CN1205748C - 可调振荡频率的信号产生器及其方法 - Google Patents

Abstract

一种可调振荡频率的信号产生器及其方法。此信号产生器是可通过外部调整振荡频率的信号产生器，且其振荡频率与电压源的大小无关，故可提供一个抗电压源噪声的时钟信号。

Description

可调振荡频率的信号 产生器及其方法

技术领域

本发明涉及一种可调整振荡频率的信号产生器(Function Generator)及其方法，且特别是有关一种可由外部调整振荡频率的信号产生器及其方法，其振荡频率与电压源的大小无关。

背景技术

许多计算机周边的产品，例如鼠标等，均要求低成本、低耗电，且多为CMOS电路设计，若以传统方式外接石英振荡器未必合适，因为有三个缺点：一、为增加成本。二、需迁就现有石英振荡器的频率规格，否则得在集成电路内增加锁相回路电路(PLL)，如此不仅集成电路的芯片尺寸(DieSize)会增加，也会更耗电。三、如图1所示公知的利用CMOS反相器当作放大器的Pierce-type晶体振荡器，其包括了一PMOS(MP)、一NMOS(MN)、一电阻Rf、两电容器C1与C2，并且接到外部的一操作电压VDD。由于C1与C2的电容颇大，当此振荡器动作时，会消耗大电流，而且若为省电减小此CMOS反相器的增益，会使得振荡器输出时钟信号的频率需要久的时间才能稳定，甚至振荡频率会不准确或无法振荡。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种可调振荡频率的信号产生器及其方法，此信号产生器是可藉由外部调整振荡频率的信号产生器，且其振荡频率与电压源的大小无关，故可提供一个抗电压源噪声的时钟信号。

本发明还提供一种可集成在CMOS电路设计的可调振荡频率的信号产生器及其方法，可与其他数字电路集成在同一个集成电路内，则可满足低功率、低成本的要求。

为达到上述的目的，本发明提供一种可调振荡频率的信号产生器，适用于一操作电压(VDD)。此信号产生器包括一第一比较器、一第二比较器、一锁存电路、一电容器、第一电流源与一第二电流源。

上述第一比较器的一端的参考电压为一第一参考电压，而该第二比较器的一端的参考电压为一第二参考电压，其中该第一参考电压大于该第二参考电压，该第一参考电压和该第二参考电压与该操作电压成正比，该第一比较器的正端与该第二比较器的负端相连接并与一比较电压相连接。锁存电路具有第一输入端、第二输入端、第一输出端与第二输出端，其中第一与第二输入端分别耦接到第一比较器与第二比较器的输出端，经过锁存电路锁存后输出至第一输出端与第二输出端。一电容器，其中第一端接地，第二端与该比较电压相连接。第一电流源与第二电流源分别经由第一切换开关与第二切换开关对电容器做充放电的操作，其中第一切换开关是藉由锁存电路的第一输出端的电压电平所控制，而第二切换开关是藉由锁存电路的第二输出端的电压电平所控制。当比较电压小于第二参考电压时，第一输出端的电压电平为一高电平，而第二输出端为一低电平，当比较电压大于第二参考电压而仍小于第一参考电压时，第一输出端的电压电平仍维持在高电平，而第二输出端仍维持在低电平，当比较电压大于第一参考电压时，第一输出端的电压电平转为低电平，而第二输出端则转为高电平。

上述的可调振荡频率的信号产生器，其第一电流源与第二电流源的电流大小可与操作电压成正比。

上述的可调振荡频率的信号产生器，其第一电流源与第二电流源的电流可大小相同。

上述的可调振荡频率的信号产生器，还包括一偏压电路，其中此偏压电路包括多个串接电阻、一可调式电阻与一第一晶体管与一第二晶体管。这些串接电阻的第一端耦接到操作电压，而相对的另一端接地。而此第一晶体管包含一栅极端与二源极/漏极端，其中栅极端耦接到上述电阻的一分压端点，此分压端点是介于上述电阻之间，而此分压端点的电压是对操作电压做一分压，而源极/漏极端的一耦接到第二晶体管的一源极/漏极端与第二晶体管的栅极端，另一源极/漏极端耦接到可调式电阻。而第二晶体管的另一源极/漏极端连接到操作电压。经由此可调式电阻的电流是用以提供第一电流源与第二电流源。

