CN203590155U - 一种振荡器 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种振荡器，其包括电容、第一、第二、第三和第四场效应晶体管、反相器。电容的一端与第一电源端相连，另一端作为信号振荡端与第二场效应晶体管的衬体相连。第二晶体管的栅极、漏极和源极与第二电源端相连，第一晶体管的源极和衬体与第一电源端相连，漏极与信号振荡端相连，第四晶体管的源极和衬体与第一电源端相连，栅极与信号振荡端相连，漏极与反相器的输入端和第三场效应晶体管的衬体相连，第三晶体管的栅极、漏极和源极与第二电源端相连，反相器的输出端与第一晶体管的栅极相连。这样，其静态功耗主要由第二和第三晶体管的漏电流产生，每个漏电支路电流可以设计的很小，可以容易的设计出总功耗很低的振荡器。

Description

一种振荡器

【技术领域】

本实用新型涉及电路设计领域，特别涉及一种超低功耗振荡器。

【背景技术】

于2008年5月26日申请的中国专利200810112605.4公开了一种低压低功耗振荡器，其具有工作电源电压低，功耗低，精度高的优点。但仅适用于较低功耗的设计中，例如200nA以上电流消耗。但随着技术发展，更低功耗需求越来越强烈。例如蓝牙4.0、医疗等领域，需要更换电池一次后的使用时间越长越好，一些产生甚至希望能在整个产品生命周期内都无需更换电池,或者一些能量收集电路中没有电池，靠吸收环境中微弱的能量而产生微弱的电能支持工作。而这些系统中，通常都依赖于低功耗振荡器技术，以使振荡器的计时周期间歇式工作。振荡器工作频率越低且功耗越低越好。普通基于RC（电阻电容）的振荡器，如果振荡频率太低，所需的电阻和电容的值就太大，这样芯片面积就会太大，芯片成本就会太高。例如产生100mS周期的振荡器需要100pF电容和1000M欧姆的电阻。100p的电容对于一般工艺来说已经很大了。而1000M欧姆电阻需要方块数L/W=1000000的电阻(方块电阻为1K欧姆/方块）。如果电阻最小宽度L=1u，间距为1um，则需要2umX1000000um=1.4mmX1.4mm的面积，这样的代价太大。

因此，有必要提出一种改进的振荡器来克服上述问题。

【实用新型内容】

本实用新型的目的在于提供一种振荡器，其具有非常低的静态功耗。

为了解决上述问题，根据本实用新型的一个方面，本实用新型提供一种振荡器，其包括电容、第一场效应晶体管、第二场效应晶体管、第三场效应晶体管、第四场效应晶体管、反相器。所述电容的一端与第一电源端相连，另一端作为信号振荡端与第二场效应晶体管的衬体相连，第二场效应晶体管的栅极、漏极和源极与第二电源端相连。第一场效应晶体管的源极和衬体与第一电源端相连，漏极与信号振荡端相连。第四场效应晶体管的源极和衬体与第一电源端相连，栅极与信号振荡端相连，漏极与反相器的输入端和第三场效应晶体管的衬体相连，第三场效应晶体管的栅极、漏极和源极与第二电源端相连。反相器的输出端与第一场效应晶体管的栅极相连。

根据本实用新型的另一个方面，本实用新型提还供一种振荡器，其包括电容、第一场效应晶体管、第二场效应晶体管、第三场效应晶体管、第四场效应晶体管、反相器。所述电容的一端作为信号振荡端，所述电容的另一端与第二电源端相连。第二场效应晶体管的衬体与信号振荡端相连，其栅极、漏极和源极与第二电源端相连。第一场效应晶体管的源极和衬体与第一电源端相连，漏极与信号振荡端相连。第四场效应晶体管的源极和衬体与第一电源端相连，其栅极与信号振荡端相连，其漏极与反相器的输入端和第三场效应晶体管的衬体相连，第三场效应晶体管的栅极、漏极和源极与第二电源端相连。反相器的输出端与第一场效应晶体管的栅极相连。

进一步的，第一、第二、第三和第四场效应晶体管均为PMOS场效应晶体管，所述第一电源端为输入电压端，所述第二电源为接地端，第二和第三PMOS场效应晶体管的基底连接第二电源端。

