CN205792485U

CN205792485U - 一种应用于无线充电控制芯片的时钟振荡电路

Info

Publication number: CN205792485U
Application number: CN201620536462.XU
Authority: CN
Inventors: 杨瑞聪; 廖建平; 沈滨旭; 任连峰; 吴文政; 杨凤炳
Original assignee: Xiamen Xinye Microelectronics Technology Co Ltd
Current assignee: Xiamen Xinye Microelectronics Technology Co Ltd
Priority date: 2016-06-03
Filing date: 2016-06-03
Publication date: 2016-12-07
Anticipated expiration: 2026-06-03

Abstract

本实用新型公开一种应用于无线充电控制芯片的时钟振荡电路，其包括启动电路、偏置电路及振荡电路；启动电路、偏置电路及振荡电路顺次电性连接；启动电路用于启动偏置电路，偏置电路用于产生与电源电压无关的基准参考电流，通过采用两个NPN三极管的基极相连，在半导体工艺允许的偏差范围内，可进一步的缩小基准参考电流的偏差范围；振荡电路用于产生时钟振荡频率，通过合理设计MOS管尺寸比例，可镜像产生稳定的充、放电电流，用于对电容充电，通过合理设计电容值及施密特触发器翻转电平电压差，可得到精确、稳定的振荡频率。

Description

一种应用于无线充电控制芯片的时钟振荡电路

技术领域

本实用新型涉及电子技术领域，特别涉及一种应用于无线充电控制芯片的时钟振荡电路。

背景技术

对于大多数SOC(System on a Chip，系统级芯片)设计来说，振荡器是必不可少的组成部分，它能为芯片提供时钟。在各种类型的振荡器中，环形振荡器不需要外挂晶体，不需要使用电感—电容调谐电路，而只需要使用奇数个反相器串联、最后一级的输出连接到第一级的输入即可工作。考虑到其结构简单和低功耗的特性，环形振荡器在频率精度要求不高的场合得到了广泛的应用。然而，电源电压及半导体偏差范围对环形振荡器的输出频率影响较大，因此，环形振荡器无法满足在对时钟频率有更高精度要求的系统。

为此，一篇申请号为201310190432.9的发明专利，公开了一种环形振荡电路、环形振荡器及其实现方法，其包括：偏置电流产生电路和环形振荡器级电路；其实现方法为：首先，偏置电流产生电路通过两个MOS管即第一NMOS管和第二NMOS管的VGS差值在电阻R105上产生一个电流，该电流大小与电源电压无关；接着，环形振荡器级电路通过电流镜结构，镜像产生稳定的充、放电电流，用于对第一级反相器充、放电，进而得到稳定的振荡频率。虽然采用该方法可以得到稳定的振荡频率，但是，由于偏置电流产生电路得到的电流，在半导体工艺允许的偏差范围内，电流偏差较大，影响镜像后的充、放电电流，进而难以得到精确的振荡频率；另外，环形振荡器级电路的充放电电容采用第一级反相器的寄生电容，该反相器的寄生电容电容值受工艺影响较大，不利于实现精确的振荡频率。

实用新型内容

因此，针对上述的问题，本实用新型提出一种应用于无线充电控制芯片的时钟振荡电路，该电路中，偏置电路用于产生与电源电压无关的基准参考电流，通过采用两个NPN三极管的基极相连，相对两个NMOS栅极连接方式，在半导体工艺允许的偏差范围内，可进一步的缩小基准参考电流的偏差范围；利用电流镜结构，可镜像产生与电源电压无关的、偏差小的、稳定的充、放电电流，采用电容与施密特触发器连接代替利用寄生电容值的反相器，可忽略寄生电容的影响并得到固定的翻转电平电压差值，实现精确、稳定的振荡频率。

