TWI777831B - 具備共享電路架構的電阻電容振蕩器 - Google Patents

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Abstract

本發明提供具備共享電路架構的電阻電容振蕩器，包含電流鏡電路、比較器電路、偏置電壓產生器和時脈緩衝器。該電流鏡電路利用多個電晶體來進行電流控制，以依據第一電流路徑上的第一電流調整第二電流路徑上的第二電流。該比較器電路包含一第一電晶體、一第二電晶體、一電阻器和一電容器，其中該比較器電路所產生的比較結果信號對應於該電容器的電壓。該偏置電壓產生器產生一偏置電壓以作為該第一電晶體和該電阻器之間的比較器參考電壓。該時脈緩衝器緩衝該比較結果信號以產生一輸出信號。該偏置電壓產生器至少和該比較器電路共享該電阻器。

Description

具備共享電路架構的電阻電容振蕩器
本發明涉及時脈控制，尤其涉及一種具備共享電路架構的電阻電容振蕩器(resistor-capacitor oscillator，簡稱「RC振蕩器」)。
急劇增長的微控制器單元(microcontroller unit，可簡稱MCU)消費市場需要具有成本效益的設計和製造。由於RC振蕩器可以提供寬廣範圍的時脈頻率來為系統提供時脈或為外圍裝置(peripheral device)計時，所以RC振蕩器可以被視為必要的類比模組。因此，需要設計成本極低的RC振蕩器，以降低各種電子產品的整體成本。
本發明的一目的在於提供一種具備共享電路架構的RC振蕩器，以解決上述問題。
本發明的另一目的在於提供一種具備共享電路架構的RC振蕩器，以在沒有副作用或較不可能帶來副作用的狀況下達到電子裝置的優化(optimal)效能。
本發明的至少一實施例提供一種具備共享電路架構的RC振蕩器，其中該RC振蕩器可以包含一電流鏡電路、一比較器電路、以及耦接至該比較器電路的一偏置電壓產生器和一時脈緩衝器。該電流鏡電路可以包含耦接至一電源 電壓的多個電晶體，並且該比較器電路可以包含耦接至該電流鏡電路的一第一電晶體和一第二電晶體、耦接至該第一電晶體的一電阻器、以及耦接至該第二電晶體的一電容器。例如，該電流鏡電路可利用該多個電晶體來進行電流控制，以依據一第一電流路徑上的一第一電流調整一第二電流路徑上的一第二電流，以及該比較器電路可用來進行比較操作。尤其，該第一電晶體位於該第一電流路徑上，且該第二電晶體位於該第二電流路徑上，其中該第一電晶體和該第二電晶體的各自的閘極端子彼此耦接。該電阻器位於該第一電流路徑上，且該電容器位於該第二電流路徑上，其中該比較器電路所產生的一比較結果信號對應於該電容器的電壓。另外，該偏置電壓產生器可用來產生一偏置電壓以作為該第一電晶體和該電阻器之間的一比較器參考電壓，以及該時脈緩衝器可用來緩衝該比較結果信號以產生一輸出信號，其中該時脈緩衝器的一輸出端子輸出該輸出信號，且耦接至該比較器電路以提供該輸出信號至該比較器電路，以供選擇性地重設該電容器的該電壓。此外，該偏置電壓產生器至少和該比較器電路共享位於該第一電流路徑上的該電阻器。
相較於傳統架構，本發明的具備共享電路架構的RC振蕩器能在沒有副作用或較不可能帶來副作用的狀況下達到極佳的整體效能。另外，依據本發明的實施例來實施能達到低成本、高效能等目標。
100:電阻電容(RC)振蕩器
110,210,310:電流鏡電路
120,220,320:比較器電路
130,230,330:偏置電壓產生器
140,240:時脈緩衝器
N0,N1,N2,N3,N4,N5,P0,P1,P2,P3,P4:電晶體
RES:電阻器
CAP:電容器
SW:開關
N_OUT:輸出端子
Vp:電源電壓
