CN217741695U

CN217741695U - 一种无比较器的张弛振荡器电路

Info

Publication number: CN217741695U
Application number: CN202221310038.5U
Authority: CN
Inventors: 马志寅; 李富华
Original assignee: Suzhou University
Current assignee: Suzhou University
Priority date: 2022-05-27
Filing date: 2022-05-27
Publication date: 2022-11-04
Anticipated expiration: 2032-05-27

Abstract

本实用新型提出了一种无比较器的张弛振荡器电路，包括充电电流产生电路、电容充电电路、控制翻转电路、波形整形电路，充电电流产生电路用于输出充电电流Iref,充电电流产生电路输出端与电容充电电路输入端连接，电容充电电路输出端与控制翻转电路输入端连接，控制翻转电路用于控制输出波形的翻转，控制翻转电路输出端与波形整形电路输入端连接，波形整形电路用于对输出的波形进行整形形成稳定的时钟信号CLK_OUT，本实用新型未使用到比较器，避免了传统电路中比较器会出现失调、延时的问题，提高了输出信号的精度，且不使用比较器显著降低了电路的功耗。

Description

一种无比较器的张弛振荡器电路

技术领域

本实用新型涉及集成电路设计领域，更具体地，涉及一种无比较器的张弛振荡器电路。

背景技术

在电源管理芯片中，经常需要用到一个稳定的时钟信号。时钟信号可以由不同种类的振荡器产生。如环形振荡器、LC振荡器、张弛振荡器等。

环形振荡器结构简单，但是输出精度低且易受电源电压影响；LC振荡器利用电容电感谐振选频网络，再通过放大网络输出，具有较高的温度特性，且电感面积大，不易集成到芯片内部；张弛振荡器通过控制电路对电容充放电，灵活性强，但是其输出信号的精度较低。在实际电路中，为保证系统能在不同的温度以及电压下都能正常工作，要求张弛振荡器具有可靠的稳定性，低电压敏感度，低温度系数。

传统的张弛振荡器结构，如图1所示，由两个比较器、两个恒流源、一个电容和SR锁存器构成。

工作原理如下：上电之前电容C1上电压为0，SR锁存器的输出Q’为低电平。上电之后，开关管M1导通、开关管M2截止，电流源I1对电容C1充电。当电容C1上的电压大于VH后，S＝1，R＝0，SR锁存器输出Q＝0，Q’＝1。此时开关管M1截止、开关管M2导通，电容C1通过恒流源I2对地放电，电容电压小于VH时S＝0，R＝0，Q’＝1，Q＝0，输出保持不变。当电容C1上的电压小于VL后，S＝0，R＝1，此时Q＝1，Q’＝0，由此重复对电容C1充放电，输出时钟信号为一个固定频率的方波。

但是在实际电路中，比较器和逻辑电路的输入与输出之间会产生延迟 td，比较器的延时受电源电压和温度的影响较大，同时比较器会有失调，因此这种结构产生的时钟信号精度较低。

张弛振荡器因其能提供较稳定的时钟信号，在片上系统得到广泛的应用。在现有的实际电路中，为保证系统能在不同的温度以及电压下都能正常工作，要求张弛振荡器具有可靠的稳定性，低电压敏感度，低温度系数。

为了解决上述问题，本实用新型提出了一种无需比较器、结构简单、通过使用零温度系数电阻R或者温度系数低的电阻R，输出高精度的时钟信号的，一种无比较器的张弛振荡器电路。

