TWI399915B - Low-power relaxation-type oscillator - Google Patents
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Description
本發明係有關一種弛張型振盪器,特別是關於一種低耗電的弛張型振盪器。
因近年製程控制精進以及降低成本考量,在微控制單元(MCU)及其他電路中,積極採用內部電阻及電容做為弛張型振盪器(Relaxation oscillators)的元件,並利用頻率校準方式校準(trimming)電阻及電容製程變動,以便獲得準確的頻率。採用內部電阻及電容的弛張型振盪器除在微控制單元及其他電路中大量運用以取代石英晶體振盪器(crystal oscillator)為IC內部的頻率產生之振盪源,另外也採用此電路做為微控制單元中的看門狗計時器(watch dog timer,WDT)或休眠模式計時器(sleep mode timer)。
而一般弛張型振盪器的設計中,盡量以原理CV=IT及I=(V/R)得到和電壓無關的振盪時間公式T=RC。現今的IC除了頻率對電壓及製程變動要求嚴刻之外,對IC內頻率產生之振盪源及看門狗計時器亦嚴刻要求低耗電表現,以達到IC低耗電的節能需求。一般振盪器耗電分為交流電轉態(AC transient)及直流電流路徑(DC current path)的耗電。而直流電流路徑主要功用是產生對電容的充放電電流及比較器的偏壓(bias)電流。為了達到低耗電需求,在設計概念上需要減少直流電流路徑及降低偏壓電流源大小。但是為了降低偏壓電流源大小以達到低耗電的標準,根據公式I=(V/R),通常電阻R的阻值必須很大,例如若電阻上有3V的跨壓,電阻DC電流要小於3uA,則電阻需為1MΩ以上;若電阻上有5V的跨壓,電阻DC電流還是要小於3uA,則電阻需為1.67MΩ以上。此例說明弛張型振盪器低耗電電路會因電阻值變大,電阻面積增加,使IC面積相對變很大。
習知美國專利號US 6362697、US 6680656、US 6891443所揭露之技術皆因直流電流路徑的數量過多,無法達到低耗電的需求。而美國專利號US 7443260雖能達到低耗電的需求,但其輸出振盪頻率並無法對電阻及電容保有T=RC的線性關係,因此容易受製程、電壓、溫度…等許多因素影響到其頻率的準確度。
因此,一種週期頻率對電阻及電容同樣保有線性關係且低耗電的弛張型振盪器,乃為所冀。
本發明的目的之一,在於提出一種低耗電的弛張型振盪器。
本發明的目的之一,在於提出一種週期頻率對電阻及電容同樣保有線性關係的弛張型振盪器。
根據本發明,一種低耗電的弛張型振盪器,包含電流源產生電路利用第一電晶體的閘極和汲極連接形成的跨壓使電阻產生偏壓電流,充放電電路利用該偏壓電流的鏡射電流對電容充電以導通和該第一電晶體具有相同特性的第二電晶體,再經由連接於該第二電晶體之汲極與第三電晶體之閘極之間的延遲電路,使該電容週期性地充電與放電,以產生一個與電壓無關的振盪頻率並達到低耗電之效果。
圖1是本發明弛張型振盪器之實施例。此弛張型振盪器包含電流源產生電路10、充放電電路12及延遲電路14。電流源產生電路10利用電晶體M3的閘極和汲極短路連接成近似偏壓二極體的元件,使節點A對接地點GND的跨壓為Vgs3,並設計電流鏡16的電晶體M1、M2具有相同特性,所以於電阻R1兩端,電晶體M1的汲極到接地點GND的跨壓同樣為Vgs3,因而產生電流源之偏壓電流Im1=(Vgs3/R1)。又設計電流鏡18的電晶體M4、M5、M6、M7皆具有相同的特性,即(W/L)M4
=(W/L)M5
=(W/L)M6
=(W/L)M7
,因此忽略通道調變(channel length modulation)得到具有同一電流值的電流Im1、Im2、Im3、Im4。充放電電路12包含電容C1,當振盪器起振時電流Im3會從節點B對電容C1充電,當節點B的電壓達到NMOS電晶體M8的導通電壓Vgs8,NMOS電晶體M8被導通,節點C的電位隨即由電源電壓Vdd被拉下。延遲電路14連接節點C,當節點C的電位被下拉到反相器INV1的轉態電壓Vtrg1時,轉換反相器INV1的輸出,再經過反相器INV2,節點ATD會產生一方波脈衝由“1”變為“0”,此方波脈衝再經由反相器INV3轉態“0”變為“1”的信號S1,將NMOS電晶體M9打開,再將節點B拉到“0”電位關掉NMOS電晶體M8,則節點C隨即被拉回到高壓Vdd,使反相器INV3由“0”變為“1”的信號S1關掉NMOS電晶體M9,則電容C1重新回到充電狀態。由電晶體M8、M9與延遲電路14形成的迴路依此對電容C1反覆的充放電,週而復始的運作。其中,延遲電路14的反相器INV1、INV2、INV3的轉態電壓只決定信號S1傳至NMOS電晶體M9的延遲時間,以及節點ATD的脈衝方波的寬度,即使反相器INV1、INV2、INV3的轉態電壓隨製程變動對節點B對電容C的充放電時間造成的影響極小,因此並不會影響本發明弛張型振盪器之振盪頻率。另外,為了得到工作週期(duty cycle)為50%的週期方波,會於延遲電路14的節點ATD連接一除頻器20,使節點CKOUT輸出50%的週期方波。於其他實施中,若並無要求輸出50%的週期方波,則不需要於節點ATD連接除頻器20,直接於節點ATD輸出即可。