为了解决上述技术问题，本实用新型所采用的技术方案如下：

一种应用于无线充电控制芯片的时钟振荡电路，包括顺次电性连接的启动电路、偏置电路及振荡电路；所述启动电路用于启动偏置电路，所述偏置电路用于产生与电源电压无关的基准参考电流，所述振荡电路用于产生时钟振荡频率；其中，所述启动电路包括PMOS管P0、电阻R0、NMOS管N0、NMOS管N1、电容C0及第一反相器；PMOS管P0的源极接电源电压，PMOS管P0的栅极与NMOS管N1的漏极及偏置电路连接，PMOS管P0的漏极与电阻R0的一端、电容C0的上极板及第一反相器的输入端连接；第一反相器的输出端连接NMOS管N1的栅极；电阻R0的另一端连接NMOS管N0的栅极和漏极；NMOS管N0的源极、电容C0的下极板及NMOS管N1的源极接地。

作为一个进一步的方案，所述偏置电路包括PMOS管P1、PMOS管P2、NPN三极管Q0、NPN三极管Q1及电阻R1；PMOS管P1的源极接电源电压； PMOS管P1的栅极与PMOS管P0的栅极、NMOS管N1的漏极、PMOS管P2的栅极和漏极及振荡电路连接；PMOS管P1的漏极连接NPN三极管Q0的基极与集电极；NPN三极管Q0的基极连接NPN三极管Q0的集电极，并与NPN三极管Q1的基极连接；NPN三极管Q0的发射极接地；PMOS管P2的源极接电源电压；PMOS管P2的栅极与漏极连接，并与PMOS管P1的栅极、PMOS管P0的栅极、NMOS管N1的漏极及振荡电路连接；PMOS管P2的漏极连接NPN三极管Q1的集电极；NPN三极管Q1的基极与NPN三极管Q0的基极连接；NPN三极管Q1的发射极连接电阻R1的一端；电阻R1的另一端接地。本实用新型为了获得一个与电源电压无关的基准参考电流，且在半导体工艺允许的偏差范围内，该电流偏差较小，偏置电路通过采用两个NPN三极管的基极相连，在半导体工艺允许的偏差范围内，可进一步的缩小基准参考电流的偏差范围。

作为一个更进一步的方案，所述振荡电路包括PMOS管P3、PMOS管P5、PMOS管P6、NMOS管N2、NMOS管N3、NMOS管N4、第二反相器、第三反相器、施密特触发器及电容C1；所述PMOS管P3及PMOS管P5的源极接电源电压；PMOS管P3的栅极与PMOS管P5的栅极、及PMOS管P2的栅极连接；PMOS管P3的漏极与NMOS管N2的漏极和栅极及NMOS管N4的栅极连接；NMOS管N2源极接地；PMOS管P5的漏极连接PMOS管P6的源极；PMOS管P6的栅极连接NMOS管N3的栅极；PMOS管P6的漏极与NMOS管N3的漏极、电容C1的上极板及施密特触发器的输入端连接；施密特触发器的输出端与第二反相器的输入端及第三反相器的输入端连接；第二反相器的输出端与PMOS管P6的栅极及NMOS管N3的栅极连接；NMOS管N3的源极连接NMOS管N4的漏极；NMOS管N4的栅极与NMOS管N2的栅极和漏极及PMOS管P3的漏极连接；NMOS管N4的源极和电容C1的下极板接地；第三反相器的输出端输出时钟振荡信号。为了实现精确、稳定的振荡频率，振荡电路通过合理设计MOS管尺寸比例，可镜像产生稳定的充、放电电流，用于对电容充电；采用电容与施密特触发器连接代替利用寄生电容值的反相器，可忽略寄生电容的影响并得到固定的翻转电平电压差值，实现精确、稳定的振荡频率。

本实用新型采用上述方案，与现有技术相比，具有如下有益效果：

1、本实用新型的偏置电路通过采用两个NPN三极管的基极相连，相对两个NMOS栅极连接方式，在半导体工艺允许的偏差范围内，可进一步的缩小基准参考电流的偏差范围；

2、本实用新型振荡电路通过合理设计MOS管尺寸比例，可镜像产生稳定的充、放电电流，用于对电容充电；采用电容与施密特触发器连接代替利用寄生电容值的反相器，可忽略寄生电容的影响并得到固定的翻转电平电压差值，实现精确、稳定的振荡频率

