变频张弛振荡器的制作方法

本发明涉及集成电路(IC)，更具体而言，涉及变频张弛振荡器.

背景技术：

图1是传统张弛振荡器100的简化示意性电路图.振荡器100接收决定输出振荡频率的频率控制信号100i，并且输出振荡信号100o，输出振荡信号100o的频率取决于接收的频率控制信号100i并且输出振荡信号100o可以用作时钟信号.振荡器100具有置位/复位(SR)锁存器101和两个振荡器子电路102.SR锁存器101具有置位(S)输入、复位(R)输入、Q输出和互补QB输出.

每一个振荡器子电路102都接收(i)频率控制信号100i，(ii)漏极电源电压VDD，(iii)源极电源电压VSS，和(iv)参考电压VREF.振荡器100使用两个基本上相同的振荡器子电路102，而不是仅仅使用单个振荡器子电路，因为这两个子电路102的对称性可以使得更易于匹配得到的振荡器输出信号100o的高低段的特性.

每一个振荡器子电路102输出各自的输出信号102o，其中，子电路102(1)的输出信号102o(1)被施加到SR锁存器101的R输入，子电路102(2)的输出信号102o(2)被施加到SR锁存器101的S输入.SR锁存器101操作以使得如果S输入信号102o(2)为高且R输入信号102o(1)为低，则Q输出100o为高且QB输出101a为低，如果R输入信号102o(1)为高且S输入信号102o(2)为低，则Q输出100o为低且QB输出101a为高.

每一个振荡器子电路102都包括电流源103、具有漏极端、源极端和栅极端的n沟道场效应晶体管(FET)104、具有第一和第二端及控制输入的可变电容器105、以及具有正输入和负输入及输出的比较器106.

电流源103接收漏极电源电压VDD，将电流输出到节点107，节点107连接到(i)FET 104的漏极端，(ii)可变电容器105的第一端，及(iii)比较器106的正输入.源极电源电压VSS连接到FET 104的源极和电容器105的第二端。比较 器106的负输入连接到参考电压VREF.可变电容器105的电容由输入信号100i控制，输入信号100i连接到可变电容器105的控制输入.每一个FET 104的栅极端连接到SR锁存器101的相应输出，其中，FET 104(1)的栅极由QB输出101a控制，FET 104(2)的栅极由Q输出100o控制.

图2是图1的振荡器100的一些信号的时序图，即频率控制信号100i、两个节点107(1)和107(2)处的电压、及输出信号100o.在时间t₀，Q输出100o为高，QB输出101a为低.结果，由Q输出100o控制的FET 104(2)导通，由QB输出101a控制的FET 104(1)截止。因此，节点107(2)处的电压V₁₀₇₍₂₎借助导通的FET 104(2)保持在零伏的源极电源电压VSS或附近.由于电容器105(2)没有充电，可以认为子电路102(2)此时处于空闲状态.同时，由于电流源103(1)将电流提供给电容器105(1)的第一端，所以节点107(1)处的电压V₁₀₇₍₁₎稳定上升.

图2中的参考电压VREF约为0.4伏。在时间t₁，当电压V₁₀₇₍₁₎增大到参考电压VREF以上时，比较器106(1)的输出102o(1)(提供给SR锁存器101的R输入)从低变为高.注意，提供给SR锁存器101的S输入的比较器106(2)的输出102o(2)保持为低，因为电压V₁₀₇₍₂₎在时间t₁保持低于参考电压VREF。作为在时间t₁比较器106(1)的输出102o(1)中的切换的结果，Q输出100o从高变为低，相应地，QB输出101a从低变为高.由于在QB输出101a从低变为高时FET 104(1)导通，所以电容器105(1)放电，并且节点107(1)处的电压V₁₀₇₍₁₎基本上下降到源极电源电压VSS.结果，由于电压V₁₀₇₍₁₎返回到小于参考电压VREF，所以比较器106(1)的输出102o(1)相应地返回到低.