实用新型内容

本实用新型的目的在于，提供一种无比较器的张弛振荡器电路，无需比较器、结构简单、通过使用零温度系数电阻R或者温度系数低的电阻R，输出高精度的时钟信号的电路。

一种无比较器的张弛振荡器电路，包括：充电电流产生电路、电容充电电路、控制翻转电路、波形整形电路，其特征在于，充电电流产生电路用于输出充电电流Iref,所述充电电流产生电路输出端与电容充电电路输入端连接，电容充电电路输出端与控制翻转电路输入端连接，控制翻转电路用于控制输出波形的翻转，控制翻转电路输出端与波形整形电路输入端连接，波形整形电路用于对输出的波形进行整形形成稳定的时钟信号CLK_OUT，所述充电电流产生电路包括电流源I1、NMOS管NM1、NMOS管NM2、NMOS管NM3、PMOS 管PM1、PMOS管PM2，电流源I1提供一路小电流，使得NMOS管NM2工作在亚阈值区，NMOS管NM2的栅源电压VGS2近似等于NMOS管NM2的阈值电压 VTHA，所述电流源I1与NMOS管NM1漏极连接,NMOS管NM1源极分别与NMOS 管NM2的漏极、栅极连接，NMOS管NM2的源极接地，NMOS管NM1的栅极与NMOS管NM3的栅极连接，NMOS管NM3的漏极分别与PMOS管PM1的漏极、栅极连接，NMOS管NM3的源极与电阻R连接，通过调整NMOS管NM3的尺寸，使NMOS管NM3的源极电压近似等于NMOS管NM1的源极电压，电阻R两端电压就等于NMOS管NM2的栅源电压VGS2，VGS2又近似等于VTHA，则电阻R上的电流大小为VTHA/R。

进一步的，所述PMOS管PM1与PMOS管PM2组成电流镜，PMOS管PM1与 PMOS管PM2的尺寸相同，PMOS管PM2将流过PMOS管PM1的电流1:1复制，得到充电电流Iref，充电电流Iref的表达式如(S1)所示为：

在一些实施方式中，所述波形整形电路包括反相器INV1、反相器INV2，Y点电压输入INV1反相器，INV1反相器输出电压为Y’点电压，Y’点电压输入反相器INV2，反相器INV2输出时钟信号CLK_OUT。

在一些实施方式中，所述电容充电电路包括PMOS管PM3、PMOS管PM4、 NMOS管NM4、NMOS管NM5、电容C0、电容C1、电容C2，所述电容C1、电容C2尺寸相同，PMOS管PM2的漏极分别与PMOS管PM3、PMOS管PM4的源极连接，PMOS管PM3的漏极经过A点分别与电容C1的一端、NMOS管NM4的漏极和电容CO的一端连接，电容C1的另一端接地；PMOS管PM4的漏极经过B点分别与电容C2的一端、NMOS管NM5的漏极和电容CO的另一端连接，电容C2 的另一端接地；所述电容C1通过电容CO与电容C2连接；PMOS管PM3、NMOS 管NM4的栅极与外部的Y’点连接，PMOS管PM4的栅极、NMOS管NM5的栅极均与外部的Y点连接。

在一些实施方式中，所述控制翻转电路包括PMOS管PM5、PMOS管PM6、 PMOS管PM7、PMOS管PM8、NMOS管NM6、NMOS管NM7、NMOS管NM8、NMOS管 NM9，B点与NMOS管NM9的栅极连接，A点与NMOS管NM6的栅极连接；NMOS 管NM6的漏极分别与NMOS管NM7的漏极、NMOS管NM8的栅极连接，NMOS管 NM6的漏极、NMOS管NM7的漏极、NMOS管NM8的栅极通过C点与NMOS管NM10 的栅极、PMOS管PM5的漏极、PMOS管PM6的栅极连接；PMOS管PM5的栅极、 PMOS管PM6的漏极通过D点分别与NMOS管NM7的栅极、NMOS管NM8的漏极、 NMOS管NM9的漏极、NMOS管NM11的栅极连接，NMOS管NM11的漏极通过Y 点分别与PMOS管PM8的漏极、PMOS管PM7的栅极连接，PMOS管PM7的漏极与NMOS管NM10的漏极连接，NMOS管NM11的漏极通过Y点与波形整形电路输出端连接。

