CN117978131A - 一种随机抖频环形振荡器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及环形振荡器技术领域，公开了一种随机抖频环形振荡器，环形振荡器上设有延时单元，延时单元与控制单元电连接，控制单元用于向延时单元发送控制信号，控制信号用于改变延时单元的延迟时间，在实际使用时，本发明通过在环形振荡器中设置延时单元，并通过控制单元调整延时单元的延时时间，这样可以根据需求在范围内调整环形振荡器输出的时钟信号的频率，由于环形振荡器输出的时钟的频率是在一定范围内随机变化的，因此带来的EMI干扰更低；另外本发明通过调整延时时间来改变频率，不会对电路环形振荡器的前后电路造成影响，适用性更好。
Description
技术领域
本发明涉及振荡器技术领域，具体涉及一种随机抖频环形振荡器。
背景技术
随着集成电路的性能不断提高，芯片的频率也在逐渐提高，但是由于印刷电路板技术的限制，现有的通过外部向芯片提供较高频率的时钟信号的方式变得越来越困难。因此，目前在设计芯片时会在芯片内部集成一个环形振荡器来提供时钟信号。
在实际使用时，对于该时钟信号，集成电路会在此时钟信号的频率处出现一个辐射峰值，同时在高次谐波也会集中大量能量，这些能量会通过寄生电容和电感耦合到芯片外部，成为EMI干扰。
为了降低集成电路的EMI干扰，会采用抖频技术来适当拓宽时钟信号的频率范围，从而使得辐射能量分布在较宽的区间，进而减少EMI。目前大多通过周期性改变环形振荡器的电压或者电流的方式来实现抖频，其中通过周期性改变电压的方式存在前后模块电压域不一致的问题，严重的话会产生漏电流，通过周期性改变电流的方式需要对一级电源提出更严苛的要求，要求一级能源能及时响应负载的变化；另外这两种方式实现的抖频频率固定，同样会产生较大的EMI干扰。
发明内容
在鉴于背景技术的不足，本发明是提供了一种随机抖频环形振荡器，所要解决的技术问题是目前在通过改变电压或者电流的方式来实现环形振荡器的抖频时因为抖频频率固定存在较大的EMI干扰。
为解决以上技术问题，本发明提供了如下技术方案：一种随机抖频环形振荡器，所述环形振荡器上设有延时单元，所述延时单元与控制单元电连接，所述控制单元用于向所述延时单元发送控制信号，所述控制信号用于随机改变所述延时单元的延迟时间。
在某种实施方式中，所述环形振荡器包括至少三个反相器，所述反相器依次串联，且末端反相器的输出端与首端反相器的输入端电连接，用于输出时钟信号。
在某种实施方式中，每个反相器的输出端分别电连接有所述延时单元，所述控制单元与所有延时单元电连接，同时向所有的延时单元发送相同的控制信号。
在某种实施方式中，所述控制信号为随机数。
在某种实施方式中，本发明还包括峰值检测单元，所述峰值检测单元与所述环形振荡器的时钟信号输出端电连接，用于在所述环形振荡器输出的时钟信号的幅度大于预设值时向所述控制单元发送使能信号，所述控制单元响应所述使能信号开始向所述延时单元发送控制信号。
在某种实施方式中，所述延时单元包括电容Cb和M个延时路径，M为大于1的整数，每个延时路径包括延时开关和延时电容，所有延时开关的输入端均与电容Cb一端电连接，每个延时开关的输出端通过对应的延时电容接地，所述控制信号输入到每个延时开关的控制端，电容Cb另一端接地。
在某种实施方式中，所述控制单元包括第一异或门、第二异或门和M+1个D触发器，M+1个D触发器依次串联，所述串联为前端D触发器的Q输出端与后端D触发器的D输入端电连接，中间的一个D触发器与第二异或门的第一输入端电连接，第二异或门的输出端与所述中间的一个触发器的下一位D触发器的D输入端电连接，末端D触发器的Q输出端分别与第一异或门的第二输入端和第二异或门的第二输入端，所述第一异或门的输出端与首端D触发器的D输入端电连接，每个D触发器的时钟端用于输入驱动时钟。
