一种低功耗宽电压范围振荡器
阅读说明：本技术 一种低功耗宽电压范围振荡器 (Low-power-consumption wide-voltage-range oscillator ) 是由 王梓淇 雷晓 黄少卿 肖培磊 王映杰 于 2021-09-30 设计创作，主要内容包括：本发明公开一种低功耗宽电压范围振荡器,属于模拟电路领域,包括积分电路、缓冲电路和锁存电路。所述积分电路对电流进行积分,使内部的电容进行充放电,产生交替上升或下降的斜坡电压；所述缓冲电路对积分电路产生的斜坡电压进行整形；所述锁存电路将状态锁存,输出时钟频率CLK和CLKN,所述锁存电路将时钟频率CLKN输入至所述积分电路,并重置所述积分电路中的积分电容。本发明的低功耗宽电压范围振荡器结构极简,所占芯片面积小,静态电流低以实现低功耗,当本结构的偏置稳定工作后,即产生时钟频率,工作电压范围广。(The invention discloses a low-power consumption wide-voltage-range oscillator, which belongs to the field of analog circuits and comprises an integrating circuit, a buffer circuit and a latch circuit. The integrating circuit integrates the current to charge and discharge an internal capacitor to generate alternately rising or falling ramp voltage; the buffer circuit shapes the ramp voltage generated by the integrating circuit; the latch circuit latches the state, outputs clock frequencies CLK and CLKN, inputs the clock frequency CLKN to the integration circuit, and resets an integration capacitor in the integration circuit. The oscillator with low power consumption and wide voltage range has the advantages of simple structure, small occupied chip area and low quiescent current to realize low power consumption, and when the bias of the oscillator works stably, the clock frequency is generated, and the working voltage range is wide.)
技术领域
本发明涉及模拟电路技术领域，特别涉及一种低功耗宽电压范围振荡器。
背景技术
通常来说，张弛振荡器通常是经过电路电流充放电积分产生时钟频率CLK。当前的延迟监控电路、计时电路以及转换电路都需要一个集成在芯片内部的振荡器，用以产生时钟频率CLK进行计时。对于低面积、低功耗低成本的电路中，如加入复杂的振荡器，功耗将极大增加；如加入高精度带修调逻辑的振荡器，面积成本将无法得到控制。
发明内容
本发明的目的在于提供一种低功耗宽电压范围振荡器，以解决背景技术中的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种低功耗宽电压范围振荡器，包括：
积分电路，对电流进行积分，使内部的电容进行充放电，产生交替上升或下降的斜坡电压；
缓冲电路，对积分电路产生的斜坡电压进行整形；
锁存电路，将状态锁存，输出时钟频率CLK和CLKN，所述锁存电路将时钟频率CLKN输入至所述积分电路，并重置所述积分电路中的积分电容。
可选的，所述积分电路包括PMOS管PM11～PM14、NMOS管NM11～NM13、积分电容C11、C12以及偏置电流源IREF；
PMOS管PM11、PMOS管PM12、PMOS管PM14为电流镜像管，PMOS管PM13和NMOS管NM13为开关管；PMOS管PM11、PM12、PM13、PM14的源极均接电源电压VCC，NMOS管NM11、NM12、NM13的源极均接地电位GND，积分电容C11的上极板接电源电压VCC，积分电容C12的下极板接地电位GND；
