CN212992301U - 一种低功耗高精度rc振荡器电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型提出一种低功耗高精度RC振荡器电路，其特征在于，包含基准源电路，充放电电路，RS锁存器和开关控制电路。使用本实用新型的有益效果是，输出时钟的频率只决定于充电电容C1,C2和电阻R0。该结构可大大减小电流校准部分的面积，并且会明显提高输出频率的精度，节约校准电路面积的同时，也减少了数字电路模块对校准部分的实现难度。在充放电电路中避免使用传统结构中的运算放大器和比较器，在面积和功耗方面都有改善。

Description

一种低功耗高精度RC振荡器电路

技术领域

本实用新型属于集成电路设计技术领域。具体地说，属于RC振荡器电路设计领域。

背景技术

振荡器电路是一种基本电路，广泛应用于各种模拟，数模混合产品中。常用的振荡器分为环形振荡器，RC振荡器，LC振荡器等。这几种振荡器的特点和工作原理各有不同，设计时根据不同的应用条件和产品要求，选择适合的架构和实现方式。

RC振荡器电路在现有的芯片设计中使用较多，传统的RC振荡器电路需要两个比较器和一个基准比较电路，其中基准比较电路中包含一个运算放大器，结构复杂，功耗较大，而且其输出的时钟周期受温度和工艺的影响比较大，需要额外的校准电路才能达到足够的精度。

发明内容

基于对传统的RC振荡器的改进，本实用新型提出一种低功耗高精度RC振荡器电路。

一种低功耗高精度RC振荡器电路，其特征在于，如图1所示，包含：基准源电路，充放电电路，RS锁存器和开关控制电路。

如图2所示，所述基准源电路，其输出连接充放电电路，基准源电路输出三路信号，分别为偏置电流Ib及其两路镜像电流I3和I4。Ib，I3和I4连接充放电电路。基准源电路还有两路内部信号I1和I2，I1和I2和Ib，I3，I4同源。I1连接NMOS M1的drain端和NMOS M2的gate端，NMOS M1的source端接地； I2连接NMOS M2的drain端，NMOS M2的source端连接NMOS M1的gate端并通过电阻R0接地。

所述充放电电路，其输入端分为4路，其中3路连接至基准源电路，分别为偏置电流Ib，镜像电流I3和镜像电流I4，另一路输入连接开关控制电路的输出信号phase；其输出端连接至RS锁存器。充放电电路的主要作用是在开关控制电路的控制下完成充放电过程，产生物理延时。充放电电路中有4个开关：S1， S2，S3和S4，4个开关由phase信号来控制。S1与S4同时导通，定义为phase- 1状态，S2与S3同时导通，定义为phase-2状态。当电路工作在phase-1时， Ib作为充电电流对C1充电，当C1上极板电压达到NMOS M4的阈值电压时，下拉电路导通，由于下拉电路设计的下拉能力远大于该节点的上拉，因此当其栅极达到阈值电压形成导电沟道后，会将节点n1电压拉低，并使后级的逻辑电路认出‘0’；同理，当电路工作状态切换到phase-2时，S1和S4断开，S2和S3闭合，Ib开始对C2充电，同时C1的电荷通过S2被快速放电。当C2上极板电压达到NMOS M3的阈值电压后，M3的导电沟道形成，同样的下拉能力强于I2的上拉，M3的drain端电压被拉低，使节点n2被后级逻辑电路认出‘0’。

所述RS锁存器，其输入分为两路，均连接至充放电电路，分别为n1和n2；其输出分为两路，连接至开关控制电路，并作为整个RC振荡器的输出信号。RS 锁存器的主要作用是根据n1和n2的电压翻转产生开关控制电路的输入信号和整个RC振荡器的输出信号osc_out及其取反信号osc_out_bar。当n1点电压拉低并被认为是逻辑‘0’时，RS锁存器被置位，其输出osc_out由‘0’变为‘1’；当n2 点电压拉低并被认为是逻辑‘0’时，RS锁存器被置位，其输出osc_out由‘1’变为‘0’。osc_out即为产生的周期时钟信号。

