CN203491992U

CN203491992U - 一种高精度低压振荡器

Info

Publication number: CN203491992U
Application number: CN201320595097.6U
Authority: CN
Inventors: 王钊
Original assignee: Wuxi Vimicro Corp
Current assignee: Wuxi Zhonggan Microelectronics Co Ltd
Priority date: 2013-09-25
Filing date: 2013-09-25
Publication date: 2014-03-19
Anticipated expiration: 2023-09-25

Abstract

本实用新型提供一种高精度低压振荡器，其包括：依次串联的第一电流源，电容和第一晶体管，第一电流源提供第一电流给所述电容充电以得到充电电压；控制信号产生电路，其包括反相器和依次串联的第二电流源，第二晶体管和电阻，第二电流源提供第二电流使得在第二晶体管导通时第二电流流经第二晶体管和电阻，以在第二晶体管的源极和电阻之间的节点产生参考电压，第二晶体管的栅极与第一电流源和电容之间的节点相连，第二晶体管和第二电流源之间的节点与反相器的输入端相连，反相器的输出端输出控制信号；放电控制电路基于所述控制信号对电容进行放电控制。与现有技术相比，本实用新型中的高精度低压振荡器具有较低的最低工作电压，且电路结构简单。

Description

一种高精度低压振荡器

【技术领域】

本实用新型涉及振荡器领域，特别涉及一种高精度低压振荡器。

【背景技术】

振荡器（oscillator）是一种能量转换装置，其可以将直流电能转换为具有一定频率的交流电能，是电子电路中用来产生重复电子讯号（比如，正弦波、锯齿波或方波等）的电子元件。在现有技术中，振荡器被广泛应用于DC-DC开关电源，锂电池保护电路、锂电池充电电路、复位器等系统中。

请参考图1所示，其为现有技术中的一种振荡器的电路示意图。随着输入电源电压VDD的降低，该振荡器由于输入电压限制而停止工作。该振荡器需要的最低工作电压为Max{V_GSN1+V_GSN2+V_DSP1，V_GSN1+V_DSN2+V_GSP2}。其中，V_GSN1为NMOS（N-Channel Metal Oxide Semiconductor）晶体管MN1的栅源电压，在一般5V的CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor）工艺中，一般大于0.7V；V_GSN2为NMOS晶体管MN2的栅源电压，考虑到衬偏效应(Body Effect)，一般大于0.8V；V_DSP1为PMOS（P-Channel Metal Oxide Semiconductor）晶体管MP1的漏源电压，一般大于0.1V；V_DSN2为NMOS晶体管MN2的漏源电压，一般大于0.1V；V_GSP2为PMOS晶体管MP2的栅源电压，一般大于0.8V。所以，该振荡器的最低工作电压将大于1.6V。如果能进一步降低振荡器的最低工作电压，显然是非常有利的。

因此，有必要提供一种改进的技术方案来克服上述问题。

【实用新型内容】

本实用新型的目的在于提供一种高精度低压振荡器，其具有较低的最低工作电压，且电路结构简单。

为了解决上述问题，本实用新型提供一种高精度低压振荡器，其包括：依次串联的第一电流源，电容和第一晶体管，所述第一电流源提供第一电流给所述电容充电以得到充电电压；控制信号产生电路，其包括反相器和依次串联的第二电流源，第二晶体管和电阻，所述第二电流源提供第二电流使得在所述第二晶体管导通时所述第二电流流经所述第二晶体管和电阻，以在所述第二晶体管的源极和电阻之间的节点产生参考电压，所述第二晶体管的栅极与所述第一电流源和电容之间的节点相连，所述第二晶体管和第二电流源之间的节点与所述反相器的输入端相连，所述反相器的输出端输出控制信号；放电控制电路基于所述控制信号对电容进行放电控制。

进一步的，当所述充电电压与所述参考电压之间的差值小于所述第二晶体管的阈值电压时，所述第二晶体管截止，所述反相器的输出端输出无效的控制信号；当所述充电电压与所述参考电压之间的差值大于所述第二晶体管的阈值电压时，所述第二晶体管导通，所述反相器的输出端输出有效的控制信号；所述放电控制控制电路在所述控制信号有效时对所述电容进行放电，在所述控制信号无效时禁止对所述电容进行放电。

进一步的，所述第一晶体管和所述第二晶体管为NMOS晶体管，所述第一晶体管的漏极与所述电容相连，其栅极和漏极相连，其源极接地；所述第二晶体管的源极与所述电阻的一端相连，电阻的另一端接地。