Vn:接地電壓
VREF:比較器參考電壓
Vr,Vc:電壓
Ir,Ic:電流
DET:比較結果信號
OUT:輸出信號
510,512,514,516:步驟
V:電壓
t:時間
第1圖為依據本發明一實施例的一種具備共享電路架構的RC振蕩器的示意圖。
第2圖為依據本發明一實施例所繪示的於第1圖所示的RC振蕩器的共享電路 架構的示意圖。
第3圖為依據本發明另一實施例所繪示的於第1圖所示的RC振蕩器的共享電路架構的示意圖。
第4圖為依據本發明一實施例所繪示的於第1圖所示的RC振蕩器所控制的電流和相關電壓的示意圖。
第5圖為依據本發明一實施例所繪示的於第1圖所示的RC振蕩器的一工作流程。
第6圖為依據本發明一實施例所繪示的於第1圖所示的RC振蕩器的相關信號的時序圖。
第1圖為依據本發明一實施例的一種具備共享電路架構的RC振蕩器100的示意圖。第1圖所示架構中的大部分元件可採用某些類型的金屬氧化物半導體場效電晶體(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor，可簡稱為「MOSFET」)諸如P型(P-type)與N型(N-type)MOSFET來實施，但本發明不限於此。為了便於理解，RC振蕩器100可依據一第一參考電壓諸如電源電壓Vp和一第二參考電壓諸如接地電壓Vn來操作，舉例來說，接地電壓Vn可以等於0(伏特；Volt)，但本發明不限於此。
如第1圖所示，RC振蕩器100可以包含一電流鏡電路110、一比較器電路120、以及耦接至比較器電路120的一偏置電壓產生器130和一時脈緩衝器140。電流鏡電路110可以包含耦接至一電源電壓Vp的多個電晶體(未顯示於第1圖)，並且比較器電路120可以包含耦接至電流鏡電路110的一第一電晶體和一第二電晶體，諸如電晶體N1和N2，且包含耦接至該第一電晶體諸如電晶體N1的一 電阻器RES(標示為「RES」以求簡明)、耦接至該第二電晶體諸如電晶體N2的一電容器CAP、以及一開關SW。
電流鏡電路110可利用該多個電晶體來進行電流控制，以依據一第一電流路徑(例如，通過電晶體N1和電阻器RES且通過該多個電晶體中的某一電晶體的電流路徑)上的一第一電流調整一第二電流路徑(例如，通過電晶體N2和電容器CAP且通過該多個電晶體中的某一電晶體的電流路徑)上的一第二電流。另外，比較器電路120可用來進行比較操作。尤其，該第一電晶體諸如電晶體N1位於該第一電流路徑上，且該第二電晶體諸如電晶體N2位於該第二電流路徑上，其中該第一電晶體和該第二電晶體的各自的閘極(gate)端子彼此耦接。電阻器RES位於該第一電流路徑上，且電容器CAP位於該第二電流路徑上。基於第1圖所示架構，比較器電路120所產生的一比較結果信號DET可對應於電容器CAP的電壓。電容器CAP的該電壓，諸如電容器CAP的兩個端子之間的電壓，可以等於一節點(其位於該第二電流路徑上的電晶體N2和電容器CAP之間)上的電壓Vc和接地電壓Vn之間的差(Vc-Vn)，尤其，在Vn=0的情況下可以等於電壓Vc。此外，偏置電壓產生器130可產生一偏置電壓以作為該第一電晶體諸如電晶體N1和電阻器RES之間的一比較器參考電壓VREF。時脈緩衝器140可緩衝比較結果信號DET以產生一輸出信號OUT，其中時脈緩衝器140的一輸出端子N_OUT可輸出這個輸出信號OUT，且可耦接至比較器電路120(例如，開關SW的控制端子)以提供輸出信號OUT至比較器電路120，以供選擇性地重設(reset)電容器CAP的電壓(Vc-Vn)，諸如電壓Vc(在Vn=0的情況下)。RC振蕩器100可週期性地為電容器CAP充電及放電，例如，利用電流鏡電路110為電容器CAP充電，且利用比較器電路120判定是否為電容器CAP放電。針對為電容器CAP放電，比較器電路120(例如，開關SW)可依據輸出信號OUT選擇性地導通電容 器CAP的該兩個端子以重設電容器CAP的該電壓。
