用于生成时钟信号的振荡器电路的制作方法

本发明涉及振荡器，并且具体地涉及用于生成时钟信号的振荡器和方法。

背景技术：

振荡器电路在许多电子电路应用中被发现，并且通常用于生成时钟信号，该时钟信号控制电路的时序或者控制装置的逻辑状态。例如，可以结合诸如DC/DC转换器、音频接收器、计数器、移位模块、微处理器以及FM(频率调制)电路的电路来使用振荡器电路。

通常，一个或多个电容器的充电和放电主要确定振荡器电路提供的时钟信号的频率。这样的充电和放电通常由向电容器供应充电电流的恒流源或电流镜来控制，并且通过控制跨电容器耦合的晶体管来对放电进行作用。然而，现有技术的振荡器需要向对大数目的电路部件，并且因此其功耗需求较大，且硅材料的成本较高。

技术实现要素：

在一个实施例中，本发明提供了一种振荡器电路，该振荡器电路包括充电电流源、至少一个电压参考源以及第一复用器。第一复用器具有公共节点、放电节点、至少一个第一复用器控制节点以及耦合到充电电流源的充电节点。在操作中，第一复用器控制节点控制第一复用器来将公共节点选择性耦合到放电节点或充电节点。还存在第二复用器，该第二复用器具有共享节点、耦合到至少一个电压参考源的参考节点、至少一个第二复用器控制节点以及耦合到接地轨的接地节点。在操作中，第二复用器控制节点控制第二复用器来将共享节点选择性地耦合到参考节点或接地节点。

振荡器电路包括电容器，该电容器具有耦合到公共节点的第一电极以及耦合到共享节点的第二电极。比较器具有耦合到电容器的第一电极的第一输入、耦合到至少一个电压参考源的第二输入，并且将比较器输出耦合到第一控制节点和第二控制节点。放电电流沉(current sink)将放电节点耦合到接地轨，并且将振荡器输出耦合到比较器输出。

在另一实施例中，本发明提供了一种振荡器电路，该振荡器电路包括充电电流源以及至少一个电压参考源和第一复用器。第一复用器具有公共节点、放电节点和耦合到充电电流源的充电节点。在操作中，公共节点被选择性地耦合到放电节点或充电节点。第二复用器具有共享节点、耦合到至少一个电压参考源的参考节点以及耦合到接地轨的接地节点。在操作中，将共享节点选择性地耦合到参考节点或接地节点。

振荡器电路还包括电容器，该电容器具有耦合到公共节点的第一电极以及耦合到共享节点的第二电极。比较器具有耦合到电容器的第一电极的第一输入、耦合到至少一个电压参考源的第二输入以及耦合到第一复用器和第二复用器的控制输入的比较器输出。放电电流沉将放电节点耦合到接地轨，并且将振荡器输出耦合到比较器输出。在操作中，比较器输出提供控制第一复用器和第二复用器的信号。因此，当电容器的第一电极上的电压低于比较器的第二输入上的参考电压时，将充电节点耦合到公共节点，并且将接地节点连接到共享节点。此外，当电容器的第一电极上的电压高于比较器的第二输入上的参考电压时，将放电节点耦合到公共节点，并且将参考节点耦合到共享节点。

在本发明的又一实施例中，提供了一种用于在振荡器电路的输出处生成时钟信号的方法。该方法包括检测电容器的第一电极上的电压上升到阈值的时间。该检测在比较器的输入处进行，其中通过第一复用器将电容器的第一电极连接到充电电流源，并且通过第二复用器将电容器的第二电极连接到接地轨。

该方法在电容器的第一电极上的电压达到阈值时执行对第一复用器和第二复用器进行切换。这导致第一电极与充电电流源断开连接而被连接到放电电流沉，并且导致第二电极与接地轨断开连接而被连接到电压参考源。还在第一电极上的电压降低到阈值时执行检测处理。该检测在比较器的输入处进行，并且在将第一电极连接到放电电流沉并且将第二电极连接到电压参考源时执行。该方法还在电容器的第一电极上的电压降低到阈值时执行对第一复用器和第二复用器进行切换。这导致第一电极与放电电流沉断开连接而被连接到充电电流源，并且第二电极与电压参考源断开连接而被连接到接地轨。该方法还包括从比较器的输出生成时钟信号。