进一步的，第二场效应晶体管的衬体与其源极之间的寄生二极管、衬体与其漏极之间的寄生二极管、衬体与其基底之间的寄生二极管的PN结面积大于第一场效应晶体管的漏极和衬体之间的二极管的PN结面积，第三场效应晶体管的衬体与其源极之间的寄生二极管、衬体与其漏极之间的寄生二极管、衬体与其基底之间的寄生二极管的PN结面积大于第四场效应晶体管的漏极和衬体之间的二极管的PN结面积。

进一步的，第一、第二、第三和第四场效应晶体管均为NMOS场效应晶体管，所述第一电源端为接地端，所述第二电源为输入电压端，第二和第三NMOS场效应晶体管为隔离型NMOS晶体管，第二和第三NMOS场效应晶体管的隔离阱连接第二电源端。

进一步的，第二场效应晶体管的衬体与其源极之间的寄生二极管、衬体与其漏极之间的寄生二极管、衬体与其隔离阱之间的寄生二极管的PN结面积大于第一场效应晶体管的漏极和衬体之间的二极管的PN结面积，第三场效应晶体管的衬体与其源极之间的寄生二极管、衬体与其漏极之间的寄生二极管、衬体与其隔离阱之间的寄生二极管的PN结面积大于第四场效应晶体管的漏极和衬体之间的二极管的PN结面积。

进一步的，所述电容为以绝缘层做电介质的电容。所述电容为PIP电容、MOS电容、MIM电容、MOM电容。

与现有技术相比，本实用新型中的振荡器利用场效应晶体管的漏电流对所述电容进行充电，其静态功耗主要由第二场效应晶体管和第三场效应晶体管的漏电流产生，每个漏电支路电流可以设计的很小，比如1nA或以下，所以可以容易的设计出总功耗很低(比如5nA)的振荡器。

【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为本实用新型中的振荡器在第一实施例中的结构示意图；

图2为图1中的振荡器的第二场效应晶体管MP2的等效电路图；

图3为图1中的振荡器的第一场效应晶体管MP1的等效电路图；

图4为图1中的振荡器的振荡信号RAMP的信号示意图；

图5为本实用新型中的振荡器在第二实施例中的结构示意图；

图6为本实用新型中的振荡器在第三实施例中的结构示意图；

图7为本实用新型中的振荡器在第四实施例中的结构示意图；

图8为图6和图7中的振荡器的场效应晶体管MN2和MN3的结构示意图。

【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。

图1为本实用新型中的振荡器在第一实施例中的结构示意图。如图1所示，所述振荡器包括电容C1、第一场效应晶体管MP1、第二场效应晶体管MP2、第三场效应晶体管MP3、第四场效应晶体管MP4、反相器INV1。

所述电容C1的一端与第一电源端相连，另一端作为信号振荡端RAMP与第二场效应晶体管MP2的衬体相连，第二场效应晶体管MP2的栅极、漏极和源极与第二电源端相连。第一场效应晶体管MP1的源极和衬体与第一电源端相连，其漏极与信号振荡端RAMP相连。第四场效应晶体管MP4的源极和衬体与第一电源端相连，栅极与信号振荡端RAMP相连，漏极与反相器INV1的输入端和第三场效应晶体管MP3的衬体相连，第三场效应晶体管MP3的栅极、漏极和源极与第二电源端相连，反相器INV1的输出端与第一场效应晶体管MP1的栅极相连。

在此第一实施例中，第一、第二、第三和第四场效应晶体管均为PMOS(P-channel Metal Oxide Semiconductor)场效应晶体管，所述第一电源端为输入电压端VIN，所述第二电源端为接地端GND，第二和第三PMOS场效应晶体管的基底连接第二电源端GND。

图2为图1中的振荡器的第二场效应晶体管MP2的等效电路图。如图2所示，场效应晶体管MP2的衬体B与其源极S之间存在寄生二极管D1，场效应晶体管MP2的衬体B与其漏极D之间存在寄生二极管D2，场效应晶体管MP2的衬体B与P型基底之间还存在寄生二极管D3。寄生二极管D1和D2由P+（形成源极和漏极）与N阱（形成衬体）之间的P-N结构成，寄生二极管D3由N阱与P型基底之间的P-N结构成。一般寄生二极管的漏电与其P-N结面积成正比，P-N结的面积越大，漏电越大。通常二极管D3的漏电大于二极管D1和D2的面积。当漏极、源极、P型基底都接地时，场效应晶体管MP2的衬体端B相对地的漏电流由二极管D1、D2、D3之和构成。