在一些实施方式中，若Y点输入电平为低电平，Y点电平通过反相器INV1 得到Y’点电平为高电平，此时PMOS管PM4导通,PMOS管PM3截止，NMOS 管NM4导通，NMOS管NM5截止；A点电平拉为0,电容C1短路，电容CO、电容C2为并联，等效容值为CO+C2；充电电流Iref对电容CO、电容C2充电， B点电压线性增加；B点与NMOS管NM9的栅极连接，当B点电压增大至大于NMOS管NM9的阈值电压VTHA时，NMOS管NM9导通；D点电压拉为0，PMOS 管PM5导通；C点电压被拉至高电平，NMOS管NM10导通；PMOS管PM8的栅极电压被拉至0，PMOS管PM8导通；此刻，Y点被拉到高电平，Y’点变为低电平，此时PMOS管PM4截止，PMOS管PM3导通，NMOS管NM4截止，NOMS管 NM5导通。

进一步的，当Y点电平从低电平拉为高电平，电压跳变前瞬间，电容CO 左侧电压为0，电容CO右侧电压为VTHA，根据电容电荷计算表达式如(S2) 所示：Q＝CU(S2)，Q为电容上电荷，C为电容大小，U为电容两端电压，可得到电容CO的电荷量Q1为C0×VTHA。

在一些实施方式中，若Y点电压拉为高电平，NMOS管NM5导通，B点的电压被拉到0，电容C2短路，电容CO、电容C1为并联，等效容值为CO+C1；根据电容电荷守恒定律，电容CO两侧电压为Q1/VTHA，且此时B点电压为0，所以A点电压被拉低到-(C0×VTHA)/(C0+C1)；充电电流Iref对电容CO、电容C1进行充电，当A点电压增大至大于NMOS管NM6的阈值电压VTHA时，NMOS管NM6导通，C点电压被拉到0，PMOS管PM6栅极电压也为0，PMOS管 PM6导通，D点电压被拉为高电压，NMOS管NM11的栅极也为高电压，因此NMOS 管NM11导通，Y点电压被拉为0，B点电压被拉低为 -(C0×VTHA)/(C0+C2)，充电电流Iref对B点的电容CO、电容C2充电至 B点电压增大至大于NMOS管NM9的阈值电压VTHA时，输出状态再次翻转。

进一步的，通过A点处的电容CO、电容C1和B点处的电容CO、电容C1 重复充电，输出形成稳定的方形电波。

进一步的，根据电容充电两端电压与电流的表达式如(S3)所示为： It＝CU(S3)，可得出节点A的充电时间的表达式为：

进一步的，代入表达式(S1)，可得

进一步的，同理，节点B的充电时间的表达式为：

在一些实施方式中，振荡器的周期的表达式如(S4)所示： T＝t₁+t₂＝R×(4×C0+C1+C2)(S4)，由式(S4)可以看出振荡器输出信号的周期只与电阻R的大小和电容C0、电容C1、电容C2的大小有关,而与电源电压无关。

本实用新型的有益效果为：本实用新型提出了一种无比较器的张弛振荡器电路，是一种无需使用比较器、结构简单、通过使用零温度系数电阻R或者温度系数低的电阻R，将温度对振荡器精度的影响降到最低，输出高精度的时钟信号的电路，相对于传统的张弛振荡器电路，本实用新型未使用到比较器，避免了传统电路中比较器会出现失调、延时的问题，提高了输出信号的精度，且不使用比较器显著降低了电路的功耗。

附图说明

图1为现有技术的传统张弛振荡器结构电路。

图2为本申请的无比较器的张弛振荡器电路。

图3为本申请的无比较器的张弛振荡器电路的时序波形图。

具体实施方式

描述以下实施例以辅助对本实用新型的理解。不意在且不应当以任何方式将实施例解释成为限制本实用新型的保护范围。

在以下描述中，本领域的技术人员将认识到，在本论述的全文中，组件可描述为单独的功能单元(可包括子单元)，但是本领域的技术人员将认识到，各种组件或其部分可划分成单独组件，或者可整合在一起(包括整合在单个的系统或组件内)。

