专利名称：一种低功耗的松弛振荡器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种电子电路，着重涉及一种松弛振荡器。现有技术和
背景技术：
低功耗设计技术对于无需频繁更换电池的无线传感网络来说至关重要。由于无线传感节点之间的数据交互稀少，可以在很短的时间间隔内完成，因此可以通过周期性的唤醒传感节点，而在其它时间让节点进入休眠状态的方式来达到降低功耗的目的。由于平均功耗正比于唤醒-休眠时间的相对比例，为了降低平均功耗，需要缩小花在时钟同步与通信信道检测上的等待时间，这就转化为对各节点的时钟(时间基准)的精度要求。虽然有源的温度补偿石英晶振能达到几个ppm的精度，但由于其体积功耗较大，成本较高而不适用于无线传感网的应用。因此，需要片上全集成的，精度相对较高而功耗较 低的振荡器作为时间基准。片上集成的LC振荡器可以达到了 100多ppm的精度，呈现极佳的温度稳定性[I]。然而由于它们的方案需要高频的振荡，因此功耗通常在几十mW的量级，这远远超出无线传感节点的功耗预算。环形振荡器工作在亚阈值区能够达到极低功耗(几个uW)，然而精度仅能控制在±5% [2]。松弛振荡器的功耗与环形振荡器相仿，精度却相对更好，通常小于1% [3]，因此对无线传感网应用最为理想。图I为一种传统的松弛振荡器[4]的电路原理图，它通过对两个定时电容55、60的交错充放电来提供周期性的振荡信号。RS锁存器输出互补的开关控制信号，使得一个定时电容充电的时候，另一个定时电容放电。比较器15、20检测定时电容上的信号54、59是否超过定时参考信号5、10，如果超过，比较器的输出使得RS锁存器翻转，从而使两个定时电容交换充放电的状态。各节点信号波形如图2所示。从定时电容上的信号抵达定时参考信号的时刻到RS锁存器的输出改变状态，存在传输延时，如图2所示。该传输延时主要由比较器的延时决定，受到工艺、供电电压、温度以及输入电压变化快慢等因素的影响，很难精确控制，这使得定时电容55和60上的充电周期结束时刻的信号值与预设的定时参考5和10存在较大差异，从而导致振荡频率的变化。为了改善传输延时不确定性导致的频率变化，传统的方法是提高比较器与其后续数字逻辑电路的速度，从而缩小传输延时占整个周期的比重，但是这种方法的缺点是功耗非常大，而且功耗随着延时的缩小呈指数增长，导致了频率精度不可逾越的瓶颈。发明的目的本发明的目的在于克服松弛振荡器中传输延时不确定、振荡频率精度低、温度稳定性差的缺点，用反馈控制的方法，精确控制比较器的延时，来替代增加功耗以减小延时的传统方法，在降低功耗的同时，提高振荡频率的精度与温度稳定性。发明的技术方案本发明的目的通过如下措施来达到传输延时主要由比较器的延时决定。由于松弛振荡器的输出频率以及定时电容上的充电周期结束时刻的信号值为传输延时的函数，因此可以将比较器设计为延时可调的比较器，然后通过检测松弛振荡器的输出频率以及定时电容上的充电周期结束时刻的信号值的变化，构造负反馈回路来自动调节比较器的延时，从而稳定传输延时，进而稳定松弛振荡器的输出频率，如图3所示。图3中的可调延时比较器115、120可以由图4所示电路实现，它通过调节尾电流晶体管的控制电压65，来连续的调节其延时。通过检测松弛振荡器的输出频率来反馈调节延时的方法基于锁相环的原理，如图5所示。该延时反馈电路包含一个从属振荡器134和一个相位反馈电路140。从属振荡器具有频率调节输入端153来调节其输出频率。相位反馈电路包括相位比较器150和滤波电路160。相位反馈电路的输出130反馈到从属振荡器的频率调节输入端153，形成负反馈，将从属振荡器的输出频率锁定到原有的松弛振荡器的输出频率上，也就是说，使得从属振荡器134的输出频率等于原有的松弛振荡器的输出频率乘以一个常数。与传统的锁相环不一致的地方是，相位反馈电路的输出130还反馈到松弛振荡器中比较器的延时调节输入端65。假如某一个环境变量E (如温度、供电电压)变化AE，相位反馈电路的输出130相应作出调整，变化AVc，使得从属振荡器的频率变化Afs锁定松弛振荡器的频率变化AfM。从属振荡器的频率变化可以表示为Afs = Kes A E+Kcs A Vc (I)这里KES为从属振荡器输出频率对环境变量AE的敏感程度，Kcs为从属振荡器输出频率对频率控制信号AVc的敏感程度；同样,松弛振荡器的频率变化可以表示为A fM = Kem A E+Kcm A Vc (2)这里Kem为松弛振荡器输出频率对环境变量A E的敏感程度，Kcm为松弛振荡器输出频率对频率控制信号AVc的敏感程度；由于锁相环锁定后，Afs = AfM，由(I)和⑵可以推出
权利要求