在时间t₁与时间t₂之间，FET 104(2)截止，FET 104(1)导通。因此，类似于上述操作，当节点107(1)处的电压V_107（1）保持在源极电源电压VSS或附近的同时，节点107(2)处的电压V₁₀₇₍₂₎稳定上升.在这个时间期间，可以认为子电路102(1)处于空闲状态.随后在时间t₂，类似于上述操作，电压V₁₀₇₍₂₎超过参考电压VREF，结果，比较器106(2)的输出102o(2)(提供给SR锁存器101的S输入)从低变为高。结果，SR锁存器101的Q输出100o从低变为高，QB输出101a从高变为低，FET104(2)导通，电容器105(2)放电，FET 104(1)截止，随后重复上述的循环。

在时间t₃，频率空制信号100i改变，为可变电容器105的电容设定新的更高值.因为可变电容器105的充电速率取决于其各自的电容，所以增大可变电容器105的电容值延长了循环周期，相应地，降低了输出信号100o的循环频率.因为在操作中改变了可变电容器105的电容，所以在时间t₃与时间t₄之间出现毛刺，在该毛刺处电压V₁₀₇₍₁₎短暂地上冲到参考电压VREF以上，在时间t₄恢复正常操作(现在在新的更低频率)之前，输出信号100o的周期被截短.

本文使用的毛刺指的是振荡器输出的半个循环(正或负)，其周期比在前和在后的相应半个循环短。毛刺也可以由与在前和在后的相应半个循环不同的不规则形状和/或电压电平来表征.在时间t₄与时间t₅之间，振荡器100按照以上针对时间t₁与时间t₂所述的操作，但是可变电容器105具有新电容值.在时间t₅，振荡器100按照以上针对时间t₂所述的操作.在时间t₅与时间t₆之间，振荡器100按照以上针对时间t₀所述的操作。在时间t₆之后，时间t₄至时间t₆的循环重复。

在时间t₃与时间t₄之间的毛刺可能不利地影响部件取决于输出信号100o的操作.因此，获得无毛刺的张弛振荡器是有利的.

附图说明

依据以下的具体实施方式、所附权利要求书和附图，本发明的其他方面、特征和优点会变得更清楚，在附图中，相似的参考标记标明相似或相同的要素.注意，没有按比例绘制附图中的要素.

图1是传统张弛振荡器的简化示意性电路图；

图2是图1的振荡器的一些信号的时序图；

图3是根据本发明的一个实施例的张弛振荡器的简化示意性电路图；

图4是图3的振荡器的一些信号的示例性时序图；及

图5是图3的FC单元的示例性实现方式的简化示意图.

具体实施方式

本文公开了本发明的详细示例性实施例。但本文公开的具体结构和功能细节仅是为了说明本发明的示例性实施例的代表。本发明的实施例可以以许多替代形式来体现，并且不应解释为仅局限于本文阐述的实施例。此外，本文使用 的术语仅是为了说明特定实施例，并非旨在限制本发明的示例性实施例。

本文使用的单数形式“一”和“这个”旨在还包括复数形式，除非上下文明确地以其他方式指出。会进一步理解，术语“包括”、“具有”、“包含”指定表述的特征、步骤或部件的存在，但并不排除一个或多个其他特征、步骤或部件的存在或添加.还应注意，在一些替代实现方式中，记录的功能/动作可以不按照附图中记录的顺序来发生.

参考图3，根据本发明的一个实施例的张弛振荡器系统308的简化示意性电路图.振荡器系统308(i)接收决定振荡器系统308的输出振荡频率的n位频率控制信号309i，(ii)输出振荡信号300o，振荡信号300o的频率取决于频率控制信号309i，并且可以被其他部件(未示出)用作时钟信号.振荡器系统308包括频率控制(FC)单元309和振荡器300。FC单元309接收输入309i和300o，输出两个n位控制信号309o(1)和309o(2)。振荡器300基本上类似于图1的振荡器100，类似地标记了与振荡器100的类似元件对应的振荡器300的元件，但具有不同的前缀。

与其中可变电容器105的电容由单频控制信号100i控制的振荡器100不同，振荡器300的可变电容器305被独立地控制，并且具有各自对应的输入控制信号。即，(i)可变电容器305(1)的电容由从FC单元309接收的控制信号309o(1)决定，(ii)可变电容器305(2)的电容由从FC单元309接收的控制信号309o(2)决定。FC单元309使用输出信号300o来决定传送控制信号309o的新值的定时.具体而言，当相应振荡器子电路302处于空闲状态以避免导致如上参考图1的传统振荡器100所述的毛刺时，经由每一个控制信号309o发送新值.