本發明的弛張型振盪器依然遵守原理為T=RC的線性關係。係根據電荷守恆原理CV=IT,將C代入電容C1的電容值,V代入NMOS電晶體M8的導通電壓Vgs8,而其中的1為電流Im3=Im1=(Vgs3/R1),得到
C1*(Vgs8)=(Vgs3/R1)*T。 公式1
又根據
將電晶體M3及M8設計為相同特性得到VtM3
=VtM8
,又因為電流Im2及Im4相同,得到
Vgs3=Vgs8。 公式4
最後,將公式4代入公式1,便可以得到
T=C1*R1。 公式5
根據公式5可知電容C1的充放電週期(T)和電源電壓Vdd無關,只對電阻R1及電容C1有線性關係,以利於校準因製程變動之電阻及電容,獲得準確的振盪頻率。由於節點ATD連接的除頻器20會對節點ATD的脈衝方波除頻,因此節點CKOUT輸出的50%的週期方波的頻率週期Tclk=2T=2*C1*R1。
圖2是圖1實施例之相關節點波形圖。節點B為鋸齒三角波的電容充放電波形,而節點C為一脈衝波形,節點ATD為一脈衝方波。再經由除頻器20對節點ATD的脈衝方波除頻,於此振盪器的輸出CKOUT產生一工作週期(duty cycle)為50%的週期方波。
圖3是本發明之第二實施例,是根據相同的想法將NMOS電晶體由PMOS電晶體取代,而PMOS電晶體改為NMOS電晶體,亦可得到同樣的效果。
本發明低耗電的弛張型振盪器除了保有頻率對電壓變動之低敏感性,其週期頻率對電阻及電容同樣保有線性關係T=RC,所以當製程變動時只要調整電阻或電容就能達到頻率校準(trimming)的目地。而在低耗電需求中,本發明的弛張型振盪器電路將直流電流路徑省略到只剩4個直流電流路徑Im1、Im2、Im3、Im4,因此在耗電部分得到改善。另外,在低耗電需求中,還需要降低直流電流路徑上的電流源大小,而本發明的電路,根據公式Im1=(Vgs3/R1)可知電源電壓Vdd的大小對電流並無影響,在高壓如5V應用上更能突顯其優點。且以0.5um製程為例,電晶體M3的Vgs3約0.75V,根據公式Im1=(Vgs3/R1),電流Im1達到3uA以下時電阻R1只需250KΩ,與前例說明比較,此電路電阻值約為前例的六分之一,此代表節省了IC中內部電阻所佔用的面積。
以上對於本發明之較佳實施例所作的敘述係為闡明之目的,而無意限定本發明精確地為所揭露的形式,基於以上的教導或從本發明的實施例學習而作修改或變化是可能的,實施例係為解說本發明的原理以及讓熟習該項技術者以各種實施例利用本發明在實際應用上而選擇及敘述,本發明的技術思想企圖由以下的申請專利範圍及其均等來決定。
10...電流源產生電路
12...充放電電路
14...延遲電路
16...電流鏡
18...電流鏡
20...除頻器
圖1係本發明弛張型振盪器之實施例;
圖2係圖1實施例之相關節點波形圖;以及
圖3係本發明的第二實施例。
10...電流源產生電路
12...充放電電路
14...延遲電路
16...電流鏡
18...電流鏡
20...除頻器
Claims (8)
- 一種低耗電的弛張型振盪器,包含:電流源產生電路,包含:第一電晶體,閘極和汲極連接,使閘極與源極之壓降形成一跨壓;以及電阻,根據該跨壓產生偏壓電流;充放電電路,包含:第二電晶體,和該第一電晶體具有相同的特性;第三電晶體,連接於該第二電晶體的閘極和源極之間;以及電容,與該第三電晶體並聯,利用該偏壓電流的鏡射電流充電以導通該第二電晶體,且利用該第三電晶體放電;以及延遲電路,連接於該第二電晶體之汲極與該第三電晶體之閘極之間。
- 如請求項1之振盪器,更包含除頻器,連接該延遲電路。
- 如請求項1之振盪器,其中該電流源產生電路更包含:第一電流鏡,連接該第一電晶體及該電阻;以及第二電流鏡,連接該第一電流鏡及該充放電電路。
- 如請求項3之振盪器,其中該第一電流鏡的電晶體具有相同的特性,使該偏壓電流只與該跨壓有關。
- 如請求項4之振盪器,其中該第二電流鏡的電晶體具有相同的特性,使該振盪器的振盪頻率與該電阻及該電容保持線性關係。
- 如請求項1之振盪器,其中該第一及第二電晶體為NMOS電晶體。
- 如請求項1之振盪器,其中該第一及第二電晶體為PMOS電晶體。
- 如請求項1之振盪器,其中該延遲電路包含反相器。
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