一种振荡器、集成电路及电子设备的制作方法

本实用新型涉及电子设备领域，特别涉及一种振荡器、集成电路及电子设备。

背景技术：

随着物联网时代的到来，智慧家居和智能健康产业势必催生出对于mcu(microcontrollerunit，微控制单元)芯片更大的需求。随着单片机技术的发展，半导体技术和工艺的快速发展使得mcu产品性能得到大幅度提高以满足当下物联网发展趋势的要求，其中尤其以低功耗低成本成为集成电路设计的迫切要求。

在集成电路中，时钟产生电路是一个不可或缺的模块，其性能对集成电路起着至关重要的作用。为了节约成本，一般在集成电路集成rc振荡器，由于在不同的应用环境下，对rc振荡电路的要求也不一样，尤其是在由电池供电的应用环境下，对集成电路功耗提出了严格的要求。另一方面，在物联网系统中，有时候需要工作在待机模式下，为了尽可能的延长工作时间，也需要极低功耗。

所以降低集成电路功耗就显得尤为重要。

目前，业界普遍采用单比较器rc振荡电路来产生低速时钟。在这种传统的振荡器电路中，比较器的参考电压采用电阻分压，由于时钟的频率比较小，需要r2*c的乘积很大，需要占用非常大的面积，会造成比较器的面积和功耗的浪费；一般采用充放电电流相等的结构，即充放电时间一样，会使一个周期的时间变短，不利于做到很低的频率。

技术实现要素：

有鉴于此，本实用新型实施例提供一种振荡器、集成电路及电子设备，可以减小振荡器的面积及降低振荡器功耗。

本实用新型解决上述技术问题所采用的技术方案如下：

根据本实用新型实施例的一个方面，提供的一种振荡器，所述振荡器包括电流源、分压电路、充放电结构电路、比较器和至少一个反相器，所述电流源包括至少两个电流输出支路，至少一个所述电流输出支路与所述充放电结构电路连接，另外至少一个所述电流输出支路与所述分压电路连接；

所述比较器的第一输入端与所述充放电结构电路的输出端连接，所述比较器的第二输入端与所述分压电路连接，所述比较器的输出端与所述反相器连接，所述反相器的输出端与所述充放电结构电路连接并且作为所述振荡器的输出端；

其中，所述至少两个电流输出支路的输出电流不同，和/或，所述充放电结构电路的充电电流大于放电电流。

在一个可能的设计中，所述两个电流输出支路包括第一电流输出支路和第二电流输出支路，所述第一电流输出支路包括第一mos管，所述第二电流输出支路包括第二mos管，所述第一mos管的源极和所述第二mos管的源极分别与预设的参考电压输入端连接，所述第一mos管的栅极与第二mos管的栅极连接，所述第一mos管的漏极与所述分压电路连接，所述第二mos管的漏极与所述充放电结构电路连接；其中第一mos管的宽长比大于第二mos管的宽长比。

在一个可能的设计中，所述充放电结构电路包括开关控制电路和电容，所述电容的一端连接所述比较器的第一输入端，所述电容的另一端接地；

所述开关控制电路包括控制端和多个连接端，其中所述控制端与所述反相器的输出端连接，所述开关控制电路的至少两个连接端与所述至少两个电流输出支路连接，所述开关控制电路的至少另外两个连接端与所述比较器的第一输入端和第二输入端连接，所述开关控制电路的另外一个连接端与所述分压电路连接。

在一个可能的设计中，所述至少一个反相器包括串联的第一反相器和第二反相器，所述开关控制电路还包括至少一个电流镜像电路、第一控制单元和第二控制单元；

所述第一控制单元包括第一控制端、第一连接端、第二连接端、第三连接端，所述第一控制端与所述第二反相器的输出端连接，所述第一连接端与所述电流镜像电路连接，所述第二连接端与所述第二电流输出支路连接，所述第三连接端与所述比较器的第一输入端连接；

所述第二控制单元包括第二控制端、第五连接端、第六连接端、第七连接端和第八连接端，所述第二控制端与所述第二反相器的输出端连接，所述第五连接端与所述第一反相器的输出端连接，所述第六连接端与所述比较器的第二输入端连接，所述第七连接端与所述第一电流输出支路连接，所述第八连接端与所述分压电路连接。

