CN206585545U - 一种高稳定度低功耗片上osc电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种高稳定度低功耗片上OSC电路，所述充放电电路，由电流源对电容进行充放电，开关管控制电容的充放电；所述控制电路，将所述充放电电路输出的电平状态进行转换，产生振荡器最终的输出信号，所述振荡器输出信号又控制所述充放电电路中开关管的开关；本实用新型电路结构简单，功耗低，能够实现输出振荡功能；所述电流源由共源共栅电流镜来镜像电流，因此产生的电流I1、I2稳定度高，从而使得OSC电路的振荡频率稳定；所述NMOS管M13为去耦电容，可以稳定电源电压，使得产生的电流稳定，同时提高OSC电路的振荡频率稳定性，噪声低；本实用新型省去了原有技术中的比较器和控制部分，而采用反相器、二输入或非门和RS触发器，占用芯片面积小。

Description

一种高稳定度低功耗片上OSC电路

技术领域

本实用新型涉及一种高稳定度低功耗片上OSC电路，属于振荡器电路技术领域。

背景技术

振荡器作为一种频率源在大多数电子系统中是必不可少的组成部分，更是通信系统的核心。振荡器类型主要有四种：环形振荡器、电感电容振荡器、晶体振荡器和张弛振荡器。环形振荡器的电路较为简单，易发生振荡，也较容易集成，但是延时网络的频率不利于做出灵活的选择，功耗较高、相位噪声大。电感电容振荡器由于电感在集成电路中不易集成，因此很少被使用。晶体振荡器相对于环形振荡器和电感电容振荡器而言输出频率精度最高且不受温度和电源电压影响，性能指标最优。但是由于晶体振荡器的成本很高而且功耗也比环形振荡器和电感电容振荡器更大，故没有广泛应用于市场各种电子产品，只在一些对于振荡器频率精度要求非常高的领域内使用。张弛振荡器的原理则是利用电流周期性地对电容进行充放电完成振荡，这种振荡器具有结构简单、容易控制、线性度高、能产生锯齿波和方波等优点。

一种传统振荡器的结构如图1所述，电路主要由PMOS管M1和NMOS管M2，开关SW1和SW2、高位比较器和低位比较器以及控制部分组成。其工作过程如下：由PMOS管M1提供电流I1，由NMOS管M2提供电流I2。电源刚上电时，电容电压V_C为低电平，此电平经过比较器产生一个逻辑，从而控制SW1导通，SW2断开，则电流I1对电容C充电，使得V_C不断升高，当V_C高于高位比较器阈值电压V_H时，输出逻辑发生跳变，进而使得SW1关断，SW2导通，即电流I2对电容放电，使得V_C不断降低，直到V_C降低到低于低位比较器的阈值电压V_L时，输出逻辑再次发生跳变，此时又进入充电状态，这样不断反复就可以在电容器上输出连续不断的振荡波形。振荡周期由电流I1、I2，电容C以及阈值差V_H-V_L决定。这种传统的结构需要两个比较器，结构较为复杂，且面积较大，消耗功率较大，另外电流源由外部偏置形成的普通电流源，电流的稳定度不高。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种高稳定度低功耗片上OSC电路，结构简单、占用芯片面积小、功耗小、高稳定性、频率稳定，应用于计时电路中，具有良好的实用价值。

为达到上述目的，本实用新型提供一种高稳定度低功耗片上OSC电路，包括充放电电路和控制电路；

所述充放电电路，由电流源对电容进行充放电，开关管控制电容的充放电；

所述控制电路，将所述充放电电路输出的电平状态进行转换，产生振荡器最终的输出信号，所述振荡器输出信号又控制所述充放电电路中开关管的开关；

所述充放电电路包括电流源I1、电流源I2、NMOS管M1、PMOS管M2、电容C1、电容C2；所述电流源I1的负极、所述PMOS管M2的源极和所述电容C2的下极板均连接直流电源VDD，所述电流源I1的正极与所述NMOS管M1的漏极相连接于节点D1，所述电容C1的上极板连接节点D1，所述电容C1的下极板、所述NMOS管M1的源极和所述电流源I2的正极连接地GND，所述PMOS管M2的栅极与所述NMOS管M1的栅极相连接于节点D3，所述电容C2的下极板与所述PMOS管M2的漏极相连接于节点D2，所述电流源I2的负极连接节点D2；