為了便於理解，電流鏡電路110、比較器電路120以及偏置電壓產生器130可以被繪示成個別的元件以分別清楚地指出其不同功能，但這並不意味著對於本發明的限制。請注意，上述共享電路架構可以包含這些元件中的至少兩個元件所共享的一或多個子電路，而具備上述共享電路架構的RC振蕩器100可以被實施為成本極低的RC振蕩器，且因此採用RC振蕩器100的任何電子產品的整體成本可被對應地降低。
舉例來說，偏置電壓產生器130可以至少和比較器電路120共享位於該第一電流路徑上的電阻器RES，而該一或多個子電路可以包含電阻器RES，但本發明不限於此。偏置電壓產生器130可以還和比較器電路120共享位於該第一電流路徑上的該第一電晶體，諸如電晶體N1，而該一或多個子電路可以包含電阻器RES和該第一電晶體諸如電晶體N1。依據某些實施例，偏置電壓產生器130可以還和電流鏡電路110共享位於該第一電流路徑上的一對應的電晶體，而該一或多個子電路可以包含電阻器RES、該第一電晶體諸如電晶體N1、以及該對應的電晶體，其中該對應的電晶體是該多個電晶體的其中之一。
另外，包含週期性出現的多個窄脈衝的一脈衝波可被繪示於從時脈緩衝器140的輸出端子N_OUT開始的輸出路徑上以指出輸出信號OUT可以是脈衝波，尤其，可用來產生一時脈信號，但本發明不限於此。依據某些實施例，輸出端子N_OUT可耦接至下一級電路諸如一除頻器，以供調整輸出信號OUT的占空比等於或大約等於50%。
第2圖為依據本發明一實施例所繪示的於第1圖所示的RC振蕩器100的共享電路架構的示意圖。第2圖所示的電流鏡電路210、比較器電路220、偏置電壓產生器230以及時脈緩衝器240可以分別作為第1圖所示的電流鏡電路110、 比較器電路120、偏置電壓產生器130以及時脈緩衝器140的例子。
電流鏡電路210可以包含位於該第一電流路徑上的一第一對應的電晶體，諸如電晶體P1，其中該第一對應的電晶體的一第一端子，諸如電晶體P1的汲極(drain)端子，耦接至該第一電晶體諸如電晶體N1，且耦接至該第一對應的電晶體的閘極端子，諸如電晶體P1的閘極端子。電流鏡電路210可以還包含位於該第二電流路徑上的一第二對應的電晶體，諸如電晶體P2，其中該第一對應的電晶體和該第二對應的電晶體(諸如電晶體P1和P2)的各自的閘極端子彼此耦接。電流鏡電路210可以還包含一電晶體P0，且電晶體P0和P1的各自的閘極端子彼此耦接。另外，比較器電路220可以包含該第一電晶體和該第二電晶體，諸如電晶體N1和N2，以及電阻器RES和電容器CAP，且還包含一電晶體N5，其可作為第1圖所示的開關SW的例子。電晶體N5的閘極端子耦接至輸出端子OUT，以及電晶體N5的兩個其它端子分別耦接至電容器CAP的該兩個端子。
如第2圖所示，偏置電壓產生器230可以和比較器電路220共享一部分子電路，尤其，可以包含比較器電路220的電晶體N1和電阻器RES，其中電晶體N1和電阻器RES位於該第一電流路徑上。偏置電壓產生器230可以還包含位於一第三電流路徑上的另一電晶體，諸如電晶體N0。另外，偏置電壓產生器230可以和電流鏡電路210共享一部分子電路，尤其，可以包含位於該第一電流路徑上的該第一對應的電晶體，諸如電晶體P1，以及位於該第三電流路徑上的另一對應的電晶體，諸如電晶體P0，其中該第一對應的電晶體和該另一對應的電晶體(諸如電晶體P1和P0)的各自的閘極端子彼此耦接。此外，該另一電晶體的一第一端子，諸如電晶體N0的汲極端子，耦接至該另一對應的電晶體諸如電晶體P0，且耦接至該另一電晶體的閘極端子，諸如電晶體N0的閘極端子，而且該第一電晶體和該另一電晶體(諸如電晶體N1和N0)的各自的閘極端子彼此耦接。為了 簡明起見，本實施例與前述實施例相仿的內容在此不重複贅述。
