TW201633706A - 弛緩振盪器 - Google Patents

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Abstract

一種弛緩振盪器包含有：一比較器，其包含有：一差動對電晶體；一靜態電流源；和一動態電流源；以及至少一個儲能組件；其中該比較器被配置成可提供觸發該儲能組件之該充電或放電的一輸出信號，在該充電或放電被觸發之前，該動態電流源被啟用並在一預定的時間之後被禁用。

Description

弛緩振盪器
本發明涉及弛緩振盪器，特別是那些適合在快速開關、低雜訊和低電流消耗係重要之應用中的弛緩振盪器。
發明背景
弛緩振盪器，通常是用一反饋迴路和一開關裝置(例如，一比較器或一中繼器)來實現，產生一週期性輸出信號。這些裝置產生一種非線性輸出信號諸如一方波。原理是該反饋迴路和開關裝置被使用來先充電一儲能裝置諸如一電容或電感至一臨界準位再放電它，並重複該充放電循環。該充電和放電行為產生一週期性的、不連續的波形，然後可被作為一輸出。
在傳統的弛緩振盪器中，在電流消耗和開關速度之間以及在電流消耗和雜訊之間經常有權衡。保持快速的開關速度和低雜訊對於一弛緩振盪器的低抖動操作(即與所欲之頻率只有很小的偏差)是重要的，但通常需要較大的電流。這與現代以電池供電裝置的需求相衝突，其中降低電流消耗是非常重要的。本發明的目的是解決這個問題。
從一第一方面來看，本發明提供了一種弛緩振盪 器，其包含有：一比較器，其包含有：一差動對電晶體；一靜態電流源；和一動態電流源；以及至少一個儲能組件；其中該比較器被配置來提供觸發該儲能組件之該充電或放電的一輸出信號，在該充電或放電被觸發之前該動態電流源被啟用並在一預定的時間之後被禁用。
將被本領域的習知技藝者看出的是根據本發明，在該比較器觸發該充電或放電之前，在啟用一第二、動態高電流源之前，當充電該儲能裝置時一弛緩振盪器可被操作在一第一、低靜態電流。這暫時性較高的電流可以有利地提供更精確的定時、降低雜訊的影響以及具有較低的整體電流消耗，當比較於傳統的弛緩振盪器時。
本發明可以以一單一儲能組件來實現。然而，在一組實施例中，數個儲能組件被提供一例如兩個。在這種實施例中，該輸出信號可被使用來在儲能組件之間進行切換使得一個可正在充電而另一個正放電。這允許較高頻率的輸出。
該等靜態或動態的電流源可以採取任何在本領域中公知的形式。然而，在一組實施例中，該等電流源的一個或兩個係一電流鏡。本申請人已體認到在這方面使用電流鏡是特別有利的，因為它們係高能源效率的，並會給 出一更精確的輸出頻率，其中該輸出頻率係成正比於該電流除以該電容值。
在一組實施例中，該振盪器被配置成使用橫跨該(等)儲能組件的一電壓來啟用該動態電流源。這可有利於該動態電流源被啟用就剛好在該充電/放電的該觸發之前，或提供有數個儲能元件的情況中在其間切換之前。在一組實施例中，該動態電流源包含有被配置成啟用和禁用該動態電流源之至少一個開關電晶體。在一組實施例中，該開關電晶體的一閘極引線被連接到該儲能組件。當數個儲能組件被提供，分離的開關電晶體可被提供，其每一個可以具有一閘極引線連接到一各自的儲能組件。提供一電晶體，其閘極連接到該儲能裝置且其源極引線被連接使得其啟用或禁用該動態電流源，可以有利地致使該動態電流源正剛好在該比較器觸發任何充電或放電之前的一時間上打開。
有許多不同的電晶體技術可用於半導體裝置的製造。然而，對於低功率應用，場效電晶體(FET)是最合適的技術由於它們的低電流操作需求。因此，在一組實施例中，該差動對和/或該(等)開關電晶體包括場效電晶體。
本發明可以使用本領域公知之任何的儲能組件來實現。然而，該或每一個儲能組件包含有一電容係為合意。電容特別地適合使用在開關速度和功耗係重要的應用中。
來自該比較器的該輸出信號可被使用來在任何給定的時點上控制數個儲能組件中的那一個正在被充電。 在幾組實施例中，該弛緩振盪器包含有一儲能充電控制模組，當一適當的信號被接收自該比較器時，其在該等儲能組件之間切換。
從一第二方面來看，本發明提供包含有一如以上所述之弛緩振盪器之一種以電池供電的積體電路。
2‧‧‧弛緩振盪器
4、104、204‧‧‧比較器
6‧‧‧充電控制模組
8、14‧‧‧電容
10、12、16、18‧‧‧開關
20、22、120、122‧‧‧電容電壓
24、124‧‧‧參考電壓
26‧‧‧輸出信號
28、30‧‧‧致動信號
32‧‧‧第一電流源
34‧‧‧電阻
36‧‧‧第二電流源
40、140‧‧‧VDD
40、42、44、54、140、142、 144、154‧‧‧NMOS電晶體
46、48、146、148‧‧‧電晶體
50、150‧‧‧尾電晶體
52‧‧‧PMOS電晶體
56、156‧‧‧
60、62‧‧‧NMOS動態電流源電晶體
64‧‧‧第二尾電晶體
本發明的一實施例現在將被描述，僅以示例的方式，並參考到附圖，其中：圖1係本發明之一示例性實施例的一電路圖；圖2係本發明之一示例性實施例的一時序圖；圖3係一現有技術電路圖；以及圖4係一比較器的電路圖，其包含有本發明之一示例性實施例的一部分。
較佳實施例之詳細說明
圖1根據本發明展示出一弛緩振盪器2之一示例性實施例的一電路圖。該弛緩振盪器2包括一比較器4、兩個電容器8、14、四個開關10、12、16、18、以及一充電控制模組6。
該比較器4係一個三輸入比較器，其中該等三個輸入係該等電容電壓20、22和一參考電壓24。該比較器產生一輸出信號26，該輸出信號被作為該充電控制模組6的一輸入。該充電控制模組產生兩個控制開關10、12、16、18的致動信號28、30。