所述控制电路的输入端连接节点D1、节点D2，所述控制电路的输出端连接节点D3。

优先地，所述控制电路包括反相器INV1、反相器INV2、反相器INV3、反相器INV4、二输入或非门NOR1以及RS触发器；所述反相器INV1的输入端连接所述充放电电路中的节点D1，所述反相器INV1的输出端连接所述RS触发器的S端，所述反相器INV2的输入端连接节点D2，所述反相器INV2的输出端连接所述反相器INV3的输入端，所述反相器INV3的输出端连接所述RS触发器的R端，所述RS触发器的输出端Q接所述二输入或非门NOR1的其中一个输入端，所述二输入或非门NOR1的另一个输入端连接外部信号IN1，所述二输入或非门NOR1的输出端OSC接所述反相器INV4的输入端，所述反相器INV4的输出端连接节点D3。

优先地，所述电流源I1包括PMOS管M3、PMOS管M4、PMOS管M5、PMOS管M6、NMOS管M7和NMOS管M8，所述PMOS管M3的源极、所述PMOS管M4的源极均连接直流电源VDD，所述PMOS管M3的漏极连接所述PMOS管M5的源极，所述PMOS管M3的栅极连接所述PMOS管M4的栅极，所述PMOS管M3的栅极连接所述PMOS管M3的漏极，所述PMOS管M4的漏极连接所述PMOS管M6的源极，所述PMOS管M5的栅极连接所述PMOS管M5的漏极，所述PMOS管M5的漏极连接所述NMOS管M7的漏极，所述PMOS管M5的栅极连接所述PMOS管M6的栅极，所述PMOS管M6的漏极与所述电容C1的上极板连接于节点D1，所述NMOS管M1的漏极连接所述节点D1,所述NMOS管M7的源极与所述NMOS管M8的漏极连接，所述NMOS管M8的源极连接到地GND。

优先地，所述电流源I2包括NMOS管M9、NMOS管M10、NMOS管M11和NMOS管M12，所述NMOS管M9的漏极与所述电容C2的上极板连接于节点D2，所述NMOS管M10的栅极连接所述NMOS管M10的漏极，所述NMOS管M10的漏极连接所述NMOS管M7的栅极，所述NMOS管M10的栅极连接所述NMOS管M9的栅极，所述NMOS管M9的源极与所述NMOS管M11的漏极连接，所述NMOS管M12的栅极连接所述NMOS管M12的漏极，所述NMOS管M12的漏极连接所述NMOS管M10的源极，所述NMOS管M12的栅极连接所述NMOS管M11的栅极，所述NMOS管M12的栅极连接所述NMOS管M8的栅极，所述NMOS管M11的源极、所述NMOS管M12的源极均连接到地GND。

优先地，包括NMOS管M13，所述NMOS管M13的栅极连接直流电源VDD，所述NMOS管M13的源极和所述NMOS管M13的漏极均连接到地GND。

优先地，电流源I1、电流源I2均采用共源共栅电流镜方式镜像电流。

本实用新型所达到的有益效果：

本实用新型提供了一种改进的OSC电路，电路结构简单，功耗低，能够实现输出振荡功能；所述电流源由共源共栅电流镜来镜像电流，因此产生的电流I1、I2稳定度高，从而使得OSC电路的振荡频率稳定；所述NMOS管M13为去耦电容，可以稳定电源电压，使得产生的电流稳定，同时提高OSC电路的振荡频率稳定性，噪声低；本实用新型省却了原有技术中的比较器和控制部分，而采用反相器、二输入或非门和RS触发器，占用芯片面积小。

附图说明

图1为现有技术中一种传统振荡器结构示意图；

图2为本实用新型的电路图；

图3为本实用新型的具体实施实例；

图4为本实用新型中RS触发器的具体实施实例。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本实用新型的技术方案，而不能以此来限制本实用新型的保护范围。

本实用新型提供一种高稳定度低功耗片上OSC电路，包括充放电电路和控制电路；

所述充放电电路，由电流源对电容进行充放电，开关管控制电容的充放电；

所述控制电路，将所述充放电电路输出的电平状态进行转换，产生振荡器最终的输出信号，所述振荡器输出信号又控制所述充放电电路中开关管的开关；

所述充放电电路包括电流源I1、电流源I2、NMOS管M1、PMOS管M2、电容C1、电容C2；所述电流源I1的负极、所述PMOS管M2的源极和所述电容C2的下极板均连接直流电源VDD，所述电流源I1的正极与所述NMOS管M1的漏极相连接于节点D1，所述电容C1的上极板连接节点D1，所述电容C1的下极板、所述NMOS管M1的源极和所述电流源I2的正极连接地GND，所述PMOS管M2的栅极与所述NMOS管M1的栅极相连接于节点D3，所述电容C2的下极板与所述PMOS管M2的漏极相连接于节点D2，所述电流源I2的负极连接节点D2；

