专利名称：具有调频功能的单开关控制振荡器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及振荡器，具体涉及一种具有调频功能的单开关控制振荡器。
背景技术：
振荡器电路在集成电路中早已得到广泛的应用，作用在于为系统电路提供 时钟信号。技术的不断发展和进步，对集成电路系统的功耗提出了更高的要求。 振荡器电路决定系统的工作频率，能否在很宽的输出负载范围内，根据负载大 小自动调节系统的工作频率对于提高系统在不同负载下的效率有着重要的意 义。因此振荡器电路的设计成为系统低功耗解决方案中的关注热点。
现有的振荡器一般采用双开关控制充放电，并通过减小电容的放电电流来 增大电容的放电时间，从而降低振荡器的输出信号频率，以便在轻载或空载时 节省功耗。但采用双开关分别控制电容充放电的方式使控制过程不统一，切换 时间较长，而减小电容的放电电流只能单一地对电容的放电时间进行控制，不 利于对时钟频率进行精确控制。
实用新型内容
有鉴于此，本实用新型的目的在于提供一种具有调频功能的单开关控制振 荡器，该振荡器采用单开关控制充放电结构，使控制结构更简单，切换更迅速， 并可以通过调节电容充放电电压的范围实现对电容的充放电时间同时进行控
帝u，得到较理想、较精确的调频范围。
为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案如下
一种具有调频功能的单开关控制振荡器，包括振荡单元和频率调控单元， 其特征在于，所述振荡单元包括一个电容、与该电容的第一端连接的第一电流 源和第二电流源、 一个具有三个输入端的比较器，其中比较器的第一输入端与 电容的第一端连接，电容的第二端接地；所述频率调控单元通过提高第一参考 电压增大所述电容的充放电时间，减小振荡器的输出信号频率。
所述第一电流源产生第一电流用于向所述电容充电，第二电流源产生第二 电流用于使所述电容放电。
所述电容的第一端和第二电流源之间连接有开关，开关的断开和闭合控制 所述电容的充电和放电，所述开关的断开和闭合由比较器的输出信号控制。
所述频率调控单元包括一个差分电路，该差分电路的一路输入为第二参考 电压，该第二参考电压为系统产生的第二基准电压，另一路输入为系统的反馈 电压，该差分电路提供电流给一电阻，使该电阻上产生叠加到系统产生的第一 基准电压上的分量电压。
所述频率调控单元包括一个电压叠加电路，用于将所述第一基准电压与所 述分量电压叠加，叠加后的电压输入到比较器的第三输入端。
所述比较器的第三输入端的电压与第二输入端的电压之差为第一参考电 压，该第二输入端电压为系统产生的第三基准电压。
所述比较器的输出端输出时钟信号。
所述比较器的输出端连接一反相器的输入端，该反相器的输出端输出时钟 信号。
本实用新型一种具有调频功能的单开关控制振荡器，包括振荡单元和频率 调控单元，主要应用在PWM电源转换系统中。振荡单元的充电电路和放电电路 共用一个开关进行控制，通过电容充电和放电的切换，得到一定频率和占空比 的时钟信号。频率调控单元通过提高第一参考电压增大电容的充放电电压，从 而增加切换时间，减小振荡器的输出信号频率，实现系统在轻载或空载的时候 节省功耗。
第一参考电压由比较器的第三输入端和第二输入端的电压差决定。起始状 态下，比较器输出端输出低电平，开关断开。当振荡单元的第一电流源充电使 电容上的电压增加值达到第一参考电压大小时，比较器的输出跳变，开关闭合， 电容放电，当电容上的电压减少值达到第一参考电压大小时，比较器的输出再 次跳变，开关重新断开。如此重复，输出一个频率和占空比固定的时钟信号。
系统在轻载或空载的时候，系统提供的反馈电压降低，当该反馈电压接近 或小于第二参考电压的时候，通过电压叠加电路将一个分量电压与系统产生的
第一基准电压叠加，使比较器第三输入端的电压增大，第一参考电压增大，使 电容的充放电时间增大，时钟信号频率减小。
本实用新型的有益效果在于，采用单开关控制充放电结构，使控制结构更 简单通过调节电容充放电电压的范围，实现对电容的充放电时间同时进行控
制，得到较理想调频范围；通过对具体电路参数的设置，本实用新型可以精确 地控制时钟信号的最小频率，为系统提供了一个简单、合理、有效的低功耗解 决方案。
以下结合附图和具体实施方式
对本实用新型作进一步的阐述。
图1是本实用新型具有调频功能的单开关控制振荡器的原理结构图2是本实用新型在集成电路应用中的具体电路图。
具体实施方式
如图1所示，电压源VDD通过第一电流源II与电容C的第一端连接，提 供第一龟流II。电容C的第一端通过开关SW1与第二电流源12连接，第二电 流源提供第二电流12。电容C的第二端接地，其第一端还与比较器comp的第 一输入端VRAMP连接。比较器comp的输出端与反相器Ul的输入端连接，反 相器U1的输出端输出时钟信号CLK。
第二参考电压VREF与系统的反馈电压VFB是差分电路U2的两路输入， 第二参考电压VREF是系统产生的第二基准电压。差分电路U2用于提供分量电 压VADD。分量电压VADD和系统产生的第一基准电压VH0通过电压叠加电路 U3叠加，叠加后的电压信号输入到比较器comp的第三输入端VH。输入到比较 器comp的第二输入端VL的电压是系统产生的第三基准电压。第一参考电压的 值为比较器comp的第三输入端VH和第二输入端VL的电压差值。
比较器comp的输出信号控制开关SWl的断开和闭合。起始状态下，比较 器comp输出低电平，开关SW1断开。当第一电流源Il以第一电流Il向电容C 充电，使电容C上的电压增加值达到第一参考电压大小时，比较器comp的输出 跳变为高电平，开关SWl闭合，电容C通过第二电流源12放电，放电电流1=12-11 ， 当电容C上的电压减少值达到第一参考电压大小时，比较器comp的输出跳变为 低电平，开关SW1重新断开。如此重复，输出一个频率和占空比固定的时钟信 号CLK。
系统在轻载或空载的时候，系统的反馈电压VFB降低，当该反馈电压VFB 接近或小于第二参考电压VREF的时候，通过电压叠加电路U3将分量电压 VADD与第一基准电压VH0叠加，比较器comp的第三输入端VH的电压增大.