附图说明

可以通过参考以下对优选实施例的描述以及附图来最好地理解本发明及其目的和优点，在附图中：

图1是现有技术的振荡器电路的电路图；

图2是根据本发明的优选实施例的振荡器电路的电路图；

图3是根据本发明的另一优选实施例的振荡器电路的电路图；

图4是根据本发明的又一优选实施例的振荡器电路的电路图；

图5是图示根据本发明的优选实施例的用于在振荡器电路的输出处生成时钟信号的方法的流程图；

图6是图示根据本发明的优选实施例的通过图2或图3中的振荡器电路所生成的信号的时序图；以及

图7是图示根据本发明的另一优选实施例的通过图4的振荡器电路所生成的信号的时序图。

具体实施方式

以下结合附图进行的详细描述意在作为本发明当前优选实施例的描述，而不意在表示可以以其实践本发明的仅有形式。应当理解，被包括在本发明精神和范围内的不同实施例可以实现相同或等同的功能。

在附图中，相同附图标记用于指示相同的元件。此外，术语“包括”或其变体都意在涵盖非排他性包括，使得包括一系列元素的模块、电路、设备部件、方法步骤和结构不仅包括那些元素，而且还可以包括没有明确列出或这样的模块、电路、步骤或设备部件所固有的其他元素。由“包括”所引导的元件或步骤在没有更多约束的情况下不排除存在包括该元素或步骤的其他相同的元件或步骤。此外，在本说明书中，作为相关和有关的术语，术语栅极、源极和漏极可以分别与基极、发射极和集电极互换。类似地，当在适当情况下，电荷(当与电容器相关联时)和电压可以适当互换。

参考图1，示出了常规振荡器100的电路图。振荡器100包括恒流源101，该恒流源101耦合在一侧的电源电压节点VDD与另一侧的第一参考晶体管102的漏极和栅极之间。将第一参考晶体管102的栅电极耦合到第一镜像晶体管103的栅电极，并且将晶体管102、103的源电极都耦合到返回电压节点(地GND)。

第二参考晶体管104的源电极耦合到电源电压节点VDD，并且第二参考晶体管104的栅电极耦合到其自己的漏电极。将第二参考晶体管104的栅电极还耦合到第一镜像晶体管103的漏电极并且耦合到第二镜像晶体管105的栅电极。将第二镜像晶体管105的源极耦合到电源电压节点VDD，并且将第二镜像晶体管105的漏极耦合到置位电容器106的第一电极。将置位电容器106的第二电极耦合到地GND，并且还将置位电容器106的第一电极耦合到置位放电晶体管107的漏电极和置位比较器108的正输入。

振荡器100还包括置位-复位锁存器109，该置位-复位锁存器109具有耦合到置位比较器108的输出的置位输入S。还存在第三镜像晶体管110，该第三镜像晶体管110具有耦合到电源电压节点VDD的源电极、耦合到第二参考晶体管104的栅电极的栅电极、以及耦合到复位电容器111的第一电极的漏电极。将复位电容器111的第二电极耦合到地GND，并且还将复位电容器111的第一电极耦合到复位放电晶体管112的漏电极和复位比较器113的正输入二者。将复位比较器113的输出耦合到置位-复位锁存器109的复位输入R，并且将比较器108、113的负输入都耦合到公共阈值电压参考节点Vref。

将置位-复位锁存器109的输出耦合到复位放电晶体管112的栅电极，并且将置位-复位锁存器109的输出Q耦合到置位放电晶体管107的栅电极。置位放电晶体管107和复位放电晶体管112具有耦合到地GND的源电极，并且如示，将输出节点OUT耦合到置位-复位锁存器109的输出Q。在输出节点OUT处提供时钟信号Sf，并且该时钟信号Sf的频率取决于置位和复位电容器106、111的充电速率。