在一个可能的实现方式中，每一个可变电容器305都是包括多个组成电容器(未示出)，的数字可调、开关电容器组，其中，控制信号309o表示二进制数，该二进制数确定多少、哪些或多少百分比的组成电容器被激活并连接到相应的电流源CF和源极电源电压VSS.本领域普通技术人员将领会，存在许多方式来编码控制信号309o上的值以具有相应可变电容器305的希望的结果电容.例如，如果可变电容器305具有最大电容C_MAX，控制信号309o是2位信号，那么控制信号309o上的00、01、10和11可以分别表示C_MAX的25％、50％、75％和100％。

响应于借助频率控制信号309i接收到新的或变化的值，FC单元309基于输出信号300o确定每一个振荡器子电路302的空闲时段，随后在相应的空闲时段中更新每一个可变电容器305的电容，以防止如振荡器100发生的输出毛刺.在更新了可变电容器305中的一个的电容值后，优选地在输出300o的随后紧接着的半个循环中更新另一个可变电容器的电容值，以便在输出信号300o上提供新频率的规则的方波。

图4是图3的振荡器系统308的一些信号的示例性时序图，即频率控制信号309i、两个控制信号309o、两个节点307处的电压、和输出信号300o.从时间t₀至时间t₃(包括在时间t₁与时间t₂)，Q输出300o、QB输出301a、节点307(2)处的电压V₃₀₇₍₂₎和节点307(1)处的电压V₃₀₇₍₁₎的表现与以上对于其在图2中的相应信号(分别为Q输出100o、QB输出101a、电压V₁₀₇₍₂₎和电压V₁₀₇₍₁₎)所述的基本上相同。另外注意，示例性参考电压VREF(图4中末示出)与图2中一样约为0.4伏。

随后，在时间t₃，频率控制信号309i改变以便为可变电容器305的电容设定新的更高值，如上解释的，这会导致输出信号300o的循环周期的延长(循环频率的相应降低)。在与输出信号300o的下一个上升重合的时间t₄，控制信号309o(2)将新的更高电容值传送到可变电容器305(2)，可变电容器305(2)刚刚在时间t₄放电并因此将在输出信号300o的随后半个循环中处于空闲直至时间t₅为止.

在与输出信号300o的下一个下降重合的时间t₅，控制信号309o(1)将新的更高电容值传送到可变电容器305(1)，可变电容器305(1)刚刚在时间t₅放电并因此将在输出信号300o的随后半个循环中处于空闲直至时间t₆为止。在时间t₅与时间t₆之间，FET 304(2)截止，因此电压V₃₀₇₍₂₎随着可变电容器305(2)(现在为其新的更高电容值)被相应的电流源CF(2)充电而稳定上升。

在时间t₆，电压V₃₀₇₍₂₎超过参考电压VREF，类似于上述的过程(但涉及比较器306(2)、FET 304和SR锁存器301)这使得可变电容器305(2)放电，可变电容器305(1)(现在也为其新的更高电容值)开始稳定地充电。在时间t₆后，输出信号300o继续以新的更低频率振荡。

FC单元309可以根据在任何特定时间哪个可变电容器305处于空闲来控制其输出309o.可以基于Q输出信号300o的瞬时值和/或Q输出信号300o的上 升与下降确定哪个子电路处于空闲.具体而言，(i)如果输出信号300o在上升后为高，那么可变电容器305(2)处于空闲，(ii)如果输出信号300o在下降后为低，那么可变电容器305(1)处于空闲。

FC单元309延迟控制输入309i上的新值到控制信号309o(1)和/或309o(2)的传送，以使得可变电容器305的电容值在可变电容器305充电时不改变.相反，新值经由每一个控制输出309o的传送被定时为使得在可变电容器305处于空闲时可变电容器305的电容值被改变。在一个实现方式中，FC单元309可以利用边沿触发触发器来确保新值经由控制输出信号309o的上述受控传送.

