使本领域的任何技术人员能够做出或者使用本申请。对这些方面的各种修改对于本领域技术人员而言是非常显而易见的，并且在此定义的一般原理可以应用于其他方面而不脱离本申请的范围。因此，本申请不意图被限制到在此示出的方面，而是按照与在此公开的原理和新颖的特征一致的最宽范围。

为了例示和描述的目的已经给出了以上描述。此外，此描述不意图将本申请的实施例限制到在此公开的形式。尽管以上已经讨论了多个示例方面和实施例，但是本领域技术人员将认识到其某些变型、修改、改变、添加和子组合。

Claims (9)

1.一种双比较器控制的低功耗松弛振荡器，其特征在于，包括：电流产生电路、主比较器、辅助比较器、缓冲电路、NMOS开关管和充电电容；

所述电流产生电路的输出电流为电容充电，产生电压VRAMP，VRAMP信号连接到主比较器和辅助比较器的正向输入端；所述主比较器和辅助比较器的反相输入端连接参考电平VREF；所述辅助比较器的输出端连接主比较器的使能端，当使能信号为高电平时，主比较器开始工作，所述主比较器的输出端连接缓冲电路的输入端，所述缓冲电路的输出端连接NMOS开关管的栅极；所述NMOS开关管的源极和漏极分别连接充电电容的上下极板。

2.根据权利要求1所述的双比较器控制的低功耗松弛振荡器，其特征在于，所述辅助比较器包括一个非对称性输入对管和多组电流镜。

3.根据权利要求1所述的双比较器控制的低功耗松弛振荡器，其特征在于，所述辅助比较器输入对管中正端输入管的宽长比大于负端输入管。

4.根据权利要求1所述的双比较器控制的低功耗松弛振荡器，其特征在于，所述主比较器包括一个输入对管、多组电流镜以及与电流镜相连接的多个MOS开关管。

5.根据权利要求4所述的双比较器控制的低功耗松弛振荡器，其特征在于，所述主比较器的多组电流镜包括第一MOS管(MC9)和第二MOS管(MC10)组成的第一组电流镜；第三MOS管(MC3)和第四MOS管(MC4)组成的第二组电流镜、第五MOS管(MC5)和第六MOS管(MC6)组成的第三组电流镜；第七MOS管(MC7)和第八MOS管(MC8)组成的第四组电流镜。

6.根据权利要求5所述的双比较器控制的低功耗松弛振荡器，其特征在于，主比较器具有多个MOS开关管，包括分别与第二组电流镜中第三MOS管(MC3)源极连接的第一MOS开关管(MC11)、与第四MOS管(MC4)源极连接的第三MOS开关管(MC13)、与第三组电流镜中第五MOS管(MC5)源极连接的第二MOS开关管(MC12)以及与第六MOS管(MC6)源极连接的第四MOS开关管(MC14)。

7.一种双比较器控制的低功耗松弛振荡器工作方法，其特征在于，应用于上述权利要求1-6中任意一项所述的低功耗松弛振荡器中，包括：

电流产生电路的输出电流给电容充电，产生VRAMP信号，所述VRAMP信号的电压逐渐增大；

辅助比较器输入对管具有失调电压，当VRAMP信号的电压逐渐增大，辅助比较器先于主比较器翻转，使能信号VOA由低电平转为高电平，VOA信号连接到主比较器的使能端，触发主比较器工作；

当主比较器的正向输入端信号VRAMP高于反向输入端信号VREF时，主比较器开始翻转，主比较器输出的VOM信号由低电平翻转为高电平；VOM为高电平时，经过缓冲级后控制NMOS开关管闭合，电容C1迅速放电，VRAMP信号电压迅速下降；

VRAMP信号下降至小于VREF电平，主比较器输出的VOM信号由高电平翻转为低电平；

VRAMP继续下降，辅助比较器输出使能信号VOA由高电平翻转为低电平，控制主比较器不工作。

8.根据权利要求7所述的双比较器控制的低功耗松弛振荡器工作方法，其特征在于，

所述辅助比较器的输出使能信号VOA由低电平转为高电平时，采用如下方式触发主比较器工作；

辅助比较器的输出使能信号VOA为高电平时，控制主比较器中的四个NMOS开关管MC11-MC14同步开启，形成从VDD到VSS的通路，主比较器工作。

9.根据权利要求7所述的双比较器控制的低功耗松弛振荡器工作方法，其特征在于，所述电流产生电路的输出电流向内部电容充电，产生关键信号VRAMP的持续上升阶段；一旦信号VRAMP触发参考电平VREF产生VOM信号，VOM信号经过缓冲级后控制NMOS开关迅速打开，将电容上的电荷释放，产生关键信号VRAMP的下降阶段，当VOM为低电平时，VRAMP持续上升；当VOM为高电平时，VRAMP迅速下降，由此产生一个完整的信号周期。

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