所述控制电路的输入端连接节点D1、节点D2，所述控制电路的输出端连接节点D3。

进一步地，所述控制电路包括反相器INV1、反相器INV2、反相器INV3、反相器INV4、二输入或非门NOR1以及RS触发器；所述反相器INV1的输入端连接所述充放电电路中的节点D1，所述反相器INV1的输出端连接所述RS触发器的S端，所述反相器INV2的输入端连接节点D2，所述反相器INV2的输出端连接所述反相器INV3的输入端，所述反相器INV3的输出端连接所述RS触发器的R端，所述RS触发器的输出端Q接所述二输入或非门NOR1的其中一个输入端，所述二输入或非门NOR1的另一个输入端连接外部信号IN1，所述二输入或非门NOR1的输出端OSC接所述反相器INV4的输入端，所述反相器INV4的输出端连接节点D3。

进一步地，所述电流源I1包括PMOS管M3、PMOS管M4、PMOS管M5、PMOS管M6、NMOS管M7和NMOS管M8，所述PMOS管M3的源极、所述PMOS管M4的源极均连接直流电源VDD，所述PMOS管M3的漏极连接所述PMOS管M5的源极，所述PMOS管M3的栅极连接所述PMOS管M4的栅极，所述PMOS管M3的栅极连接所述PMOS管M3的漏极，所述PMOS管M4的漏极连接所述PMOS管M6的源极，所述PMOS管M5的栅极连接所述PMOS管M5的漏极，所述PMOS管M5的漏极连接所述NMOS管M7的漏极，所述PMOS管M5的栅极连接所述PMOS管M6的栅极，所述PMOS管M6的漏极与所述电容C1的上极板连接于节点D1，所述NMOS管M1的漏极连接所述节点D1,所述NMOS管M7的源极与所述NMOS管M8的漏极连接，所述NMOS管M8的源极连接到地GND。

进一步地，所述电流源I2包括NMOS管M9、NMOS管M10、NMOS管M11和NMOS管M12，所述NMOS管M9的漏极与所述电容C2的上极板连接于节点D2，所述NMOS管M10的栅极连接所述NMOS管M10的漏极，所述NMOS管M10的漏极连接所述NMOS管M7的栅极，所述NMOS管M10的栅极连接所述NMOS管M9的栅极，所述NMOS管M9的源极与所述NMOS管M11的漏极连接，所述NMOS管M12的栅极连接所述NMOS管M12的漏极，所述NMOS管M12的漏极连接所述NMOS管M10的源极，所述NMOS管M12的栅极连接所述NMOS管M11的栅极，所述NMOS管M12的栅极连接所述NMOS管M8的栅极，所述NMOS管M11的源极、所述NMOS管M12的源极均连接到地GND。

进一步地，包括NMOS管M13，所述NMOS管M13的栅极连接直流电源VDD，所述NMOS管M13的源极和所述NMOS管M13的漏极均连接到地GND。

进一步地，电流源I1、电流源I2均采用共源共栅电流镜方式镜像电流。

一种高稳定度低功耗片上OSC电路的控制方法，包括以下步骤：

状态0：控制电路中二输入或非门NOR1的一个输入端所接的外部信号IN1初始状态输入为1，持续时间为A，则初始状态时振荡器的输出OSC为0；

状态1：反相器INV4的输出为1，反馈到所述充放电电路中NMOS管M1的栅极、PMOS管M2的栅极，使得NMOS管M1导通、PMOS管M2关断，则NMOS管M1的漏极即节点D1为低电平，PMOS管M2的漏极即节点D2为低电平，电容C2处于充电状态；根据此时节点D1、节点D2的状态判断RS触发器的S输入端为1、R输入端为0，在经过RS触发器后的输出端Q为0；所述控制电路中二输入或非门NOR1的一个输入端所接的外部信号IN1输入变为0，持续时间为B,此时振荡器的输出OSC为1，输出信号为高电平1，反相器INV4的输出为0；

状态2：反相器INV4的输出为0，反馈到所述充放电电路中NMOS管M1的栅极、PMOS管M2的栅极，使得NMOS管M1关断、PMOS管M2导通，则PMOS管M2的漏极即节点D2为高电平，NMOS管M1的漏极即节点D1为高电平，电容C1处于充电状态；由此时节点D1、节点D2的状态判断RS触发器的S输入端为0、R输入端为1，在经过RS触发器后的输出端Q为1；由于所述控制电路中二输入或非门NOR1的IN1输入端为0，则此时振荡器的输出OSC为0，输出信号变为低电平0；

状态3：重复状态1、状态2的过程。

进一步地，A、B分别为振荡器振荡频率的1/2。

RS触发器的四种输入与输出的关系：

1.当R端有效(0)，S端无效时(1)，则Q=0,Q’=1，触发器置0；

2.当R端无效(1)、S端有效时(0)，则Q=1,Q’=0，触发器置1。

输出信号反复在高低平、低电平中切换，振荡频率由电流源、电容C1、C2的大小决定。

本实用新型的高稳定度低功耗片上OSC电路克服现有传统技术中OSC电路结构较为复杂、面积较大、功耗较大、稳定性差的问题，本实用新型结构简单、占用芯片面积小、功耗小、高稳定性、频率稳定，应用于计时电路中，具有良好的实用价值。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (6)