图5是FC单元309的示例性实现方式的简化示意图.FC单元309包括n个数据处理子电路501，每一个用于处理n位频率控制信号309i的相应位.具体而言，n个子电路501中的每一个处理频率控制信号309i的相应位309i(j)，其中，i是从1到n的整数.子电路501包括两个传送电路502.每一个传送电路502包括一个D触发器503、一个时钟门控元件504、一个异或门505和两个与门506和507.

D触发器503具有(i)D输入、时钟输入、置位输入和复位输入，及(ii)Q输出.D触发器503的D输入接收数据位309i(j)。注意，D触发器503(1)具有负边沿触发的时钟输入，而D触发器503(2)具有正边沿触发的时钟输入。D触发器503在借助其时钟输入触发时经由其Q输出传送数据位309i(j)，否则保持以前的Q输出。

时钟门控元件504具有使能输入和时钟输入及门控时钟输出.注意，时钟门控元件504(1)的时钟输入是正边沿触发的，而时钟门控元件504(2)的时钟输入是负边沿触发的。时钟门控元件504的门控时钟输出504o被提供给相应D触发器503的时钟输入.时钟门控元件504运行以：(i)当使能输入为高时经由其门控时钟输出504o传递接收的时钟输入300o，(ii)当使能输入为低时，经由其门控时钟输出504o提供稳定输出.注意，当相应的使能输入为低时，时钟门控元件504(1)提供稳定的低输出，而当相应的使能输入为低时，时钟门控元件504(2)提供稳定的高输出.

异或门505起到比较器的作用，以确定数据位309i(j)的值是否已改变。具体而言，异或门505比较(i)数据位309i(j)与(ii)D触发器503的Q输出，如果二者不同则输出1(高)，或者如果二者相同则输出0(低)。异或门505的输出505o 被提供给时钟门控元件504的使能输入.因此，如果数据位309i(j)与D触发器503的Q输出不同，则时钟门控元件504(i)进入传递状态，(ii)如果数据位309i(j)与D触发器503的Q输出相同，则时钟门控元件504(j)进入时钟阻塞状态。时钟阻塞状态对于限制由D触发器503使用的能量是有用的，因为如果不触发D触发器503的时钟输入则它使用的能量较少。

D触发器503、异或门505和时钟门控元件504一起工作以使得：(i)在数据位309i(j)保持不变时(换句话说，在数据位309i(j)与D触发器503的Q输出相同时)时钟门控元件504防止时钟信号300o到达D触发器503的时钟输入，由于不触发D触发器503的时钟输入所以其处于省电模式，(ii)如果数据位309i(j)改变(换句话说，如果数据位309i(j)与D触发器503的Q输出不同)那么时钟门控元件504将时钟信号300o传送到D触发器503的时钟输入，这然后导致D触发器503的Q输出更新为数据位309i(j)的新值.D触发器503的Q输出的更新进而导致异或门505的输出(它还是时钟门控元件504的使能输入)返回低，因此使得时钟门控元件504再次阻塞时钟信号300o到D触发器503的时钟输入的传送.这导致D触发器503返回省电模式.

如上所述，由于在相应的传送电路502(1)与502(2)中使用不同的边沿触发设置，所以控制输入309i的新值在第一时间经由控制输出309o(1)传送，并且在第二不同时间经由控制输出309o(2)传送，如图4中可见的.

与门506和507用于控制相应D触发器503的置位和复位输入，及控制芯片复位信号502r的传送，芯片复位信号502r例如在为包含振荡器系统308的集成电路器件(未示出)通电时被使用.注意，替代实施例可以无需与门506和507.