在一个可能的设计中，所述第一控制单元包括第四mos管和第五mos管；其中，所述第四mos管的栅极和第五mos管的栅极分别与所述第二反相器的输出端连接，所述第四mos管的漏极和第五mos管的漏极分别与所述比较器的第一输入端连接，所述第四mos管的源极与所述第二mos管的漏极连接；

所述电流镜像电路包括宽长比不同的第六mos管和第七mos管，其中第六mos管的宽长比大于第七mos管的宽长比；所述第六mos管的栅极、漏极和所述第七mos管的栅极分别与所述第二mos管的漏极连接，所述第六mos管的源极与所述第七mos管的源极分别接地，所述第七mos管的漏极与所述第五mos管的源极连接。

在一个可能的设计中，所述开关控制电路还包括第三mos管，所述第二控制单元包括第九mos管和第十mos管；其中，所述第三mos管的源极与所述第二mos管的漏极连接，所述第三mos管的漏极与所述第六mos管的漏极连接，所述第三mos管的栅极和所述第九mos管的栅极分别与所述第一反相器的输出端连接；

所述第九mos管的漏极与第一mos管的漏极连接，所述第九mos管的源极和所述第十mos管的漏极分别与所述比较器的第二输入端连接，所述第十mos管的栅极与所述第二反相器的输出端连接，所述第十mos管的源极与所述分压电路连接。

在一个可能的设计中，所述分压电路包括第一电阻和分压元件，所述第一电阻的一端与所述第一mos管的漏极连接，所述第一电阻的另一端与所述第十mos管的源极和所述分压元件的一端分别连接，所述分压元件的另一端接地。

在一个可能的设计中，所述分压元件包括场效应管，所述场效应管的栅极和漏极分别与所述第一电阻连接，所述场效应管的漏极与所述第十mos管的源极连接，所述场效应管的源极接地。

根据本实用新型实施例的另一个方面，提供的一种集成电路，所述集成电路包括如本实用新型的实施例所述的振荡器。

根据本实用新型实施例的另一个方面，提供的一种电子设备，所述电子设备包括如本实用新型的所述的集成电路。

与相关技术相比，本实用新型实施例提供一种振荡器、集成电路及电子设备，包括电流源、分压电路、充放电结构电路、比较器和至少一个反相器，所述电流源包括至少两个电流输出支路，至少一个所述电流输出支路与所述充放电结构电路连接，另外至少一个所述电流输出支路与所述分压电路连接；所述比较器的第一输入端与所述充放电结构电路的输出端连接，所述比较器的第二输入端与所述分压电路连接，所述比较器的输出端与所述反相器连接，所述反相器的输出端与所述充放电结构电路连接并且作为所述振荡器的输出端；其中，所述至少两个电流输出支路的输出电流不同，和/或，所述充放电结构电路的充电电流大于放电电流。通过本实用新型实施例，采用充放电结构电路，可以避免使用分频电路，可以减小振荡器的面积及降低振荡器功耗；电流源的两个电流输出支路的输出电流i1和i2不同，和/或该充放电结构电路的充电电流大于放电电流，使得该充放电结构电路的充电电流和放电电流时间不一样，可以有效地增大充放电时间总和，降低频率，进一步降低振荡器功耗。

附图说明

图1为本实用新型实施例提供的一种振荡器的结构示意图；

图2为本实用新型实施例提供的另一种振荡器的结构示意图；

图3为本实用新型实施例提供的另一种振荡器的结构示意图；

图4为本实用新型实施例提供的另一种振荡器的结构示意图；

图5为本实用新型实施例提供的另一种振荡器的结构示意图；

图6为本实用新型实施例提供的另一种振荡器的结构示意图；

图7为本实用新型实施例提供的一种集成电路的结构示意图；

图8为本实用新型实施例提供的一种电子设备的结构示意图。

本实用新型目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

为了使本实用新型所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚、明白，以下结合附图和实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

在后续的描述中，使用用于表示元件的诸如“模块”、“部件”或“单元”的后缀仅为了有利于本实用新型的说明，其本身没有特定的意义。因此，“模块”、“部件”或“单元”可以混合地使用。

需要说明的是，本实用新型的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。

在一个实施例中，如图1所示，本实用新型提供一种振荡器，振荡器100包括电流源101、分压电路102、充放电结构电路103、比较器104和至少一个反相器105，其中，电流源101包括至少两个电流输出支路，分别用于输出电流i1和电流i2，至少一个电流输出支路与分压电路102连接，另外至少一个电流输出支路与充放电结构电路103连接；比较器104的第一输入端与充放电结构电路103的输出端连接，比较器104的第二输入端与分压电路102连接，比较器104的输出端与反相器105连接，反相器105的输出端与充放电结构电路103连接并且作为振荡器105的输出端；其中，至少两个电流输出支路的输出电流i1和i2不同，和/或，充放电结构电路103的充电电流大于放电电流。