1.一种松弛振荡器，包含至少一个定时电容，至少一个充电电路，至少一个放电电路，至少一套具有第一与第二状态的开关装置，一个用来产生至少一个定时参考信号的定时参考发生器，至少一个比较器，一个用来产生时钟信号的时钟发生器； 所述开关装置的第一状态通过所述充电电路对所述定时电容进行充电，所述开关装置的第二状态通过所述放电电路对所述定时电容进行放电； 所述比较器比较所述定时电容上的信号与所述定时参考信号； 所述比较器的输出信号耦合到所述时钟发生器的输入端； 所述时钟信号选择所述开关装置的状态； 其特征是 还包括一个延时反馈电路； 所述比较器中的至少一个具有延时调节输入端来调节其延时； 所述延时反馈电路的至少一个输入端耦合到所述定时电容上的信号，或所述比较器的输出信号，或 所述时钟信号； 所述延时反馈电路的输出端耦合到所述延时调节输入端，来自动稳定所述比较器的延时。
2.根据权利要求I所述的松弛振荡器，其特征是所述时钟发生器为复位设置锁存器(RS Latch)，所述时钟发生器的输入端为所述复位设置锁存器的复位端或设置端，所述时钟发生器的输出端为所述复位设置锁存器的正相输出端或反相输出端。
3.根据权利要求I所述的松弛振荡器，其特征是所述延时反馈电路包含一个具有频率调节输入端来调节其输出频率的从属振荡器，一个相位反馈电路；所述相位反馈电路提供频率调节信号给所述频率调节输入端，使得所述从属振荡器的输出频率等于所述延时反馈电路的输入端接收到的信号频率乘以一个常数；所述延时反馈电路的输入端耦合到所述时钟信号或所述比较器的输出信号；所述频率调节信号耦合到所述延时反馈电路的输出端。
4.根据权利要求3所述的松弛振荡器，其特征是所述从属振荡器包含至少一个从属定时电容，至少一个从属充电电路，至少一个从属放电电路，至少一套具有第一与第二状态的从属开关装置，一个用来产生至少一个从属定时参考信号的从属定时参考发生器，至少一个从属比较器，一个用来产生从属时钟信号的从属时钟发生器； 所述从属开关装置的第一状态通过所述从属充电电路对所述从属定时电容进行充电，所述从属开关装置的第二状态通过所述从属放电电路对所述从属定时电容进行放电； 所述从属比较器比较所述从属定时电容上的电压与所述从属定时参考信号； 所述从属比较器的输出信号耦合到所述从属时钟发生器的输入端； 所述从属时钟信号选择所述从属开关装置的状态； 所述从属比较器中的至少一个具有从属延时调节输入端来调节其延时； 所述从属延时调节输入端即所述从属振荡器的频率调节输入端。
5.根据权利要求3所述的松弛振荡器，其特征是所述从属振荡器包含若干反相器，每一个所述反相器具有输出端和输入端，所述若干反相器构成一个反相器环，所述反相器环上每一个反相器的输入端I禹合到前一反相器的输出端，所述若干反相器中一个的输出端率禹合到所述从属振荡器的输出端； 所述从属振荡器的频率调节输入端调节所述若干反相器的延时，从而调节所述从属振荡器的输出频率。
6.根据权利要求3所述的松弛振荡器，其特征是所述相位反馈回路包含一个具有第一与第二输入端的相位比较器，一个滤波器，一个分频器；所述相位比较器输出一个与其第一输入端与第二输入端接收的信号之间的相位差成正比的信号；所述从属振荡器的输出频率经过分频器分频后耦合到所述相位比较器的第一输入端，所述延时反馈电路的输入端耦合到所述相位比较器的第二输入端；所述相位比较器的输出信号耦合到所述滤波器的输入端；所述滤波器的输出信号即所述相位反馈回路的输出信号。
7.根据权利要求I所述的松弛振荡器，其特征是所述定时电容上的信号耦合到所述延时反馈电路的输入端；所述延时反馈电路包含一个用来产生至少一个延时参考信号的延时参考发生器，一个将所述定时电容上的信号转换为过渡信号的转换电路，一个具有第一与第二输入端的调节电路；所述延时参考信号与所述过渡信号分别耦合到所述调节电路的第一与第二输入端；所述调节电路的输出信号耦合到所述延时反馈电路的输出端，来调整所述比较器的延时，使得所述延时参考信号与所述过渡信号之差减小。
8.根据权利要求7所述的松弛振荡器，其特征是所述开关装置还具有既不通过所述充电电路对所述定时电容充电，也不通过所述放电电路对所述定时电容放电的第三状态； 所述转换电路包括一个采样电容，一个产生采样时钟信号的采样时钟发生器，一个被所述采样时钟信号控制的采样开关； 所述采样开关连接所述定时电容与所述采样电容； 所述采样时钟发生器的输入端耦合到所述比较器的输出信号或所述时钟信号； 所述时钟信号使得所述开关装置在第一状态结束、第二状态开始之前，或者第二状态结束、第一状态开始之前进入第三状态； 所述采样时钟信号在所述开关装置进入第三状态期间，闭合所述采样开关。
所述采样电容上的信号即所述过渡信号。
全文摘要
为了克服松弛振荡器中传输延时不确定、振荡频率精度低、温度稳定性差的缺点，本发明提出用反馈控制的方法，通过检测松弛振荡器的输出频率或者定时电容上充电周期结束时刻的信号值的变化，构造负反馈回路来精确控制比较器的延时，来替代增加功耗以减小延时的传统方法，在降低功耗的同时，提高振荡频率的精度与温度稳定性。
文档编号H03L7/099GK102811054SQ20111014326
公开日2012年12月5日 申请日期2011年5月30日 优先权日2011年5月30日
发明者贺林 申请人:贺林