CN115104257A - 低功率电子振荡器 - Google Patents

Abstract

提供了一种振荡器装置，所述振荡器装置包括具有活动状态和非活动状态的弛张振荡器(2)；偏置电流电路部分(16)，其被布置为在所述活动状态期间向所述弛张振荡器(2)提供偏置电流(14)；以及电子开关(12)，其被布置为当在所述非活动状态中时使所述弛张振荡器(2)与所述偏置电流电路部分(16)隔离。所述振荡器装置被布置为存储与所述偏置电流(14)相关联的内部电压值，并且所述偏置电流电路部分(16)被布置为当所述振荡器(2)从所述非活动状态启动到所述活动状态时使用所述存储的内部电压值来生成所述偏置电流(14)。

Description

低功率电子振荡器

本发明涉及电子振荡器，其特别地但不专门用于低功率集成电路，诸如包括无线电收发器的那些。

许多电子电路需要时钟源。虽然出于许多目的，这将是高频晶体振荡器，但这种高频晶体振荡器会消耗大量电流。因此，对于功率敏感的应用而言，可能另外地或替代地期望使用相对较低功率、较低频率的时钟源来实现一些定时功能。这种时钟源的一个示例是弛张振荡器电路。在许多情况下，使用完全集成的弛张振荡器电路比使用晶体更为优选，这是因为其不占用芯片引脚并且避免需要外部部件。其还比晶体便宜得多，并且可以具有与晶体振荡器类似的低电流消耗。

然而，尽管弛张振荡器可以具有相对较低的功率要求，但其仍然对集成电路中的电流消耗做出了显著贡献。理想地，任何时钟源都应在不需要时掉电，但实际上这可能并不总是实用的，这是因为弛张振荡器在其重新启动之后通常具有显著的“稳定时间”，然后才能提供准确的时钟信号。这增加了其必须通电的时间量，并且还可能限制使时钟掉电的机会数(如果可能很快再次需要的话)。

本发明寻找解决上述问题，并且当从第一方面来看时，本发明提供了一种振荡器装置，其包括：

具有活动状态和非活动状态的弛张振荡器；

偏置电流电路部分，所述偏置电流电路部分被布置为在所述活动状态期间向所述弛张振荡器提供偏置电流；以及

电子开关，所述电子开关被布置为当在所述非活动状态中时使所述弛张振荡器与所述偏置电流电路部分隔离；

其中所述振荡器装置被布置为存储与所述偏置电流相关联的内部电压值，并且所述偏置电流电路部分被布置为当所述振荡器从所述非活动状态启动到所述活动状态时使用所述存储的内部电压值来生成所述偏置电流。

本发明扩展到一种操作振荡器装置的方法，所述振荡器装置包括具有活动状态和非活动状态的弛张振荡器、偏置电流电路部分和电子开关，所述方法包括：

所述偏置电流电路部分在所述活动状态期间向所述弛张振荡器提供偏置电流；

所述振荡器改变至所述非活动状态；

所述电子开关使所述弛张振荡器与所述偏置电流电路部分隔离；

存储与所述偏置电流相关联的内部电压值；以及

当所述振荡器从所述非活动状态启动到所述活动状态时，所述偏置电流电路部分使用所述存储的内部电压值来生成所述偏置电流。

本发明还扩展到一种集成电路，其包括上述振荡器装置。

因此，本领域的技术人员将看到，根据本发明，所述弛张振荡器可以使用偏置电流来启动，所述偏置电流是根据在所述弛张振荡器先前操作时所述偏置电流电路部分所存储的值生成的。这样的装置可以有利地允许所述弛张振荡器的快速启动以提供准确的时钟输出信号，而无需在传统装置中所需的稳定时间，这是因为可以直接提供准确的偏置电路。当所述振荡器不在该状态下操作时，即使所述非活动状态消耗非常少的电流或不消耗电流，也可能是这种情况。