所述偏置电流源IREF的输入端连接PMOS管PM11的漏极，PMOS管PM11的栅极和漏极均连接PMOS管PM12的栅极和PM14的栅极；PM12的漏极连接NM11的漏极和栅极，NMOS管NM11的栅极连接NM12的栅极，NMOS管NM12的漏极连接开关管PM13的漏极和积分电容C12的上极板，PM13的栅极连接开关管NM13的栅极，NM13的漏极连接PM14的漏极和积分电容C11的下极板；开关管PM13和开关管NM13的栅极同时连接时钟频率CLKN。
可选的，所述缓冲电路包括第一缓冲逻辑和第二缓冲逻辑，第一缓冲逻辑的输入端连接PMOS管PM14的漏极和积分电容C11的下极板；第二缓冲逻辑的输入端连接NMOS管NM12漏极和积分电容C12的上极板。
可选的，所述积分电路包括PMOS管PM21～PM24、NMOS管NM21～NM23、积分电容CPM、CNM以及偏置电流源IREF；
PMOS管PM21、PMOS管PM22、PMOS管PM24为电流镜像管，PMOS管PM23和NMOS管NM23为开关管；PMOS管PM21、PM22、PM23、PM24的源极均接电源电压VCC，NMOS管NM21、NM22、NM23的源极均接地电位GND，积分电容CPM的源极和漏极接电源电压VCC，积分电容CNM的源极和漏极接地电位GND；
所述偏置电流源IREF的输入端连接PMOS管PM21的漏极，PMOS管PM21的栅极和漏极均连接PMOS管PM22的栅极和PM24的栅极；PM22的漏极连接NM21的漏极和栅极，NMOS管NM21的栅极连接NM22的栅极，NMOS管NM22的漏极连接开关管PM23的漏极和积分电容CNM的栅极，PM23的栅极连接开关管NM23的栅极，NM23的漏极连接PM24的漏极和积分电容CPM的栅极；开关管PM23和开关管NM23的栅极同时连接时钟频率CLKN。
可选的，所述缓冲电路包括第一缓冲逻辑和第二缓冲逻辑，第一缓冲逻辑的输入端连接PMOS管PM24的漏极和积分电容CPM的栅极；第二缓冲逻辑的输入端连接NMOS管NM22漏极和积分电容CNM的栅极。
可选的，所述第一缓冲逻辑和所述第二缓冲逻辑为两个一致的缓冲元件，同为反相器、缓冲器、施密特触发器或比较器中的任意一种。
可选的，所述锁存电路包括一个锁存器，所述锁存器的第一输入端连接所述第一缓冲逻辑的输出端，第二输入端连接所述第二缓冲逻辑的输出端；所述锁存器的第一输出端输出时钟频率CLK，第二输出端输出时钟频率CLKN。
可选的，所述低功耗宽电压范围振荡器还包括偏置电路，用于产生零温漂偏置电流；
所述偏置电路包括电阻R31和R32、PMOS管PM31和PM32、NMOS管NM31和NM32；电阻R31的第一端连接电源电压VCC，第二端连接电阻R32的第一端，电阻R32的第二端连接PMOS管PM31的源极；所述PMOS管PM31的栅极连接PM32的栅极和漏极，PM32的源极连接电源电压VCC，PM32的漏极连接NM32的漏极，NM32的源极连接地电位GND，NM32的栅极连接NM31的栅极和漏极，NM31的源极连接地电位GND，NM31的漏极连接PM31的漏极。
可选的，所述积分电路包括PMOS管MP3～MP6、NMOS管MN3～MN6、积分电容C31和C32；PMOS管PM33～PM36的源极接电源电压VCC，NMOS管NM33～NM36的源极接地电位GND，积分电容C31的上极板接电源电压VCC，积分电容C32的下极板接地电位GND；NMOS管NM33的栅极连接NM31的栅极，NM33的漏极连接PM33的漏极，PM33的栅极和漏极连接PM34的栅极和PM35的栅极，PM34的漏极连接NM34的漏极和栅极，NM34的栅极连接NM35的栅极，NM35的漏极连接PM36漏极和积分电容C32的上极板，PM36的栅极连接NM36的栅极，NM36的漏极连接PM35的漏极和积分电容C31的下极板。
可选的，所述缓冲电路包括缓冲器B1、B2，所述锁存电路包括反相器I1、I2、I3、三输入与非门N1、N2；缓冲器B1的输入端连接积分电容C31的下极板，输出端连接反相器I1的输入端；缓冲器B2的输入端连接积分电容C32的上极板，输出端连接三输入与非门N1的第三输入端；
反相器I1的输出端连接三输入与非门N1的第一输入端，使能信号输入至反相器I2的输入端，反相器I2的输出端同时连接三输入与非门N1的第二输入端和N2的第二输入端，三输出入与非门N1的输出端连接三输入与非门N2的第一输入端，三输入与非门N2的输出端连接至三输入与非门N1的第三输入端和反相器I3的输入端，反相器I3的输出端连接至积分电路中PM36和NM36栅极，三输入与非门N2的输出端输出时钟频率CLK。