上述的可调振荡频率的信号产生器，除了包括多个串接的电阻、一可调式电阻、一第一晶体管与第二晶体管之外，还可包括一运算放大器。此运算放大器耦接于上述晶体管与分压端点之间，其中此运算放大器包括一正输入端、一负输入端与一输出端，其中该正输入端是耦接到此分压端点，负输入端是耦接到与晶体管与可调式电阻连接的源极/漏极端，而输出端是耦接到晶体管的栅极。

为达到上述的目的，本发明提供一种适用于可调振荡频率的信号产生器输出具有一可调振荡频率信号的方法，其中此信号产生器包括一第一比较器、一第二比较器、一锁存电路、一电容器、一第一电流源与一第二电流源，其中第一比较器的参考电压为一第一参考电压，而第二比较器的参考电压为一第二参考电压，第一参考电压大于第二参考电压，而电容器的电压电平为一比较电压，而信号产生器是在一操作电压(VDD)下操作，此方法包括比较比较电压与第一参考电压与第二参考电压的大小，其中当比较电压小于第二参考电压时，锁存电路的一第一输出端的电压电平为一高电平，而一第二输出端为一低电平，比较电压大于第二参考电压而仍小于第一参考电压时，第一输出端的电压电平仍维持在高电平，而第二输出端仍维持在低电平，当比较电压大于第一参考电压时，第一输出端的电压电平转为低电平，而第二输出端则转为高电平通过第一输出端与第二输出端的电压电平，分别控制电容器的充电与放电，而调整比较电压，其中，当第一输出端的电压电平为高电压电平时，该第一电流源将对电容器充电，当第二输出端的电压电平为低电压电平时，第二电流源将对电容器放电；以及根据电容器的充电与放电切换的时间，决定信号产生器所输出的信号的振荡频率，并根据电容器的充电与放电的电流大小，调整信号产生器所输出的信号的振荡频率。

上述的目的，本发明提供一种适用于可调振荡频率的信号产生器输出具有一可调振荡频率信号的方法，其中第一电流源与第二电流源的电流大小可与操作电压成正比。

上述的目的，本发明提供一种适用于可调振荡频率的信号产生器输出具有一可调振荡频率信号的方法，其中第一电流源与第二电流源的电流大小相同。

为使本发明的上述目的、特征、和优点能更明显易懂，下文特举一较佳实施例，并配合附图，作详细说明如下。

附图说明

图1所绘示为公知的利用CMOS反相器当作放大器的Pierce-type晶体振荡器；

图2所绘示为按照本发明较佳实施例的一可调振荡频率的信号产生器；

图3是绘示图2中Vc电压值与“或非”锁存电路的输出端UP与DN的电压电平时钟电路图；

图4是绘示根据本案较佳实施例的可调振荡频率的信号产生器的一完整结构；以及

图5是显示如图4中所述的电流源偏压电路另一较佳实施例。

具体实施方式

本发明的目的是为了解决上述公知技术的缺点，公知技术的缺点例如增加成本、需迁就现有石英振荡器的频率规格、以及消耗大电流或是输出时钟信号的频率需要久的时间才能稳定，甚至振荡频率会不准确，甚且无法振荡。而根据本发明，则可改善传统石英振荡器对于电压源变化敏感的现象。

参照图2，是说明按照本发明较佳实施例的一可调振荡频率的信号产生器200。此可调振荡频率的信号产生器200包括两个比较器210与220、一个“或非”锁存电路(NOR Latch)230、一电容C_c、二电流源240与250。每一电流源(Iup)240与(Idn)250是分别经由切换开关242与252的开与关状态对此电容C_c做充放电的操作，而这些电流源是接到外部一操作电压VDD。

首先，先定义比较器210与220的参考电压。比较器210的参考电压为VDD/M，是接到比较器210的负端。而另一比较器220的参考电压为VDD/N，是接到比较器220的正端，其中M、N为正实数，而M＜N，因此，比较器210的参考电压VDD/M高于比较器220的参考电压VDD/N。另外，比较器210与220的另一端同时接到一端点N1，而此端点N1是经由电容C_c接地。

另外，比较器210与220分别经由输出端N2与N3输入“或非”锁存电路(NOR Latch)230，而“或非”锁存电路230具有两输出端UP与DN，分别耦接到切换开关242与252，用以控制电流源240与250对电容器C_c的充电放电作用。

假设端点N1的电压为Vc。首先，在电容器C_c仍未充电的状态下，也就是Vc电压小于VDD/N时，比较器210的输出端N2的电压电平Vn2为低电压电平(以下称为“LOW”)(也就是逻辑上的“0”)，而比较器220的输出端N3的电压电平Vn3为高电压电平(以下称为“HIGH”)(也就是逻辑上的“1”)，分别输入“或非”锁存电路230。经由“或非”锁存电路230的作用，其输出端UP与DN的电压电平分别为“HIGH”与“LOW”。