附图说明

图1为本实用新型的时钟振荡电路的电路原理图；

图2为图1中的电容C1上极板的电压波形图；

图3为图1中的振荡电路的输出电压波形图。

具体实施方式

现结合附图和具体实施方式对本实用新型进一步说明。

普通时钟振荡电路中，一般采用环形振荡电路或比较器加基准电压电路结构实现，前者结构虽然简单，但是较难实现精确的振荡频率要求；后者虽然比较容易实现精确的振荡频率要求，但是结构相对比较复杂，占用不小的芯片面积。本专利正是为了解决上述问题而提出的，本实用新型的方案具体的介绍如下：

本实用新型的应用于无线充电控制芯片的时钟振荡电路，其包括启动电路1000、偏置电路2000及振荡电路3000；启动电路1000、偏置电路2000及振荡电路3000顺次电性连接；启动电路1000用于启动偏置电路，偏置电路2000用于产生与电源电压无关的基准参考电流，通过采用两个NPN三极管的基极相连，在半导体工艺允许的偏差范围内，可进一步的缩小基准参考电流的偏差范围；振荡电路3000用于产生时钟振荡频率，通过合理设计MOS管尺寸比例，可镜像产生稳定的充、放电电流，用于对电容充电，通过合理设计电容值及施密特触发器翻转电平电压差，可得到精确、稳定的振荡频率。

作为一个具体的实施例，参见图1，启动电路1000包括PMOS管P0、电阻R0、NMOS管N0、NMOS管N1、电容C0及第一反相器100；PMOS管P0的源极接电源电压；PMOS管P0的栅极与NMOS管N1的漏极及偏置电路连接；PMOS管P0的漏极与电阻R0的一端、电容C0的上极板及第一反相器100的输入端连接；第一反相器100的输出端连接NMOS管N1的栅极；电阻R0的另一端连接NMOS管N0的栅极和漏极；NMOS管N0的源极、电容C0的下极板及NMOS管N1的源极接地。

偏置电路2000包括PMOS管P1、PMOS管P2、NPN三极管Q0、NPN三极管Q1及电阻R1；PMOS管P1的源极接电源电压；PMOS管P1的栅极与PMOS管P0的栅极、NMOS管N1的漏极、PMOS管P2的栅极和漏极及振荡电路连接；PMOS管P1的漏极连接NPN三极管Q0的基极与集电极；NPN三极管Q0的基极连接NPN三极管Q0的集电极，并与NPN三极管Q1的基极连接；NPN三极管Q0的发射极接地；PMOS管P2的源极接电源电压；PMOS管P2的栅极与漏极连接，并与PMOS管P1的栅极、PMOS管P0的栅极、NMOS管N1的漏极及振荡电路连接；PMOS管P2的漏极连接NPN三极管Q1的集电极；NPN三极管Q1的基极与NPN三极管Q0的基极连接；NPN三极管Q1的发射极连接电阻R1的一端；电阻R1的另一端接地。

振荡电路3000包括PMOS管P3、PMOS管P5、PMOS管P6、NMOS管N2、NMOS管N3、NMOS管N4、第二反相器101、第三反相器103、施密特触发器102及电容C1；PMOS管P3及PMOS管P5的源极接电源电压；PMOS管P3的栅极与PMOS管P5的栅极、及PMOS管P2的栅极连接；PMOS管P3的漏极与NMOS管N2的漏极和栅极及NMOS管N4的栅极连接；NMOS管N2源极接地；PMOS管P5的漏极连接PMOS管P6的源极；PMOS管P6的栅极连接NMOS管N3的栅极；PMOS管P6的漏极与NMOS管N3的漏极、电容C1的上极板及施密特触发器102的输入端连接；施密特触发器102的输出端与第二反相器101的输入端及第三反相器103的输入端连接；第二反相器101的输出端与PMOS管P6的栅极及NMOS管N3的栅极连接；NMOS管N3的源极连接NMOS管N4的漏极；NMOS管N4的栅极与NMOS管N2的栅极和漏极及PMOS管P3的漏极连接；NMOS管N4的源极和电容C1的下极板接地；第三反相器103的输出端输出时钟振荡信号。