第3圖為依據本發明另一實施例所繪示的於第1圖所示的RC振蕩器100的共享電路架構的示意圖。第3圖所示的電流鏡電路310、比較器電路320以及偏置電壓產生器330可以分別作為第1圖所示的電流鏡電路110、比較器電路120以及偏置電壓產生器130的例子，其中第3圖所示架構中的時脈緩衝器240可以和第2圖所示架構中的時脈緩衝器240相同。
電流鏡電路310可以包含位於該第一電流路徑上的該第一對應的電晶體，諸如電晶體P1，其中該第一對應的電晶體的該第一端子，諸如電晶體P1的汲極端子，耦接至該第一電晶體諸如電晶體N1，且耦接至該第一對應的電晶體的閘極端子，諸如電晶體P1的閘極端子。電流鏡電路310可以還包含位於該第二電流路徑上的該第二對應的電晶體，諸如電晶體P2，其中該第一對應的電晶體和該第二對應的電晶體(諸如電晶體P1和P2)的各自的閘極端子彼此耦接。另外，比較器電路320可以包含該第一電晶體和該第二電晶體，諸如電晶體N1和N2，以及電阻器RES和電容器CAP，且還包含該電晶體N5，其中電晶體N5的閘極端子耦接至輸出端子OUT，以及電晶體N5的兩個其它端子分別耦接至電容器CAP的該兩個端子。相較於第2圖所示的比較器電路220，第3圖所示的比較器電路320可包含至少一額外的連接朝向比較器電路320的外部。
如第3圖所示，偏置電壓產生器330可以和比較器電路320共享一部分子電路，尤其，可以包含比較器電路320的電晶體N1和電阻器RES，其中電晶體N1和電阻器RES位於該第一電流路徑上。另外，偏置電壓產生器330可以還包含一操作放大器332。操作放大器332的一第一輸入端子和一第二輸入端子，諸如其正輸入端子和負輸入端子(分別標示為「+」和「-」以求簡明)，分別耦接至一帶隙電壓產生器(未顯示)以及該第一電晶體諸如電晶體N1和電阻器RES之 間的節點，並且該第一電晶體和該第二電晶體(諸如電晶體N1和N2)的各自的閘極端子耦接至操作放大器332的一輸出端子。此外，偏置電壓產生器330可以利用操作放大器332接收該帶隙電壓產生器所產生的帶隙電壓，以供產生對應於該帶隙電壓的比較器參考電壓VREF。因此，輸入至操作放大器332的該第一輸入端子(諸如正輸入端子「+」)的該帶隙電壓也可以標示為「VREF」以指出該帶隙電壓和比較器參考電壓VREF可以彼此相等。為了簡明起見，本實施例與前述實施例相仿的內容在此不重複贅述。
依據某些實施例，偏置電壓產生器330可以還包含該帶隙電壓產生器。為了簡明起見，這些實施例與前述實施例相仿的內容在此不重複贅述。
第4圖為依據本發明一實施例所繪示的於第1圖所示的RC振蕩器100所控制的電流和相關電壓的示意圖。第4圖所示的電流Ir和Ic可以分別作為該第一電流和該第二電流的例子。電阻器RES的電壓Vr，諸如電阻器RES的兩個端子之間的電壓，可以等於比較器參考電壓VREF和接地電壓Vn之間的差(VREF-Vn)，尤其，在Vn=0的情況下可以等於比較器參考電壓VREF。為了簡明起見，本實施例與前述實施例相仿的內容在此不重複贅述。
第5圖為依據本發明一實施例所繪示的於第1圖所示的RC振蕩器100的一工作流程。
於步驟510中，RC振蕩器100可以利用開關SW諸如電晶體N5來重設電容器CAP的電壓Vc以控制輸出信號OUT切換(toggle)到低電壓位準，例如，當從步驟516進入步驟510時，但本發明不限於此。當第一次進入步驟510時，電容器CAP可以還沒有被充電，且因此電壓Vc可以等於0。在這個情況下，RC振蕩器100可以利用時脈緩衝器140諸如時脈緩衝器240來控制輸出信號OUT默認地為低電壓位準。