第一参考电压增大，使电容C的充放电时间增大，时钟信号CLK的频率减小。
如图2所示为本实用新型在集成电路应用中的具体电路图。基准电流从引 脚1—OSC注入，引脚I—OSC和NMOS管M103的漏极连接，NMOS管M103 的源极与NMOS管M101的漏极连接。NMOS管M101的漏极与栅极相连。NMOS 管MlOl、 NMOS管M9和NMOS管M168的栅极连接在一起，源极都与接地 端连接，组成两对电流镜像电路，NMOS管M101将基准电流镜像注入NMOS 管M9和NMOS管M168。镜像电流的比例由组成镜像的MOS管的尺寸、数量 等具体参数决定。NMOS管M103、 NMOS管Mill和NMOS管Ml 17的栅极 连接在一起，它们的源极分别与NMOS管M1(H、 NMOS管M9和NMOS管 M168的漏极连接，它们的作用在于减少高阶效应对前面所述两对电流镜像电路 镜像准确度的影响，使基准电流通过NMOS管M101精确镜像到NMOS管M9 和NMOS管M168。 NMOS管M168和NMOS管M117构成第二电流源12，提 供第二电流12。 PMOS管M4、 PMOS管M2和PMOS管M123的源极都连接到 电压源VDD上，栅极连接在一起，组成另两对电流镜像电路。PMOS管M3、 PMOS管Ml和PMOS管M124的作用也在于减少高阶效应对电流镜像电路镜 像准确度的影响。连接关系同理于前，不再累述。PMOS管M3的漏极与NMOS 管Mill的漏极连接，PMOS管M4、 PMOS管M3与NMOS管Mlll、 NMOS 管M9在同一条通路上，流过的电流相同。PMOS管M4将此电流镜像到PMOS 管M2和PMOS管M123，镜像电流的比例由组成镜像的MOS管的具体参数决 定。PMOS管M2和PMOS管Ml构成第一电流源Il，提供第一电流Il。 PMOS 管M123和PMOS管M124提供电流B。.
开关SW1由NMOS管M118构成，其漏极与PMOS管Ml连接，源极和 NMOS管M117相连，栅极与比较器comp的输出端VOUT连接。NMOS管Ml ]8 的截止和导通即开关SW1的断开和闭合受比较器comp的输出端VOUT的输出 信号控制。起始状态下，比较器comp输出低电平，丽OS管MU8截止，开关 SW1断开。第一电流源II以第一电流II向电容C充电，当电容C上的电压 VRAMP的增加值达到第一参考电压大小时，比较器comp的输出跳变为高电平, NMOS管M118导通，开关SW1闭合，电容C通过第二电流源12放电，放屯 电流1=12-11，当电容C上的电压VRAMP减少值达到第 一参考电压大小时，比 较器comp的输出跳变为低电平，NMOS管Ml]8截止，开关SWl重新断开c
如此重复，输出一个频率和占空比固定的时钟信号CLK。
NMOS管M118的漏极通过电容C接地，该漏极同时还与比较器comp的第 —输入端VRAMP连接。差分电路由PMOS管M121 、 M120和NMOS管M129、 M130构成。PMOS管M121、 M120构成差分对管，它们的源极都与PMOS管 M124的漏极连接。NMOS管M129和NMOS管M130的源极都接地，其中每 个管子的漏极和栅极相连，NMOS管Mi29的漏极与PMOS管M121的漏极连 接，NMOS管M130的漏极与PMOS管M120的漏极连接，作为差分对管的负 载。第二参考电压VREF输入到PMOS管M121的栅极，系统的反馈电压VFB 输入到PMOS管M120的栅极。NMOS管M130和NMOS管M128的栅极相连， 源极都接地，组成电流镜像电路。NMOS管M128的漏极通过电阻R与运放opamp 的输出端VO连接。运放叩amp构成了电压叠加电路，其输入端正极VP接收 系统的第一基准电压VH0，输入端负极VN与NMOS管M28的漏极连接。运 放opamp的输出端VO与比较器comp的第三输入端VH连接。比较器comp的 第二输入端VL接收系统产生的第三基准VL，其输出端VOUT与反相器Ul的 输入端连接，反相器U1的输出端输出时钟信号CLK。