在某种实施方式中，所述控制单元还包括与门，所述驱动时钟输入到所述与门的第一输入端，所述与门的第二输入端用于输入所述使能信号，所述与门的输出端分别与所有D触发器的时钟端电连接。
在某种实施方式中，所述峰值检测单元包括半波整流单元和比较器，所述半波整流单元的输入端与所述环形振荡器的时钟信号输出端电连接，所述半波整流单元的输出端与比较器的正输入端电连接，所述比较器的负输入端用于输入基准电压Vb，比较器的输出端用于输出所述使能信号。
在某种实施方式中，所述半波整流单元包括二极管D1、电容C5和电阻1，所述二极管D1的正极为半波整流单元的输入端，二极管D1的负极分别与电容C5一端、电阻R1一端和比较器的正输入端电连接，电容C5另一端和电阻R1另一端均接地。
本发明与现有技术相比所具有的有益效果是：本发明通过在环形振荡器中设置延时单元，并通过控制单元调整延时单元的延时时间，这样可以根据需求在范围内调整环形振荡器输出的时钟信号的频率，由于环形振荡器输出的时钟行动的频率随机变化的，因此带来的EMI干扰更低；
另外本发明通过调整延时时间来改变频率，不会对电路环形振荡器的前后电路造成影响，适用性更好。
附图说明
图1为实施例中本发明的结构示意图；
图2为实施例中的延迟单元的一种电路图；
图3为实施例中的控制单元的电路图；
图4为实施例中的峰值检测单元的电路图。
具体实施方式
现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。
如图1所示，一种随机抖频环形振荡器101，包括三个反相器，三个反相器依次串联，分别为反相器102、反相器103和反相器104,反相器104的输出端与反相器102的输入端电连接，用于输出时钟信号。
需要注意的是，在实际使用时，反相器的数量并不一定局限于三个，其数量可以依据实际需求变化，可以为五个、七个或者其它奇数值。
在图1中，环形振荡器101上设有延时单元，延时单元与控制单元108电连接，控制单元108用于向延时单元发送控制信号，控制信号用于改变延时单元的延迟时间。
在实际使用时，本发明通过在环形振荡器101中设置延时单元，并通过控制单元108调整延时单元的延时时间，这样可以根据需求在范围内调整环形振荡器101输出的时钟信号的频率，由于环形振荡器101输出的时钟行动的频率是可变化的，因此带来的EMI干扰低；
另外本发明通过调整延时时间来改变频率，不会对电路环形振荡器的前后电路造成影响，适用性好；
最后整个电路结构简单，易于集成到芯片中，而且成本低。
在本实施例中，每个反相器的输出端分别电连接有延时单元，控制单元108与所有延时单元电连接，同时向所有的延时单元发送相同的控制信号。
在图1中，三个反相器分别电连接的延时单元分别为延时单元105、延时单元106和延时单元107。在实际使用时，由于三个延时单元接收相同的控制信号，因此每个延时单元的延时时间都相同。
另外，在图1中，本发明还包括峰值检测单元109，峰值检测单元109与环形振荡器101的时钟信号输出端电连接，用于在环形振荡器101输出的时钟信号的幅度大于预设值时向控制单元108发送使能信号EN，控制单元108响应使能信号EN开始向延时单元发送控制信号。
具体地，如图4所示，本实施例中，峰值检测单元109包括半波整流单元402和比较器403，半波整流单元402的输入端与环形振荡器的时钟信号输出端电连接，其中图4中的信号源401由环形振荡器提供，半波整流单元402的输出端与比较器403的正输入端电连接，比较器403的负输入端用于输入基准电压Vb，比较器403的输出端用于输出使能信号EN。
在实际使用时，通过调整基准电压Vb的大小可以调整要检测的峰值幅度的大小。