进一步的，所述第一晶体管和所述第二晶体管为PMOS晶体管，所述第一晶体管的漏极与所述电容相连，其栅极和漏极相连，其源极接电源；所述第二晶体管的源极与所述电阻的一端相连，电阻的另一端接电源。

进一步的，所述放电控制电路包括第三晶体管或者第三三极管，所述第三晶体管的栅极为所述放电控制电路的控制信号接收端，所述第三晶体管的源极和漏极分别于所述电容的两端相连。

进一步的，所述第二晶体管的衬底与其源极相连。

更进一步的，所述第一晶体管的阈值电压和第二晶体管的阈值电压相同，且两个晶体管的沟道的宽度和长度也相同。

更进一步的，所述第一电流源和电容之间的节点与所述振荡器的输出端相连。

与现有技术相比，本实用新型提供一种高精度低压振荡器，其具有较低的最低工作电压，且电路结构简单。

【附图说明】

为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：

图1为现有技术中的一种振荡器的电路示意图；

图2为本实用新型在一个实施例中的高精度低压振荡器的电路示意图；

图3为图2中的振荡器输出的锯齿波RAMP以及对应的CLK信号的示意图；

图4为本实用新型在另一个实施例中的高精度低压振荡器的电路示意图；

图5为本实用新型中采用PMOS晶体管的高精度低压振荡器的电路示意图；

图6为图5中的振荡器输出的锯齿波RAMP以及对应的CLK信号的示意图。

【具体实施方式】

为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。

此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本实用新型至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。除非特别说明，本文中的连接、相连、相接的表示电性连接的词均表示直接或间接电性相连。

请参考图2所示，其为本实用新型在一个实施例中的高精度低压振荡器的电路示意图。所述振荡器包括依次串联的第一电流源I1、电容C1和第一NMOS晶体管MN1，控制信号产生电路210和放电控制电路220。

所述依次串联的第一电流源I1，电容C1和第一NMOS晶体管MN1连接于电源VDD和地节点之间，其中，所述第一NMOS晶体管MN1的漏极与所述电容C1的一端相连，其栅极和漏极相连，其源极接地；所述第一电流源I1和电容C1之间的连接节点VC与所述振荡器的输出端RAMP相连；所述第一电流源I1提供第一电流给所述电容C1充电以得到充电电压VC（即节点VC的电压）。

所述控制信号产生电路210包括反相器INV1和依次串联于电源VDD和地节点之间的第二电流源I2，第二NMOS晶体管MN2和电阻R1，其中，所述第二NMOS晶体管MN2的源极与所述电阻R1的一端相连，电阻R1的另一端接地。所述第二电流源I2提供第二电流使得在所述第二NMOS晶体管MN2导通时所述第二电流流经所述第二NMOS晶体管MN2和电阻R1，以在所述第二NMOS晶体管MN2的源极和电阻R1之间的节点产生参考电压VR，所述参考电压VR=I2.R1，所述第二NMOS晶体管MN2的栅极与所述第一电流源I1和电容C1之间的节点VC相连，所述第二NMOS晶体管MN2和第二电流源I2之间的节点A与所述反相器INV1的输入端相连，所述反相器INV1的输出端输出控制信号CLK。

所述控制信号产生电路210基于所述充电电压VC产生并输出所述控制信号CLK。具体为：由于所述第二NMOS晶体管MN2导通时，会在所述第二NMOS晶体管MN2和电阻R1之间的节点产生参考电压VR=I2.R1，因此，当所述第二MNOS晶体管MN2的栅极电压（其等于所述充电电压VC）与其导通时的源极电压（其等于所述参考电压VR=I2.R1）之间的差值小于所述第二NMOS晶体管MN2的阈值电压时，所述第二NMOS晶体管MN2截止，节点A输出高电平信号给所述反相器INV1的输入端，所述反相器INV1的输出端输出的控制信号CLK为低电平（即无效的控制信号）；当所述充电电压VC与所述参考电压VR之间的差值大于所述第二NMOS晶体管MN2的阈值电压时，所述第二NMOS晶体管MN2导通，节点A输出低电平信号给所述反相器INV1的输入端，所述反相器INV2的输出端输出的控制信号CLK为高电平（即有效的控制信号）。