本发明提供的低功耗宽电压范围振荡器中，具有以下优点：
(1)电路结构极简，MOS管及电容使用少，容易匹配，减小芯片面积，电容类型、缓冲器结构和锁存器类型多样可选，以实现诸如使能、清零等特殊功能；
(2)在具有很小的电流时便可工作，能有效降低静态功耗；
(3)工作电压范围广，仅受积分电路影响，积分电路内部两个纵向连接的PMOS和NMOS饱和，即可正常工作。
附图说明
图1是本发明提供的低功耗宽电压范围振荡器原理示意图；
图2是本发明提供的低功耗宽电压范围振荡器电路结构示意图；
图3是本发明提供的低功耗宽电压范围振荡器电压波形示意图；
图4是本发明提供的低功耗宽电压范围振荡器实施例二电路结构示意图；
图5是本发明提供的低功耗宽电压范围振荡器实施例三电路结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明提出的一种低功耗宽电压范围振荡器作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
实施例一
本发明提供了一种低功耗宽电压范围振荡器，其结构如图1所示，包括积分电路110、缓冲电路120和锁存电路130；所述积分电路110成比例镜像偏置电流，通过控制其内部的开光管交替导通关断，对积分电容进行充放电，产生交替上升或下降的斜坡电压VC1和VC2；所述缓冲电路120将积分电路110所产生的斜坡电压信号整形，斜坡电压信号被整形后传输至后级锁存电路130，其中缓冲电路120可以针对性的抑制电压中轨时逻辑门的开关漏电，因此缓冲电路120可选则性高，包括反相器、缓冲器、施密特触发器和比较器等逻辑；所述锁存电路130输入信号状态翻转后锁存电路开始工作，将状态锁存，输出时钟频率CLK和CLKN，时钟频率CLKN反馈至积分电路110，控制其内部开光管的栅极电压，对积分电容进行充放电产生斜坡电压，构成完整回路；电压整形、输出波形如图2所示。
如图3所示，所述积分电路包括PMOS管PM11～PM14、NMOS管NM11～NM13、积分电容C11、C12以及偏置电流源IREF；PMOS管PM11、PMOS管PM12、PMOS管PM14为电流镜像管，PMOS管PM13和NMOS管NM13为开关管；PMOS管PM11、PM12、PM13、PM14的源极均接电源电压VCC，NMOS管NM11、NM12、NM13的源极均接地电位GND，积分电容C11的上极板接电源电压VCC，积分电容C12的下极板接地电位GND；所述偏置电流源IREF的输入端连接PMOS管PM11的漏极，PMOS管PM11的栅极和漏极均连接PMOS管PM12的栅极和PM14的栅极；PM12的漏极连接NM11的漏极和栅极，NMOS管NM11的栅极连接NM12的栅极，NMOS管NM12的漏极连接开关管PM13的漏极和积分电容C12的上极板，PM13的栅极连接开关管NM13的栅极，NM13的漏极连接PM14的漏极和积分电容C11的下极板；开关管PM13和开关管NM13的栅极同时连接时钟频率CLKN，时钟频率CLKN使MOS管PM13和NM13交替开关，实现积分电容充放电。
所述缓冲电路包括第一缓冲逻辑和第二缓冲逻辑，第一缓冲逻辑的输入端连接PMOS管PM14的漏极和积分电容C11的下极板；第二缓冲逻辑的输入端连接NMOS管NM12漏极和积分电容C12的上极板。所述第一缓冲逻辑和所述第二缓冲逻辑为两个一致的缓冲元件，同为反相器、缓冲器、施密特触发器或比较器中的任意一种。
所述锁存电路包括一个锁存器，所述锁存器的第一输入端连接所述第一缓冲逻辑的输出端，第二输入端连接所述第二缓冲逻辑的输出端；所述锁存器的第一输出端输出时钟频率CLK，第二输出端输出时钟频率CLKN。
偏置电流IREF经过n倍等比例调整，镜像后对积分电容充放电，所产生的时钟频率
上式，时钟频率fCLK受到电源电压VCC、偏置电流IREF和电路延迟时间Tdelay的宏观影响，可选零温漂偏置电流IREF减小温度影响。延迟时间Tdelay受到温度影响较大，但在中低精度要求的电路中，这种温度对时钟频率的影响是可以接受的。
实施例二