对本领域技术人员来说显而易见的是，振荡器100是用于通过控制电容器106、111的充电速率来生成时钟信号的现有技术电路的典型示例。这样的电路需要相对大数目的部件，并且因此其功耗需求较大，且硅材料的成本较高。

图2是根据本发明的优选实施例的振荡器电路200的电路图。振荡器电路200包括由充电电流参考晶体管202和充电电流镜像晶体管203形成的充电电流镜201形式的充电电流源。晶体管202、203的栅极耦合在一起，并且还耦合到充电电流参考晶体管202的漏电极，而晶体管202、203的源电极都耦合到电源电压线VDD。

第一复用器204具有公共节点207、放电节点208、互补的第一复用器控制节点209、210、以及耦合到充电电流镜像晶体管203的漏电极的充电节点211。在操作中，互补的第一复用器控制节点209、210控制第一复用器204来选择性地将公共节点207耦合到放电节点208或充电节点211。

第二复用器212具有共享节点215、参考节点216、互补的第二复用器控制节点217、218、以及耦合到接地轨GND的接地节点219。在操作中，互补的第二复用器控制节点217、218控制第二复用器212来选择性地将共享节点215耦合到参考节点216或接地节点219。

电容器220具有耦合到公共节点207的第一电极以及耦合到共享节点215的第二电极。比较器221具有耦合到电容器220的第一电极的第一输入(在本实施例中为非反相输入)。将比较器221的第二输入(在本实施例中的反相输入)耦合到第二复用器212的参考节点216。比较器221具有比较器输出，将该比较器输出耦合到互补的第一控制节点209、210，并且还耦合到互补的第二控制节点217、218。

振荡器电路200还包括放电电流镜222形式的放电电流沉，其将放电节点208耦合到接地轨GND。放电电流镜222由放电电流参考晶体管223和放电电流镜像晶体管224形成。将晶体管223、224的栅电极耦合在一起，并且还耦合到放电电流参考晶体管223的漏电极，而将晶体管223、224的源电极耦合到接地轨GND。

在本实施例中，第一复用器204由串联耦合的NMOS晶体管205、206形成，其中晶体管205的栅极被耦合到控制节点209并且晶体管206的栅极被耦合到控制节点210。类似地，第二复用器212由串联耦合的NMOS晶体管213、214形成，其中晶体管213的栅极被耦合到控制节点217，并且晶体管214的栅极被耦合到控制节点218。

振荡器电路200还具有反相器225，反相器225的输入耦合到比较器输出OUT，并且反相器225的输出耦合到振荡器输出OUT，因此反相器225将振荡器输出OUT耦合到比较器输出。反相器还将比较器输出耦合到互补的第一复用器控制节点209以及互补的第二复用器控制节点218。相反，比较器输出被直接耦合到互补的第一复用器控制节点210和互补的第二复用器控制节点217。反相器225由互补串联耦合的PMOS和NMOS晶体管226、227形成，这对于本领域技术人员来说是显而易见的。

将放电电流镜像晶体管224的漏电极耦合到放电节点208。而经由恒流源228耦合充电电流参考晶体管202和放电电流参考晶体管223的漏电极。在本实施例中，仅存在耦合到参考节点216和比较器221的第二(反相)输入的单个恒定电压参考源229。在操作中，恒定电压参考源229提供恒定参考电压Vref。

参考图3，示出了根据本发明的另一优选实施例的振荡器电路300的电路图。振荡器电路300类似于振荡器电路200，并且因此为了避免重复而而仅描述不同之处。振荡器电路300具有替代第一复用器204的第一复用器304，以及替代第二复用器212的第二复用器312。第一复用器304具有直接耦合到比较器221的输出的单个控制节点309。第一复用器304由晶体管的互补对形成，该晶体管的互补对是PMOS晶体管305和NMOS晶体管206，其中它们的栅电极都耦合到单个控制节点309。类似地，第二复用器312具有通过反相器225耦合到比较器221的输出的单个控制节点317。第二复用器312由晶体管的互补对形成，该晶体管的互补对是PMOS晶体管313和NMOS晶体管214，其中它们的栅电极都耦合到单个控制节点317。在本实施例中，恒定电压参考源229提供参考电压Vref，该参考电压Vref的最大电压值是在电源电压线VDD和接地轨GND之间提供的最大电源电压的一半。