所述放电控制电路220基于所述控制信号CLK对电容C1进行放电控制。所述放电控制电路220在所述控制信号CLK有效时对所述电容C1进行放电，在所述控制信号CLK无效时禁止对电容C1进行放电。在图2所示的实施例中，所述放电控制电路220包括第三NMOS晶体管MN3，所述第三NMOS晶体管MN3的栅极为所述放电控制电路220的控制信号接收端，所述第三NMOS晶体管MN3的源极和漏极分别连接于所述电容C1的两端，所述第三NMOS晶体管MN3的衬底接地。所述第三NMOS晶体管MN3也可以替换为其他等效电子开关器件，比如，NPN（Negative-Positive-Negative）三极管。

以下详细阐述图2所示的高精度低压振荡器的工作过程。

在图2所示的实施例中，设置所述第一NMOS晶体管MN1的阈值电压和第二NMOS晶体管MN2阈值电压相同，且两者的沟道的宽度和长度也完全相同。

初始状态时，所述第一电容C1两端的电压差为零，由于所述电容C1的电压（其等于节点VC的电压）等于第一NMOS晶体管MN1的栅源电压V_GSN1,且电容C1的电压等于输出端RAMP的电压，因此，初始状态时输出端RAMP的电压也等于V_GSN1。又由于此时所述充电电压VC和所述参考电压VR之间的差值（即所述第二NMOS晶体挂MN2的栅极电压和其导通时的源极电压的差值）等于V_GSN1-I2.R1，其小于第二NMOS晶体管MN2的阈值电压，因此，所述第二NMOS晶体管MN2截止，所述第一电流源I1对电容C1进行充电，并且节点A输出高电平信号给所述反相器INV1的输入端，所述反相器INV1的输出端输出的控制信号CLK为低电平，所述CLK信号传输给所述第三NMOS晶体管MN3的栅极，使第三NMOS晶体管MN3截止。也就是说，初始状态，所述第一电容C1的电压等于第一NMOS晶体管MN1的栅源电压V_GSN1,第三晶体管MN3截止，第一电流源I1开始对电容C1充电。

根据公式Q=CV可知，在电容一定的情况下，充电量与电压成正比，其中Q为充电电量，C为电容的电容值，V为电容两端的电压。也就是说，从初始状态起，随着第一电流I1对第一电容C1逐渐充电，输出端RAMP电位逐渐升高，直到所述充电电压VC（即输出端RAMP的电压）和所述参考电压VR之间的差值小于等于第二NMOS晶体管MN2的阈值电压，即所述输出端RAMP的电压超过V_GSN1+I2.R1时，所述二NMOS晶体管MN2导通，节点A由高电平翻转为低电平，所述反相器INV1的输出端输出的控制信号CLK为高电平，所述CLK信号传输给所述第三NMOS晶体管MN3的栅极，使第三NMOS晶体管MN3导通，由所述第三晶体管MN3对所述第一电容C1迅速放电。

由于MOS管对电容放电速度非常快，因此，第一电容C1的放电时间远远小于充电时间，放电结束时，所述第一电容C1两端的电压差为零,即电容C1的电压放电至V_GSN1。当所述第一电容C1的电压放电至V_GSN1时，如上所述，第三晶体管MN3截止，第一电流源I1再次对电容C1充电……,周而复始，第一电容C1反复被充电和放电，致使该振荡器的输出端RAMP的电压逐渐升高再迅速降低，进而在RAMP端形成锯齿波的振荡波形。

请参考图3所示，其为图2中的振荡器输出的锯齿波RAMP以及对应的CLK信号的示意图。该图横坐标表示时间，纵坐标表示电压，其中，锯齿波RAMP的上升阶段为第一电容C1的充电时间，下降阶段为第一电容C1的放电时间。并且由上述分析容易得知所述锯齿波RAMP的峰值为|V_GSN1|+I2.R1，峰谷为|V_GSN1|。

综上所述，图2所示的振荡器也可以实现输出锯齿波RAMP信号。但是，其需要的最低工作电压为V_GSN1+I1.R1+V_{DS_I1}，其中V_{DS_I1}为第一电流源I1的电压降，一般为一个处于饱和区PMOS管的源漏电压，可以设计V_{DS_I1}为0.1V，V_GSN1为第一NMOS晶体管MN1的栅源电压，对于一般5V的CMOS工艺中，V_GSN1为0.7V，，如果设计I1.R1=0.1V，则图2所示的振荡器的最低工作电源电压为0.7V+0.1V+0.1V=0.9V。比图1中现有技术的振荡器的最低工作电源电压1.6V要低很多。此外，本图2所示的振荡器比图1所示的现有技术中的振荡器的电路结构更简单，其占用的芯片面积更小，从而降低芯片成本。