接着，开始对电容器C_c做充电，也就是藉由开启切换开关242(即切换开关242处于ON的状态)，此是因为输出端UP的电压电平为“HIGH”。而另一切换开关252由于输出端DN的电压电平为“LOW”，则处于OFF的状态，使电流源240开始对电容器C_c充电。端点N1的电压Vc逐渐升高，而当Vc的电压电平大于VDD/N，但仍小于VDD/M时，此时比较器210的输出端点N2的电压Vn2与比较器220的输出端点N3的电压Vn3皆为“LOW”，而因有“或非”锁存电路230的阻隔，输出端UP与DN的电压电平仍维持在原状，电流源240仍对电容器C_c充电。

当端点N1的电压Vc升高到大于VDD/M时，比较器210的输出端点N2的电压Vn2转为“HIGH”，而比较器220的输出端点N3的电压Vn3转为“LOW”。经过“或非”锁存电路230后，输出端UP的电压电平将转为“LOW”，而另一输出端DN的电压电平转为“HIGH”。此时将会使开启切换开关252(即切换开关252处于ON的状态)，而使电流源250开始对电容器C_c放电，切换开关242也将随之关闭。此时端点N1的电压Vc将会逐渐变小。

当端点N1的电压Vc小于VDD/N时，“或非”锁存电路230的输出端UP电压电平将转为“HIGH”，而另一输出端DN的电压电平转为“LOW”，切换开关242将随之开启(ON)而另一切换开关252也随之关闭(OFF)，开始对电容器C_c充电。

经由电容器C_c如上操作的周而复始充电放电，端点N1的电压Vc则形成一个周期性的三角波，UP与DN的输出信号则是此信号产生器所输出的时钟信号，其时序图如图3所示。而此时钟信号的周期是为对电容器充电放电的时间相加。

图2中的比较器210与220如上所说明可视为一具有磁滞现象的比较器，而此比较器的电压高电平为VDD/M，而比较器的电压低电平为VDD/N，并且由于此信号产生器所输出的时钟信号周期为对电容器C_c做充放电的时间相加。参照图3，是显示图2中Vc电压值与“或非”锁存电路230的输出端UP与DN的电压电平时钟电路图。假设周期为T，则T＝T_charge(充电周期)+T_discharge(放电周期)。

$T=T_{\mathrm{ch}\arg e}+T_{\mathrm{disch}\arg e}$

$=\frac{\mathrm{Cc}(\mathrm{VDD}/M-\mathrm{VDD}/N)}{\mathrm{Iup}}+\frac{\mathrm{Cc}(\mathrm{VDD}/M-\mathrm{VDD}/N)}{\mathrm{Idn}}......\left(1\right)$

如果Iup＝Idn＝k*VDD则

$T=\frac{2\mathrm{Cc}(\mathrm{VDD}/M-\mathrm{VDD}/N)}{K*\mathrm{VDD}}=\frac{2\mathrm{Cc}(1/M-1/N)}{K}......\left(2\right)$

从上述公式(1)、(2)中可以知道周期长短若是在电流源Iup与Idn相等的条件下，将与VDD的大小无关。这是因为比较器的参考电压大小与充放电的电流皆与VDD的电压大小成正比，所以可以互相抵消掉。因此，即能得到一个振荡频率无关电压源大小的时钟信号。而此电路是根据电容器的充电与放电切换的时间，决定信号产生器所输出的信号的振荡频率，并根据电容器的充电与放电的电流大小，调整信号产生器所输出的信号振荡频率。

参照图4，是显示根据本案较佳实施例的可调振荡频率的信号产生器的一完整结构400，其包括一信号产生器410与提供其电流源的一电流源偏压电路420。信号产生器410与图2中所述相同信号产生器电路相同，因此，相同元件以相同标号表示，在此不再赘述。此电流源偏压电路420所提供的电流与VDD的大小成正比。

