CN208782784U - 张弛振荡器 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种张弛振荡器，包括第一比较器、第二比较器、SR锁存器以及电容控制模块，第一比较器的输入端耦接电容控制模块和外部基准参考阈值电压，输出端耦接SR锁存器的输入端；第二比较器的输入端耦接电容控制模块和外部基准参考阈值电压，输出端耦接SR锁存器的输入端；SR锁存器输出端耦接电容控制模块的输入端；以及电容控制模块的偏置电流输入端耦接外部偏置电流源。通过根据外部基准参考阈值电压使第一比较器产生第一比较信号和第二比较器产生的第二比较信号输入SR锁存器产生控制信号，根据外部偏置电流源的偏置电流和SR锁存器输出的控制信号控制第一电容和第二电容周期性的充放电产生振荡信号。

Description

张弛振荡器

技术领域

本实用新型涉及振荡器技术领域，特别涉及一种张弛振荡器。

背景技术

张弛振荡器是一种非线性电子振荡器电路，它能够产生三角波或者方波的重复输出信号。该电路包含一个反馈环路，通常是一个开关器件，如晶体管，比较器，继电器，运算放大器，以及有源器件电感或者电容组成。

它通过电流对电容重复充电，直到达到阈值水平，然后再次放电。振荡器的周期取决于该电容电路的时间常数。电容在充电和放电模式之间突然切换，从而产生不连续变化的重复波形。此方案通常被用于产生低频信号。如果要产生高频信号，我们需要较小的电容或者较大的电流，但电容较小会导致实际芯片上电容值存在误差，从而导致实际频率和理论频率有较大偏差。但如果增大电流则会使实际芯片电流功耗增加。

实用新型内容

本实用新型提供一种张弛振荡器，解决现有上述的问题。

为解决上述问题，本实用新型实施例提供一种张弛振荡器，包括：

第一比较器，包括第一输入端、第二输入端和输出端，其第一输入端耦接电容控制模块的第一输出端，其第二输入端耦接外部基准参考阈值电压，其输出端耦接SR锁存器的第一输入端；

第二比较器，包括第一输入端、第二输入端和输出端，其第一输入端耦接电容控制模块的第二输出端，其第二输入端耦接外部基准参考阈值电压，其输出端耦接SR锁存器的第二输入端；

SR锁存器，包括第一输入端、第二输入端、第一输出端以及第二输出端，其第一输出端耦接电容控制模块的第一输入端，其第二输出端耦接电容控制模块的第二输入端；以及

电容控制模块，包括第一输入端、第二输入端、偏置电流输入端、第一输出端、第二输出端、第一电容以及第二电容，其偏置电流输入端耦接外部偏置电流源；

通过根据外部基准参考阈值电压使第一比较器产生第一比较信号和第二比较器产生的第二比较信号输入SR锁存器产生控制信号，根据外部偏置电流源的偏置电流和SR锁存器输出的控制信号控制第一电容和第二电容周期性的充放电产生振荡信号。

作为一种实施方式，所述电容控制模块包括：

第一电流镜单元，耦接偏置电流输入端，用于将偏置电流源的偏置电流进行镜像；

第二电流镜单元，耦接所述第一电流单元，用于对第一电流镜单元镜像后的偏置电流再次进行镜像；以及

振荡单元，耦接所述第二电流镜单元的输出端、电容控制模块的第一输入端、电容控制模块的第二输入端、电容控制模块的第一输出端以及电容控制模块的第二输出端，用于接收第二电流镜单元镜像后的偏置电流，同时通过电容控制模块的第一输入端接收的第一控制信号控制第一电容周期性的充放电，通过电容控制模块的第二输入端接收的第二控制信号控制第二电容周期性的充放电，电容控制模块的第一输出端输出第一电容产生的振荡信号，电容控制模块的第二输出端输出第二电容产生的振荡信号。