於步驟512中，RC振蕩器100可以利用電流鏡電路110，諸如電流鏡電路210、電流鏡電路310等，為電容器CAP充電。
於步驟514中，RC振蕩器100可以利用比較器電路120，諸如比較器電路220、比較器電路320等，檢查是否Vc>Vr。如果是，進入步驟516；如果否，進入步驟512。
於步驟516中，RC振蕩器100可以利用時脈緩衝器140諸如時脈緩衝器240來控制輸出信號OUT切換到高電壓位準。
為了更好地理解，RC振蕩器100的操作方法可用第5圖所示的工作流程來說明，但本發明不限於此。依據某些實施例，一個或多個步驟可於第5圖所示的工作流程中增加、刪除或修改。
第6圖為依據本發明一實施例所繪示的於第1圖所示的RC振蕩器100的相關信號的時序圖，其中橫軸和縱軸可分別代表時間和電壓(分別標示為「t」和「V」以求簡明)。如第6圖的上半部所示，RC振蕩器100可以利用電流鏡電路110為電容器CAP充電，以使電壓Vc從0伏特開始增加。如第6圖的下半部所示，當Vc>Vr時，RC振蕩器100可以利用時脈緩衝器140來控制輸出信號OUT切換到高電壓位準。接著，RC振蕩器100可以利用開關SW來重設電容器CAP的電壓Vc以成為0伏特，如第6圖的上半部所示，且利用時脈緩衝器140來對應地控制輸出信號OUT切換到低電壓位準，如第6圖的下半部所示。為了簡明起見，本實施例與前述實施例相仿的內容在此不重複贅述。
為了便於理解，在第6圖中，電壓Vc在多個週期中的任一週期中的增加可以被繪示成一線段(line segment)以指出電流鏡電路110為電容器CAP充電的速度可以非常快，但本發明不限於此。依據某些實施例，相關信號(例如電壓Vc和輸出信號OUT)的曲線可以予以變化。
在上列實施例中，偏置電壓產生器130(例如，偏置電壓產生器230以及偏置電壓產生器330)至少和比較器電路120(例如，比較器電路220以及比較器電路320)共享位於該第一電流路徑上的電阻器RES。由於電阻器RES可以占有一晶片上的顯著的晶片面積，所以具備上述共享電路架構的RC振蕩器100可以節省該晶片的晶片面積，而不需要浪費額外的晶片面積來設置任何額外的電阻器。相較於傳統架構，本發明的具備上述共享電路架構的RC振蕩器100能在沒有副作用或較不可能帶來副作用的狀況下達到極佳的整體效能，尤其，達到低成本、高效能等目標。
以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。
100:電阻電容(RC)振蕩器
110:電流鏡電路
120:比較器電路
130:偏置電壓產生器
140:時脈緩衝器
N1,N2:電晶體
RES:電阻器
CAP:電容器
SW:開關
N_OUT:輸出端子
Vn:接地電壓
VREF:比較器參考電壓
Vc:電壓
DET:比較結果信號
OUT:輸出信號

Claims (9)

  1. 一種具備共享電路架構的電阻電容振蕩器，包含：一電流鏡電路，包含：多個電晶體，耦接至一電源電壓，該電流鏡電路利用該多個電晶體來進行電流控制，以依據一第一電流路徑上的一第一電流調整一第二電流路徑上的一第二電流；一比較器電路，用來進行比較操作，該比較器電路包含：一第一電晶體，耦接至該電流鏡電路、且位於該第一電流路徑上；一第二電晶體，耦接至該電流鏡電路、且位於該第二電流路徑上，其中該第一電晶體和該第二電晶體的各自的閘極端子彼此耦接；一電阻器，耦接至該第一電晶體、且位於該第一電流路徑上；以及