所述开关控制电路，其输入分为两路，均连接至RS锁存器；其输出为1路，连接至充放电电路。开关控制电路的主要作用是根据RS锁存器的输出信号，改变开关控制的相位，使整个环路形成正反馈，进而起振。

如图2所示，所述基准源电路中的两路镜像电流I1和I2为PMOS电流源，两路PMOS尺寸设计成相等，满足I1＝I2。由于偏置电流仅为百纳安级，因此调整M1和M2的尺寸，可使其工作在强反型区与弱反型区的过渡区，此时V_gs约等于V_th。M1，M2和R0形成反馈网路，当流过R0的电流增加时，M1栅极电压增大，且有将M2栅极电压下拉的趋势，这样M2的V_gs会减小，其所在支路的下拉能力减弱，产生I2的PMOS电流源的栅极电压升高，使I1和I2的电流有降低的趋势，进而形成负反馈调节，使系统稳定。最终稳定时，两路电流均等于V_gs1/R0，因为V_gs1约等于V_th1，所以电流I1和I2满足以下公式：

I1＝I2＝V_th1/R0 (1)

当基准源没有建立好时，偏置电流较小，此时反馈电压不足以关断弱下拉通路，I1与I2的PMOS栅极被逐渐拉低使两路电流增大，最终稳定在设计要求值。此时反馈控制开关在足够大的偏置电流作用下将弱下拉通路关断，以使其不影响正常的工作状态。至此，基准电流Ib满足以下公式：

Ib＝I1＝I2＝V_th1/R0 (2)

所述振荡器的输出时钟周期为：

T＝T1+T2 (3)

其中T1为电流开始对C1充电到M4导电沟道形成的时间，T2为电流开始对C2充电到M3导电沟道形成的时间。M3和M4导电沟道形成的时间点近似为NMOS栅极电压达到V_th的时刻。基于此，根据设计不同的偏置电流和电容，可以调整输出时钟频率，同时由于两部分充电电路完全对称，所以T1＝T2，占空比为50％。周期的具体计算公式为：

T＝T1+T2＝C1*V_th4/Ib+C2*V_th3/Ib (4)

在电路版图实现中，M1,M2,M3,M4需要做匹配处理，保证其阈值电压失配较小，同时具有相同的温度和工艺偏差趋势，可以认为

C1＝C2＝C (5)

V_th1＝V_th3＝V_th4＝V_th (6)

结合(2)-(6)所以周期T满足：

T＝2*C*R0 (7)

通过公式(7)可以看出，输出时钟的频率只决定于充电电容C1,C2和电阻 R0，其中受温度和工艺影响的阈值电压V_th的因素被消除。

使用本实用新型的有益效果是，输出时钟的频率只决定于充电电容C1,C2 和电阻R0。该结构可大大减小电流校准部分的面积，明显提高输出频率的精度，节约校准电路面积的同时，也减少了数字模块对校准部分的实现难度。在充放电电路中避免使用传统结构中的运算放大器和比较器，可以明显的降低RC振荡器电路的面积和功耗。

附图说明

图1为一种低功耗高精度RC振荡器电路结构示意图；

图2为本实用新型提出的一种低功耗高精度RC振荡器电路的结构框图。

具体实施方式

下面结合附图，具体说明本实用新型的一个较佳实施例。

根据以上基础分析，本实用新型提出以下实施例方案。

如图2所示，所述基准源电路，其输出连接充放电电路，基准源电路输出三路信号，分别为偏置电流Ib及其两路镜像电流I3和I4。Ib，I3和I4连接充放电电路。基准源电路还有两路内部信号I1和I2，I1和I2和Ib，I3，I4同源。I1连接NMOS M1的drain端和NMOS M2的gate端，NMOS M1的source端接地； I2连接NMOS M2的drain端，NMOS M2的source端连接NMOS M1的gate端并通过电阻R0接地。

