具有超低短路电流的低频振荡器的制作方法

本申请涉及低功率振荡器电路。

背景技术：

随着“物联网”(iot)变得更加普及，小型便携式或自动式设备由微电池或能量收集系统供电。在这种设备中，最小的功耗是重要的。在许多这样的设备中，可以使用以低频操作的振荡器。在许多情况下，低频振荡器不需要具有良好的精度。

技术实现要素：

在所描述的示例中，锯齿波形发生器产生具有第一上升时间的锯齿波形。梳状波形电路具有经耦合以从锯齿波形发生器的输出接收锯齿波形的电源端子。梳状波形电路响应于锯齿波形而产生梳状波形。梳状波形具有的第二上升时间比第一上升时间快。

附图说明

图1是常规khz振荡器的框图。

图2是示出图1的振荡器的操作的一组波形。

图3是包括用于减小短路电流的梳状波形发生器的khz振荡器的框图。

图4是示出图3的振荡器的操作的一组波形。

图5是图3的khz振荡器的更详细框图。

图6是可以在图3中使用的梳状波形发生器的示意图。

图7是可以在图3中使用的另一个梳状波形发生器的示意图。

图8是可以在图3中使用的另一个梳状波形发生器的示意图。

图9是示出图8的khz振荡器的操作的一组电压曲线。

图10是包括占空比偏置发生器的khz振荡器的示意图。

图11是示出图10的占空比偏置发生器的操作的一组曲线。

图12是示出图10的振荡器的操作的一组波形。

图13是示出图10的khz振荡器在一系列参数上的操作频率的一组曲线。

图14是示出图10的khz振荡器在一系列参数上的功耗的一组曲线。

图15是示出图3、图7、图8和图10的khz振荡器的操作的流程图。

图16是包括低功率振荡器的示例系统的框图。

具体实施方式

在附图中，为了一致性，相同的元件由相同的附图标记表示。

小型低功率设备可用于广泛的应用，例如：住宅和工业传感器、医疗植入物、智能卡、iot节点和其他应用。对于这种应用，需要低“待机”或“静态电流”(iq)。为了实现仅几纳安(na)的iq，在极低频时钟上运行的s/h技术(采样和保持)可以提供良好的结果。例如，产生低频时钟信号的振荡器可以在低于10khz的范围内操作。

对于许多应用，产生低频时钟的振荡器不需要具有良好的精度，但需要具有非常低的电流消耗，因为振荡器必须连续操作并因此有助于iq。

张弛振荡器是常规低频振荡器架构。张弛振荡器是非线性电子振荡器电路，其产生非正弦重复输出信号，例如三角波或方波。该电路可以包括反馈回路，该反馈回路包含通过电阻对电容器或电感器重复充电直到其达到阈值水平并且然后再次使其放电的设备。这种设备的示例包括：(a)开关设备，例如晶体管、比较器、继电器或运算放大器；以及(b)负阻设备，例如隧道二极管。振荡器的周期取决于电容器或电感器电路的时间常数。开关设备在充电模式和放电模式之间迅速切换，并且因此产生不连续变化的重复波形，其可以被称为锯齿波形。

锯齿信号具有非常慢的信号转变，这可能导致跟踪锯齿信号的反馈回路的数字电路中的大的短路电流。这种短路电流可能限制10khz以下振荡器中的超低功率操作。

示例实施例包括梳状波形发生器电路，其用于跟踪锯齿信号并产生非常快的电压转变，从而减小后续数字缓冲器中的短路电流。如下面更详细描述的，该梳状波形发生器电路在常规电路上增加零额外电流。不是将锯齿信号直接连接到cmos(互补金属氧化物半导体)反相器/缓冲器的输入，而是通过使慢锯齿波形通过pmos(p型mos)晶体管将锯齿信号转换为快速边沿梳状波形。通过将该快速边沿波形连接到cmos反相器输入，cmos反相器内的短路电流大大降低。因此，通过缓冲器/反相器输入处的更快的边沿速率实现极小的短路电流。

图1是常规khz振荡器的框图。图2是示出图1的振荡器的操作的一组波形。在本说明书中，术语“khz振荡器”指的是在通常低于10khz的范围内操作的低频振荡器，但是一些示例可以在高于10khz的频率下操作。