1.一种高稳定度低功耗片上OSC电路，其特征在于，包括充放电电路和控制电路；

所述充放电电路，由电流源对电容进行充放电，开关管控制电容的充放电；

所述控制电路，将所述充放电电路输出的电平状态进行转换，产生振荡器最终的输出信号，所述振荡器输出信号又控制所述充放电电路中开关管的开关；

所述充放电电路包括电流源I1、电流源I2、NMOS管M1、PMOS管M2、电容C1、电容C2；所述电流源I1的负极、所述PMOS管M2的源极和所述电容C2的下极板均连接直流电源VDD，所述电流源I1的正极与所述NMOS管M1的漏极相连接于节点D1，所述电容C1的上极板连接节点D1，所述电容C1的下极板、所述NMOS管M1的源极和所述电流源I2的正极连接地GND，所述PMOS管M2的栅极与所述NMOS管M1的栅极相连接于节点D3，所述电容C2的下极板与所述PMOS管M2的漏极相连接于节点D2，所述电流源I2的负极连接节点D2；

所述控制电路的输入端连接节点D1、节点D2，所述控制电路的输出端连接节点D3。

2.根据权利要求1所述的一种高稳定度低功耗片上OSC电路，其特征在于，所述控制电路包括反相器INV1、反相器INV2、反相器INV3、反相器INV4、二输入或非门NOR1以及RS触发器；所述反相器INV1的输入端连接所述充放电电路中的节点D1，所述反相器INV1的输出端连接所述RS触发器的S端，所述反相器INV2的输入端连接节点D2，所述反相器INV2的输出端连接所述反相器INV3的输入端，所述反相器INV3的输出端连接所述RS触发器的R端，所述RS触发器的输出端Q连接所述二输入或非门NOR1的其中一个输入端，所述二输入或非门NOR1的另一个输入端连接外部信号IN1，所述二输入或非门NOR1的输出端OSC连接所述反相器INV4的输入端，所述反相器INV4的输出端连接节点D3。

3.根据权利要求1所述的一种高稳定度低功耗片上OSC电路，其特征在于，所述电流源I1包括PMOS管M3、PMOS管M4、PMOS管M5、PMOS管M6、NMOS管M7和NMOS管M8，所述PMOS管M3的源极、所述PMOS管M4的源极均连接直流电源VDD，所述PMOS管M3的漏极连接所述PMOS管M5的源极，所述PMOS管M3的栅极连接所述PMOS管M4的栅极，所述PMOS管M3的栅极连接所述PMOS管M3的漏极，所述PMOS管M4的漏极连接所述PMOS管M6的源极，所述PMOS管M5的栅极连接所述PMOS管M5的漏极，所述PMOS管M5的漏极连接所述NMOS管M7的漏极，所述PMOS管M5的栅极连接所述PMOS管M6的栅极，所述PMOS管M6的漏极与所述电容C1的上极板连接于节点D1，所述NMOS管M1的漏极连接所述节点D1,所述NMOS管M7的源极与所述NMOS管M8的漏极连接，所述NMOS管M8的源极连接到地GND。

4.根据权利要求3所述的一种高稳定度低功耗片上OSC电路，其特征在于，所述电流源I2包括NMOS管M9、NMOS管M10、NMOS管M11和NMOS管M12，所述NMOS管M9的漏极与所述电容C2的上极板连接于节点D2，所述NMOS管M10的栅极连接所述NMOS管M10的漏极，所述NMOS管M10的漏极连接所述NMOS管M7的栅极，所述NMOS管M10的栅极连接所述NMOS管M9的栅极，所述NMOS管M9的源极与所述NMOS管M11的漏极连接，所述NMOS管M12的栅极连接所述NMOS管M12的漏极，所述NMOS管M12的漏极连接所述NMOS管M10的源极，所述NMOS管M12的栅极连接所述NMOS管M11的栅极，所述NMOS管M12的栅极连接所述NMOS管M8的栅极，所述NMOS管M11的源极、所述NMOS管M12的源极均连接到地GND。

5.根据权利要求1所述的一种高稳定度低功耗片上OSC电路，其特征在于，包括NMOS管M13，所述NMOS管M13的栅极连接直流电源VDD，所述NMOS管M13的源极和所述NMOS管M13的漏极均连接到地GND。

6.根据权利要求4所述的一种高稳定度低功耗片上OSC电路，其特征在于，电流源I1、电流源I2均采用共源共栅电流镜方式镜像电流。