此电流源偏压电路420包括了多个电阻R串接在一起，一端接到操作电压VDD，另一端则接地。还包括一运算放大器(Operational Amplifier，OP)422，其正输入端是接到这些串接电阻的一分压点，其电压为VDD/P，而P系在此分压点底下所具有的电阻数量与串接一起所有电阻R数量的比，而运算放大器422的负输入端则从输出端回授输入，在运算放大器422的输出端包括了一晶体管Mb1、晶体管Mb2与一可调式电阻Rext。由图示中可知晶体管Mb1的栅极接到运算放大器422的输出端，一源极/漏极端接到可调式电阻Rext，另一源极/漏极端接到晶体管Mb2的一源极/漏极端与晶体管Mb2的栅极端。晶体管Mb2的另一源极/漏极端则接到操作电压VDD。

在图4中可知，除了电流源偏压电路420外，还包括与晶体管Mb2的栅极连接在一起的晶体管Mb3与晶体管M1，而晶体管Mb3与晶体管M1的一源极/漏极同时接到操作电压VDD，而晶体管Mb3的另一源极/漏极则接到另一晶体管Mb4，晶体管M1的另一源极/漏极则接到另一晶体管M2。

在此假设晶体管Mb2的长宽比，与另外晶体管M1与晶体管M2的比例系1∶i，则由图示可知，通过电阻Rext的电流为VDD/p/Rext，充放电的电流源电流大小为Iup＝Idn＝VDD/p/Rext×i。振荡周期T内的参数k＝i/(P×Rext)。由此结构可知，振荡频率T与操作电压VDD没有任何的关联。

参照图5，是显示如图4中所述的电流源偏压电路另一实施例，在此电路中简化了运算放大器。由上可知，本发明中的具体实施电路，只要能提供信号产生器410一稳定的电流源，则藉由切换开关的设计，

由上述可知，若是将可调式电阻Rext置于集成电路之外，如此，便能由外部藉由调整电阻大小来调整时钟信号的频率。

综上所述可知，本发明除了易于与数字电路集成外，至少尚有两特点：1.振荡器频率与外部操作电压VDD无关。2.可藉由调整外部电阻的大小，来改变振荡器的频率。此特点有助于抗电源噪声与实际应用的灵活度。

虽然本发明已以一较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，本领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰，因此本发明的保护范围应以权利要求范围所界定的为准。

Claims (11)

1.一种可调振荡频率的信号产生器，适用于一操作电压(VDD)，该信号产生器包括：

一第一比较器与一第二比较器，其中该第一比较器的一端的参考电压为一第一参考电压，而该第二比较器的一端的参考电压为一第二参考电压，其中该第一参考电压大于该第二参考电压，该第一参考电压和该第二参考电压与该操作电压成正比，该第一比较器的正端与该第二比较器的负端相连接并与一比较电压相连接；

一锁存电路，具有第一输入端、第二输入端、第一输出端与第二输出端，其中该第一与第二输入端分别耦接到该第一比较器与该第二比较器的输出端，经过该锁存电路锁存后输出至该第一输出端与该第二输出端；

一电容器，其中第一端接地，第二端与该比较电压相连接；

一第一电流源与一第二电流源，其中该第一电流源与该第二电流源分别经由一第一切换开关与一第二切换开关对该电容器做充放电的操作，其中该第一切换开关是通过该锁存电路的第一输出端的电压电平所控制，而该第二切换开关是通过该锁存电路的第二输出端的电压电平所控制，其中

该第一电流源与该第二电流源的电流大小与该操作电压成正比，

当该比较电压小于该第二参考电压时，该第一输出端的电压电平为一高电平，而该第二输出端为一低电平，

当该比较电压大于该第二参考电压而仍小于该第一参考电压时，该第一输出端的电压电平仍维持在该高电平，而该第二输出端仍维持在该低电平，

当该比较电压大于该第一参考电压时，该第一输出端的电压电平转为该低电平，而该第二输出端则转为该高电平。

2.如权利要求1所述的可调振荡频率的信号产生器，其中该第一参考电压为VDD/M，该第二参考电压为VDD/N，其中VDD为该操作电压，M、N为正实数，而M小于N。

3.如权利要求1所述的可调振荡频率的信号产生器，其中该第一电流源与该第二电流源的电流大小相同。

4.如权利要求1所述的可调振荡频率的信号产生器，其中该锁存电路为一“或非”锁存电路。

5.如权利要求1所述的可调振荡频率的信号产生器，其中还包括：

多个串接的电阻，其中所述串接电阻的一第一端耦接到该操作电压，而相对的另一端接地；

一可调式电阻；

一第一晶体管，包含一第一栅极端、一第一源极/漏极端与一第二源极/漏极端，其中，该第一栅极端耦接到该些电阻的一分压端点，该分压端点是介于该些电阻之间，而该分压端点的电压是对该操作电压做一分压，该第一源极/漏极端耦接到该可调式电阻；