由于振荡器的振荡频率与其充放电时间为负相关关系，因此采用充放电结构电路可通过延长充放电时间来降低振荡器的频率。本实施例中，通过设置电流源的两个电流输出支路的输出电流i1和i2不同以及设置充放电结构电路的充电电流大于放电电流中的至少一种条件，使得充放电结构电路的充电时间和放电时间不一样，至少延长了充电时间或放电时间中的一种，可以有效地增大充放电时间总和，降低频率，进一步降低振荡器功耗，且可以减少面积。

在一个实施例中，如图2所示，两个电流输出支路包括第一电流输出支路和第二电流输出支路，第一电流输出支路包括第一mos管m1，第二电流输出支路包括第二mos管m2，第一mos管m1的源极和第二mos管m2的源极分别与预设的参考电压输入端连接以接入参考电压vdd为振荡器供电，第一mos管m1的栅极与第二mos管m2的栅极连接，第一mos管m1的漏极与分压电路102连接，第二mos管m2的漏极与充放电结构电路103连接；其中第一mos管m1的宽长比大于第二mos管m2的宽长比。

在本实施例中，由于第一mos管m1的宽长比大于第二mos管m2的宽长比，使得第一mos管m1输出的电流i1和第二mos管m2输出的电流i2不同。具体地，当第一mos管m1的宽长比为第二mos管m2的宽长比的n(n>1)倍时，第一mos管m1输出的电流i1和第二mos管m2输出的电流i2的比值为n:1(i1:i2＝n:1)，此时由于充放电结构电路的电流较小，从而可以延长充放电结构电路的充放电时间，进而有效地降低振荡频率，进一步降低振荡器功耗。

在一个实施例中，如图3所示，该充放电结构电路103包括开关控制电路1031和电容c，电容c的一端连接比较器104的第一输入端，电容c的另一端接地；具体地，开关控制电路1031包括控制端和多个连接端，其中控制端与反相器105的输出端连接，开关控制电路1031的至少两个连接端与电流源101的至少两个电流输出支路连接，开关控制电路1031的至少另外两个连接端分别与比较器104的第一输入端和第二输入端连接，开关控制电路1031的另外一个连接端与分压电路102连接。

在本实施例中，开关控制电路的控制端与反相器的输出端连接，可根据反相器的输出信号交替导通或关断，电容c作为储能元件，可随着开关控制电路1031的导通和关断，交替进行充电和放电，开关控制电路1031的输出信号和分压电路102的输出信号经过比较器的比较和反相器翻转后，产生振荡信号。开关控制电路的至少两个连接端与电流源101的至少两个电流输出支路连接，由于电流源101的至少两个电流输出支路的输出电流不一致，充放电结构电路的充电电流大于放电电流，可以使得充放电结构电路的充电电流和放电电流时间不一样，通过延长充电时间或放电时间，可以有效地增大充放电时间总和，降低频率，进一步降低振荡器功耗。

在一个实施例中，如图4所示，至少一个反相器105包括串联的第一反相器inv1和第二反相器inv2，开关控制电路1031还包括至少一个电流镜像电路1032、第一控制单元1033和第二控制单元1034。

第一控制单元1033包括第一控制端、第一连接端、第二连接端、第三连接端，第一控制端与第二反相器inv2的输出端连接以接收第二反相器inv2输出的第二信号sel，第一连接端与电流镜像电路1032连接，第二连接端与第二电流输出支路连接，第三连接端与比较器104的第一输入端连接。

第二控制单元1034包括第二控制端、第五连接端、第六连接端、第七连接端和第八连接端，第二控制端与第二反相器inv2的输出端连接以接收第二反相器inv2输出的第二控制信号sel，第五连接端与第一反相器的输出端连接以接收第一反相器inv1输出的第一控制信号selb，第六连接端与比较器104的第二输入端连接，第七连接端与第一电流输出支路连接，第八连接端与分压电路102连接。