图3为图1中的振荡器的第一场效应晶体管MP1的等效电路图。当场效应晶体管MP1的栅源电压为零时，即MP1被关断时，只有连接在场效应晶体管MP1的漏极和衬体之间寄生二极管D4存在漏电流，寄生二极管D4相当于图2中的D2。

由上述分析可知，如果场效应晶体管MP1与MP2的面积相等，则MP2的漏电一定大于MP1的漏电，这样可以形成较为可靠的对电容C1的充电电流。为了进一步保守设计，考虑工艺偏差，还可以设计减小场效应晶体管MP1寄生二极管D4的面积，增大场效应晶体管MP2寄生二极管D1、D2、D3的面积，从而保证可靠的充电电流，例如减小MP1的沟道宽度，增大MP2的沟道宽度。可以看出在本实用新型中，MP2的漏电流要大于MP1在关断时的漏电流，这样可以给电容C1提供稳定的可控制的充电电流。

此外，在此实施例中，场效应晶体管MP3的漏电情况（寄生二极管的情况）与MP2的相同，场效应晶体管MP4的漏电情况与MP1的相同，这里就不在重复描述了。MP3的漏电流被设计的大于MP4在关断时的漏电流，这样可以在MP4关闭时，拉低节点NA的电压，从而可以正常的关断晶体管MP1。

在图1中的振荡器中，反相器INV1构成必要的延时电路，场效应晶体管MP3和MP4构成比较电路，场效应晶体管MP1为充放电开关，场效应晶体管MP2的漏电流提供给所述电容C1充电的充电电流。下面描述图1中的振荡器的工作原理，当场效应晶体管MP1关闭时，由于MP2的漏电大于MP1，导致RAMP节点电压下降，即对电容C1充电。当RAMP节点电压下降低于VIN-|Vth|（其中VIN为第一电源端VIN的电压值，Vth为场效应晶体管MP4的阈值电压，由于PMOS的阈值电压一般为负值，所以加绝对值）时，MP4导通，节点NA电压变为高电平，经过反相器INV1后，节点NB电压为低电平，使晶体管MP1导通，对电容C1放电，RAMP电压被拉升至第一电源端的电压VIN，之后NA变为低电平，NB变为高电平，MP1被关断，然后电容C1被MP2的漏电流重新充电，这样周而复始，振荡器振荡起来，图4示意出了图1中的振荡器的振荡信号RAMP的振荡示意图。

本实用新型的原理在于利用MP2的漏电形成充电电流，但是由于漏电流很小，通常很难控制，例如MP1也存在漏电。如果MP1的漏电大于MP2的漏电，则无法形成所需的充电电流，则振荡器将失效（无法振荡）。本实用新型的关键是利用相同类型的器件漏电相似的原理，并从设计结构上保证足够的充电电流，避免由于工艺偏差导致振荡器失效问题。在本实用新型中，电容C1可以采用各种以绝缘层做电介质的电容，例如多晶硅-多晶硅电容(PIP:Poly-Interpoly-Poly)、MOS（Metal Oxide Semiconductor）电容、MIM（Metal-Isulator-Metal）电容、MOM(Metal-Oxide-Metal)电容等，但不能用p-n结电容，因为p-n结电容存在的漏电可能导致无法一致性控制。MP1和MP2由同一种类型的晶体管构成，这样可以保证其漏电特性相似，从而保证漏电流在可控制范围，而不会导致振荡无法实现的问题。

图1中的振荡器，其静态功耗主要由MP2和MP3的漏电流产生，每个漏电支路电流可以设计到1nA或以下，所以可以容易的设计出总耗电低于5nA的超低功耗振荡器。

图5为本实用新型中的振荡器在第二实施例中的结构示意图。图5中的振荡器与图1中的振荡器相比，其区别在于：图5中的振荡器的电容C1连接在信号振荡端RAMP和第二电源端GND之间，而不是如图1那样连接在信号振荡端RAMP和第一电源端VIN之间。关于图5中的晶体管MP2、MP1、MP3、MP4和电容C1有关设计要求与图1中的相同。图5中的振荡器的振荡原理与图1中的相似，当MP1导通时，电容C1被充电，RAMP升高至VIN；当MP1关断时，电容C1被MP2的漏电流放电，RAMP不断下降直到VIN-|Vth|。