下面具体阐述其运行原理。参见图1，系统上电，启动电路中电容C0上极板电压约为0，第一反相器100的输出为H(H为高电平)，则NMOS管N1开启，PMOS管P0、PMOS管P1、PMOS管P2、PMOS管P3、PMOS管P4、PMOS管P5栅极电位被拉低，PMOS管P1和NPN三极管Q0的支路导通，之后，NPN三极管Q1导通，PMOS管P2、NPN三极管Q1及电阻R1的支路导通，此时，偏置电路开始工作，由于电流镜结构，PMOS管P0、电阻R0、NMOS管N0支路导通，镜像电流流过电阻R0和NMOS管N0，电容C0上极板即第一反相器100输入端电压逐渐被拉高，第一反相器100输出变为L(L为低电平)，则NMOS管N1关闭，完成偏置电路启动过程。

假定PMOS管P1和PMOS管P2的宽长比相等，NPN三极管Q1的发射极面积为NPN三极管Q0的n倍，令流过PMOS管P2的电流为基准参考电流I_REF，则I_REF＝I_DS.P2≈I_R1＝(V_BE.Q1-V_BE.Q0)/R1＝V_T*ln(n)/R1(1)

式中，I_DS.P2为流过PMOS管P2的源漏极电流，V_BE.Q1为NPN三极管Q1基极与发射极电压差，V_BE.Q0为NPN三极管Q0基极与发射极电压差，V_T为热电压；

由上式(1)可知，I_REF受(1/R1)影响。通常半导体工艺加工，允许正负20％的偏差，因此，若电阻R1偏差20％，即R1电阻值变化范围：0.8*R1～1.2*R1，则I_REF变化范围：0.83*I_REF～1.25*I_REF。

因I_REF与振荡频率f成线性关系，因此振荡频率变化范围为0.83*f～1.25*f。

综上，本实用新型的偏置电路通过采用两个NPN三极管的基极相连，在半导体工艺允许的偏差范围内，大大缩小基准参考电流的偏差范围，同时缩小了振荡频率变化范围，有利于获得精确的振荡频率。

系统初始上电，当偏置电路开始工作时，电容C1的上极板电位约为0，施密特触发器102输出高电平，第二反相器101输出低电平，PMOS管P6导通、NMOS管N3关断，PMOS管P5和PMOS管P6的支路对电容C1充电，当电容C1上极板电压升高至施密特触发器的正向阈值电压V₊时，施密特触发器102输出端电压翻转为低电平，第二反相器101输出高电平，PMOS管P6关闭、NMOS管N3导通，NMOS管N3、NMOS管N4支路对电容C1放电，当电容C1上极板电压降低至施密特触发器的负向阈值电压V-，施密特触发器102输出端电压翻转为高电平，第二反相器101输出端翻转为低电平。以此循环动作，电容C1上极板电压呈现锯齿波，参见图2所示。最后，时钟振荡信号经过第三反相器103输出，参见图3所示。

假定PMOS管P1、PMOS管P2和PMOS管P3的宽长比相等，PMOS管P5宽长比为PMOS管P2宽长比的M倍，NMOS管N4宽长比为NMOS管N2宽长比的M倍，则电容C1的充电电流I_tr和放电电流I_tf均为M*I_REF，

电容C1上极板锯齿波电压最大值为施密特触发器的正向阈值电压V₊，最小值为施密特触发器的负向阈值电压V-，正向阈值电压与负向阈值电压之差即回差电压ΔV＝(V₊-V_-)。

令电容C1取值大于施密特触发器输入端寄生电容，则可忽略施密特触发器输入端寄生电容对振荡频率的影响。

此时，电容C1上极板电压上升阶段时间tr＝(C1*ΔV/I_tr)，下降阶段时间tf＝(C1*ΔV/I_tf)，

振荡电路振荡周期T＝tr+tf，即振荡频率f＝1/T＝1/[2*(C1*ΔV/I_tr)]。

因此，如果在一固定工作电压下，取确定的C1电容值和确定的施密特触发器回差电压ΔV，则可根据设计需要，调整PMOS管P5和NMOS管N4的宽长比，进而调整电容C1的充电电流I_tr和放电电流I_tf，实现精确、稳定的振荡频率f，且该振荡频率f不受工艺影响。

本实用新型的振荡电路采用电容与施密特触发器连接代替利用寄生电容值的反相器，可忽略寄生电容的影响并得到固定的翻转电平电压差值，实现精确、稳定、不受工艺影响的振荡频率。