此外，附图内的组件或系统之间的连接并不旨在限于直接连接。相反，在这些组件之间的数据可由中间组件修改、重格式化、或以其它方式改变。另外，可使用另外或更少的连接。还应注意，术语“联接”、“连接”、或“输入”应理解为包括直接连接、通过一个或多个中间设备来进行的间接连接、和无线连接。

实施例1：

一种无比较器的张弛振荡器电路，如图2所示，包括：充电电流产生电路、电容充电电路、控制翻转电路、波形整形电路，其特征在于，充电电流产生电路用于输出充电电流Iref,所述充电电流产生电路输出端与电容充电电路输入端连接，电容充电电路输出端与控制翻转电路输入端连接，控制翻转电路用于控制输出波形的翻转，控制翻转电路输出端与波形整形电路输入端连接，波形整形电路用于对输出的波形进行整形形成稳定的时钟信号 CLK_OUT，所述充电电流产生电路包括电流源I1、NMOS管NM1、NMOS管NM2、 NMOS管NM3、PMOS管PM1、PMOS管PM2，电流源I1提供一路小电流，使得 NMOS管NM2工作在亚阈值区，NMOS管NM2的栅源电压VGS2近似等于NMOS管 NM2的阈值电压VTHA，所述电流源I1与NMOS管NM1漏极连接,NMOS管NM1 源极分别与NMOS管NM2的漏极、栅极连接，NMOS管NM2的源极接地，NMOS管NM1的栅极与NMOS管NM3的栅极连接，NMOS管NM3的漏极分别与PMOS管 PM1的漏极、栅极连接，NMOS管NM3的源极与电阻R连接，通过调整NMOS管 NM3的尺寸，使NMOS管NM3的源极电压近似等于NMOS管NM1的源极电压，电阻R两端电压就等于NMOS管NM2的栅源电压VGS2，VGS2又近似等于VTHA，则电阻R上的电流大小为VTHA/R。

所述PMOS管PM1与PMOS管PM2组成电流镜，PMOS管PM1与PMOS管PM2 的尺寸相同，PMOS管PM2将流过PMOS管PM1的电流1:1复制，得到充电电流Iref，充电电流Iref的表达式如(S1)所示为：

所述波形整形电路包括反相器INV1、反相器INV2，Y点电压输入INV1 反相器，INV1反相器输出电压为Y’点电压，Y’点电压输入反相器INV2，反相器INV2输出时钟信号CLK_OUT。

所述电容充电电路包括PMOS管PM3、PMOS管PM4、NMOS管NM4、NMOS管 NM5、电容C0、电容C1、电容C2，所述电容C1、电容C2尺寸相同，PMOS 管PM2的漏极分别与PMOS管PM3、PMOS管PM4的源极连接，PMOS管PM3的漏极经过A点分别与电容C1的一端、NMOS管NM4的漏极和电容CO的一端连接，电容C1的另一端接地；PMOS管PM4的漏极经过B点分别与电容C2的一端、NMOS管NM5的漏极和电容CO的另一端连接，电容C2的另一端接地；所述电容C1通过电容CO与电容C2连接；PMOS管PM3、NMOS管NM4的栅极与外部的Y’点连接，PMOS管PM4的栅极、NMOS管NM5的栅极均与外部的Y点连接。