图6为本实用新型中的振荡器在第三实施例中的结构示意图。如图6所示，所述振荡器包括电容C1、第一场效应晶体管MN1、第二场效应晶体管MN2、第三场效应晶体管MN3、第四场效应晶体管MN4、反相器INV1。

与图1相似，所述电容C1的一端与第一电源端相连，另一端作为信号振荡端RAMP与第二场效应晶体管MN2的衬体相连，第二场效应晶体管MN2的栅极、漏极和源极与第二电源端相连。第一场效应晶体管MN1的源极和衬体与第一电源端相连，其漏极与信号振荡端RAMP相连。第四场效应晶体管MN4的源极和衬体与第一电源端相连，栅极与信号振荡端RAMP相连，漏极与反相器INV1的输入端和第三场效应晶体管MN3的衬体相连，第三场效应晶体管MN3的栅极、漏极和源极与第二电源端相连，反相器INV1的输出端与第一场效应晶体管MN1的栅极相连。

在此实施例中，与第一实施例中的振荡器不同的是，第一、第二、第三和第四场效应晶体管MN1、MN2、MN3、MN4均为NMOS场效应晶体管，所述第一电源端为接地端GND，所述第二电源为输入电压端VIN，第二和第三NMOS场效应晶体管MN2、MN3为隔离型NMOS晶体管，第二和第三NMOS场效应晶体管MN2、MN3的隔离阱连接第二电源端VIN。

第二和第三NMOS场效应晶体管MN2、MN3的实现方式与一般标准CMOS工艺不兼容，其需要额外的光刻步骤形成特殊的隔离阱。

图8描述了图6中场效应晶体管MN2和MN3的截面图。栅极为G，源极为S，漏极为D，衬体为B，其隔离阱接输入电压VIN。如图8所示，可以看出MN2存在3个寄生二极管:衬体B与漏极D之间的寄生二极管（N+与PWell构成PN结）、衬体B与源极S之间的寄生二极管（N+与PWell（P阱）构成PN结）、衬体B与隔离阱之间形成的寄生二极管（包括NWell（N阱）与PWell（P阱）之间的PN结和N-Buried(N型埋层与PWell之间的PN结)。第一场效应晶体管MN1在关断时存在漏极和衬体之间的二极管。同样的，为了保证稳定的充电电流，第二场效应晶体管MN2的漏电流大于MN1的漏电流，即第二场效应晶体管MN2的衬体与其源极之间的寄生二极管、衬体与其漏极之间的寄生二极管、衬体与其隔离阱之间的寄生二极管的PN结面积大于第一场效应晶体管MN1的漏极和衬体之间的二极管的PN结面积。

同样的，为了保证在第四场效应晶体管MN4关断后，及时拉高NA节点的电压，第三场效应晶体管MN3的漏电流大于MN4的漏电流，即第三场效应晶体管MN3的衬体与其源极之间的寄生二极管、衬体与其漏极之间的寄生二极管、衬体与其隔离阱之间的寄生二极管的PN结面积大于第四场效应晶体管MN4的漏极和衬体之间的二极管的PN结面积。

图6中的振荡器的工作原理与图1中的振荡器的工作原理类似，具体如下：MN1关断，MN2的漏电流给C1充电，RAMP从零电压上升，在其上升至MN4的阈值电压Vth时，MN4导通，NA节点变为低电平，NB变为高电平，MN1导通，对C1放电使得RAMP变为零电压，MN4关断，MN3的漏电流使得NA节点变为高电平，MN1关断。如此周而复始，产生振荡。

图7为本实用新型中的振荡器在第四实施例中的结构示意图。图7中的振荡器与图6中的振荡器相比，其区别在于：图7中的振荡器的电容C1连接在信号振荡端RAMP和第二电源端VIN之间，而不是如图6那样连接在信号振荡端RAMP和第一电源端GND之间。关于图7中的晶体管MN2、MN1、MN3、MN4和电容C1有关设计要求与图6中的相同。图7中的振荡器的振荡原理与图6中的相似，当MN1导通时，电容C1被放电，RAMP降至地；当MN1关断时，电容C1被MN2的漏电流充电，RAMP不断上升直到MN4的阈值电压Vth。

