一种超低功耗环形振荡器电路及方法与流程

本发明涉及集成电路，具体涉及一种超低功耗环形振荡器电路及方法。

背景技术：

目前，在很多应用领域当中，例如无线传感器节点、无线医疗设备和可穿戴设备等来说，芯片的低功耗管理尤为重要。通常芯片设计时会设计多种低功耗工作模式，例如休眠模式，在这种工作状态下，芯片绝大多数功能和模块都处于休眠状态，但同时需要保证在退出休眠状态后，芯片能够快速响应，这时就要求部分芯片寄存器需要保持刷新寄存器的值，同时唤醒模块需要保持正常工作，这时就需要一个超低功耗的环形振荡器。

环形振荡器，是由三个非门或更多奇数个非门输出端和输入端首尾相接，构成环状的电路。普通的环形振荡器电路的特点是线路简单，起振容易，如果不加延迟网络则不需要阻容元件，便于集成化，缺点是没有延迟网络频率不便于灵活选择，要实现低频振荡需要很多的非门因而不易实现，另外由于门电路延迟时间有一定误差，制作时频率不太准确。如果加上阻容网络，则与同样需要阻容元件的对称多谐振荡器或非对称多谐振荡器相比，所需芯片面积和成本不占优势。同时该环形振荡器的功耗大，工作静态电流不容易控制，随工艺和温度偏差也大，导致频率偏差更大。

技术实现要素：

本发明的主要目的在于提供一种超低功耗环形振荡器电路及方法。

根据本发明的一个方面，提供了一种超低功耗环形振荡器电路，包括电流镜电路、第一级反相电路、第二级反相电路、偏置电路、第三级反相电路、第四级反相电路、第四级反相电路、分频器；

所述电流镜电路、第一级反相电路、第二级反相电路、偏置电路、第三级反相电路、第四级反相电路、第四级反相电路、分频器依次连接；

电流镜电路，用于对支路nmos管m2、mn5产生镜像电流；

第一级反相电路，与第五级反相电路首尾相连；

第二级反相电路，由比较器组成，用于将第二级的输入端n1的电平与参考电平vref进行比较；

偏置电路，用于将基准电流流经两个二极管接法的mos管mn3、mn4，形成基准电平vref；

第三级反相电路，由镜像管和反相器组成，用于控制整个电路的翻转电流；

第四级反相电路，包括反相器；

第五级反相电路，包括反相器；

分频器，包括d触发器，用于调整输出方波占空比；

所述超低功耗环形振荡器电路还包括与电流镜电路、第一级反相电路、第二级反相电路、偏置电路、第三级反相电路、第四级反相电路分别对应的镜像管，用于对各支路提供电流。

进一步地，所述第三级反相电路的输入端设有电容c2，用于调整输出方波的脉宽。

更进一步地，所述偏置电路的mos管mn3、mn4均为p型mos管。

更进一步地，所述分频器，用于调整输出方波占空比为50％。

根据本发明的又一个方面，提供了一种超低功耗环形振荡器电路方法，包括：

通过与电流镜电路、第一级反相电路、第二级反相电路、偏置电路、第三级反相电路、第四级反相电路分别对应的镜像管，对各支路提供电流；

电流镜电路对支路nmos管m2、mn5产生镜像电流；

第一级反相电路与第五级反相电路首尾相连，输入脉冲clk2控制nmos管mn2给电容c1充放电，形成第一级反相，通过电容c1进行相位延迟；

第二级反相电路，将第二级的输入端n1的电平与参考电平vref进行比较；

偏置电路将基准电流流经两个二极管接法的mos管mn3、mn4，形成基准电平vref；

第三级反相电路控制整个电路的翻转电流，并在输入端采用电容c2调整输出方波的脉宽；

第四级反相电路进行信号反相；

第五级反相电路进行信号反相；

分频器通过d触发器实现输出方波占空比为50％。

进一步地，所述超低功耗环形振荡器电路方法还包括：

d触发器形成一个二分频的结构，控制输出时钟clk的占空比为50％。

本发明的优点：

本发明的超低功耗环形振荡器电路，具有超低功耗，该部分电路整体电流可低于10na，占空比精准实现50％，频率偏差小等优点。可广泛应用于各种对低功耗有严格要求的芯片中。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1是本发明的超低功耗环形振荡器电路原理图；

