CN115498983A - 一种固定功耗的张弛振荡器电路 - Google Patents

Abstract

一种固定功耗的张弛振荡器电路，其特征在于：所述电路包括第一源跟随单元和第二源跟随单元；其中，所述第一源跟随单元和所述第二源跟随单元，分别与所述张弛振荡器中的放大管的漏极连接，以对所述放大管的漏极电压进行限制；其中，所述第一源跟随器单元用于在所述漏极电压位于高电平状态时，限制所述漏极电压的取值；所述第二源跟随器单元用于在所述漏极电压位于中间状态时，限制所述漏极电压输出至RS触发器的时间。本发明构思巧妙、方法简单，大幅提高了时钟信号的准确性，确保时钟信号输出频率的稳定，降低了时钟信号的无效功率损耗，具有更为广泛的应用价值。

Description

一种固定功耗的张弛振荡器电路

技术领域

本发明涉及集成电路领域，更具体的，涉及一种固定功耗的张弛振荡器电路。

背景技术

目前，张弛振荡器电路是一种由单结晶体管与电阻、电容组成的，能够利用单结晶体管的负阻特性实现自激振荡电路。张弛振荡器电路因其所具有的脉冲重复、频率选择范围广且容易、工作温度变化比较稳定等优点，得到了广泛的应用。

通常，张弛振荡器能够接收到由于电容充放电而产生的锯齿波信号，并通过放大电路实现时钟信号的输出。通常在电容充放电电压未达到电源电压时，时钟信号都会持续在高电平状态，而当电容充放电电压达到峰值，接近或等同于放大电路的阈值电压时，放大电路会发生导通，并将时钟信号瞬间降低到低电平状态。随后，时钟信号经过短时间的恢复，再次返回至高电平状态。通过这种方式，本发明中的张弛振荡器就能够实现时钟信号的持续振荡和输出了。

现有技术中，通常采用A类放大器作为前文中所描述的放大电路，例如，采用MOS管以共射极方式进行连接。在这种情况下，输出信号的上拉状态仅凭借放大器中的电流镜元件实现充电，且充电时间与电流镜元件所提供的电流大小成反比。在这种情况下，电流镜会将A类放大器的输出电压充电到电源电压，而电源电压的变化会直接影响充电时间以及电源抑制比(PSR，Power Supply Rejection Ratio)的变化。因此，当电路中电源电压的大小不够稳定时，时钟信号的输出频率也会随之发生变化，使得张弛振荡器的输出不够精确。

另一方面，当张弛振荡器所产生的时钟信号用作数字模块的输入时，由于时钟信号在振荡过程中处于高低电平的中间状态的时间较长，也会导致不必要的功耗，和数字模块对时钟信号的识别误差，甚至可能引发数字模块的逻辑错误。

针对上述问题，本发明提供了一种固定功耗的张弛振荡器。

发明内容

为解决现有技术中存在的不足，本发明提供一种固定功耗的张弛振荡器电路，该电路分别通过第一源跟随单元和第二源跟随单元实现对于电路中放大管的调节，从而限制时钟信号的高低电平状态，以及最小化时钟信号处于中间状态的时间。

本发明采用如下的技术方案。

本发明第一方面，涉及一种固定功耗的张弛振荡器电路，电路包括第一源跟随单元和第二源跟随单元；其中，第一源跟随单元和第二源跟随单元，分别与张弛振荡器中的放大管的漏极连接，以对放大管的漏极电压进行限制；其中，第一源跟随器单元用于在漏极电压位于高电平状态时，限制漏极电压的取值；第二源跟随器单元用于在漏极电压位于中间状态时，限制漏极电压输出至RS触发器的时间。

优选的，第一源跟随单元，包括第一镜像电流源和第一源跟随管Msf；其中，第一源跟随管Msf的源极与放大管的漏极连接，同时通过第一镜像电流源接入至电源电压，其漏极接地，栅极接入第一控制电压Vbp。

优选的，第二源跟随单元，包括第二镜像电流源和第二源跟随管Mnb；其中，第二源跟随管的源极与放大管的漏极连接，其漏极通过第二镜像电流源接入至电源电压，栅极接入第二控制电压Vbn；第二源跟随管的漏极作为输出端口，用于向RS触发器提供时钟放大信号。