综上所述，本实用新型中的振荡器利用场效应晶体管的漏电流对所述电容进行充电，其静态功耗主要由第二场效应晶体管和第三场效应晶体管的漏电流产生，每个漏电支路电流可以设计的很小，比如1nA或以下，所以可以容易的设计出总功耗很低(比如5nA)的振荡器。

本实用新型中的在本实用新型中，“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 (8)

1.一种振荡器，其特征在于，其包括电容、第一场效应晶体管、第二场效应晶体管、第三场效应晶体管、第四场效应晶体管、反相器；

所述电容的一端与第一电源端相连，另一端作为信号振荡端与第二场效应晶体管的衬体相连，第二场效应晶体管的栅极、漏极和源极与第二电源端相连，

第一场效应晶体管的源极和衬体与第一电源端相连，漏极与信号振荡端相连，

第四场效应晶体管的源极和衬体与第一电源端相连，栅极与信号振荡端相连，漏极与反相器的输入端和第三场效应晶体管的衬体相连，第三场效应晶体管的栅极、漏极和源极与第二电源端相连，

反相器的输出端与第一场效应晶体管的栅极相连。

2.一种振荡器，其特征在于，其包括电容、第一场效应晶体管、第二场效应晶体管、第三场效应晶体管、第四场效应晶体管、反相器；

所述电容的一端作为信号振荡端，所述电容的另一端与第二电源端相连，

第二场效应晶体管的衬体与信号振荡端相连，其栅极、漏极和源极与第二电源端相连；

第一场效应晶体管的源极和衬体与第一电源端相连，漏极与信号振荡端相连，

第四场效应晶体管的源极和衬体与第一电源端相连，其栅极与信号振荡端相连，其漏极与反相器的输入端和第三场效应晶体管的衬体相连，第三场效应晶体管的栅极、漏极和源极与第二电源端相连，

反相器的输出端与第一场效应晶体管的栅极相连。

3.根据权利要求1或2所述的振荡器，其特征在于，第一、第二、第三和第四场效应晶体管均为PMOS场效应晶体管，所述第一电源端为输入电压端，所述第二电源为接地端，

第二和第三PMOS场效应晶体管的基底连接第二电源端。

4.根据权利要求3所述的振荡器，其特征在于，第二场效应晶体管的衬体与其源极之间的寄生二极管、衬体与其漏极之间的寄生二极管、衬体与其基底之间的寄生二极管的PN结面积大于第一场效应晶体管的漏极和衬体之间的二极管的PN结面积，

第三场效应晶体管的衬体与其源极之间的寄生二极管、衬体与其漏极之间的寄生二极管、衬体与其基底之间的寄生二极管的PN结面积大于第四场效应晶体管的漏极和衬体之间的二极管的PN结面积。

5.根据权利要求1或2所述的振荡器，其特征在于，第一、第二、第三和第四场效应晶体管均为NMOS场效应晶体管，所述第一电源端为接地端，所述第二电源为输入电压端，

第二和第三NMOS场效应晶体管为隔离型NMOS晶体管，

第二和第三NMOS场效应晶体管的隔离阱连接第二电源端。

6.根据权利要求5所述的振荡器，其特征在于，第二场效应晶体管的衬体与其源极之间的寄生二极管、衬体与其漏极之间的寄生二极管、衬体与其隔离阱之间的寄生二极管的PN结面积大于第一场效应晶体管的漏极和衬体之间的二极管的PN结面积，

第三场效应晶体管的衬体与其源极之间的寄生二极管、衬体与其漏极之间的寄生二极管、衬体与其隔离阱之间的寄生二极管的PN结面积大于第四场效应晶体管的漏极和衬体之间的二极管的PN结面积。

7.根据权利要求1或2所述的振荡器，其特征在于，所述电容为以绝缘层做电介质的电容。

8.根据权利要求7所述的振荡器，其特征在于，所述电容为PIP电容、MOS电容、MIM电容、MOM电容。

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