图4是根据本发明的又一优选实施例的振荡器电路400的电路图。振荡器电路400类似于振荡器电路300，并且因此为了避免重复，仅描述不同之处。振荡器电路400具有提供第二参考电压Vref2的第二恒定电压参考源429，而恒定电压参考源229提供参考电压Vref1。将恒定电压参考源229耦合到比较器221的第二输入(反相输入)，而不耦合到参考节点216，并且将第二恒定电压参考源429耦合到参考节点216。

图5是图示根据本发明的优选实施例的在振荡器电路的输出OUT处生成时钟信号Sf的方法500的流程图。可以使用振荡器电路200、300或400来实现该方法500，并且为了更好地解释方法500，将参考振荡器电路200来进行描述。然而，应当理解，该方法500不限于在振荡器电路200上执行。因此，虽然在该方法500中涉及反相输入，但是应当理解，术语反相输入仅用于清楚地说明振荡器电路200所执行的检测过程。因此，显而易见的是，当方法500在其他振荡器实施例上执行时，非反相输入也可能用于检测过程。

在框510中，方法500执行对在电容器220的第一电极上的电压何时上升到阈值Vref进行检测的处理。该检测在比较器221的非反相输入处进行，并且如上所述，电容器220的第一电极通过第一复用器204连接到充电电流源(充电电流镜201)。而且，电容器220的第二电极通过第二复用器212连接到接地轨GND。然后，在框520处，方法500在电容器220的第一电极上的电压已经达到阈值Vref时，执行第一和第二复用器204、212的切换。该切换导致电容器220的第一电极与充电电流源断开连接，并且连接到放电电流沉(放电电流镜222)。此外，电容器220的第二电极与接地轨GND断开连接，并且连接到电压参考源229。

在框530处，执行对在电容器220的第一电极上的电压何时降低到阈值Vref进行检测的处理。该检测在比较器221的非反相输入处执行，同时电容器220的第一电极连接到放电电流沉，并且电容器220的第二电极连接到电压参考源229。然后，在框540处，执行第一和第二复用器204、212的切换处理。当电容器220的第一电极上的电压降低到阈值Vref时，在框540处，发生该切换处理，以使得第一电极与放电电流沉断开连接，并且连接到充电电流源。该切换处理还支持电容器220的第二电极与电压参考源229断开连接，并且连接到接地轨GND。在框550处，该方法500执行从比较器221的输出生成时钟信号Sf。

如上所述，显而易见的是，当振荡器电路200、300、400的优选实施例处于进行操作时，公共节点被选择性地耦合到放电节点或充电节点。而且，显而易见的是共享节点选择性地耦合到参考节点或接地节点。

参考图6，示出了根据本发明的优选实施例的，通过振荡器电路200、300生成的信号的时序图。显而易见的是，振荡器电路200、300在进行操作时，它们被配置为使得公共节点207被选择性地耦合到放电节点208或充电节点211。而且，当进行操作时，共享节点215选择性地耦合到参考节点216或接地节点219。如示，在时间T0和T1之间，电容器220的第一电极(VUP)从0伏特被充电为Vref。这是因为通过选择性地将公共节点207耦合到充电节点211，并且将共享节点215选择性地耦合到接地节点219，来将电容器220耦合在充电电流镜221和接地轨GND之间。

在时间T1处，第一电极(VUP)的电压已经达到参考电压Vref，并且因此比较器221的输出从零切换为电源轨电压(VDD)，由此对复用器204、212进行切换。这导致电容器220被选择性地耦合在放电电流镜222和电压参考源229之间。由于公共节点207选择性地耦合到放电节点208，并且共享节点215选择性耦合到参考节点216而发生这种情况。在时间T1处的第一电极(VUP)的电压是2Vref，并且该电压在时间T1和T2之间释放。