优选的，第二控制电压Vbn高于所述第一控制电压Vbp；并且，第二控制电压Vbn与第一控制电压Vbp之差小于第一源跟随管Msf的门限开启电压。

优选的，第一镜像电流源与第二镜像电流源的电流比例的范围在2至10之间。

优选的，第二源跟随管的宽长比为5：0.6。

本发明的有益效果在于，与现有技术相比，本发明中的一种固定功耗的张弛振荡器电路，该电路分别通过第一源跟随单元和第二源跟随单元实现对于电路中放大管的调节，从而限制时钟信号的高低电平状态，以及最小化时钟信号处于中间状态的时间。本发明构思巧妙、方法简单，大幅提高了时钟信号的准确性，确保时钟信号输出频率的稳定，降低了时钟信号的无效功率损耗，具有更为广泛的应用价值。

附图说明

图1为现有技术一种高速张弛振荡器的电路结构示意图；

图2为现有技术一种高速张弛振荡器中生成单个时钟信号的原理示意图；

图3为本发明一种改进的高速张弛振荡器的一实施例中生成单个时钟信号的原理示意图；

图4为本发明一种改进的高速张弛振荡器中控制电压的生成电路示意图；

图5为本发明一种固定功耗的张弛振荡器电路中生成单个时钟信号的原理示意图；

图6为本发明一种固定功耗的张弛振荡器电路中控制电压的生成电路示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。本申请所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部实施例。基于本发明精神，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的有所其它实施例，都属于本发明的保护范围。

图1为现有技术一种高速张弛振荡器的电路结构示意图。如图1所示，现有技术中为了实现时钟信号的生成，并给芯片中的后续电路提供准确的逻辑时钟，现有技术中，通常会采用张弛振荡器。一个高速张弛振荡器中通常会包含的电路元件有电流镜阵列、电容阵列、A类放大器阵列和相应的逻辑电路。

具体来说，电流镜阵列用于接收来自电源的电压，并生成每条支路基本相等、或呈设定比例的镜像电流。而多个镜像电流则分别输入至电容阵列和A类放大器阵列中。电容通过电流镜中的镜像电流实现充电，而当电容充电电压高至使得A类放大器中的MOS管导通后，MOS管就会将电容中已经存储的电量释放至地电位上，从而将电容电压降低。当电容电压降低后，MOS管也不再导通。因此，通过这种方式，A类放大器与电容就形成了一个振荡模块，实现了电容电压高低不断的循环变化，并通过A类放大器的放大，实现时钟信号的输出。而电容阵列和A类放大器阵列中会同时生成多个时钟信号，这些时钟信号会经过类似于RS触发器等的逻辑电路结构，实现符合后级负载逻辑的具备应有频率和占空比的时钟信号的生成。

然而，这种电路存在一定的问题。图2为现有技术一种高速张弛振荡器中生成单个时钟信号的原理示意图。如图2所示，具体来说，A类放大器所输出的时钟信号的电平高度完全由电源电压的大小决定。因此，如果电源电压的大小稳定，则电容的充放电时间相对比较确定，因此，时钟信号的频率是准确的。而如果电源电压不够稳定，则将会时钟信号的频率造成相应的影响，如果时钟信号的频率不够稳定，则对后级电路的输出逻辑将会造成致命的问题。因此，这种高速张弛振荡器对电源电压精度的要求相对较高。

另一方面，由于时钟信号的电压直接受到电源电压的控制，因此，时钟信号的输出功率较高，这也造成了整个芯片中较大的无效功耗。

为了解决上述问题，现有技术中通常进行的改进如图3所示。图3为本发明一种改进的高速张弛振荡器的一实施例中生成单个时钟信号的原理示意图。在图3中，由于增加了一个源跟随器Msf，因此，当该MOS管的栅极电压Vbp固定为电源电压的一个合适分压时，Msf会在其源极形成一个大小相对较为固定的电压，例如Vbp+Vth-msf。其中，Vth-msf为MOS管Msf的门限导通电压，也就是导通时的源栅极电压差。此时，图3中的CLK信号不再受到电源电压的直接控制，而是在Vbp的作用下，被限制在Vbp+Vth-msf的电位上。换言之，如果用作A类运放的Mn管不导通，那么CLK信号的高电平状态就为Vbp+Vth-msf，而如果Mn管导通，则CLK信号会在Mn的瞬时导通和后续关断的过程中，将CLK信号的电平拉低后再缓慢的回升。因此，如图3所示，CLK信号的上升沿并非是一个瞬时的冲激信号，而是会随着Mn管的逐渐关断，呈现出较为缓慢的爬坡状态。