一第一電流源32產生恆定的電流流經一固定電阻34，其由於歐姆定律會跨該電阻器34兩端產生一固定的電位差。這個電位差被做為該參考電壓24，然後其被使用作為該比較器4如以上所述之該等輸入之一。
一第二電流源36產生一恆定電流，該恆定電流被使用來充電不是該第一電容8就是該第二電容14，取決於該電路的狀態以及在任何給定的時間上該等開關10、12、16、18中那些被閉合。
該比較器4把該等兩個電容電壓20、22與該參考電壓24進行比較，並判定是否該等兩個電容電壓20、22的任一個大於該參考電壓24。如果該等兩個電容電壓20、22中之一超過該參考電壓24，該輸出電壓26被設置為邏輯高；否則保持在邏輯低。
該充電控制模組6被配置使得在任何給定的時間上該第一致動信號28和該第二致動信號30的其中之一為高而另一個為低。該控制模組6監控該輸出信號26且每當一正向邊緣上升於其上時，該充電控制模組6把該等信號28、30哪一個是高哪一個是低做互換。
當該第一致動信號28走高時，該第一開關對10、12被閉合而該第二開關對16、18被開啟，把該第一電容8連接到該第二電流源36，並短路該第二電容14。當該第二致動信號30走高時，該第一開關對10、12被開啟而該第二開關對16、18被閉合，把該第一電容14連接到該第二電流源36，並短路該第二電容8。
該振盪器的基本操作現在將參照圖2進行描述，圖2係圖1該實施例的一時序圖。在一初始時刻t0，該第二開關對16、18是閉合的，並且因此該第二電容14被連接到該第二電流源36。這致使該第二電容14進行充電並且必然使該第二電容電壓22上升。
一旦該第二電容電壓22超過該參考電壓24時，該比較器輸出信號26變為邏輯高。隨後，該充電控制單元6檢測到在該輸出信號26上的邏輯高，改變該等兩個開關對10、12、16、18的狀態使得該第一電容8開始充電而該第二電容14放電。其結果是，該第一電容電壓20開始上升，而該第二電容器電壓22迅速下降。一旦該第二電容器電壓22不再超過該參考電壓24，該比較器輸出電壓26變回邏輯低。
這個循環繼續下去，在該輸出信號26係高脈衝以及該等電容的該等角色互換之前，每一個電容8、14充電直至它超過該參考電壓24。充電和放電循環之這種重複的模式產生了一週期性的、非線性的輸出信號26。
圖3係包含有一靜態電流源之一種比較器104之現有技術電路圖，其可以被使用在圖1的該弛緩振盪器中並僅供參考地被描述。該比較器104把兩個電容電壓120、122和一參考電壓124作為輸入並提供一個輸出電壓126。
圖3的該比較器包括三個NMOS電晶體140、142、144，它們各自的閘極引線分別連接到兩個電容電壓120、122和與該參考電壓124。這三個電晶體140、142、144被配置為一差動對電路的一種變型。該參考電晶體144形成 半個該差動對，而該等電容連接的電晶體140、142被平行地配置並共同形成該差動對的另一半。這種配置允許該比較器把該等兩個電容的電壓120、122與該參考電壓124做比較。這個差動對裝置經由一包括兩個電晶體146、148的電流鏡或主動負載裝置被連接到正電源軌VDD 40。
包括該電容和參考連接的電晶體140、142、144之該差動對被配置為一長尾對。提供偏壓電流之該長尾對之該尾部係由該尾電晶體150被提供在此配置中。這個尾電晶體150提供一恆定的、靜態的電流源用於該差動對的操作。
一單面輸出從該差動對被取出並被連接到一與一NMOS電晶體154形成一推拉式輸出級之PMOS電晶體152的閘極引線。這推拉式輸出級致使該比較器輸出信號126一直都飽和到邏輯高或邏輯低，取決在任何給定的時間上來自該差動對的該單面輸出。
圖4根據本發明係一種替代比較器204的電路圖。這種配置的該拓撲類似於圖3(以及類似的參考標號被使用於相似的組件，除了前導數字1的省略之外)。然而，它有利地增加了一額外的電流源給該差動對裝置，以平行於一第一尾電晶體50之一第二尾64的形式。
兩個NMOS動態電流源電晶體60、62被平行配置，它們各自的源極和汲極引線被連接在一起，該等汲極引線更被連接到該等差動對電晶體40、42、44的該等源極引線，且該等動態電流源電晶體60、62的該等源極引線被 連接到該第二尾電晶體64。該等動態電流源電晶體60、62的該等閘極引線每一個被分別連接到該等第一和第二電容電壓20、22。
這種有利的配置允許一第二動態電流源，其包含有該等動態電流源電晶體60、62和該第二尾電晶體64，以被選擇性地啟用和禁用來在需要時提供額外的電流給該差動對。當該等電容電壓20、22的任意一個足夠高時，該相應的動態電流源電晶體60、62將被開啟並把該差動對連接到提供額外電流之該額外的尾電晶體64剛好在該比較器將把該輸出信號26改變為邏輯高之前。這確保了一個具有精確定時之清晰的脈衝並減少雜訊的影響，同時保持了低平均功耗。
因此將被看出的是，一種弛緩振盪器，其特別地適合於在其中定時、雜訊和功耗考量係特別重要的應用，已經被描述。雖然一具體的實施例已經被詳細地描述，但在本發明的範疇之內許多的變化和修改係有可能的。
2‧‧‧長尾對
4‧‧‧複製電路
6、8‧‧‧N通道場效電晶體
10‧‧‧尾電晶體
12‧‧‧正電源
14‧‧‧接地
16、18、38‧‧‧電阻
20‧‧‧正信號輸入端
22‧‧‧負信號輸入端
24、26‧‧‧輸出
28‧‧‧高增益放大器
30、32‧‧‧電晶體
34‧‧‧複製電壓
36‧‧‧參考電壓
40‧‧‧額外的差動對
42、44、46‧‧‧尾電晶體

