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1、(10)申请公布号 CN 104124921 A (43)申请公布日 2014.10.29 C N 1 0 4 1 2 4 9 2 1 A (21)申请号 201410311763.8 (22)申请日 2014.07.02 H03B 5/32(2006.01) (71)申请人浙江大学 地址 310027 浙江省杭州市西湖区浙大路 38号 (72)发明人钱雨霁 韩雁 孙俊 (74)专利代理机构杭州求是专利事务所有限公 司 33200 代理人林松海 (54) 发明名称 基于电流模比较器的低压低功耗CMOS张弛 振荡器及方法 (57) 摘要 本发明公开了一种基于电流模比较器的低压 低功耗CMOS张弛。
2、振荡器及方法。该振荡器包括电 流基准源、电流模比较器、电流源负载RS触发器。 与现有技术基于电流模比较器的张弛振荡器相 比，本发明提出的张弛振荡器采用电流源负载RS 触发器降低了RS触发器的翻转电平随电源电压 变化的敏感性，同时双电容结构给输出方波信号 占空比的设计提供了更大的灵活性。其优点在于： 电路结构简单，输出振荡方波信号可以被设计成 任意的占空比，同时克服了传统张弛振荡器无法 在低电源电压下工作、功耗较大、输出频率随电源 电压和温度变化敏感等缺点，特别适合于植入医 疗器件、无线传感网络节点等要求低电源电压、低 功耗的应用领域。 (51)Int.Cl. 权利要求书1页 说明书4页 附图2。
3、页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书1页 说明书4页 附图2页 (10)申请公布号 CN 104124921 A CN 104124921 A 1/1页 2 1.一种基于电流模比较器的低压低功耗CMOS张弛振荡器，其特征在于，包括： 电流基准源，用于产生偏置参考电流； 启动电路，产生启动信号，用于上电后启动所述的电流基准源； 电流模比较器，具有电容C 1 和C 2 ，用于电容充放电和充电电压上限的设置； 电流源负载RS触发器，反复复位与置位，所述电容C 1 和C 2 根据RS触发器的状态交替 充电和放电，实现一定频率振荡方波信号的输出。 2.如权利要求1所。
4、述的基于电流模比较器的低压低功耗CMOS张弛振荡器，其特征在 于，所述的电流基准源为输出电流随温度成正比的CMOS亚阈值基准源。 3.如权利要求1所述的基于电流模比较器的低压低功耗CMOS张弛振荡器，其特征在 于，所述的电流模比较器包括第一比较器、第二比较器、电阻R C 、所述电容C 1 和C 2 ，以及用于 对所述电容放电的NMOS管M 19 和M 20 ； 所述的第一比较器由PMOS管M 7 、M 8 ，NMOS管M 9 、M 10 构成； 所述的第二比较器由PMOS管M 11 、所述PMOS管M 7 ，NMOS管M 12 、所述的NMOS管M 9 构成； 第一比较器和第二比较器的反相输入。
5、端共享，且为M 9 的源端，M 9 栅漏短接，并连接到 PMOS管M 7 的漏端，第一比较器和第二比较器的正相输入端分别是M 10 和M 12 的源端，M 10 和 M 12 的栅端均连接到M 9 的栅端，M 10 和M 12 的漏端分别连接到M 8 和M 11 的漏端，M 7 、M 8 和M 11 的 栅端短接在一起，并连接到所述电流基准源的偏置，电容C 1 和C 2 分别接第一比较器和第二 比较器的正相输入端，电阻R C 的一端接两个比较器共享的反相输入端，电容C 1 、C 2 和电阻R C 的另一端接地，用于电容C 1 和C 2 放电的NMOS管M 19 和M 20 的漏端分别连接到第一。
6、比较器和 第二比较器的输入端，M 19 和M 20 的源端均接地，栅端受所述RS触发器控制。 4.如权利要求1所述的基于电流模比较器的低压低功耗CMOS张弛振荡器，其特征在 于，所述的电流源负载RS触发器为交叉耦合的或非门以及两个电流源负载反相器构成；所 述或非门为NMOS下拉网络和电流源负载构成有比逻辑门。 5.如权利要求3所述的基于电流模比较器的低压低功耗CMOS张弛振荡器，其特征在 于，所述电阻R C 由正温度系数电阻R P 和负温度系数电阻R N 串联构成。 6.一种基于电流模比较器的低压低功耗CMOS张弛振荡器的振荡产生方法，其特征在 于， 1)基准电流I REF 对电容C 1 不断。