作为一种实施方式，所述第一电流镜单元采用均为NMOS组成的cascode结构电流镜单元。

作为一种实施方式，所述第二电流镜单元采用均为PMOS组成的cascode结构的电流镜单元。

作为一种实施方式，所述振荡单元包括：

第一振荡电路，包括第九PMOS管、第十NMOS以及第一电容，第九PMOS管的栅极耦接振荡单元的第一输入端，源极耦接第二电流镜单元的输出端，漏极耦接第十NMOS管的漏极，第十NMOS管的栅极耦接振荡单元的第一输入端，源极接地，第一电容的一端耦接第九PMOS管漏极和第十NMOS管漏极的连接节点，第一电容另一端接地，第一输出端耦接第九PMOS管漏极和第十NMOS管漏极的连接节点；

第二振荡电路，包括第十一PMOS管、第十二NMOS以及第二电容，第十一PMOS管的栅极耦接振荡单元的第二输入端，源极耦接第二电流镜单元的输出端，漏极耦接第十二NMOS管的漏极，第十二NMOS管的栅极耦接振荡单元的第二输入端，源极接地，第二电容的一端耦接第十一PMOS管漏极和第十二NMOS管漏极的连接节点，第二电容的另一端接地，第二输出端耦接第十一PMOS管漏极和第十二NMOS管漏极的连接节点。

作为一种实施方式，所述第一比较器和第二比较器均包括：

第一电流镜单元，耦接外部偏置电流源，用于将偏置电流源的偏置电流进行镜像；

第二电流镜单元，耦接第一电流镜单元，用于对第一电流镜单元镜像后的偏置电流再次进行镜像；

比较器信号通路，耦接第二电流镜单元、比较器的第一输入端以及比较器的第二输入端，用于接收并根据第二电流镜单元镜像后的偏置电流、电容控制单元的反馈信号以及外部基准参考阈值电压产生比较信号；

第三电流镜单元，耦接所述比较器信号通路，用于将比较器信号通路输出的比较信号单端转化为可以输入反向单元的信号；以及

反向单元，耦接所述第三电流镜单元，用于将经过第三电流镜单元转化后的比较信号放大后输出至SR锁存器。

作为一种实施方式，所述第一电流镜单元采用均为NMOS组成的cascode结构电流镜单元。

作为一种实施方式，所述第三电流镜单元采用有源电感电流镜单元。

本实用新型相比于现有技术的有益效果在于：通过根据外部基准参考阈值电压使第一比较器产生第一比较信号和第二比较器产生的第二比较信号输入SR锁存器产生控制信号，根据外部偏置电流源的偏置电流和SR锁存器输出的控制信号控制第一电容和第二电容周期性的充放电产生振荡信号。通过电容模块的结构优化，只使用单路偏置电流就得到的振荡输出；输出信号的频率不随温度变化，高低温不会影响电流和电容值从而频率稳定，该频率也不会随着电源电压变化。并且，本张驰振荡器的电路功耗降低，所需要的总电流减小，比较器速度较快，能够较快的对比较信号超出阈值作出反应，使得频率更加准确。

附图说明

图1为本实用新型的张弛振荡器的系统框图；

图2为本实用新型的比较器的电路图；

图3为本实用新型的电容控制模块的电路图。

附图标注：1、第一比较器；11、第一电流镜单元；12、第二电流镜单元；13、比较器信号通路；14、第三电流镜单元；15、反向单元；2、第二比较器；3、SR锁存器；4、电容控制模块；41、第一电流镜单元；42、第二电流镜单元；43、振荡单元；431、第一振荡电路；432、第二振荡电路。

具体实施方式

以下结合附图，对本实用新型上述的和另外的技术特征和优点进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型的部分实施例，而不是全部实施例。

如图1所示，一种张弛振荡器，包括第一比较器1、第二比较器2、SR锁存器3以及电容控制模块4，通过根据外部基准参考阈值电压使第一比较器1产生第一比较信号和第二比较器2产生的第二比较信号输入SR锁存器3产生控制信号，根据外部偏置电流源的偏置电流和SR锁存器3输出的控制信号控制第一电容C1和第二电容C2周期性的充放电产生振荡信号。