Claims (12)

  1. 一種弛緩振盪器，其包含有：一比較器，其包含有：一差動對電晶體；一靜態電流源；和一動態電流源；以及至少一個儲能組件；其中該比較器被配置來提供觸發該儲能組件之充電或放電的一輸出信號，在該充電或放電被觸發之前該動態電流源被啟用並在一預定的時間之後被禁用。
  2. 如請求項1之弛緩振盪器，其包含有數個儲能組件。
  3. 如請求項2之弛緩振盪器，其中該輸出信號被使用來在儲能組件之間切換使得一個可正在充電而另一個正在放電。
  4. 如任一前述請求項之弛緩振盪器，其中該等電流源的一個或兩個係一電流鏡。
  5. 如任一前述請求項之弛緩振盪器，該振盪器被配置成使用橫跨該(等)儲能組件的一電壓來啟用該動態電流源。
  6. 如任一前述請求項之弛緩振盪器，其中該差動對包含有場效電晶體。
  7. 如任一前述請求項之弛緩振盪器，其中該動態電流源包含有被配置成啟用和禁用該動態電流源之至少一個開關電晶體。
  8. 如請求項7之弛緩振盪器，其中該開關電晶體的一閘極引線被連接到該儲能組件。
  9. 如請求項7或8之弛緩振盪器，該(等)開關電晶體包含有場效電晶體。
  10. 如任一前述請求項之弛緩振盪器，其中該或每一個儲能組件包含有一電容。
  11. 如任一前述請求項之弛緩振盪器，其包含有一能量儲存充電控制模組。
  12. 一種以電池供電的積體電路，其包含有如請求項1至11之任一請求項之弛緩振盪器。
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