7、充电，直到C 1 两端电压V C1 超过基准电压V REF ； 2)当V C1 超过V REF ，第一电流模比较器输出端电压V 1 升高，对RS触发器置位，RS触发器 状态发生转变，此时I REF 开始对电容C 2 充电，电容C 1 通过MOS开关迅速放电到地； 3)电容C 2 不断充电直到C 2 两端电压V C2 超过V REF ，第二电流模比较器输出电压电压V 2 升高，使得RS触发器状态再次发生转变，I REF 开始对C 1 充电，C 2 通过MOS开关迅速放电到 地，一个完整振荡周期完成。 7.根据权利要求6所述的振荡产生方法，其特征在于，步骤3)所述的振荡周期表示为 其中C 1 和C。
8、 2 为充放电电容，V REF 为电容充电上限电压，I REF 为电容充 电电流，为电流模比较器和RS触发器的延时。 权 利 要 求 书CN 104124921 A 1/4页 3 基于电流模比较器的低压低功耗 CMOS 张弛振荡器及方法 技术领域 0001 本发明涉及集成电路领域，尤其涉及一种具有低压低功耗的全片上集成CMOS张 弛振荡器及振荡产生方法。 背景技术 0002 时钟源是诸多电子系统的重要模块，应用范围从DC/DC变换器、信号处理到通信 系统载波调制。可以说，时钟源的好坏直接影响到电子系统的整体性能，所以对时钟源的要 求也越来越高。 0003 目前，电子系统普遍采用晶体振荡器作为时。
9、钟源，这得益于晶体振荡器的高精度 与高稳定度。然而由于晶体振荡器采用了石英晶体，这使得它与标准的CMOS集成电路不兼 容，成本较高，此外，晶体振荡器体积较大，这也限制了电子系统的进一步小型化。随着植入 医疗器件、无线传感网络等新兴应用领域的发展，振荡器的全片上集成也成为了集成电路 工业界和学术界的研究热点。 0004 主要有三种片上集成振荡器，即LC振荡器、环形振荡器、张弛振荡器。片上集成LC 振荡器可以实现较高的精度，然而它们实现的振荡器频率较高，因而功耗较大；工作在亚阈 值区的环形振荡器可以实现较低的功耗，但是输出频率随电源电压变化较大，且输出频率 精度无法很好地控制。相比而言，张弛振荡器。
10、功耗更低，输出频率精度也比较容易控制，因 而在低频低功耗片上振荡器领域得到了更为广泛的关注。 0005 文献Y.H.Chiang and S.I.Liu,“A Submicrowatt1.1-MHz CMOS Relaxation Oscillator With Temperature Compensation,“Circuits and Systems II:Express Briefs,IEEE Transactions on,vol.60,pp.837-841,2013.实现了一种基于电流模比较器 的张弛振荡器，由于电流模比较器实现了传统张弛振荡器电压比较器和电容充电支路的复 用，因而可。
11、以有效降低功耗。图1为该张弛振荡器原理框图，该设计采用了工作于亚阈值区 晶体管、电流模比较器、尾电流控制的反相器结构来降低振荡器的功耗。 0006 但是上述基于电流模比较器的张弛振荡器在有效降低功耗的同时，至少存在输出 频率受电源电压变化影响较大、输出振荡方波信号占空比不可调等缺陷。 发明内容 0007 针对现有基于电流模比较器的张弛振荡器存在的输出频率随电源电压变化较敏 感、输出振荡信号占空比不可调等缺陷，本发明提供了一种基于电流模比较器的低压低功 耗CMOS张弛振荡器。为了实现本发明的发明目的，采用以下的技术方案来实现： 0008 一种基于电流模比较器的低压低功耗CMOS张弛振荡器，包括：。
12、 0009 电流基准源，用于产生偏置参考电流； 0010 启动电路，产生启动信号，用于上电后启动所述的电流基准源； 0011 电流模比较器，具有电容C 1 和C 2 ，用于电容充放电和充电电压上限的设置； 0012 电流源负载RS触发器，反复复位与置位，所述电容C 1 和C 2 根据RS触发器的状态 说 明 书CN 104124921 A 2/4页 4 交替充电和放电，实现一定频率振荡方波信号的输出。 0013 所述的电流基准源为输出电流随温度成正比的CMOS亚阈值基准源。 0014 所述的电流模比较器包括第一比较器、第二比较器、电阻R C 、所述电容C 1 和C 2 ，以 及用于对所述电容放。