一第二晶体管，包含一第二栅极端、一第三源极/漏极端与一第四源极/漏极端，其中，该第二栅极端与该第三源极/漏极端相连并耦接到该第一晶体管的第二源极/漏极端，经由该可调式电阻的电流是与该第一电流源与该第二电流源的大小成正比，并通过经该可调式电阻的电流大小控制该第一电流源与该第二电流源的大小。

6.如权利要求5所述的可调振荡频率的信号产生器，其中还包括：

一运算放大器，耦接于该第一晶体管与该分压端点之间，其中该运算放大器包括一正输入端、一负输入端与一输出端，其中该正输入端是耦接到该分压端点，该负输入端是耦接到与该第一晶体管与该可调式电阻连接的该第一源极/漏极端，而该输出端是耦接到该第一晶体管的栅极。

7.一种适用于可调振荡频率的信号产生器输出具有一可调振荡频率信号的方法，其中该信号产生器包括一第一比较器、一第二比较器、一锁存电路、一电容器、一第一电流源与一第二电流源，其中该第一比较器的参考电压为一第一参考电压，而该第二比较器的参考电压为一第二参考电压，该第一参考电压大于该第二参考电压，而该电容器的电压电平为一比较电压，而该信号产生器是在一操作电压(VDD)下操作，该第一参考电压和该第二参考电压与操作电压成正比，该第一电流源和该第二电流源的电流大小与该操作电压成正比，该方法包括下列步骤：

比较该比较电压与该第一参考电压与该第二参考电压的大小，其中

当该比较电压小于该第二参考电压时，该锁存电路的一第一输出端的电压电平为一高电平，而一第二输出端为一低电平，

当该比较电压大于该第二参考电压而仍小于该第一参考电压时，该第一输出端的电压电平仍维持在该高电平，而该第二输出端仍维持在该低电平，

当该比较电压大于该第一参考电压时，该第一输出端的电压电平转为该低电平，而该第二输出端则转为该高电平；

通过该第一输出端与该第二输出端的电压电平，分别控制该电容器的充电与放电，而调整该比较电压，其中，

当该第一输出端的电压电平为高电压电平时，该第一电流源将对该电容器充电，

当该第二输出端的电压电平为低电压电平时，该第二电流源将对该电容器放电，以及

根据该电容器的充电与放电切换的时间，决定该信号产生器所输出的信号的振荡频率，并根据该电容器的充电与放电的电流大小，调整该信号产生器所输出的信号的振荡频率。

8.如权利要求7所述的方法，其中该第一电流源与该第二电流源的电流大小相同。

9.如权利要求7所述的方法，其中还包括：

提供一可调电阻值，并根据该电阻值调整该第一电流源与该第二电流源的电流大小。

10.一种可调振荡频率的信号产生器，适用于一操作电压(VDD)，该信号产生器包括：

一电容器，其中一端接地，另一端的电压电平为比较电压；

一第一比较器与一第二比较器，其中该第一比较器用以比较一第一参考电压与该比较电压，而该第二比较器用以比较一第二参考电压与该比较电压，其中该第一参考电压大于该第二参考电压，该第一参考电压和该第二参考电压与该操作电压成正比；

一锁存电路，用以锁存该第一比较器与该第二比较器的输出；

一第一电流源与一第二电流源，用以根据该锁存电路的输出分别对该电容器充电或放电，其中该第一电流源和第二电流源的电流大小与该操作电压成正比；以及

一可调式电阻，并通过该可调式电阻的大小控制该第一电流源与第二电流源的大小。

11.一种适用于可调振荡频率的信号产生器输出具有一可调振荡频率信号的方法，其中该信号是在一操作电压(VDD)下操作，该方法包括下列步骤：

比较一可调振荡频率信号电压电平与第一参考电压和第二参考电压的大小，其中该第一参考电压是大于该第二参考电压，该第一参考电压与该第二参考电压是正比于该操作电压；

锁存住该可调振荡频率信号电压电平与该第一参考电压与该第二参考电压比较后的结果，其中

当该可调振荡频率信号电压电平小于该第二参考电压时，通过一第一电流增加该可调振荡频率信号电压电平，

当该可调振荡频率信号电压电平高于该第一参考电压时，通过一第二电流减少该可调振荡频率信号电压电平，其中该第一电流和第二电流是与该操作电压成正比；以及

根据一可调电阻值调整该第一电流与该第二电流的大小。

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