已经描述了本发明的实施例，其中，可变电容器是电容器组，所述电容器组的电容通过改变电容器组中连接的和/或有效的电容器的数量来控制。但本发明不限于此.在一些替代实施例中，使用了不同类型的数字可调电容器，诸如例如数字可调变容二极管。在一些替代实施例中，可变电容器可以由模拟信号来调节。本领域普通技术人员将领会，替代实施例将对控制信号的类型进行相应的修改以设定替代可变电容器的电容。

已经描述了本发明的实施例，其中，通过控制张弛振荡器的可变电容器部件的电容来控制张弛振荡器的频率(即，FC单元接收单频控制信号，并且将两 个相应的电容控制信号输出到所述两个振荡器子电路).但本发明不限于此。在本发明的替代实施例中，通过控制除了张弛振荡器的可变电容器部件的电容以外的性质来控制张弛振荡器的频率.注意，在这些替代实施例中，可以使用固定电容器来代替上述的可变电容器.

例如，在一些替代实施例中，通过改变参考电压的值来控制频率，其中，FC单元接收单频控制信号，并且将两个相应的参考电压控制信号输出到所述两个振荡器子电路.注意，升高参考电压延长了振荡器输出的周期并降低了振荡器输出的频率。在一些其他替代实施例中，通过改变由电流源提供给电容器的电流来控制频率，其中，FC单元接收单频控制信号，并且将两个相应的电流源电流控制信号输出到所述两个振荡器子电路.注意，增大电流缩短了振荡器输出的周期并增大了振荡器输出的频率。

已经描述了本发明的实施例，其中，FC单元实质上分离并延迟由FC单元接收的频率控制信号，并将输出控制信号提供给相应的可变电容器.但本发明不限于此.在替代实施例中，FC单元可以进一步改变接收的频率控制信号，以便提供给可变电容器.例如，FC单元可以：(i)接收串行频率控制信号并且提供并行控制信号，或者反之亦然；(ii)接收一种分辨率的频率控制信号并且提供不同分辨率的输出控制信号，以便增大或减小信号中的位的数量；(iii)将控制信号从模拟转换为数字，或者反之亦然；或者(iv)接收一种类型的频率控制信号(例如，变化的电容、电压、电流、频率或周期)并且提供不同类型的输出控制信号。

已经描述了本发明的实施例，其中，FC单元延迟新接收的输入控制值到两个振荡器子电路的传送。但本发明不限于此.在替代实施例中，当FC单元接收到新值时，FC单元将新频率控制值立即传送到处于空闲的振荡器子电路，随后当另一个振荡器子电路变为空闲时，将该新值传送到另一个振荡器子电路。

已经描述了本发明的实施例，其中，每一个FC单元包括时钟门控元件。但注意，时钟门控元件是可选的，替代实施例可以无需时钟门控元件.

已经描述了使用SR锁存器的本发明的实施例。但本发明不限于此。在本发明的替代实施例中，将不同类型的锁存器用于振荡器电路.注意，本文使用的术语锁存器通常指代适于接收至少两个输入并提供至少一个输出的双稳态数字电路，.

已经描述了本发明的实施例，其中，FC单元从振荡器的锁存器接收Q输出，用于确定振荡器子电路的空闲/非空闲状态。但本发明不限于此。在替代实施例中，使用不同逻辑的FC单元从振荡器的锁存器接收互补QB输出，用于确定振荡器子电路的空闲/非空闲状态。注意，Q输出或互补QB输出可以用作提供给FC单元的反馈信号.此外注意，Q输出或互补QB输出可以用作振荡器系统的时钟信号输出.

已经描述了使用特定逻辑部件的本发明的实施例。但本发明不限于所述的特定逻辑部件.替代实施例可以使用替代逻辑部件以及另外的部件(诸如例如反相器)来反转多个信号，而仍然实现相同的功能。

尽管以具有相应标记的特定顺序表述了在以下的方法权利要求中的步骤，除非权利要求表述另外暗示了用于实施这些步骤中的部分或全部的特定顺序，否则这些步骤不必局限于以该特定顺序来实施。