13、电的NMOS管M 19 和M 20 ； 0015 所述的第一比较器由PMOS管M 7 、M 8 ，NMOS管M 9 、M 10 构成； 0016 所述的第二比较器由PMOS管M 11 、所述PMOS管M 7 ，NMOS管M 12 、所述的NMOS管M 9 构 成； 0017 第一比较器和第二比较器的反相输入端共享，且为M 9 的源端。M 9 栅漏短接，并连 接到PMOS管M 7 的漏端，第一比较器和第二比较器的正相输入端分别是M 10 和M 12 的源端，M 10 和M 12 的栅端均连接到M 9 的栅端。M 10 和M 12 的漏端分别连接到M 8 和M 11 的漏端，M 7 、M 8 和M。
14、 11 的栅端短接在一起，并连接到所述电流基准源的偏置。电容C 1 和C 2 分别接第一比较器和第 二比较器的正相输入端，电阻R C 的一端接两个比较器共享的反相输入端，电容C 1 、C 2 和电阻 R C 的另一端接地。用于电容C 1 和C 2 放电的NMOS管M 19 和M 20 的漏端分别连接到第一比较 器和第二比较器的输入端，M 19 和M 20 的源端均接地，栅端受所述RS触发器控制。 0018 所述的电流源负载RS触发器为交叉耦合的或非门以及两个电流源负载反相器构 成；所述或非门为NMOS下拉网络和电流源负载构成有比逻辑门。 0019 所述电阻R C 由正温度系数电阻R P 和负温。
15、度系数电阻R N 串联构成。 0020 一种基于电流模比较器的低压低功耗CMOS张弛振荡器的振荡产生方法， 0021 1)基准电流I REF 对电容C 1 不断充电，直到C 1 两端电压V C1 超过基准电压V REF ； 0022 2)当V C1 超过V REF ，第一电流模比较器输出端电压V 1 升高，对RS触发器置位，RS触 发器状态发生转变，此时I REF 开始对电容C 2 充电，电容C 1 通过MOS开关迅速放电到地； 0023 3)电容C 2 不断充电直到C 2 两端电压V C2 超过V REF ，第二电流模比较器输出电压电 压V 2 升高，使得RS触发器状态再次发生转变，I RE。
16、F 开始对C 1 充电，C 2 通过MOS开关迅速放 电到地，一个完整振荡周期完成。 0024 步骤3)所述的振荡周期表示为其中C 1 和C 2 为充放电电容， V REF 为电容充电上限电压，I REF 为电容充电电流，为电流模比较器和RS触发器的延时。 0025 本发明的有益技术效果在于，通过采用工作于亚阈值区的晶体管、电流模比较器、 电流源负载的RS触发器，保证了张弛振荡器在低电源电压下正常工作的同时，降低了张弛 振荡器的功耗。本发明中，两个电流模比较器实现了对称的电路结构，通过电容C 1 和C 2 交 替充放电来产生振荡信号。相比现有基于电流模比较器的张弛振荡器，通过调整电容C 1 和。
17、 C 2 比例，理论上可以实现任意占空比的输出信号。电流源负载RS触发器的应用，保证了电 容充电的上限值不随电源电压变化，因而降低了振荡器随电源电压变化的敏感性。 附图说明 0026 图1为现有技术张弛振荡器的电路原理图。 0027 图2是本发明基于电流模比较器的低压低功耗CMOS张弛振荡器原理框图； 0028 图3为本发明中相关节点波形图； 0029 图4为本发明中基于电流模比较器的低压低功耗CMOS张弛振荡器的具体电路原 说 明 书CN 104124921 A 3/4页 5 理图。 具体实施方式 0030 一种基于电流模比较器的低压低功耗CMOS张弛振荡器，包括： 0031 电流基准源，用。
18、于产生偏置参考电流； 0032 启动电路，产生启动信号，用于上电后启动所述的电流基准源； 0033 电流模比较器，具有电容C 1 和C 2 ，用于电容充放电和充电电压上限的设置； 0034 电流源负载RS触发器，反复复位与置位，所述电容C 1 和C 2 根据RS触发器的状态 交替充电和放电，实现一定频率振荡方波信号的输出。 0035 本发明中，电流模比较器在实现了电容充电的同时实现了电压比较的功能，用一 个电流模比较器实现了传统张弛振荡器中的电容充电电路和电压比较器，降低了整个振荡 器电路的复杂度，简化了电流支路，从而降低了整个振荡器的功耗。同时，双电流模比较器 以及双电容实现了对称的电路结构。