在本实施例中，第二反相器inv2与第一反相器inv1串联连接，第二反相器inv2输出信号作用于开关控制电路1031的第一控制单元1033和第二控制单元1034，从而控制第一控制单元1033和第二控制单元1034导通或关断。电流源101和电流镜像电路1032随着第一控制单元1033的导通和关断，对电容c交替进行充电和放电。第一控制单元1033的一个连接端和第二控制单元1034的一个连接端分别与电流源101的至少两个电流输出支路连接，由于电流源101的至少两个电流输出支路的输出电流不一致，充放电结构电路的充电电流大于放电电流，可以使得充放电结构电路的充电电流和放电电流时间不一样，可以有效地增大充放电时间总和，降低频率，进一步降低振荡器功耗。

本实施例以两个反相器为例进行说明。可以理解，经过两次翻转，第二反相器的输出电平与比较器104的输出电平相同。因此，在其他实施例中，当只有第一反相器时，可参考本实施例中第二反相器的输出端的连接关系，设置比较器104的输出端的连接关系。换言之，当只有第一反相器时，比较器104的输出端不仅连接第一反相器的输入端，还分别连接第一控制单元1033的第一控制端和第二控制单元1034的第二控制端，从而为第一控制端和第二控制端提供控制信号。

在一个实施例中，如图5所示，第一控制单元1033包括第四mos管m4和第五mos管m5；其中，第四mos管m4的栅极和第五mos管m5的栅极作为第一控制单元1033的第一控制端分别与第二反相器inv2的输出端连接，第四mos管m4的漏极和第五mos管m5的漏极作为第一控制单元的第三连接端分别与比较器104的第一输入端连接，第四mos管m4的源极作为第一控制单元的第二连接端与第二mos管m2的漏极连接；电流镜像电路1032包括宽长比不同的第六mos管m6和第七mos管m7，其中第六mos管m6的宽长比大于第七mos管m7的宽长比；第六mos管m6的栅极、漏极和第七mos管m7的栅极分别与第二mos管m2的漏极连接，第六mos管m6的源极与第七mos管m7的源极分别接地，第七mos管m7的漏极与第五mos管m5的源极作为第一控制单元的第一连接端连接。

其中，第四mos管m4和第五mos管m5的沟道类型相反，例如：第四mos管m4为n沟道mos管，第五mos管m5为p沟道mos管；或者，第四mos管m4为p沟道mos管，第五mos管m5为n沟道mos管。这样，在同一个控制信号sel的作用下，第四mos管m4和第五mos管m5不同时导通。当第四mos管导通时，电流i2通过第四mos管m4为电容c充电；当第五mos管导通时，电容c通过第五mos管和第七mos管m7放电。由于第六mos管m6的宽长比大于第七mos管m7的宽长比，两者之比为m:1(m>1)，因此电容c的放电电流i3为充电电流i2的1/m倍，通过减小放电电流延长放电时间，从而可以有效地降低振荡频率，进一步降低振荡器功耗。

在一个实施例中，如图5所示，开关控制电路还包括第三mos管m3，第二控制单元1034包括第九mos管m9和第十mos管m10；其中，第三mos管m3的源极与第二mos管m2的漏极连接，第三mos管m3的漏极与第六mos管m6的漏极连接，第三mos管m3的栅极和第九mos管m9的栅极作为第五连接端分别与第一反相器inv1的输出端连接；

第九mos管m9的漏极作为第七连接端与第一mos管m1的漏极连接，第九mos管m9的源极和第十mos管m10的漏极作为第六连接端分别与比较器104的第二输入端连接，第十mos管m10的栅极作为第二控制端与第二反相器inv2的输出端连接，第十mos管m10的源极作为第八连接端与分压电路102连接。

在本实施例中，第九mos管m9和第三mos管m3的沟道类型相反，这样，在同一个控制信号selb的作用下，第九mos管m9和第三mos管m3不同时导通。此外，selb和sel为方向相反的电平信号。当selb为高电平信号时，sel为低电平信号；当selb为低电平信号时，sel为高电平信号。第九mos管m9和第十mos管m10的沟道类型相同，这样，在相反的两种控制信号selb和sel的作用下，第九mos管m9和第十mos管m10也不同时导通。

具体地，当sel为高电平、selb为低电平时，第九mos管m9关断，第十mos管m10导通，比较器反相输入端的电压vr等于电阻r1与mos管m8连接点的电压vl。第三mos管m3、第五mos管m5、第六mos管m6、第七mos管m7导通，此时，电容c处于放电状态，电容c通过第五mos管m5和第七mos管m7放电，比较器的同相输入端的电压vch降低，当vch＜vr时，比较器的输出电压由高电平翻转为低电平，经过反相器后，selb翻转为高电平、sel翻转为低电平。