第一比较器1包括第一输入端A1、第二输入端和输出端，第一输入端A1耦接电容控制模块4的第一输出端，第二输入端耦接外部基准参考阈值电压Vref，输出端耦接SR锁存器3的第一输入端A3；第二比较器2包括第一输入端A2、第二输入端和输出端，第一输入端A2耦接电容控制模块4的第二输出端，第二输入端耦接外部基准参考阈值电压，输出端耦接SR锁存器3的第二输入端A4。在本实施例中，第一比较器1和第二比较器2耦接电容控制模块4的输入端均为比较器的正向输入端。

如图2所示，第一比较器1和第二比较器2均包括第一电流镜单元11、第二电流镜单元12、比较器信号通路13、第三电流镜单元14以及反向单元15。第一电流镜单元11耦接外部偏置电流源，用于将偏置电流源的偏置电流进行镜像；第二电流镜单元12耦接第一电流镜单元11，用于对第一电流镜单元11镜像后的偏置电流再次进行镜像；比较器信号通路13耦接第二电流镜单元12、第一输入端以及第二输入端，用于接收并根据第二电流镜单元12镜像后的偏置电流、电容控制单元的反馈信号以及外部基准参考阈值电压产生比较信号；第三电流镜单元14耦接比较器信号通路13，用于将比较器信号通路13输出的比较信号单端转化为可以输入反向单元15的信号；反向单元15耦接第三电流镜单元14，用于将经过第三电流镜单元14转化后的比较信号放大后输出至SR锁存器3。其中，在本实施例中，第一比较器1和第二比较器2的第一电流镜单元11采用M1、M2、M3以及M4均为NMOS组成的cascode结构电流镜单元，第二电流镜单元12采用M5和M6均为PMOS组成的基础电流镜单元，第三电流镜单元14采用包含均为NMOS的M9和M10的有源电感电流镜单元。比较器信号通路13包括均为PMOS的M7和M8，图中的M7对应的是比较器的反向输入端VN，M8对应的是比较器的正向输入端VP。反向单元15采用并联连接的PMOS管M11和NMOS管M12。其中，第一电流镜单元11采用的cascode电流镜结构，可以保证电流源镜像的MOS管的VDS一致，从而使电流复制更加准确，以外，增大输出电阻，提高整个电流镜的驱动能力。

SR锁存器3包括第一输入端A3、第二输入端A4、第一输出端A5以及第二输出端A6，第一输出端A5耦接电容控制模块4的第一输入端，第二输出端A6耦接电容控制模块4的第二输入端。

电容控制模块4包括第一输入端、第二输入端、偏置电流输入端、第一输出端、第二输出端、第一电容C1以及第二电容C2，偏置电流输入端耦接外部偏置电流源。

如图3所示，电容控制模块4包括第一电流镜单元41、第二电流镜单元42以及振荡单元43，第一电流镜单元41耦接偏置电流输入端，用于将偏置电流源的偏置电流进行镜像；第二电流镜单元42耦接第一电流单元，用于对第一电流镜单元41镜像后的偏置电流再次进行镜像；振荡单元43耦接第二电流镜单元42、第一输入端、第二输入端、第一输出端以及第二输出端，用于接收第二电流镜单元42镜像后的偏置电流，同时通过第一输入端接收的第一控制信号控制第一电容周期性的充放电，通过第二输入端接收的第二控制信号控制第二电容周期性的充放电，第一输出端输出第一电容产生的振荡信号，第二输出端输出第二电容产生的振荡信号。电容控制模块4需要的电流源的负载有一定的阈值要求，因此需要通过多级电流镜单元复制产生给电容充放电的电流。

在本实施例中，电容控制模块4的第一电流镜单元41采用均为NMOS组成的cascode结构电流镜单元，第二电流镜单元42采用均为PMOS组成的cascode结构的电流镜单元。