图2是环形振荡器的通用原理图；

图3是改进的环形振荡器的原理图；

图4是发明的超低功耗环形振荡器电路仿真实验图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明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用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

参考图1，如图1所示，一种超低功耗环形振荡器电路，包括电流镜电路、第一级反相电路、第二级反相电路、偏置电路、第三级反相电路、第四级反相电路、第四级反相电路、分频器；

电流镜电路、第一级反相电路、第二级反相电路、偏置电路、第三级反相电路、第四级反相电路、第四级反相电路、分频器依次连接；

电流镜电路，用于对支路nmos管m2、mn5产生镜像电流；

第一级反相电路，与第五级反相电路首尾相连；clk2是第五级反相电路的输出，同时也是第一级反相电路的输入。

第二级反相电路，由比较器组成，用于将第二级的输入端n1的电平与参考电平vref进行比较；

偏置电路，用于将基准电流流经两个二极管接法的mos管mn3、mn4，形成基准电平vref；

第三级反相电路，由镜像管和反相器组成，用于控制整个电路的翻转电流；

第四级反相电路，包括反相器；

第五级反相电路，包括反相器；

分频器，包括d触发器，用于调整输出方波占空比；

超低功耗环形振荡器电路还包括与电流镜电路、第一级反相电路、第二级反相电路、偏置电路、第三级反相电路、第四级反相电路分别对应的镜像管，用于对各支路提供电流。

第三级反相电路的输入端设有电容c2，用于调整输出方波的脉宽。

偏置电路的mos管mn3、mn4均为p型mos管。

分频器，用于调整输出方波占空比为50％。

mb1、mb2、mb3、mb4、mb5和mb6是匹配的镜像管，为各个支路提供稳定电流，vbias是本电路的输入端。

实施例2

一种超低功耗环形振荡器电路方法，包括：

通过与电流镜电路、第一级反相电路、第二级反相电路、偏置电路、第三级反相电路、第四级反相电路分别对应的镜像管，对各支路提供电流；

电流镜电路对支路nmos管m2、mn5产生镜像电流；

第一级反相电路与第五级反相电路首尾相连，输入脉冲clk2控制nmos管mn2给电容c1充放电，形成第一级反相，通过电容c1进行相位延迟；

第二级反相电路，将第二级的输入端n1的电平与参考电平vref进行比较；

偏置电路将基准电流流经两个二极管接法的mos管mn3、mn4，形成基准电平vref；

第三级反相电路控制整个电路的翻转电流，并在输入端采用电容c2调整输出方波的脉宽；

第四级反相电路进行信号反相；

第五级反相电路进行信号反相；

分频器通过d触发器实现输出方波占空比为50％。

超低功耗环形振荡器电路方法还包括：

d触发器形成一个二分频的结构，精准控制输出时钟clk的占空比为50％。

通过电流镜像，将比较器的尾管m2的自偏置结构改成由vbn控制，精准控制比较器的功耗和开环增益；

n2之后接入的反相器的pmos管和nmos管两端都需要加入镜像电流进行电流抑制，防止电流过大的同时能够适当调整该处充放电电流的大小来调整占空比。

振荡器有三种状态，三种状态下的静态电流有所不同。

1、当n1节点电压低于阈值vgs1时，使得m1晶体管关断时，n2节点被偏置电流上拉，此时比较器的所有电流通路都被关闭。

振荡器在这一种状态下的静态电流最小i0＝1.5*ib。

2、当n1节点电压大于vgs1及小于vref时，m1随着m节点的上升开始导通。m3、m4都处于亚阈值区，m3的电流可以表示为

与此同时n3节点电压从vin下降到vgs2，这种状态下振荡器的静态电流为ib+i3+i4；

3、当n1节点电压大于vref时，m3电流大于ib，n2节点开始下降，此时振荡器静态电流为3.5*ib，比较器会出现延迟。n2下降会导致后面反相器的翻转。设计好反相器合理的翻转阈值和驱动动态电流即可实现低频clk的产生。振荡器的平均静态电流是三种状态下的平均值，大概为2*ib。

仿真波形如图4所示，上面是本发明电路输出clk波形，下面是本发明电路的电流图；图中前半部分不稳定是电路处于电源未稳和环振起振的阶段。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。