在时间T2处，第一电极(VUP)的电压达到被施加到比较器221的反相输入的阈值或者参考电压Vref。因此，比较器221的输出从VDD降低到零伏特，并且因此，复用器204、212进行切换。这导致电容器220再次耦合在充电电流镜201和接地轨GND之间。因此，电容器220的第一电极(VUP)的电压降低到零伏特，并且然后在时间T2至T3期间从0伏特充电为Vref。

如图所示，电容器220的第二电极(Vlow)上的电压在T0至T1以及T2至T3的时间段之间为零伏特，而生成时钟信号Sf的输出电压等于电源轨电压(VDD)。在T1和T2之间的时间段期间，第二电极(Vlow)上的电压等于Vref，并且输出电压Vout等于零伏特(GND)。

图7示出了说明根据本发明的另一优选实施例的，由振荡器电路400生成的信号的波形或时序图。显而易见的是，振荡器电路400在进行操作时被配置使得公共节点207选择性地耦合到放电节点208或充电节点211。而且，在进行操作时，共享节点215选择性地耦合到参考节点216或接地节点219。如示，在时间T0和T1之间，电容器220的第一电极(VUP)从0伏特被充电为Vref1。这是因为通过将公共节点207选择性地耦合到充电节点211并且将共享节点215选择性耦合到接地节点219来将电容器220耦合在充电电流镜221和接地轨GND之间。

在时间T1处，第一电极(VUP)处的电压已经达到参考电压Vref1，并且因此，比较器221的输出从零切换到电源轨电压(VDD)，由此对复用器304、312进行切换。这导致电容器220选择性地耦合在放电电流镜222和供应第二参考电压Vref2的第二恒定电压参考源429之间。由于公共节点207选择性地耦合到放电节点208并且共享节点215选择性耦合到参考节点216而发生这种情况。在时间T1处的第一电极(VUP)的电压是Vref1+Vref2，并且该电压在时间T1和T2之间释放。

在时间T2处，第一电极(VUP)的电压达到被施加到比较器221的反相输入的阈值或参考电压Vref1。因此，该比较器221的输出从VDD降低到零伏特，并且因此对复用器304、312进行切换。因此，电容器220再次耦合在充电电流镜201和接地轨GND之间。因此，电容器220的第一电极(VUP)的电压降低到零伏特，并且然后在时间T2至T3期间从0伏特充电为Vref1。

如示，电容器220的第二电极(Vlow)上的电压在T0至T1以及T2至T3的时间段之间为零伏特，而生成时钟信号Sf的比较器的输出电压等于电源电压(VDD)。在T1和T2之间的时间段期间，第二电极(Vlow)上的电压等于Vref2，并且输出电压Vout等于零伏特(GND)。本领域技术人员将明白的是，通过改变Vref1和Vref2的值，可以改变时钟信号Sf的占空比和频率，以满足特定应用需要。

总之，在参考振荡器电路200进行的上述说明中，在操作中，比较器输出提供来控制第一和第二复用器204、212的信号。当电容器220的第一电极(Vup)上的电压低于比较器221的反相输入上的参考电压Vref时，将充电节点211耦合到公共节点207，并且将接地节点219耦合到共享节点215。替代地，当电容器220的第一电极Vup上的电压高于比较器221的反相输入上的参考电压Vref时，将放电节点208耦合到公共节点207，并且将参考节点216耦合到共享节点215。

有利地，本发明提供了一种在不需要相对大数目的电路部件的情况下提供时钟信号的振荡器电路以及方法。因此，这允许在不需要相对大的功耗或相对较高的硅材料成本的情况下生成时钟信号。

出于解释和说明的目的已经对本发明的优选实施例进行了说明，而并不意在穷尽或将本发明限于所公开的形式。本领域技术人员将应当理解，在不脱离本发明的广义发明概念的情况下，可对上述实施例进行改变。例如，可以互换比较器的反相和非反相输入，以及对复用器进行互补修正，并且由此执行要求保护的本发明。因此，应当理解，本发明不限于所公开的特定实施例，而是涵盖由所附权利要求定义的本发明的精神和范围内的各种变型。