需要说明的是，第一电流源I1的电流值和第二电流源I2的电流值成预定比例，即可以设计第一电流源的电流值I1等于第二电流源的电流值I2，也可以设计第一电流源的电流值I1等于N.I2，N为自然数。为了减小电容C1的充电时间对第一电流源I1和第二电流源I2的影响，可以对第一电流源I1和第二电流源I2采取集成电路中常用的匹配技术，这样，所述第一电流源I1的电流值和第二电流源I2的电流值的比例可以被设计为一个不受温度，电源电压和工艺变化影响的常数，从而提高振荡器的振荡周期精度。

为了提高图2所示的振荡器的振荡周期精度，还可以进行如下改进。请参考图4所示，其为本实用新型在另一个实施例中的高精度低压振荡器的电路示意图。其与图2所示的振荡器的区别在于，将所述第二NMOS晶体管MN2的衬体改为与其源极相连。这样能消除衬偏效应对第二NMOS晶体管MN2阈值电压的影响，使得第二NMOS晶体管MN2的栅源电压V_GSN2与第一NMOS晶体管MN1的栅源电压V_GSN1更匹配，从而使非理想因素对振荡器的振荡周期精度的影响更小。

请参考图5所示，其为本实用新型中采用PMOS晶体管的高精度低压振荡器的电路示意图；请参考图6所示，其为图5中的振荡器输出的锯齿波RAMP以及对应的CLK信号的示意图。由于其实质内容与上述采用NMOS晶体管的振荡器相同，因此，不再累述介绍。

在本实用新型中，“连接”、相连、“连”、“接”等表示电性相连的词语，如无特别说明，则表示直接或间接的电性连接。

需要指出的是，熟悉该领域的技术人员对本实用新型的具体实施方式所做的任何改动均不脱离本实用新型的权利要求书的范围。相应地，本实用新型的权利要求的范围也并不仅仅局限于前述具体实施方式。

Claims

1.一种高精度低压振荡器，其特征在于，其包括：

依次串联的第一电流源，电容和第一晶体管，所述第一电流源提供第一电流给所述电容充电以得到充电电压；

控制信号产生电路，其包括反相器和依次串联的第二电流源，第二晶体管和电阻，所述第二电流源提供第二电流使得在所述第二晶体管导通时所述第二电流流经所述第二晶体管和电阻，以在所述第二晶体管的源极和电阻之间的节点产生参考电压，所述第二晶体管的栅极与所述第一电流源和电容之间的节点相连，所述第二晶体管和第二电流源之间的节点与所述反相器的输入端相连，所述反相器的输出端输出控制信号；

放电控制电路基于所述控制信号对电容进行放电控制。

2.根据权利要求1所述的高精度低压振荡器，其特征在于，

当所述充电电压与所述参考电压之间的差值小于所述第二晶体管的阈值电压时，所述第二晶体管截止，所述反相器的输出端输出无效的控制信号；当所述充电电压与所述参考电压之间的差值大于所述第二晶体管的阈值电压时，所述第二晶体管导通，所述反相器的输出端输出有效的控制信号；

所述放电控制控制电路在所述控制信号有效时对所述电容进行放电，在所述控制信号无效时禁止对所述电容进行放电。

3.根据权利要求2所述的高精度低压振荡器，其特征在于，

所述第一晶体管和所述第二晶体管为NMOS晶体管，

所述第一晶体管的漏极与所述电容相连，其栅极和漏极相连，其源极接地；

所述第二晶体管的源极与所述电阻的一端相连，电阻的另一端接地。

4.根据权利要求2所述的高精度低压振荡器，其特征在于，

所述第一晶体管和所述第二晶体管为PMOS晶体管，

所述第一晶体管的漏极与所述电容相连，其栅极和漏极相连，其源极接电源；

所述第二晶体管的源极与所述电阻的一端相连，电阻的另一端接电源。

5.根据权利要求3或者4所述的高精度低压振荡器，其特征在于，

所述放电控制电路包括第三晶体管或者第三三极管，

所述第三晶体管的栅极为所述放电控制电路的控制信号接收端，所述第三晶体管的源极和漏极分别于所述电容的两端相连。

6.根据权利要求5所述的高精度低压振荡器，其特征在于，所述第二晶体管的衬底与其源极相连。

7.根据权利要求6所述的高精度低压振荡器，其特征在于，所述第一晶体管的阈值电压和第二晶体管的阈值电压相同，且两个晶体管的沟道的宽度和长度也相同。

8.根据权利要求1所述的高精度低压振荡器，其特征在于，所述第一电流源和电容之间的节点与所述振荡器的输出端相连。