靈活的低電流多相振蕩器的製作方法

2023-09-20 06:26:35

專利名稱：靈活的低電流多相振蕩器的製作方法
技術領域：
本發明普遍涉及一種用於產生循環信號的電路，更確切地說，涉及一種帶有低晶 體管數量的靈活振蕩器，可以在很高的頻率下振蕩，而且消耗的電流很低，可用於多相作 業。
背景技術：
幾乎每種電學子系統中都存在某種形式的波形發生器，用於產生循環波形。這種 波形產生器通常叫做振蕩器。根據應用，振蕩器可以用於定期間隔脈衝源或時鐘信號。對 振蕩器性能的評估，通常取決於它們的穩定性、準確性、頻率可調性、有源電路增益、啟動時 間以及功率耗散等等。一種叫做弛豫振蕩器的振蕩器是較低頻率的振蕩器設計中最常用的器件。圖IA 表示一個傳統的弛豫振蕩器的電路示意圖。如圖IA所示，弛豫振蕩器100包含一個電容器 Cltl、一個開關裝置SW1Q(例如場效應管)、一個比較器102、一個電流源極Iltl以及一個單次計 時器104。參考電壓VKef連接到比較器102的一輸入端。電容器Cltl的第一端連接到比較器 102的+輸入端。電容器Cltl的第二端接地。比較器102的輸出端電連接到單次計時器104 的輸入端，計時器的輸出端電耦合到開關裝置SWltl的控制端。開關裝置SWltl電連接在電容 器Cltl的第一端和地之間，用於對頻率決定的電容器Cltl放電。如圖IB中的電壓隨時間的關 系圖所示，電容器上的電壓大致成鋸齒狀，在連續的鋸齒之間，有一個很短的平點101。對於這些特殊的振蕩器，頻率通常由比較器102的速度決定。當電流從源極Iltl流 向電容器Cltl時，比較器102的(+)輸入端電壓最終達到參考電壓VKef，打開比較器102。這 將觸發單次計時器104打開開關SWltl，對電容器Cltl放電，將電壓重新設為0。單次計時器 104保持開關SWltl處於打開狀態，直到電容器Cltl完全放電為止，這時的輸出不再振蕩。為 了保證電容器Cltl完全放電，在連續的鋸齒之間，會有一段延遲時間101。對於低頻時，比較器102中的延遲時間相對較短。但是如果開關發生在高頻時，對 應每個鋸齒循環的延遲時間會變長。而且，例如在5MHz的高頻下，需要ImA之高的開關電 流。為電容器Cltl充電的電流源極耦合到單次計時器104，會隨輸入電壓的增加而增加。例 如，在5. OV時，電流源極Iltl可以傳輸5μ A電流，但在2. 5V時，它僅能傳輸1 μ A。從而，在 5. OV時，電容器充電5次會比在2. 5V時更快。因此，在5. OV時的平坦響應遠小於在2. 5V 時。在開關頻率為500ΚΗζ時的低頻時，單次計時器104從50ns變到70ns可能並不是問題， 但在高頻振蕩(例如3MHz以上)時，從50ns變到IOOns就有很大影響。由於單次計時器屬性隨電源電壓而變化，因此鋸齒波之間的平點也隨電源電壓變 化，而且還隨溫度變化，這是我們所不需要的。因此，弛豫振蕩器僅適用於IMHz及以下的頻 率。此外，這些振蕩器並不十分適應多相系統。在一個傳統的多相系統中，每個相都需要自 己特殊的振蕩器和比較器。而且，傳統的比較器價格昂貴，振蕩器消耗的電流也很大。高電 流消耗在可攜式器件等應用中並不受歡迎。
正是在上述背景下，我們才提出了本發明。

發明內容