当sel为低电平、selb为高电平时，第九mos管m9导通，第十mos管m10关断，比较器的反相输入电压vr等于参考电压vrefh。第四mos管m4导通，第五mos管m5关断，电流i2通过第四mos管m4给电容c充电，此时，电容c处于充电状态，使比较器的同相输入端的电压vch升高。当vch＞vh时，比较器输出由低电平翻转为高电平。

在本实施例中，由于第六mos管m6的宽长比大于第七mos管m7的宽长比，使得第六mos管m6输出的电流i2和第七mos管输出的电流i3不同。具体地，当第六mos管m6的宽长比为第七mos管m7的宽长比的m(m>1)倍时，第六mos管m6流过的电流i2和第七mos管m7流过的电流i3的比值为m:1(i2:i3＝m:1)，因此电容c的放电电流i3为充电电流i2的1/m倍，通过减小放电电流延长放电时间，从而可以有效地降低振荡频率，进一步降低振荡器功耗。

在一个实施例中，如图5和图6所示，分压电路102包括第一电阻r1和分压元件1021，第一电阻r1的一端与第一mos管m1的漏接连接，第一电阻r1的另一端与第十mos管m10和分压元件1021的一端分别连接，分压元件1021的另一端接地。通过分压元件1021抬高第十mos管m10的源极电压，避免其直接接地。

在本实施例中，分压电路采用分压元件，分压元件的一端作为第二参考电压，第二参考电压的输出端经过开关控制电路的第十mos管后与比较器的第二输入端连接，可以进一步减少振荡器的面积，降低功耗。

在一个实施例中，如图5和图6所示，分压元件1021包括场效应管m8，场效应管m8的栅极和漏极分别与第一电阻r1连接，场效应管m8的漏极与第十mos管m10的源极连接，场效应管m8的源极接地。

在本实施例中，分压元件采用场效应管，场效应管的漏极与第十mos管的源极连接，场效应管导通时其源漏极之间具有一定压降，从而可实现分压效果，避免第十mos管m10的源极直接接地。而且场效应管的导通压降较小，相对常见的电阻分压来说，可减小功率损耗。

在一个实施例中，分压元件1021包括三级管，三级管的集电极和基极接地，发射极与第一电阻r1连接。三极管导通时其集电极与发射极之间具有一定压降，从而可实现分压效果，避免第十mos管m10的源极直接接地。而且场三级管的导通压降较小，相对常见的电阻分压来说，可减小功率损耗。

在一个实施例中，如图5和图6所示，振荡器100还包括波形整形电路106，波形整形电路106与第二反相器inv2的输出端连接，用于对第二反相器inv2的输出信号进行波形整形。

其中，为了便于理解，上述各实施例均以单比较器振荡器为例进行说明。可以理解的是，本实用新型也可适用于包括多个比较器的振荡器。以双比较器振荡器为例，上述振荡器可包括第一比较器和第二比较器，其中第一比较器的一个输入端和第二比较器的一个输入端分别同时连接电流源的一个输出支路和分压电路，第一比较器的另一个输入端和第二比较器的另一个输入端分别连接充放电结构电路中的不同支路，且分别通过不同的电容接地。第一比较器的输出端和第二比较器的输出端分别通过锁存器连接上述的至少一个反相器。例如，第一比较器的同相输入端和第二比较器的同相输入端分别与电阻r1和第一mos管m1漏极的连接节点相连；第一比较器的反相输入端连接第九mos管m9的源极和第十mos管m10的漏极，并通过第一电容接地；第二比较器的反相输入端连接第四mos管m4的漏极和第五mos管m5的漏极，并通过第二电容接地。在该包括至少两个比较器的电路结构中，通过在电流源中选用宽长比合适的mos管，减小至少一电流输出支路的输出电流，或者控制充放电结构电路的充电电流大于放电电流，同样可实现降低振荡频率和功耗的效果。

在一个实施例中，如图7所示，本实用新型提供一种集成电路，集成电路200包括如上述实施例所述的振荡器100。

在一个实施例中，如图8所示，本实用新型提供一种电子设备，电子设备包括如上述实施例所述的集成电路200。

需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素。

上述本实用新型实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

上面结合附图对本实用新型的实施例进行了描述，但是本实用新型并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本实用新型的启示下，在不脱离本实用新型宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本实用新型的保护之内。