19、，通过两个电容C 1 和C 2 交替充放电来产生振荡信号，通 过调整电容C 1 和C 2 容值比例，理论上可以实现任意占空比的输出信号。 0036 为便于理解本发明的基于电流模比较器的张弛振荡器，图2给出了本发明的张弛 振荡器原理框图。参考电流I REF 流过电阻R C ，在其两端产生参考电压V REF ，同时偏置电流I REF 对电容C 1 (C 2 )充电，当电压V C1 (V C2 )超过V REF 时，NMOS晶体管M 10 (M 12 )关闭，M 10 (M 12 )漏端电 压升高。电容C 1 和C 2 根据RS触发器的状态交替充电和放电。为理解该电路的工作原理， 假设电容初始电压为。
20、均为0，RS触发器的Q端为低电平，Qn为高电平。工作过程简述如下： 0037 1)I REF 对C 1 不断充电，直到C 1 两端电压V C1 超过V REF ； 0038 2)当V C1 超过V REF ，V 1 电压升高，对RS触发器置位，RS触发器状态发生转变，Qn为 低电平，Q端为高电平，此时I REF 开始对C 2 充电，C 1 通过M 19 迅速放电到地； 0039 3)C 2 不断充电直到C 2 两端电压V C2 超过V REF ，此时RS触发器状态再次发生转变，一 个完整振荡周期完成。 0040 该过程的简化波形图如图3所示，考虑到电流模比较器和RS触发器的延时，本发 明的张弛。
21、振荡器的振荡周期可以表达为： 0041 0042 其中，为比较器和RS触发器的延时，当需要获得典型的50占空比输出方波振 荡信号时，C 1 和C 2 可以被设计成C 1 C 2 C。 0043 本发明的具体电路原理图如图4所示。下面对其各模块工作原理分别进行阐述： 0044 a.电流基准源： 0045 电流基准源采用工作于亚阈值区的晶体管和电阻实现了随温度变化成正比 (PTAT)的电流源。工作于亚阈值区的NMOS漏端电流满足式(2)。 0046 0047 其中为迁移率，C OX 为栅氧电容，V T 为热电压，V GS 为NMOS管栅源 电压，V TH 为NMOS管阈值电压，为亚阈值斜率因子。 。
22、说 明 书CN 104124921 A 4/4页 6 0048 NMOS晶体管M 5 和M 6 均工作于亚阈值区，电阻R上的电压降为： 0049 V R V GS5 -V GS6 (3) 0050 M 3 和M 4 宽长比相等，因而M5和M6的漏端电流相等，结合式(1)可推导出正温度 系数电流源I PTAT 为： 0051 0052 从该式可以看出，输出电流与电源电压无关。 0053 b.电流模比较器 0054 如图4所示，本发明集成了两个电流模比较器，M 7 、M 8 、M 9 、M 10 构成第一比较器，M 7 、 M 11 、M 9 、M 12 构成第二比较器，两比较器的正相输入端分别接。
23、电容C 1 和C 2 的一端，共享反相输 入端。反相输入端接在由正温度系数电阻R P 和负温度系数电阻R N 串联构成的电阻R C 的一 端。 0055 优选地，所述NMOS管M 9 、M 10 、M 12 工作于亚阈值区，使得振荡器能够在低电压低电流 下工作，进一步降低功耗。 0056 c.电流源负载RS触发器 0057 如图4所示，RS触发器为带有尾电流控制的电流源负载RS触发器。由于电流源 负载镜像于与电源电压无关的电流基准源，因而RS触发器输入翻转电平也与电源电压无 关。进一步，电容充电的上限电压也不随电源电压变化，从而保证了输出信号频率随电源电 压变化的不敏感性。 0058 该张弛振荡器具有能够在低电源电压下工作，功耗较低，输出频率随电源电压变 化不敏感，输出振荡方波信号占空比可调等优点。 0059 以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何 熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应 涵盖在本发明的保护范围之内。 说 明 书CN 104124921 A 1/2页 7 图1 图2 说 明 书 附 图CN 104124921 A 2/2页 8 图3 图4 说 明 书 附 图CN 104124921 A 。