在图4中，半波整流单元402包括二极管D1、电容C5和电阻1，二极管D1的正极为半波整流单元402的输入端，二极管D1的负极分别与电容C5一端、电阻R1一端和比较器的正输入端电连接，电容C5另一端和电阻R1另一端均接地。
在实际使用时，由于振荡器起振需要时间，如果在振荡器起振时改变延迟参数，会导致起振不稳定时间消耗过长，改变延迟参数对电路无实际作用也会消耗额外的电流，因此本发明通过峰值检测单元109检测到振荡器振荡稳定后再输出使能信号，可以降低起振时间。
本实施例中，延时单元包括电容Cb和M个延时路径，M为大于1的整数，每个延时路径包括延时开关和延时电容，所有延时开关的输入端均与电容Cb一端电连接，每个延时开关的输出端通过对应的延时电容接地，控制信号输入到每个延时开关的控制端，电容Cb另一端接地。
示例性的，在图2中，延时单元包括四个延时路径，以最左侧的延时路径为例，其包括延时开关S4和延时电容C4。在实际使用时，可以依据需求调整延时路径的数量，其可以为五、六、七或者其它数值。
另外对于图2中的延时单元，电容C0、电容C1、电容C2、电容C3和电容C4形成的电容组C[4:0]的最大电容值为5个电容之和，其容值应当远小于固定接入电容Cb的容值，以保持无论哪种组合，对振荡器的输出频率不会产生过大影响，保证电路功能准确性。示例性的电容组C[4:0]的最大电容值与电容Cb的容值的差满足以下公式：/>。
在本实施例中，控制单元108用于产生随机数控制控制信号，由于通过随机数控制信号来控制延时单元的延时时间，这样延时时间也是随机的，最终使环形振荡器101输出的时钟信号也随机变化，从而能更好的降低电路产生的EMI干扰。
在本实施例中，控制单元108包括第一异或门102、第二异或门104和M+1个D触发器，M+1个D触发器依次串联，串联为前端D触发器的Q输出端与后端D触发器的D输入端电连接，中间的一个D触发器与第二异或门的第一输入端电连接，第二异或门的输出端与中间的一个触发器的下一位D触发器的D输入端电连接，末端D触发器的Q输出端分别与第一异或门的第二输入端和第二异或门的第二输入端，第一异或门的输出端与首端D触发器的D输入端电连接，每个D触发器的时钟端用于输入驱动时钟CLK。其中当延时单元的延时路径数量发生变化时，D触发器的数量也需要进行同样变化。
示例性的，以控制图2所述的延时单元的延时时间为例，控制单元108包括五个D触发器，五个D触发器分别为D触发器303、D触发器304、D触发器305、D触发器306和D触发器307，第二异或门302设置在D触发器304和D触发器305之间。其中每个D触发器的Q输出端的信号转态为控制单元108输出的控制信号，在图3中，共有五个D触发器，因此能产生五位控制信号，分别为Q[4]、Q[3]、Q[2]、Q[1]和Q[0]，从而能控制延迟单元的五条延时路径。
另外，在图3中，控制单元还包括108与门308，驱动时钟CLK输入到与门308的第一输入端，与门308的第二输入端用于输入使能信号EN，与门308的输出端分别与所有D触发器的时钟端电连接。
在实际使用时，当峰值检测单元109输出使能信号EN后，通过与门308与驱动时钟CLK作用后输入到D触发器，由于控制单元108中增加了两个异或门，因此每次移位后五位D触发器产生的五位随机数就会发生变化，从而随机改变延时单元的延时时间，进而随机调整环形振荡器101输出的时钟信号的频率。
对于本发明的环形振荡器，由于其组成了正反馈的结构，因此当正反馈的环形振荡器的总延迟参数发生改变时，振荡器的振荡频率也发生相应改变，表现在频谱的形式就是带宽延展，并且因为控制延迟参数的值是随机的，因此表现在频谱的形式更加离散，有更好的EMI特性，最终实现随机抖频环形振荡器的功能。