本發明的目的在於提供一種靈活的低電流多相振蕩器，克服原有技術的弛豫振蕩 器缺陷，無需使用傳統的比較器，而可以在很高的頻率下振蕩，且消耗的電流很低，可用於 多相作業。為了達到上述目的，本發明的技術方案是提供一種振蕩器裝置，包含一個具有一個參考電流源Im和一個第一參考電晶體TM的參考級；所述第一參 考電晶體TMf的柵極耦合到一參考電壓上V&』，漏極耦合到參考電流源Iref上；以及含有一個第一和一個最後位相級的兩個或多個位相級，其中每個位相級包含一個相電晶體，其漏極耦合到一第一電流源，柵極耦合到一節點，源極耦合到第一 參考電晶體的源極上；一個第二電流源，其耦合到所述節點上；一個電容器，具有一個耦合到所述節點上的第一端和一個第二端；一個耦合在所述電容器的第一端和第二端之間的開關；以及一個邏輯塊，用於當所述節點處的電壓超過參考電壓V,時，為後面的位相級閂鎖 開關和關閉開關。所述每個邏輯塊還包含一個置位_復位閂鎖，以及一個耦合到置位_復位閂鎖的 置位輸入端的單次計時器。所述參考級還包含一個第二參考電晶體T&』，用於提供負反饋，探測所需電流以 及改變供給電流。所述每個位相級中的開關都是一個場效應管。所述邏輯塊還包含一個置位_復位閂鎖，並且置位_復位閂鎖的輸出端耦合到所 述的場效應管開關的柵極上。所述的開關和電晶體皆為η-溝道MOS電晶體。所述的開關的源極和第二參考電晶體的源極都接地。所述開關和電晶體為ρ-溝道MOS電晶體。所述開關的源極和第二參考電晶體的源極都耦合到電壓Vcc上。所述兩個或多個位相級僅含有第一位相級和最後位相級，因此該裝置為雙相振蕩
ο所述兩個或多個位相級僅含有第一位相級和最後位相級，以及一個中間位相級， 所述的中間位相級在第一位相級的後面，最後位相級的前面，因此該裝置為三相振蕩器。所述兩個或多個位相級僅含有第一位相級和最後位相級，一個第一中間位相級在 第一位相級的後面，和一個第二中間位相級在第一中間位相級的後面，最後位相級的前面， 因此該裝置為四相振蕩器。所述參考級還包含一個耦合到第一參考電晶體TMf源極的電流控制，其中電流控 制用於控制在一個負反饋模式中，從相電晶體和第一參考電晶體Tref流出的總電流。所述電流控制包含一個第二參考電晶體Tre/，其漏極耦合到第一參考電晶體的源 極，柵極耦合到第一電晶體的漏極，如果第二參考電晶體Tm/為N-溝道器件的話，源極就接地，如果第二參考電晶體TMf』為P-溝道器件的話，源極就接一共同電壓。
所述電流控制含有一個運算放大器。所述邏輯塊包含一個輸入端耦合到電晶體漏極的反相器；以及一個輸出端耦合到 開關柵極、置位輸入端耦合到反相器輸出端的置位_復位閂鎖。所述第一位相級中反相器的輸出端耦合輸出一個復位輸入到下一個位相級中的 置位_復位閂鎖的復位輸入端，其中最後位相級中的置位_復位閂鎖的復位輸入端耦合到 前一個位相級中反相器的輸出端，其中最後位相級中的反相器的輸出端耦合到第一個位相 級中的置位_復位閂鎖的復位輸入端。一種多相振蕩器，其特徵在於，包含多個輸入級和一個參考級，每個輸入級都產生一個電壓，並代表振蕩器的一個相， 其中多個輸入級作為一個最大值選擇器，用於將每個輸入級產生的電壓與參考級的一個電 壓作比較，並從中選取一個最大電壓，其中最大值選擇器選取的那個輸入級會使所選的輸 入級的輸出改變；一個耦合到參考級上的負反饋迴路，用於探測振蕩器所需電流，並為每個輸入級 提供適當的供給電流。所述的多相振蕩器，還包含一個邏輯單元，按照最大值選擇器選取的輸入級，關 閉選定的輸入級，並激活下一個輸入級。所述每個輸入級都含有一個電晶體，參考級含有一個參考電晶體，其中最大值選 擇器將每個輸入級的電晶體柵極上的電壓，與參考電晶體柵極上的電壓作比較。