振荡单元43包括第一振荡电路431和第二振荡电路432，第一振荡电路431包括第九PMOS管、第十NMOS以及第一电容，第九PMOS管的栅极耦接电容控制模块4的第一输入端，源极耦接第二电流镜单元42，漏极耦接第十NMOS管的漏极，第十NMOS管的栅极耦接电容控制模块4的第一输入端，源极接地，第一电容的一端耦接第九PMOS管漏极和第十NMOS管漏极的连接节点，第一电容另一端接地，电容控制模块4的第一输出端耦接第九PMOS管漏极和第十NMOS管漏极的连接节点；第二振荡电路432包括第十一PMOS管、第十二NMOS以及第二电容，第十一PMOS管的栅极耦接电容控制模块4的第二输入端，源极耦接第二电流镜单元42，漏极耦接第十二NMOS管的漏极，第十二NMOS管的栅极耦接电容控制模块4的第二输入端，源极接地，第二电容的一端耦接第十一PMOS管漏极和第十二NMOS管漏极的连接节点，第二电容的另一端接地，第二输出端耦接第十一PMOS管漏极和第十二NMOS管漏极的连接节点。

电容控制模块4的工作原理如下：外部偏置电流源的偏置电流流入第一电流镜单元41的M1和M2，与其构成cascode的电流镜单元的M3和M4将外部输入的偏置电流进行镜像，由于M3和M4的源极、漏极电流与第二电流镜单元42的M5和M6是同一路，所有流过M3和M4的电流和流过M5和M6的电流相等，同时M5、M6又与M7、M8构成另一组cascode的电流镜结构，M7和M8即镜像流过M5和M6的偏置电流，从而给第一电容C1和第二电容C2充放电提供偏置电流，此时，其大小与外部的偏置电流大小一致。当A5的信号为低电平时，M9导通，M10关断，此时C1充电，A2逐渐升高，当A2升高超出阈值电压(外部基准参考阈值电压Vref)时，第二比较器2的输出A4从低电平瞬间上升为高电平。A6，A1，A4的过程同理。A4和A3作为SR锁存器3的输入，在同为低电平的时候不会有状态变化，当A4为高电平，A3为低电平时，则A5输出为高电平，A6输出低电平。当A4为低电平，A3为高电平时，则A6输出高电平，A5输出低电平。因此，给C1充电时，A6必为高电平，M12导通，此时C2上的电荷会从导通的M12流入GND，实现放电；给C2充电时，C1同理。因此C2、C1在正常工作会不断的周期性充放电产生重复的振荡信号。其振荡频率的周期由电容的充放电时间决定，而电容的充放电时间常数由电容的容值和供给电容充电的电流大小决定。A5和A6为锁存器的振荡输出，输出反向。

本实用新型通过根据外部基准参考阈值电压使第一比较器1产生第一比较信号和第二比较器2产生的第二比较信号输入SR锁存器3产生控制信号，根据外部偏置电流源的偏置电流和SR锁存器3输出的控制信号控制第一电容和第二电容周期性的充放电产生振荡信号。通过电容模块的结构优化，只使用单路偏置电流就得到的震荡输出；输出信号的频率不随温度变化，高低温不会影响电流和电容值从而频率稳定，该频率也不会随着电源电压变化。并且，本张驰振荡器的电路功耗降低，所需要的总电流减小，比较器速度较快，能够较快的对比较信号超出阈值作出反应，使得频率更加准确。

以上所述的具体实施例，对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进行了进一步的详细说明，应当理解，以上所述仅为本实用新型的具体实施例而已，并不用于限定本实用新型的保护范围。特别指出，对于本领域技术人员来说，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种张弛振荡器，其特征在于，包括：

第一比较器，包括第一输入端、第二输入端和输出端，其第一输入端耦接电容控制模块的第一输出端，其第二输入端耦接外部基准参考阈值电压，其输出端耦接SR锁存器的第一输入端；

第二比较器，包括第一输入端、第二输入端和输出端，其第一输入端耦接电容控制模块的第二输出端，其第二输入端耦接外部基准参考阈值电压，其输出端耦接SR锁存器的第二输入端；