在该示例中，锯齿波形由电容器101产生，电容器101由电流源102充电并由开关元件103放电。开关元件103由双边沿单触发(one-shot)电路104控制。cmos反相器105接收信号线110上的锯齿信号v1，其由图2的曲线210示出，并在信号线111上产生输出信号v2，其由图2的曲线211示出。触发器106响应于锯齿信号v1的每个下降沿而翻转(toggle)以在信号线112上产生方波信号φ，其由图2的曲线212示出。然后可以使用方波信号φ来启动开关设备103的每次激活。

假设振荡器100以大约1khz操作，锯齿信号v1的每个脉冲的上升转变时间大约为0.5ms。这导致反相器105缓慢地切换，如图2中的曲线211所指示的。当在设备的输出级中的上拉晶体管和下拉晶体管同时接通时，数字设备的这种缓慢切换可以生成“短路”电流。电流源102可以是生成连续静态电流的唯一部件，该连续静态电流可以仅为几纳安，但是短路电流可以导致振荡器100的100na或更多的平均电流消耗。

在另一种类型的低频振荡器中，可以使用基于晶体管泄漏的技术来减少电流消耗，但是该技术对于在宽范围的温度(例如-40℃至125℃)下的操作不稳定。

在另一种类型的低频振荡器中，通过电流偏置比较器接收慢斜坡信号(诸如锯齿信号)作为输入。这消除了短路电流，但它需要额外的偏置电流和比较器的参考电压。因此，在这种振荡器中，iq通常超过5na。

图3是包括用于减少反相器305和反相器308中的短路电流的梳状波形发生器320的khz振荡器300的框图。图4是示出振荡器300的操作的一组波形。通过将反相器305配置为在电流不足(current-starved)模式下操作，可以实现短路电流的减小。这可以通过经由电流源321向反相器305供应电力来完成。以这种方式，短路电流可以被限制为电流源321可以提供的最大值。该配置使得反相器305在反相器305的输出级中的nmos晶体管的nmos晶体管阈值电压(nchvt)附近的点处跳闸(trip)。nmos晶体管1035(图10)是示例。然而，仅通过这种改进，反相器305和反相器308中生成的短路电流可能保持高于期望值。

作为进一步的改进，梳状波形发生器320响应于由电容器301产生的慢锯齿波形，产生尖锐边沿的梳状波形v1(其可以由缓冲器/反相器305作为输入接收)。如图4的曲线409所示，梳状波形发生器320消耗(超过被消耗以在节点309上产生锯齿波形的电流的)零额外电流。

在该示例中，通过电容器301在节点309上产生锯齿波形，电容器301由电流源302充电并由开关元件303放电。开关元件303由双边沿单触发电路304(脉冲波形发生器)控制，该双边沿单触发电路304在信号线313上产生周期性脉冲信号“d-mono”，如图4中的曲线413所示。开关元件303可以是mos晶体管或是可以由单触发电路304控制的另一种类型的开关设备。梳状波形发生器320从节点309接收锯齿信号，并且响应于此而在信号线310上产生梳状波形v1。cmos反相器305：(a)接收信号线310上的梳状波形信号v1，其由图4的曲线410示出；以及(b)在信号线311上产生输出信号v2，其由图4的曲线411示出。触发器306响应于锯齿信号v1的每个下降沿而翻转，以在信号线312上产生方波信号φ，其由图4的曲线412示出。然后，将方波信号φ反馈到单触发电路304，以触发开关元件303的每次激活。

如图4所示，由曲线410示出的信号v1的上升时间比由曲线409示出的锯齿信号“vsup”的上升时间快得多。因此，图3的反相器305快速切换以产生输出信号v2，并且(与通过反相器305接收锯齿信号作为输入的配置相比)短路电流显着减小。类似地，因为信号v2具有快速上升时间和下降时间，所以图3的反相器308以不显着的短路电流快速切换。