尽管设想了其他装置，但是在一组实施例中，所述偏置电流电路部分包括使所述偏置电流通过的晶体管。在一组这样的实施例中，所述晶体管包括场效应晶体管(FET)，其包括栅极；并且所述内部电压值包括在所述栅极处的电压值。优选地，所述电压值存储在连接到所述栅极的电容器中。技术人员将理解，这种电容器将向所述晶体管的所述固有栅极电容提供额外的电容。所述栅极电压可以存储在连接到所述固定电压(例如，接地)的电容器中。这样的装置可以允许在闭合所述开关时快速重新建立通过所述晶体管的所述偏置电流，这将允许快速重新建立所述正确的栅极-源极电压。

在一组实施例中，所述振荡器装置还包括参考电压电路部分，其被布置为在所述活动状态期间向所述弛张振荡器提供参考电压。在一组这样的实施例中，所述参考电压电路部分被布置为存储与所述参考电压相关联的第二内部电压值，以及当所述振荡器从所述非活动状态启动到所述活动状态时使用所述存储的第二内部电压值来生成所述参考电压。所述第二内部电压值可以是所述参考电压本身，但这不是必要的。根据这样的实施例，当从所述非活动状态启动时，可以实现所述振荡器的所述启动速度和准确度的进一步改进，这是因为可以直接向所述弛张振荡器提供准确的参考电压。

在一组实施例中，所述参考电压电路部分包括被布置为控制所述偏置电流电路部分的差分放大器-例如，通过驱动其所述FET的所述栅极进行(如果提供的话)。在一组这样的实施例中，所述差分放大器被配置为在其第一输入处接收外部电压参考，并且在其第二输入处接收源于通过偏置电阻器或电阻器网络的所述偏置电流的电压值。

上面提到的所述电子开关有助于减少所述振荡器装置在所述非活动状态期间的电流消耗。在一组实施例中，一个或多个另外的电子开关被布置为在下列位置(如果提供的话)中的一个或多个中在所述非活动状态期间停止电流流动：在电源轨和所述弛张振荡器之间；在所述偏置电流电路部分的所述晶体管和电源轨之间；在所述差分放大器和电源轨之间；在所述差分放大器和所述偏置电流电路部分的所述晶体管之间；在所述差分放大器和在所述振荡器装置外部的电压参考源之间；以及在偏置电流源和所述差分放大器之间。

本发明可以应用于任何合适的弛张振荡器。所述弛张振荡器的所述输出可以用于为任何合适的下游电路部分，诸如，电荷泵、DC-DC转换器或需要时钟的任何同步数字设计提供时钟信号，这可以为了功率消耗优化而停止。本发明通常将在电池供电的集成电路上实现，但这不是必要的。

现将仅借助于示例参考附图描述本发明的实施例，在这些附图中：

图1是根据本发明的振荡器装置的示意性电路图；

图2是图1的弛张振荡器的更详细的示意性电路图；

图3是描述图1的电路的操作的流程图；

图4是典型现有技术的弛张振荡器装置中各种信号的输出迹线；以及

图5是根据本发明的振荡器装置中相同信号的输出迹线。

图1示出了体现本发明的振荡器装置。例如，这可以作为用于形成无线电收发器片上系统(SoC)的一部分的模块的时钟源提供。在该装置的中心处的是在这里示意性示出，但却在图2中更详细示出的弛张振荡器2。振荡器2借助于电子开关4(通常是晶体管)连接到正电压轨VDD，并且通过另一个电子开关6接地。尽管振荡器2内部的模拟电路被设置为“浮动”模式，但是逻辑门接地。振荡器2提供时钟输出7，其由需要时钟源的电路使用。

振荡器2具有用于振荡器参考电压的输入8和用于“使能”信号的另一个输入10。该“使能”信号可以来自例如中央处理单元或电源和时钟门管理系统(未示出)。由另一个电子开关12也连接到振荡器2的是由偏置电流电路部分16提供的偏置电流沉14，其继而由另一个电子开关18接地。

偏置电流电路部分16包括NMOS晶体管20，其漏极连接到振荡器2并且其源极连接到电阻器22，电阻器22连接到接地隔离开关18。电容器24连接在晶体管20的栅极和地之间，其目的将在后面进行解释。