一電容器，耦接至該第二電晶體、且位於該第二電流路徑上，其中該比較器電路所產生的一比較結果信號對應於該電容器的電壓；一偏置電壓產生器，耦接至該比較器電路，用來產生一偏置電壓以作為該第一電晶體和該電阻器之間的一比較器參考電壓；以及一時脈緩衝器，耦接至該比較器電路，用來緩衝該比較結果信號以產生一輸出信號，其中該時脈緩衝器的一輸出端子輸出該輸出信號，且耦接至該比較器電路以提供該輸出信號至該比較器電路，以供選擇性地重設該電容器的該電壓；其中該比較器電路將該電容器的該電壓和該比較器參考電壓進行比較以 產生該比較結果信號，以藉由該時脈緩衝器緩衝該比較結果信號而產生的該輸出信號來選擇性地重設該電容器的該電壓，其中該電流鏡電路為該電容器充電以改變該電容器的該電壓，以及當該電容器的該電壓達到該比較器參考電壓時，該輸出信號從一第一電壓位準切換到一第二電壓位準以重設該電容器的該電壓、且在該電容器的該電壓被重設後從該第二電壓位準切換到該第一電壓位準；以及該偏置電壓產生器和該比較器電路共享位於該第一電流路徑上的該電阻器及該第一電晶體。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的電阻電容振蕩器，其中，該偏置電壓產生器還和該電流鏡電路共享位於該第一電流路徑上的一對應的電晶體，其中該對應的電晶體是該多個電晶體的其中之一。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的電阻電容振蕩器，其中，該比較器電路依據該輸出信號選擇性地導通該電容器的兩個端子。
  4. 如申請專利範圍第3項所述的電阻電容振蕩器，其中，該比較器電路還包含：一第三電晶體，其中該第三電晶體的閘極端子耦接至該輸出端子，以及該第三電晶體的兩個其它端子分別耦接至該電容器的該兩個端子。
  5. 如申請專利範圍第1項所述的電阻電容振蕩器，其中，該偏置電 壓產生器包含：該比較器電路的該第一電晶體和該電阻器，位於該第一電流路徑上；另一電晶體，位於一第三電流路徑上，其中該第一電晶體和該另一電晶體的各自的閘極端子彼此耦接；該電流鏡電路的該多個電晶體中的一第一對應的電晶體，位於該第一電流路徑上；以及該電流鏡電路的該多個電晶體中的另一對應的電晶體，位於該第三電流路徑上，其中該第一對應的電晶體和該另一對應的電晶體的各自的閘極端子彼此耦接。
  6. 如申請專利範圍第5項所述的電阻電容振蕩器，其中，該另一電晶體的另一端子耦接至該另一對應的電晶體，且耦接至該另一電晶體的閘極端子。
  7. 如申請專利範圍第1項所述的電阻電容振蕩器，其中，該偏置電壓產生器包含：該比較器電路的該第一電晶體和該電阻器，位於該第一電流路徑上；以及一操作放大器，其中該操作放大器的一第一輸入端子和一第二輸入端子分別耦接至一帶隙電壓產生器以及該第一電晶體和該電阻器之間的節點，以及該第一電晶體和該第二電晶體的各自的閘極端子耦接至該操作放大器的一輸出端子。
  8. 如申請專利範圍第7項所述的電阻電容振蕩器，其中，該偏置電壓產生器利用該操作放大器接收該帶隙電壓產生器所產生的帶隙電壓，以供產生對應於該帶隙電壓的該比較器參考電壓。
  9. 如申請專利範圍第1項所述的電阻電容振蕩器，其中，該電流鏡電路的該多個電晶體包含：一第一對應的電晶體，位於該第一電流路徑上，其中該第一對應的電晶體的一第一端子耦接至該第一電晶體，且耦接至該第一對應的電晶體的閘極端子；以及一第二對應的電晶體，位於該第二電流路徑上，其中該第一對應的電晶體和該第二對應的電晶體的各自的閘極端子彼此耦接。
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