运放opamp构成一个缓冲器，根据运放的性质，可以得到其输出端VO的 电压为VO-VH0+VADD，其中分量电压VADD=Ir*R， Ir为电阻R上的电流， 也就是NMOS管M128上的电流。所以比较器comp的第三输入端VH的电压 为VH=VO=VH0+VADD- VH0+Ir*R。
系统正常工作状态下，第二参考电压VREF小于系统的反馈电压VFB，电 流13全部通过NMOS管M129流走，NMOS管M130上没有电流，镜像到NMOS 管M128上也没有电流，此时I产0， VADD-O， VH=VH0,第一参考电压即电容 C充放电的电压为V-VH-VL-VHO-VL。
当系统的反馈电压VFB接近甚至低于第二参考电压VREF， PMOS管M120 开始分流，并通过NMOS管M130镜像放大到NMOS管M128，放大比例由两 个管子的参数决定。此时电阻R上的电流Ir增大，比较器comp的第三输入端 VH的电压增大，第一参考电压V-VH-VL增大，电容C充电时间为TC=C*V/)， 放电时间为TD^C，/(12-11)，因为第一电流Il和第二电流I2不变，所以周期 加长，频率减小，系统进入低功耗动作模式。在此我们假设NMOS管M130和 NMOS管M)28之间的镜像放大比例为！ N，且N大于1 ，则NMOS管VH28
上的最大电流为Ir=N*I3，最大VH= VHO+Ir*R= VHO+N*I3*R。适当调节N、 13或R，可以控制电容C充放电周期的最大值，也就是控制系统时钟信号CLK 的最小频率。
权利要求1.一种具有调频功能的单开关控制振荡器，包括振荡单元和频率调控单元，其特征在于，所述振荡单元包括一个电容、与该电容的第一端连接的第一电流源和第二电流源、一个具有三个输入端的比较器，其中比较器的第一输入端与电容的第一端连接，电容的第二端接地；所述频率调控单元通过提高第一参考电压增大所述电容的充放电时间，减小振荡器的输出信号频率。
2. 如权利要求1所述的具有调频功能的单开关控制振荡器，其特征在于所 述第一电流源产生第一电流用于向所述电容充电，第二电流源产生第二电流用 于使所述电容放电。
3. 如权利要求1所述的具有调频功能的单开关控制振荡器，其特征在于所 述电容的第一端和第二电流源之间连接有开关，开关的断开和闭合控制所述电 容的充电和放电，所述开关的断开和闭合由比较器的输出信号控制。
4. 如权利要求l所述的具有调频功能的单开关控制振荡器，其特征在于所 述频率调控单元包括一个差分电路，该差分电路的一路输入为第二参考电压， 该第二参考电压为系统产生的第二基准电压，另一路输入为系统的反馈电压， 该差分电路提供电流给一电阻，使该电阻上产生叠加到系统产生的第一基准电 压上的分量电压。
5. 如权利要求4所述的具有调频功能的单开关控制振荡器，其特征在于所 述频率调控单元包括一个电压叠加电路，用于将所述第一基准电压与所述分量 电压叠加，叠加后的电压输入到比较器的第三输入端。
6. 如权利要求1或5所述的具有调频功能的单开关控制振荡器，其特征在 于所述比较器的第三输入端的电压与第二输入端的电压之差为第一参考电压， 该第二输入端电压为系统产生的第三基准电压。
7. 如权利要求1所述的具有调频功能的单开关控制振荡器，其特征在于所 述比较器的输出端输出时钟信号。
8. 如权利要求l所述的具有调频功能的单开关控制振荡器，其特征在于所 述比较器的输出端连接一反相器的输入端，该反相器的输出端输出时钟信号。
专利摘要一种具有调频功能的单开关控制振荡器，属于电子技术领域。该实用新型包括振荡单元和频率调控单元，其特征在于，振荡单元包括一个电容、与该电容的第一端连接的第一电流源和第二电流源、一个具有三个输入端的比较器，其中比较器的第一输入端与电容的第一端连接，电容的第二端接地；频率调控单元通过提高第一参考电压增大所述电容的充放电时间，减小振荡器的输出信号频率。本实用新型的有益效果在于，采用单开关控制充放电结构，使控制结构更简单；能对电容的充放电时间同时进行控制，得到较理想调频范围；通过对具体电路参数的设置，可以精确地控制时钟信号的最小频率，为系统提供了一个简单、合理、有效的低功耗解决方案。
文档编号H03B5/00GK201066834SQ200720151400
公开日2008年5月28日 申请日期2007年7月13日 优先权日2007年7月13日
发明者姚建安 申请人:绿达光电(苏州)有限公司