偏置电流晶体管20的栅极还经由另外的电子开关26连接到单端差分放大器28-例如，运算放大器的输出。差分放大器28通过另外两个电子开关30、32分别连接到VDD和地。经由另一个电子开关36由电流源34(其可以在振荡器装置的外部)提供非常小的偏置电流(几纳安的量级)。差分放大器28的反相输入连接到偏置电流晶体管20的源极，并且非反相输入连接到振荡器2的电压参考输入8。然而，这不是必需的：运算放大器正输入采样电压和振荡器采样参考电压可能不同。在这种情况下，可以提供额外的开关和电容器。

这些经由最终的电子开关38连接到外部电压参考(未示出)。在非反相输入和地之间提供第二电容器40，其目的将再次在后面进行解释。

图2示出了典型的弛张振荡器2的进一步的细节，其可以与图1的电路一起使用，然而也可以使用其他类型。弛张振荡器的操作对本领域的技术人员来说是熟悉的，并且因此在这里不再详细描述，只是应当注意其基于差分比较器42，且用于其的共模电压是由参考电压8提供的。提供比较器42的输入的反相器44、46由偏置电流14偏置。尽管未示出，但是“使能”信号10用于很高地驱动在差分比较器42上的输入电容器中的一个并且很低地驱动一个，以便停止振荡，如下所述。

现在将进一步参考图3来描述图1的电路的操作，从步骤50开始，振荡器2处于其正常活动状态下。在该状态下，“使能”信号很高，这意味着所有电子开关4、6、12、18、26、30、32、36、38均闭合。偏置电流电路16因此将偏置电流14提供给振荡器2。差分放大器28驱动偏置晶体管20以将偏置电流设置为由参考电压8除以偏置电阻器22的值而确定的值。通过向振荡器16提供稳定、准确的偏置电流和参考电压，来自振荡器的时钟输出信号将是稳定和准确的。

在步骤52，当期望使振荡器2掉电时，例如，因为暂时不需要时钟信号7，“使能”信号被置低，这通过很高地驱动差分比较器输入电容器中的一个并且很低地驱动一个来停止振荡器2的操作。差分比较器42的内部节点被允许浮动并且其输出电压被迫进入振荡器输出处于已知状态中的这种状态中。当重新使能时，振荡器将因此从该已知的停止状态继续。

其还断开了所有电子开关4、6、12、18、26、30、32、36、38(步骤54)。这立即停止了流过振荡器2、偏置电流电路部分16和差分放大器28的任何电流，并且因此导致振荡器2进入完全非活动状态并且整个电路根本不消耗电流(步骤56)。然而，在这种状态下，电容器24、40保持充电到其紧跟在振荡器2被关闭之前被充电到的电压，并且因此其有效地发挥作用以分别存储偏置电流晶体管的栅极电压和参考电压。由于电容器24、40完全断开并且具有极低的自漏，因此可以在振荡器被关闭的整个期间有效地保持这些值。

当需要重新启动振荡器2时，“使能”信号被置高(步骤58)，并且所有开关4、6、12、18、26、30、32、36、38闭合(步骤60)。弛张振荡器2将因此重新启动。然而，由于偏置电流晶体管20的先前栅极电压被存储在偏置电流电路部分的电容器20中，因此立即有效地恢复偏置电流的正确电平。

类似地，因为参考电压被存储在另一个电容器40中，所以立即有效地恢复参考电压的正确电平。这意味着振荡器2可以在步骤62返回其活动状态，并且一旦其被启动(例如，在纳秒内)就会产生稳定和准确的时钟信号7。这与传统的弛张振荡器形成对比，后者在其产生的信号准确和稳定之前具有显著的启动延迟。这在图4和图5中更清楚地示出。

图4示出了典型的传统弛张振荡器的操作，其不包括图1所示的电容器24、40或电子开关。顶部迹线64示出用于打开和关闭振荡器的“使能”信号。下一条迹线66示出电压参考值。第三条迹线68示出了振荡器偏置电流，并且第四条迹线70示出了时钟输出信号。如将注意到的，当“使能”信号64变高时，电压参考值66和振荡器偏置电流68开始上升，但仅在振荡器稳定时才渐近地接近其最终值。这在“使能”信号64变高之后导致显著的延迟周期72，在该延迟周期72期间，没有时钟信号70输出，这是因为其不稳定。