SR锁存器，包括第一输入端、第二输入端、第一输出端以及第二输出端，其第一输出端耦接电容控制模块的第一输入端，其第二输出端耦接电容控制模块的第二输入端；以及

电容控制模块，包括第一输入端、第二输入端、偏置电流输入端、第一输出端、第二输出端、第一电容以及第二电容，其偏置电流输入端耦接外部偏置电流源；

通过根据外部基准参考阈值电压使第一比较器产生第一比较信号和第二比较器产生的第二比较信号输入SR锁存器产生控制信号，根据外部偏置电流源的偏置电流和SR锁存器输出的控制信号控制第一电容和第二电容周期性的充放电产生振荡信号。

2.根据权利要求1所述的张弛振荡器，其特征在于，所述电容控制模块包括：

第一电流镜单元，耦接偏置电流输入端，用于将偏置电流源的偏置电流进行镜像；

第二电流镜单元，耦接所述第一电流镜单元，用于对第一电流镜单元镜像后的偏置电流再次进行镜像；以及

振荡单元，耦接所述第二电流镜单元的输出端、电容控制模块的第一输入端、电容控制模块的第二输入端、电容控制模块的第一输出端以及电容控制模块的第二输出端，用于接收第二电流镜单元镜像后的偏置电流，同时通过电容控制模块的第一输入端接收的第一控制信号控制第一电容周期性的充放电，通过电容控制模块的第二输入端接收的第二控制信号控制第二电容周期性的充放电，电容控制模块的第一输出端输出第一电容产生的振荡信号，电容控制模块的第二输出端输出第二电容产生的振荡信号。

3.根据权利要求2所述的张弛振荡器，其特征在于，所述第一电流镜单元采用均为NMOS组成的cascode结构电流镜单元。

4.根据权利要求2所述的张弛振荡器，其特征在于，所述第二电流镜单元采用均为PMOS组成的cascode结构的电流镜单元。

5.根据权利要求2所述的张弛振荡器，其特征在于，所述振荡单元包括：

第一振荡电路，包括第九PMOS管、第十NMOS以及第一电容，第九PMOS管的栅极耦接振荡单元的第一输入端，源极耦接第二电流镜单元的输出端，漏极耦接第十NMOS管的漏极，第十NMOS管的栅极耦接振荡单元的第一输入端，源极接地，第一电容的一端耦接第九PMOS管漏极和第十NMOS管漏极的连接节点，第一电容另一端接地，第一输出端耦接第九PMOS管漏极和第十NMOS管漏极的连接节点；

第二振荡电路，包括第十一PMOS管、第十二NMOS以及第二电容，第十一PMOS管的栅极耦接振荡单元的第二输入端，源极耦接第二电流镜单元的输出端，漏极耦接第十二NMOS管的漏极，第十二NMOS管的栅极耦接振荡单元的第二输入端，源极接地，第二电容的一端耦接第十一PMOS管漏极和第十二NMOS管漏极的连接节点，第二电容的另一端接地，第二输出端耦接第十一PMOS管漏极和第十二NMOS管漏极的连接节点。

6.根据权利要求1所述的张弛振荡器，其特征在于，所述第一比较器和第二比较器均包括：

第一电流镜单元，耦接外部偏置电流源，用于将偏置电流源的偏置电流进行镜像；

第二电流镜单元，耦接第一电流镜单元，用于对第一电流镜单元镜像后的偏置电流再次进行镜像；

比较器信号通路，耦接第二电流镜单元、比较器的第一输入端以及比较器的第二输入端，用于接收并根据第二电流镜单元镜像后的偏置电流、电容控制单元的反馈信号以及外部基准参考阈值电压产生比较信号；

第三电流镜单元，耦接所述比较器信号通路，用于将比较器信号通路输出的比较信号单端转化为可以输入反向单元的信号；以及

反向单元，耦接所述第三电流镜单元，用于将经过第三电流镜单元转化后的比较信号放大后输出至SR锁存器。

7.根据权利要求6所述的张弛振荡器，其特征在于，所述第一电流镜单元采用均为NMOS组成的cascode结构电流镜单元。

8.根据权利要求6所述的张弛振荡器，其特征在于，所述第三电流镜单元采用有源电感电流镜单元。