图4为本发明一种改进的高速张弛振荡器中控制电压的生成电路示意图。如图4所示，需要说明的是，为了给Msf管提供一个合适的栅极电压，现有技术中可以采用多种方法。本发明一实施例中，只是采用了对电源电压的简单分压来实现的。因此，这种电路仍然难以克服的一个问题是当Vbp随着不够稳定的电源电压发生波动时，时钟信号CLK的高电平也是不够稳定的，换言之时钟信号CLK的频率仍然可能受到电源电压的干扰。另外，该电路虽然小幅度的降低了CLK信号的输出功耗，但是由于CLK信号处于中间状态的时间较长，也就是难以被确定的识别为高电平和低电平的中间时段较长，这也使得CLK信号不够准确。当芯片受到温度等相关因素的影响下，后级电路对时钟信号的逻辑识别可能出现错误。

在此基础上，本发明提供了一种固定功耗的张弛振荡器电路。

图5为本发明一种固定功耗的张弛振荡器电路中生成单个时钟信号的原理示意图。如图5所示，一种固定功耗的张弛振荡器电路，电路包括第一源跟随单元和第二源跟随单元；其中，第一源跟随单元和第二源跟随单元，分别与张弛振荡器中的放大管的漏极连接，以对放大管的漏极电压进行限制；其中，第一源跟随器单元用于在漏极电压位于高电平状态时，限制漏极电压的取值；第二源跟随器单元用于在漏极电压位于中间状态时，限制漏极电压输出至RS触发器的时间。

可以理解的是，本发明中，不只是采用第一源跟随器对CLK信号的高电平状态进行了电压范围的限制，同时也通过第二源跟随器的方式对CLK信号的中间状态进行限制。

优选的，第一源跟随单元，包括第一镜像电流源和第一源跟随管Msf；其中，第一源跟随管Msf的源极与放大管的漏极连接，同时通过第一镜像电流源接入至电源电压，其漏极接地，栅极接入第一控制电压Vbp。

可以理解的是，本发明中的第一镜像电流源可以为现有技术的张弛振荡器中的一部分结构，而将该元件与第一源跟随管Msf配合使用，并连接至作为A类运放的放大管Mn的漏极上，能够作为源跟随器，对Mn的漏极电压进行控制。如前文所述，如果Mn管导通，则Vc点的电压会被迅速拉低，不再受到Msf的影响。但是，如果Mn管处于关断状态时，则Msf管根据Vbp的大小将Vc固定在一个适当的电压上。

优选的，第二源跟随单元，包括第二镜像电流源和第二源跟随管Mnb；其中，第二源跟随管的源极与放大管的漏极连接，其漏极通过第二镜像电流源接入至电源电压，栅极接入第二控制电压Vbn；第二源跟随管的漏极作为输出端口，用于向RS触发器提供时钟放大信号。

可以理解的是，本发明中还增加了第二源跟随单元，在该单元中，也包括电流源和源跟随管器件。其中的源跟随管，采用另一个控制电压进行控制，并且该管在导通的过程中，接收到Mn管传递来的漏极电压的大小，并将其作为CLK信号输出。

需要说明的是，该第二源跟随单元，为了实现对于Mn管漏极电压的输出时间的控制，其栅极电压Vbn的大小与第一源跟随单元中控制电压Vbp的大小之间存在一定的关联。

图6为本发明一种固定功耗的张弛振荡器电路中控制电压的生成电路示意图。如图6所示，优选的，第二控制电压Vbn高于第一控制电压Vbp；并且，第二控制电压Vbn与第一控制电压Vbp之差小于第一源跟随管Msf的门限开启电压。

可以理解的是，两个电压之差应当小于Msf管正常工作时的门限开启电压Vth-msf。通过这样的方式，就可以对Mnb的实际导通时间进行控制。具体来说，当Mn管处于关断的状态下，Vc点的电压受到Msf的控制，保持在Vbp+Vth-msf，此时，如果Vbn小于Vc点的电压，则Mnb管就无法开启，由于Mnb管的关断，CLK信号会持续的处于高电平状态，例如输出电源电压VDD。

另一方面，如果电容的充电使得Mn导通，则Vc电压也会瞬时降低，此时Vc点的电压低于Mnb的栅极控制电压Vbn，在此情况下，Mnb也随着Mn的导通而导通，此时CLK信号被拉下来到0V左右。