相比之下，图5示出了用于根据本发明的振荡器装置的对应迹线-例如，图1中所示的。如可以看出的，“使能”信号64'一变高，电压参考值66'和振荡器偏置电流68'就直接到达其稳定值，这意味着可以立即有效地提供时钟信号70'。这使得能够节约功率，这是因为振荡器不需要在启动延迟期间通电。这也使得在更短的时间段内关闭振荡器是可行的。

本领域的技术人员将理解，上述仅提供了可以如何实施本发明的一个特定示例，并且许多变型和修改都可能在本发明的范围内。

Claims (11)

1.一种振荡器装置，其包括：

具有活动状态和非活动状态的弛张振荡器；

偏置电流电路部分，所述偏置电流电路部分被布置为在所述活动状态期间向所述弛张振荡器提供偏置电流；以及

电子开关，所述电子开关被布置为当在所述非活动状态中时使所述弛张振荡器与所述偏置电流电路部分隔离；

其中所述振荡器装置被布置为存储与所述偏置电流相关联的内部电压值，并且所述偏置电流电路部分被布置为当所述振荡器从所述非活动状态启动到所述活动状态时使用所述存储的内部电压值来生成所述偏置电流。

2.根据权利要求1所述的振荡器装置，其中所述偏置电流电路部分包括使所述偏置电流通过的晶体管。

3.根据权利要求2所述的振荡器装置，其中所述晶体管包括场效应晶体管，所述场效应晶体管包括栅极，并且所述内部电压值包括在所述栅极处的电压值。

4.根据权利要求3所述的振荡器装置，其中所述电压值存储在连接到所述栅极的电容器中。

5.根据任何前述权利要求所述的振荡器装置，其还包括参考电压电路部分，所述参考电压电路部分被布置为在所述活动状态期间向所述弛张振荡器提供参考电压。

6.根据权利要求5所述的振荡器装置，其中所述参考电压电路部分被布置为存储与所述参考电压相关联的第二内部电压值，以及当所述振荡器从所述非活动状态启动到所述活动状态时使用所述存储的第二内部电压值来生成所述参考电压。

7.根据任何前述权利要求所述的振荡器装置，其中所述参考电压电路部分包括被布置为控制所述偏置电流电路部分的差分放大器。

8.根据权利要求7所述的振荡器装置，其中所述差分放大器被配置为在其第一输入处接收外部电压参考，并且在其第二输入处接收源于通过偏置电阻器或电阻器网络的所述偏置电流的电压值。

9.根据任何前述权利要求所述的振荡器装置，其包括一个或多个另外的电子开关，所述一个或多个另外的电子开关被布置为在下列位置中的一个或多个中在所述非活动状态期间停止电流流动：在电源轨和所述弛张振荡器之间；在所述偏置电流电路部分的所述晶体管和电源轨之间；在所述差分放大器和电源轨之间；在所述差分放大器和所述偏置电流电路部分的所述晶体管之间；在所述差分放大器和在所述振荡器装置外部的电压参考源之间；以及在偏置电流源和所述差分放大器之间。

10.一种集成电路，其包括如任何前述权利要求所述的振荡器装置。

11.一种操作振荡器装置的方法，所述振荡器装置包括具有活动状态和非活动状态的弛张振荡器、偏置电流电路部分和电子开关，所述方法包括：

所述偏置电流电路部分在所述活动状态期间向所述弛张振荡器提供偏置电流；

所述振荡器改变至所述非活动状态；

所述电子开关使所述弛张振荡器与所述偏置电流电路部分隔离；

存储与所述偏置电流相关联的内部电压值；以及

当所述振荡器从所述非活动状态启动到所述活动状态时，所述偏置电流电路部分使用所述存储的内部电压值来生成所述偏置电流。

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