所述控制翻转电路包括PMOS管PM5、PMOS管PM6、PMOS管PM7、PMOS管 PM8、NMOS管NM6、NMOS管NM7、NMOS管NM8、NMOS管NM9，B点与NMOS管 NM9的栅极连接，A点与NMOS管NM6的栅极连接；NMOS管NM6的漏极分别与 NMOS管NM7的漏极、NMOS管NM8的栅极连接，NMOS管NM6的漏极、NMOS管 NM7的漏极、NMOS管NM8的栅极通过C点与NMOS管NM10的栅极、PMOS管PM5 的漏极、PMOS管PM6的栅极连接；PMOS管PM5的栅极、PMOS管PM6的漏极通过D点分别与NMOS管NM7的栅极、NMOS管NM8的漏极、NMOS管NM9的漏极、NMOS管NM11的栅极连接，NMOS管NM11的漏极通过Y点分别与PMOS管 PM8的漏极、PMOS管PM7的栅极连接，PMOS管PM7的漏极与NMOS管NM10的漏极连接，NMOS管NM11的漏极通过Y点与波形整形电路输出端连接。

若Y点输入电平为低电平，Y点电平通过反相器INV1得到Y’点电平为高电平，此时PMOS管PM4导通,PMOS管PM3截止，NMOS管NM4导通，NMOS 管NM5截止；A点电平拉为0,电容C1短路，电容CO、电容C2为并联，等效容值为CO+C2；充电电流Iref对电容CO、电容C2充电，B点电压线性增加； B点与NMOS管NM9的栅极连接，当B点电压增大至大于NMOS管NM9的阈值电压VTHA时，NMOS管NM9导通；D点电压拉为0，PMOS管PM5导通；C点电压被拉至高电平，NMOS管NM10导通；PMOS管PM8的栅极电压被拉至0，PMOS 管PM8导通；此刻，Y点被拉到高电平，Y’点变为低电平，此时PMOS管PM4 截止，PMOS管PM3导通，NMOS管NM4截止，NOMS管NM5导通。

当Y点电平从低电平拉为高电平，电压跳变前瞬间，电容CO左侧电压为 0，电容CO右侧电压为VTHA，根据电容电荷计算表达式如(S2)所示： Q＝CU(S2)，Q为电容上电荷，C为电容大小，U为电容两端电压，可得到电容CO的电荷量Q1为C0×VTHA。

若Y点电压拉为高电平，NMOS管NM5导通，B点的电压被拉到0，电容 C2短路，电容CO、电容C1为并联，等效容值为CO+C1；根据电容电荷守恒定律，电容CO两侧电压为Q1/VTHA，且此时B点电压为0，所以A点电压被拉低到-(C0×VTHA)/(C0+C1)；充电电流Iref对电容CO、电容C1进行充电，当A点电压增大至大于NMOS管NM6的阈值电压VTHA时，NMOS管NM6导通，C点电压被拉到0，PMOS管PM6栅极电压也为0，PMOS管PM6导通，D点电压被拉为高电压，NMOS管NM11的栅极也为高电压，因此NMOS管NM11导通，Y点电压被拉为0，B点电压被拉低为-(C0×VTHA)/(C0+C2)，充电电流Iref对B点的电容CO、电容C2充电至B点电压增大至大于NMOS管NM9 的阈值电压VTHA时，输出状态再次翻转。

通过A点处的电容CO、电容C1和B点处的电容CO、电容C1重复充电，输出形成稳定的方形电波，如图3所示，为无比较器张弛振荡器的时序波形图。

根据电容充电两端电压与电流的表达式如(S3)所示为：It＝CU(S3)，可得出节点A的充电时间的表达式为：

代入表达式(S1)，可得

同理，节点B的充电时间的表达式为：

振荡器的周期的表达式如(S4)所示：

T＝t₁+t₂＝R×(4×C0+C1+C2)(S4)，由式(S4)可以看出振荡器输出信号的周期只与电阻R的大小和电容C0、电容C1、电容C2的大小有关,而与电源电压无关。

尽管本实用新型已公开了多个方面和实施方式，但是其它方面和实施方式对本领域技术人员而言将是显而易见的，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。本实用新型公开的多个方面和实施方式仅用于举例说明，其并非旨在限制本实用新型，本实用新型的实际保护范围以权利要求为准。