需要注意的是，由于Mn对电容的放电作用，使得Vin的电压降低，此时Mn管会缓慢的关断，在此过程中，由于Mnb的源极电压Vc仍然没能完全恢复到等于或接近于Vbn的状态，所以Mnb管仍然是处于导通状态的，并且使得CLK信号一直保持在低电平状态。通过这种方式，第二元跟随单元就限制了Mn漏极电压输出至RS触发器的时间。换言之，通过这种方式CLK输出信号的低电平时间被合理的延长了。

更近一步的，由于Mnb管会在Vbn与Vc之间的差小于Mnb的门限导通电压才关断，因此，虽然Mn以较缓慢的速度关断，但是在Mn完全关断的瞬间，Mnb才会响应到Vc电压的提升，并以较快的速度关断，从而使得CLK信号的上升沿展现出更好的瞬时性。

优选的，第一镜像电流源与第二镜像电流源的电流比例的范围在2至10之间。

可以理解的是，本发明中可以合理涉及第一镜像电流源与第二镜像电流源之间的电流大小。如果两者的电流比例过低时，则I2的电流大小更加接近于I1的电流大小，可能会在电压Vc振荡的过程中，Mnb的响应速度会较慢，从而使得CLK信号难以保持较好的高低电平翻转速度。另一方面，如果两者的电力比例过高，则I2的电流极小，从而使得Mnb管失效，也会造成不必要的功率损耗。

本发明在经过大量的试验后，将两者电流的比例范围限制在2至10之间。本发明一实施例中，设置第一镜像电流为15μA，第二镜像电流为5μA，电路输出的CLK信号具有较佳的状态。

优选的，第二源跟随管的宽长比为5：0.6。为了使得Mnb能够迅速的响应Vc的变化，并实现迅速的导通和关断，且其导通时的漏极电流较大到能够实现本发明电路中的相应要求，将该MOS管的宽长比进行了合理的设定，从而实现了最佳的效果。

本发明的有益效果在于，与现有技术相比，本发明中的一种固定功耗的张弛振荡器电路，该电路分别通过第一源跟随单元和第二源跟随单元实现对于电路中放大管的调节，从而限制时钟信号的高低电平状态，以及最小化时钟信号处于中间状态的时间。本发明构思巧妙、方法简单，大幅提高了时钟信号的准确性，确保时钟信号输出频率的稳定，降低了时钟信号的无效功率损耗，具有更为广泛的应用价值。

最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (6)

1.一种固定功耗的张弛振荡器电路，其特征在于：

所述电路包括第一源跟随单元和第二源跟随单元；其中，

所述第一源跟随单元和所述第二源跟随单元，分别与所述张弛振荡器中的放大管的漏极连接，以对所述放大管的漏极电压进行限制；

其中，所述第一源跟随器单元用于在所述漏极电压位于高电平状态时，限制所述漏极电压的取值；

所述第二源跟随器单元用于在所述漏极电压位于中间状态时，限制所述漏极电压输出至RS触发器的时间。

2.根据权利要求1中所述的一种固定功耗的张弛振荡器电路，其特征在于：

所述第一源跟随单元，包括第一镜像电流源和第一源跟随管Msf；

其中，所述第一源跟随管Msf的源极与所述放大管的漏极连接，同时通过第一镜像电流源接入至电源电压，其漏极接地，栅极接入第一控制电压Vbp。

3.根据权利要求2中所述的一种固定功耗的张弛振荡器电路，其特征在于：

所述第二源跟随单元，包括第二镜像电流源和第二源跟随管Mnb；

其中，所述第二源跟随管的源极与所述放大管的漏极连接，其漏极通过所述第二镜像电流源接入至电源电压，栅极接入第二控制电压Vbn；

所述第二源跟随管的漏极作为输出端口，用于向RS触发器提供时钟放大信号。

4.根据权利要求3中所述的一种固定功耗的张弛振荡器电路，其特征在于：

所述第二控制电压Vbn高于所述第一控制电压Vbp；并且，

所述第二控制电压Vbn与所述第一控制电压Vbp之差小于所述第一源跟随管Msf的门限开启电压。

5.根据权利要求4中所述的一种固定功耗的张弛振荡器电路，其特征在于：

所述第一镜像电流源与所述第二镜像电流源的电流比例的范围在2至10之间。

6.根据权利要求5中所述的一种固定功耗的张弛振荡器电路，其特征在于：

所述第二源跟随管的宽长比为5：0.6。

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