本发明实施例二还提供了另外一种低功耗宽电压范围振荡器，如图4所示，与实施例一相比，该实施例二的区别在于，所述积分电路包括PMOS管PM21～PM24、NMOS管NM21～NM23、积分电容CPM、CNM以及偏置电流源IREF；PMOS管PM21、PMOS管PM22、PMOS管PM24为电流镜像管，PMOS管PM23和NMOS管NM23为开关管；PMOS管PM21、PM22、PM23、PM24的源极均接电源电压VCC，NMOS管NM21、NM22、NM23的源极均接地电位GND，积分电容CPM的源极和漏极接电源电压VCC，积分电容CNM的源极和漏极接地电位GND；所述偏置电流源IREF的输入端连接PMOS管PM21的漏极，PMOS管PM21的栅极和漏极均连接PMOS管PM22的栅极和PM24的栅极；PM22的漏极连接NM21的漏极和栅极，NMOS管NM21的栅极连接NM22的栅极，NMOS管NM22的漏极连接开关管PM23的漏极和积分电容CNM的栅极，PM23的栅极连接开关管NM23的栅极，NM23的漏极连接PM24的漏极和积分电容CPM的栅极；开关管PM23和开关管NM23的栅极同时连接时钟频率CLKN。所述积分电路210根据比例镜像偏置电流IREF，对分别由PMOS和NMOS构成的积分电容CPM和CNM进行充放电，产生斜坡电压VC1和VC2，斜坡电压经过缓冲电路220整形后驱动锁存器230产生时钟频率CLK和CLKN。时钟频率CLKN反馈至积分电路210，控制开关晶体管PM3、NM3栅极电压，对电容CPM和CNM进行充放电产生斜坡电压，构成完整回路。
所述缓冲电路包括第一缓冲逻辑和第二缓冲逻辑，第一缓冲逻辑的输入端连接PMOS管PM24的漏极和积分电容CPM的栅极；第二缓冲逻辑的输入端连接NMOS管NM22漏极和积分电容CNM的栅极。所述第一缓冲逻辑和所述第二缓冲逻辑为两个一致的缓冲元件，同为反相器、缓冲器、施密特触发器或比较器中的任意一种。
实施例三
本发明还提供了第三种低功耗宽电压范围振荡器，其结构如图5所示，包括偏置电路310、积分电路320、缓冲电路330和锁存电路340。所述偏置电路310采用正、负温漂两种电阻叠加构成零温漂电阻，产生零温漂偏置电流，提高时钟频率精度，包括电阻R31和R32、PMOS管PM31和PM32、NMOS管NM31和NM32；电阻R31的第一端连接电源电压VCC，第二端连接电阻R32的第一端，电阻R32的第二端连接PMOS管PM31的源极；所述PMOS管PM31的栅极连接PM32的栅极和漏极，PM32的源极连接电源电压VCC，PM32的漏极连接NM32的漏极，NM32的源极连接地电位GND，NM32的栅极连接NM31的栅极和漏极，NM31的源极连接地电位GND，NM31的漏极连接PM31的漏极。偏置电流表示为：
其中，K是PMOS管PM31：PM32的倍数；是PMOS管PM31和PM32的宽长比。
所述积分电路320成比例镜像偏置电流，产生斜坡电压驱动缓冲电路330完成输出整形，积分电路320包括PMOS管MP3～MP6、NMOS管MN3～MN6、积分电容C31和C32；PMOS管PM33～PM36的源极接电源电压VCC，NMOS管NM33～NM36的源极接地电位GND，积分电容C31的上极板接电源电压VCC，积分电容C32的下极板接地电位GND；NMOS管NM33的栅极连接NM31的栅极，NM33的漏极连接PM33的漏极，PM33的栅极和漏极连接PM34的栅极和PM35的栅极，PM34的漏极连接NM34的漏极和栅极，NM34的栅极连接NM35的栅极，NM35的漏极连接PM36漏极和积分电容C32的上极板，PM36的栅极连接NM36的栅极，NM36的漏极连接PM35的漏极和积分电容C31的下极板。
所述缓冲电路330包括缓冲器B1、B2，缓冲器B1、B2采用大尺寸、倒比结构用以整形斜坡电压，抑制器件开关漏电流；所述锁存电路340包括反相器I1、I2、I3、三输入与非门N1、N2；缓冲器B1的输入端连接积分电容C31的下极板，输出端连接反相器I1的输入端；缓冲器B2的输入端连接积分电容C32的上极板，输出端连接三输入与非门N1的第三输入端；反相器I1的输出端连接三输入与非门N1的第一输入端，使能信号输入至反相器I2的输入端，反相器I2的输出端同时连接三输入与非门N1的第二输入端和N2的第二输入端，三输出入与非门N1的输出端连接三输入与非门N2的第一输入端，三输入与非门N2的输出端连接至三输入与非门N1的第三输入端和反相器I3的输入端，反相器I3的输出端连接至积分电路中PM36和NM36栅极，三输入与非门N2的输出端输出时钟频率CLK。
其中，偏置电路产生零温漂偏置电流，提供较高精度充电电流，电流对电容积分时间τ，时钟频率CLK表达为：
其中，时间常数τ表达为：
其中，n是电流镜像倍数，充电电流即为nIREF。
上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。
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