图3示出了两个缓冲级，其为反相器305和反相器308。在另一个示例中，这些缓冲器可以以不同的配置实现。例如，可以使用两个非反相缓冲器。另一个示例只有单个缓冲级。

在该示例中，反相器305被配置为使用电流源321以电流不足模式操作以减小短路电流。在另一示例中，可以省略电流源321，并且如果短路电流足够低，则反相器305可以在正常全功率模式下操作，这是由于梳状波形发生器320提供的快速切换。例如，当反相器305以电流不足模式操作时，振荡器300可以汲取2.7na的平均电流。相比之下，当反相器305以全功率模式操作时，在一个示例中，可以汲取大约5na的平均电流。

图5是图3的khz振荡器300的更详细的框图。在该示例中，梳状波形发生器320包括反相器530，反相器530在输入处接收信号线313上的单触发信号d-mono。反相器530的输出在信号线310上产生梳状波形v1。反相器530从节点309接收锯齿波形的形式的其电源电压(vsup)，如图4的曲线409所示。

在该示例中，通过1.4v的vdd电源电压和通过电流源302被设置为1.2na的用于电容器301的充电电流，振荡器300的总平均电流大约为2.7na。

图6是可以在图3中使用的梳状波形发生器320的示意图。在该示例中，梳状波形发生器320包括p型mos(pmos)晶体管631和n型mos(nmos)晶体管632，这两个晶体管串联连接以实现反相器530，如图5所示。pmos晶体管631的源极端子连接到信号线309并接收锯齿波形vsup。pmos晶体管631的漏极端子连接到nmos晶体管632的漏极端子。nmos晶体管632的源极端子耦合到电源总线vss，电源总线vss通常连接到地。两个mos晶体管631、632的栅极输入经连接以接收信号线313上的单触发信号d-mono。

再次参考图4，信号d-mono413保持低，而锯齿波形vsup409斜坡上升。这导致nmos晶体管632(图6)保持关断。随着锯齿波形409继续上升，图6的pmos晶体管631接通并快速上拉信号线310(图6)上的输出信号v1，如图4中的脉冲414所示。信号线310(图6)上的该上升沿流过反相器305和反相器308(图6)并触发触发器306进行翻转，其触发单触发电路304(图6)以产生图4的脉冲415。脉冲415接通nmos晶体管632(图6)以将信号线310上的信号v1拉低。脉冲415还接通开关303(图6)，这使电容器301(图6)放电。

图7是可以在图3中使用的另一示例性梳状波形发生器720的示意图。在该示例中，梳状波形发生器720包括pmos晶体管731和nmos晶体管732，这两个晶体管串联连接以实现反相器730。除了nmos晶体管732的栅极输入被连接以接收信号线313上的单触发信号d-mono，而pmos晶体管731的栅极输入被连接到参考电压“vref”之外，反相器730类似于图5的反相器530。在该示例中，在pmos晶体管731接通以在输出710上上拉信号v1之前，信号线309上的vsup必须上升到超过vref的值。以这种方式，参考电压vref设置信号线710上的梳状波形v1的峰值电压高度。随着vref变得更高，信号线710上的信号v1的峰值变得更高。

图8是可以在图3中使用的另一个梳状波形发生器820的示意图。图9是示出图8的khz振荡器800的操作的一组电压曲线。该示例使用电流吸收器(sink)802来对电容器801充电，使得信号线809上的锯齿电源电压vsup斜坡下降，如图9的曲线909所示。然后以与图3的振荡器300的操作类似的方式，开关设备803响应于由单触发电路804在信号线813上产生的控制信号“d-mono”而使电容器801放电。图9中的曲线913示出了信号线813上的信号d-mono。信号线812上的信号φ由图9中的曲线912示出。在该示例中，在信号线810上形成负梳状尖峰，如图9的曲线910所示。在信号线811上形成正梳状尖峰，如图9的曲线911所示。

在该示例中，梳状波形发生器820包括pmos晶体管831和nmos晶体管832，这两个晶体管串联连接以实现例如反相器830。除了用于pmos晶体管831的栅极输入被连接以接收信号线813上的单触发信号d-mono，而用于nmos晶体管832的栅极输入被连接到参考电压“vref”之外，反相器830可以类似于图5的反相器530。当信号线813上的信号d-mono为低时，pmos晶体管831接通并且上拉信号线810上的输出信号v1。这可能导致短暂短路电流通过晶体管832，但是d-mono脉冲宽度的持续时间相比于时钟周期非常小(即50ns对500us)，因此对整体平均iq的影响非常小。在该示例中，在nmos晶体管832接通以下拉输出810之前，信号线809上的vsup必须下降到低于参考电压vref。以这种方式，参考电压vref设置信号线810上的梳状波形v1的峰值电压高度。随着vref变得更低，信号线810上的信号v1的峰值变得更高。