综上，本专利通过上述方案，采用带自启动脱离功能的启动电路、与电源电压无关的偏置电路及环形振荡电路实现，与电源电压无关的偏置电路可产生基准参考电流，再通过MOS管尺寸比例镜像产生稳定的充电、放电电流对电容充电；同时，在环形振荡电路中加入施密特触发器，可设计固定的翻转电平电压值；设计合理的电容，可减小寄生电容的影响。因此，精确的充放电电流、稳定的翻转电平电压值及合适的电容值，可实现精确的振荡频率。另外，相对采用比较器加基准电压电路结构的振荡电路，本电路器件个数比较少，以较小的芯片面积即可实现，降低了成本。

尽管结合优选实施方案具体展示和介绍了本实用新型，但所属领域的技术人员应该明白，在不脱离所附权利要求书所限定的本实用新型的精神和范围内，在形式上和细节上可以对本实用新型做出各种变化，均为本实用新型的保护范围。

Claims

1.一种应用于无线充电控制芯片的时钟振荡电路，其特征在于：包括顺次电性连接的启动电路、偏置电路及振荡电路；所述启动电路用于启动偏置电路，所述偏置电路用于产生与电源电压无关的基准参考电流，所述振荡电路用于产生时钟振荡频率；

其中，所述启动电路包括PMOS管P0、电阻R0、NMOS管N0、NMOS管N1、电容C0及第一反相器；PMOS管P0的源极接电源电压，PMOS管P0的栅极与NMOS管N1的漏极及偏置电路连接，PMOS管P0的漏极与电阻R0的一端、电容C0的上极板及第一反相器的输入端连接；第一反相器的输出端连接NMOS管N1的栅极；电阻R0的另一端连接NMOS管N0的栅极和漏极；NMOS管N0的源极、电容C0的下极板及NMOS管N1的源极接地。

2.根据权利要求1所述的时钟振荡电路，其特征在于：所述偏置电路包括PMOS管P1、PMOS管P2、NPN三极管Q0、NPN三极管Q1及电阻R1；PMOS管P1的源极接电源电压；PMOS管P1的栅极与PMOS管P0的栅极、NMOS管N1的漏极、PMOS管P2的栅极和漏极及振荡电路连接；PMOS管P1的漏极连接NPN三极管Q0的基极与集电极；NPN三极管Q0的基极连接NPN三极管Q0的集电极，并与NPN三极管Q1的基极连接；NPN三极管Q0的发射极接地；PMOS管P2的源极接电源电压；PMOS管P2的栅极与漏极连接，并与PMOS管P1的栅极、PMOS管P0的栅极、NMOS管N1的漏极及振荡电路连接；PMOS管P2的漏极连接NPN三极管Q1的集电极；NPN三极管Q1的基极与NPN三极管Q0的基极连接；NPN三极管Q1的发射极连接电阻R1的一端；电阻R1的另一端接地。

3.根据权利要求2所述的时钟振荡电路，其特征在于：所述振荡电路包括PMOS 管P3、PMOS管P5、PMOS管P6、NMOS管N2、NMOS管N3、NMOS管N4、第二反相器、第三反相器、施密特触发器及电容C1；所述PMOS管P3及PMOS管P5的源极接电源电压；PMOS管P3的栅极与PMOS管P5的栅极、及PMOS管P2的栅极连接；PMOS管P3的漏极与NMOS管N2的漏极和栅极及NMOS管N4的栅极连接；NMOS管N2源极接地；PMOS管P5的漏极连接PMOS管P6的源极；PMOS管P6的栅极连接NMOS管N3的栅极；PMOS管P6的漏极与NMOS管N3的漏极、电容C1的上极板及施密特触发器的输入端连接；施密特触发器的输出端与第二反相器的输入端及第三反相器的输入端连接；第二反相器的输出端与PMOS管P6的栅极及NMOS管N3的栅极连接；NMOS管N3的源极连接NMOS管N4的漏极；NMOS管N4的栅极与NMOS管N2的栅极和漏极及PMOS管P3的漏极连接；NMOS管N4的源极和电容C1的下极板接地；第三反相器的输出端输出时钟振荡信号。