所述充放电电路，其输入端分为4路，其中3路连接至基准源电路，分别为偏置电流Ib，镜像电流I3和镜像电流I4，另一路输入连接开关控制电路的输出信号phase；其输出端连接至RS锁存器。充放电电路的主要作用是在开关控制电路的控制下完成充放电过程，产生物理延时。充放电电路中有4个开关：S1， S2，S3和S4，4个开关由phase信号来控制。S1与S4同时导通，定义为phase- 1状态，S2与S3同时导通，定义为phase-2状态。当电路工作在phase-1时， Ib作为充电电流对C1充电，当C1上极板电压达到NMOS M4的阈值电压时，下拉电路导通，由于下拉电路设计的下拉能力远大于该节点的上拉，因此当其栅极达到阈值电压形成导电沟道后，会将节点n1电压拉低，并使后级的逻辑电路认出‘0’；同理，当电路工作状态切换到phase-2时，S1和S4断开，S2和S3闭合，Ib开始对C2充电，同时C1的电荷通过S2被快速放电。当C2上极板电压达到NMOS M3的阈值电压后，M3的导电沟道形成，同样的下拉能力强于I2的上拉，M3的drain端电压被拉低，使节点n2被后级逻辑电路认出‘0’。

所述RS锁存器，其输入分为两路，均连接至充放电电路，分别为n1和n2；其输出分为两路，连接至开关控制电路，并作为整个RC振荡器的输出信号。RS 锁存器的主要作用是根据n1和n2的电压翻转产生开关控制电路的输入信号和整个RC振荡器的输出信号osc_out及其取反信号osc_out_bar。当n1点电压拉低并被认为是逻辑‘0’时，RS锁存器被置位，其输出osc_out由‘0’变为‘1’；当n2 点电压拉低并被认为是逻辑‘0’时，RS锁存器被置位，其输出osc_out由‘1’变为‘0’。osc_out即为产生的周期时钟信号。

所述开关控制电路，其输入分为两路，均连接至RS锁存器；其输出为1路，连接至充放电电路。开关控制电路的主要作用是根据RS锁存器的输出信号，改变开关控制的相位，使整个环路形成正反馈，进而起振。

尽管本实用新型的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本实用新型的多种修改和替代都将是显而易见的。以上的描述和附图仅仅是实施本实用新型的范例，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本实用新型的限制。

Claims (3)

1.一种低功耗高精度RC振荡器电路，其特征在于，包含：基准源电路，充放电电路，RS锁存器和开关控制电路；所述基准源电路，其输出连接充放电电路，基准源电路输出三路信号，分别为偏置电流Ib及其两路镜像电流I3和I4，Ib，I3和I4连接充放电电路，基准源电路还有两路内部电流I1和I2，I1和I2和Ib，I3，I4同源，I1连接NMOS M1的drain端和NMOS M2的gate端，NMOS M1的source端接地，I2连接NMOS M2的drain端，NMOS M2的source端连接NMOSM1的gate端并通过电阻R0接地；所述充放电电路，其输入端分为4路，其中3路连接至基准源电路，分别为偏置电流Ib，镜像电流I3和镜像电流I4，另一路输入连接开关控制电路的输出信号phase，其输出端连接至RS锁存器，充放电电路包含4个开关，S1，S2，S3和S4，以及电容C1，C2和两个NMOS M3和M4，4个开关由phase信号来控制，phase信号连接开关控制电路，电容C1连接S1和M4，电容C2连接S3和M3；所属RS锁存器与充放电电路和开关控制电路相连；所述开关控制电路与RS锁存器和充放电电路相连。

2.如权利要求1所述一种低功耗高精度RC振荡器电路，其特征在于所述基准源电路除了输出偏置电流Ib及其两路镜像电流I3,I4外，还包括两路内部电流I1和I2，I1和I2为PMOS电流源，两路PMOS尺寸设计成相等，满足I1＝I2。

3.如权利要求1所述一种低功耗高精度RC振荡器电路，其特征在于所述充放电电路包含4个开关：S1，S2，S3和S4，4个开关由phase信号来控制，S1与S4同时导通，定义为phase-1状态，S2与S3同时导通，定义为phase-2状态，phase信号连接开关控制电路。

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