图10是包括占空比偏置发生器1040的khz振荡器1000的示意图。图11是示出图10的占空比偏置发生器的操作的一组曲线。图12是示出图10的振荡器的操作的一组波形。在该示例中，振荡器1000类似于图6的振荡器300，并且其在信号线312上产生方波时钟信号φ，如图12的曲线1212所示。

偏置发生器1040产生偏置电压(vb)，其耦合到pmos晶体管1002的栅极以形成电流源以向电容器301提供充电电流。单触发电路304在信号线313上产生脉冲(如图12的曲线1213中所示)，该脉冲控制开关元件303。因此在信号线309上形成锯齿波形，该锯齿波形为梳状波形发生器反相器530(图5)提供电力，如图12的曲线1209所示。

最初，偏置发生器1040由低电平有效上电复位(activelowpoweronreset)(porz)信号复位，如图11中的曲线1150所示。复位信号可以用于控制(耦合到偏置发生器1040内的各个节点的)若干开关以将节点设置或清除为初始状态。在信号porz被去断言/无效(具有高逻辑电平)之后，偏置发生器1040开始操作。流过晶体管1060、1062和电阻器1063的电流在节点1064处形成分压器。偏置电压(vb)跨耦合到节点1064的电容器1043建立，如图11的曲线1151所示。通过对电容器(未示出)充电来断言延迟的“参考就绪”信号(iref_rdy)，如图11中的曲线1152所指示的，以指示偏置发生器正在操作并且该偏置信号vb是稳定的。

计数器1041经耦合以接收信号线312上的时钟信号φ，并被配置为每n个时钟信号φ循环在信号线1042上输出偏置使能(bias_en)脉冲。该示例具有计数器，但是其他示例可以具有不同类型的已知或稍后开发的延迟电路以产生周期性脉冲。偏置使能信号可以用于利用偏置发生器1040控制若干开关，例如开关1046和1047。开关1046、1047可以被配置为仅在信号线1042上的偏置使能信号上的脉冲有效的时间期间导通。当开关1046、1047处于非导通状态时，流过晶体管1060、1061和1062的电流被阻断，并且因此使偏置发生器1040的功耗最小化。在没有电流流过晶体管1060、1062、1062的每个时间段期间，电容器1043将偏置电压维持在近似稳定的值。最初，计数器1041被禁用，并且线1042上的偏置使能信号保持有效直到参考就绪信号被断言。

振荡器1000以由电容器的电容c、由电流源1002提供的电流幅度(i)以及形成反相器305的nmos晶体管1035的阈值电压(vtn1)确定的频率操作，如表达式(1)所示。

如上文更详细描述的，梳状波形发生器530在信号线1010上产生快速上升脉冲v1，如图12中的曲线1210所示。在该示例中，偏置电压vb也耦合到pmos晶体管1021的栅极，以形成向反相器305提供电力的电流源，从而使反相器305以电流不足模式操作，如关于图3-图6所描述的。响应于梳状波形v1，反相器305在信号线1011上产生负脉冲信号v2，如图12中的曲线1211所示。

参考图12，时钟信号φ的周期大约为1.0ms，频率大约为1khz。图13是示出图10的khz振荡器在一系列参数上的操作频率的一组曲线。曲线1371表示标称过程参数，而曲线1372表示强过程参数，并且曲线1373表示弱过程参数。在该示例中，在30℃的标称温度下，振荡器以1khz操作。然而，在一系列温度和过程参数范围内可能出现相当宽范围的振荡器频率。如上所述，用于低功率系统的一些应用可能对诸如本文所描述的变化不敏感。

图14是示出图10的khz振荡器在一系列参数上的功耗的一组曲线。曲线1471表示标称过程参数，而曲线1472表示强过程参数，并且曲线1473表示弱过程参数。在该示例中，在30℃的标称温度和1.4v的操作电压下，振荡器在2.7na的平均电流下浪费大约3.8nw。