本发明的工作过程如下：
在上电时，正反馈结构的环形振荡器101输出的时钟信号的频率为f0，而且刚开始时环形振荡器101输出的时钟信号的幅度较低，当峰值检测单元109检测到时钟信号的振幅达到要求后 ，其输出使能信号EN，从而使控制单元108产生随机的控制字，控制字变化的频率为fC，需要让fC<0.01f0，保证变化频率远小于振荡器的振荡频率，控制字同时控制所有延时单元的延时时间，从而调整环形振荡器101输出的时钟信号的频率。
上述依据本发明为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。
Claims (10)
1.一种随机抖频环形振荡器，其特征在于，所述环形振荡器上设有延时单元，所述延时单元与控制单元电连接，所述控制单元用于向所述延时单元发送控制信号，所述控制信号用于改变所述延时单元的延迟时间。
2.根据权利要求1所述的一种随机抖频环形振荡器，其特征在于，所述环形振荡器包括至少三个反相器，所述反相器依次串联，且末端反相器的输出端与首端反相器的输入端电连接，用于输出时钟信号。
3.根据权利要求2所述的一种随机抖频环形振荡器，其特征在于，每个反相器的输出端分别电连接有所述延时单元，所述控制单元与所有延时单元电连接，同时向所有的延时单元发送相同的控制信号。
4.根据权利要求3所述的一种随机抖频环形振荡器，其特征在于，所述控制信号为随机数。
5.根据权利要求1-4任一项所述的一种随机抖频环形振荡器，其特征在于，还包括峰值检测单元，所述峰值检测单元与所述环形振荡器的时钟信号输出端电连接，用于在所述环形振荡器输出的时钟信号的幅度大于预设值时向所述控制单元发送使能信号，所述控制单元响应所述使能信号开始向所述延时单元发送控制信号。
6.根据权利要求5所述的一种随机抖频环形振荡器，其特征在于，所述延时单元包括电容Cb和M个延时路径，M为大于1的整数，每个延时路径包括延时开关和延时电容，所有延时开关的输入端均与电容Cb一端电连接，每个延时开关的输出端通过对应的延时电容接地，所述控制信号输入到每个延时开关的控制端，电容Cb另一端接地。
7.根据权利要求6所述的一种随机抖频环形振荡器，其特征在于，所述控制单元包括第一异或门、第二异或门和M+1个D触发器，M+1个D触发器依次串联，所述串联为前端D触发器的Q输出端与后端D触发器的D输入端电连接，中间的一个D触发器与第二异或门的第一输入端电连接，第二异或门的输出端与所述中间的一个触发器的下一位D触发器的D输入端电连接，末端D触发器的Q输出端分别与第一异或门的第二输入端和第二异或门的第二输入端，所述第一异或门的输出端与首端D触发器的D输入端电连接，每个D触发器的时钟端用于输入驱动时钟。
8.根据权利要求7所述的一种随机抖频环形振荡器，其特征在于，所述控制单元还包括与门，所述驱动时钟输入到所述与门的第一输入端，所述与门的第二输入端用于输入所述使能信号，所述与门的输出端分别与所有D触发器的时钟端电连接。
9.根据权利要求5所述的一种随机抖频环形振荡器，其特征在于，所述峰值检测单元包括半波整流单元和比较器，所述半波整流单元的输入端与所述环形振荡器的时钟信号输出端电连接，所述半波整流单元的输出端与比较器的正输入端电连接，所述比较器的负输入端用于输入基准电压Vb，比较器的输出端用于输出所述使能信号。
10.根据权利要求9所述的一种随机抖频环形振荡器，其特征在于，所述半波整流单元包括二极管D1、电容C5和电阻1，所述二极管D1的正极为半波整流单元的输入端，二极管D1的负极分别与电容C5一端、电阻R1一端和比较器的正输入端电连接，电容C5另一端和电阻R1另一端均接地。
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