Claims

1.一种无比较器的张弛振荡器电路，包括：充电电流产生电路、电容充电电路、控制翻转电路、波形整形电路，其特征在于，充电电流产生电路用于输出充电电流Iref,所述充电电流产生电路输出端与电容充电电路输入端连接，电容充电电路输出端与控制翻转电路输入端连接，控制翻转电路用于控制输出波形的翻转，控制翻转电路输出端与波形整形电路输入端连接，波形整形电路用于对输出的波形进行整形形成稳定的时钟信号CLK_OUT，所述充电电流产生电路包括电流源I1、NMOS管NM1、NMOS管NM2、NMOS管NM3、PMOS管PM1、PMOS管PM2，电流源I1提供一路小电流，使得NMOS管NM2工作在亚阈值区，NMOS管NM2的栅源电压VGS2近似等于NMOS管NM2的阈值电压VTHA，所述电流源I1与NMOS管NM1漏极连接,NMOS管NM1源极分别与NMOS管NM2的漏极、栅极连接，NMOS管NM2的源极接地，NMOS管NM1的栅极与NMOS管NM3的栅极连接，NMOS管NM3的漏极分别与PMOS管PM1的漏极、栅极连接，NMOS管NM3的源极与电阻R连接。

2.如权利要求1所述的无比较器的张弛振荡器电路，其特征在于，所述PMOS管PM1与PMOS管PM2组成电流镜，PMOS管PM1与PMOS管PM2的尺寸相同，PMOS管PM2将流过PMOS管PM1的电流1:1复制，得到充电电流Iref，充电电流Iref的表达式如(S1)所示为：

3.如权利要求1所述的无比较器的张弛振荡器电路，其特征在于，所述波形整形电路包括反相器INV1、反相器INV2，Y点电压输入INV1反相器，INV1反相器输出电压为Y’点电压，Y’点电压输入反相器INV2，反相器INV2输出时钟信号CLK_OUT。

4.如权利要求1所述的无比较器的张弛振荡器电路，其特征在于，所述电容充电电路包括PMOS管PM3、PMOS管PM4、NMOS管NM4、NMOS管NM5、电容C0、电容C1、电容C2，所述电容C1、电容C2尺寸相同，PMOS管PM2的漏极分别与PMOS管PM3、PMOS管PM4的源极连接，PMOS管PM3的漏极经过A点分别与电容C1的一端、NMOS管NM4的漏极和电容CO的一端连接，电容C1的另一端接地；PMOS管PM4的漏极经过B点分别与电容C2的一端、NMOS管NM5的漏极和电容CO的另一端连接，电容C2的另一端接地；所述电容C1通过电容CO与电容C2连接；PMOS管PM3、NMOS管NM4的栅极与外部的Y’点连接，PMOS管PM4的栅极、NMOS管NM5的栅极均与外部的Y点连接。

5.如权利要求1所述的无比较器的张弛振荡器电路，其特征在于，所述控制翻转电路包括PMOS管PM5、PMOS管PM6、PMOS管PM7、PMOS管PM8、NMOS管NM6、NMOS管NM7、NMOS管NM8、NMOS管NM9，B点与NMOS管NM9的栅极连接，A点与NMOS管NM6的栅极连接；NMOS管NM6的漏极分别与NMOS管NM7的漏极、NMOS管NM8的栅极连接，NMOS管NM6的漏极、NMOS管NM7的漏极、NMOS管NM8的栅极通过C点与NMOS管NM10的栅极、PMOS管PM5的漏极、PMOS管PM6的栅极连接；PMOS管PM5的栅极、PMOS管PM6的漏极通过D点分别与NMOS管NM7的栅极、NMOS管NM8的漏极、NMOS管NM9的漏极、NMOS管NM11的栅极连接，NMOS管NM11的漏极通过Y点分别与PMOS管PM8的漏极、PMOS管PM7的栅极连接，PMOS管PM7的漏极与NMOS管NM10的漏极连接，NMOS管NM11的漏极通过Y点与波形整形电路输出端连接。