图15是示出图3、图7、图8和图10的khz振荡器的操作的流程图。如上文进一步描述的，图3、图7和图8的振荡器是张弛振荡器，其中电容或电感元件在开关设备的控制下重复充电和放电。振荡器的周期取决于电容器或电感器电路的时间常数。开关设备在充电模式和放电模式之间迅速切换，并且因此产生不连续变化的重复波形，其可以被称为锯齿波形。在1502处，通过使用由振荡器产生的经反馈以控制开关设备的方波来产生锯齿波形。

在1504处，梳状波形发生器将锯齿波形转换为包括周期性脉冲的梳状波形。锯齿波形具有相对慢的上升时间，但是梳状波形的每个脉冲具有相对快的上升时间和下降时间。可以使用由锯齿波形供电的双晶体管反相器电路来实现梳状波形发生器。可以通过反相器接收脉冲信号作为输入。当脉冲信号和锯齿波形达到足够的幅度时，反相器的输出将快速转变以形成梳状波形的每个脉冲。脉冲信号可以是控制锯齿波形发生器的开关设备的相同信号。

在1506处，数字缓冲器将梳状波形转换为数字信号。如关于图3所描述的，如果输入信号具有缓慢的转变，则可以在数字缓冲器的输出级中产生短路电流。因此，通过向数字缓冲器提供梳状波形，显着减小了短路电流。

在1508处，响应于梳状波形产生方波。如上文进一步描述的，当由梳状波形计时时，触发器可以用于在两个逻辑电平之间翻转。然后，所得到的方波形可以用于控制锯齿波形发生器的开关设备。例如，可以在方波形的每次上升或者可替代地每次下降时翻转单触发定时电路。单触发电路可以被配置为在每次被触发时产生短脉冲。短脉冲可以用于控制开关设备，并且可以由梳状波形发生器缓冲电路作为输入接收。

系统示例

图16是包括如本文所述的低功率振荡器1681的示例系统1600的框图。例如，低频振荡器1681可以类似于图10的振荡器1000。振荡器1681可以耦合到处理逻辑1682以提供由处理逻辑1682使用的时钟信号。处理逻辑1682可以是需要低频时钟信号进行操作的任何已知或以后开发的处理逻辑。类似地，振荡器1681可以耦合到感测逻辑1683以供感测逻辑1683使用。感测逻辑1683可以是可以用于感测外部条件、参数、信号等的各种已知或以后开发的电路或接口中的任何一种。处理逻辑1682可以耦合到感测逻辑1683并控制感测逻辑1683的操作。此外，系统1600可以包括附加接口逻辑和存储电路。

能量存储设备1680向振荡器1681和系统1600内的其他电路提供能量。在一些示例中，能量存储设备1680可以是电池。在其他示例中，能量存储设备1680可以是通过从周围环境中清除的能量进行充电的电容器或电感器，例如通过近场耦合、光能、热能、振动能等。振荡器1681的低功率操作节省可用于能量存储设备1680的功率。

系统1600可以使用已知的或以后开发的制造技术被制造在集成电路(ic)管芯上，并且可以使用已知的或以后开发的封装技术被封装为ic封装件。

其他示例

在所描述的示例中，低功率振荡器以大约1khz的频率操作。在其他示例中，操作频率可以更高或更低。例如，另一个低功率振荡器可以以大约10khz的频率操作。

本文描述了反相缓冲器的各种配置。在其他示例中，可以使用非反相缓冲器。

在所描述的示例中，触发器逻辑模块产生方波信号。在另一个示例中，可以使用替代类型的状态机来产生方波。

在另一个示例中，可以实现具有除50/50的开/关循环之外的方波。

在所描述的示例中，梳状波形发生器耦合到张弛振荡器。在另一示例中，梳状波形发生器(如本文所述)可以耦合到另一类型的数字电路，其可以受益于快速上升时间信号以减少数字逻辑内的短路电流。

在本说明书中，术语“耦合”及其派生词意指间接、直接、光学和/或无线电连接。因此，如果第一设备耦合到第二设备，则该连接可以通过直接电连接、通过经由其他设备和连接的间接电连接、通过光学电连接和/或通过无线电连接。

在权利要求的范围内，所描述的示例中的修改是可能的，并且其他示例也是可能的。