所述參考級還包含與第一參考電晶體串聯的一個固定電流源，其中負反饋迴路 用於使第一參考電晶體允許固定電流源的穩定電流流經第一參考電晶體。依據本發明的實施例所述的振蕩器可以用於任何轉換系統。基於低壓CMOS過程， 預計這種振蕩器可以從很低的頻率振蕩到50MHz左右。過程越快，頻率振蕩也越快。這種振 蕩器的另一優勢在於，在瞬變時，它們可以根據需要，改變偏壓電流。通過改變系統的複雜 度，可以輕鬆改變相的數量。此外，相模中所使用的單次計時器和反相器只佔晶片上很小的 一部分面積。整個電壓範圍內傳播的頻率，僅從2. 5V到5V—小部分。此外，由於不使用傳 統的比較器，而且參考級可以根據需要改變電流，因此上述類型的振蕩器消耗的電流很低。


圖IA為一種傳統的弛豫振蕩器的電路圖。圖IB表示圖IA所示電路的信號圖形。圖2A-2B表示依據本發明的實施例，振蕩器及其參考級的工作原理的電路圖。圖3A表示依據本發明的一個實施例，一種NMOS兩相振蕩器的電路圖。圖3B表示依據本發明的一個實施例，一種PMOS兩相振蕩器的電路圖。圖3C-3D分別表示圖3A-3B所示器件類型的電路中N1和N2節點處的信號圖形。圖3E表示N1和N2節點組合的信號圖形。圖3F表示一種帶有可選參考級的匪OS兩相振蕩器的電路圖。圖4A表示依據本發明的一個實施例，一種三相振蕩器的電路圖。圖4B-4D表示振蕩頻率為50MHz時，圖4A的N1, N2和N3節點處的信號圖形。
圖4E表示振蕩頻率高於50MHz時，圖4A的N1, N2和N3節點處的信號圖形。圖5A表示依據本發明的一個實施例，一種四相振蕩器的電路圖。圖5B-5E表示振蕩頻率高於50MHz時，圖5A的N1J^N3和N4節點處的信號圖形。圖5F表示振蕩頻率高於50MHz時，圖5A的N1, N2, N3和N4節點處的信號圖形。
具體實施例方式本發明的實施例適用於克服了原有技術的弛豫振蕩器缺陷的新振蕩器。按照本 發明的實施例設計的振蕩器，無需使用傳統的比較器。此振蕩器通常由一個或多個差分輸 入級構成，輸入級可能和少數有源器件所需的相數一樣多。每個差分級作為一個最大值選 擇器級。此處所提及的「最大值選擇器」是指，一種具有多輸入級(在此有時也稱為「位相 級」)的電路，該電路可選擇不同輸入級電壓中的最大電壓。通過最大值選擇器選擇一個特 定的輸入級，引起所選的輸入級的輸出變化。供給特定輸入級的電流可能會隨振蕩器的需 要而改變。例如，耦合到參考級上的負反饋迴路可用於探測振蕩器所需電流，並為每個輸入 級提供供給電流，以達到所探測到的電流的需要。依據本發明的一個實施例，一種振蕩器儀器通常包含一個參考級以及含有一個第 一位相級和一個最後位相級的兩個或多個位相級。參考級具有一個參考電流源，以及一個 第一參考電晶體，並且其柵極耦合到一電壓基準上，漏極耦合到參考電流源上。每個位相 級可包含電晶體、第一和第二電流源、電容器、開關以及邏輯塊，這僅作為示例，並不作為局 限。電晶體的漏極耦合到第一電流源上，柵極耦合到一節點上，源極耦合到參考級中的參考 電晶體的源極上。電容器第一端耦合到節點上，第二端耦合接地。開關耦合在電容器的第 一端和第二端之間。第二電流源耦合到節點上。—般來說，特定位相級的邏輯塊用於閂鎖該位相級的開關，並復位下一個位相級 的開關。換言之，當最大值選擇器選擇了一個位相級時，邏輯塊會使所選的位相級停擺，並 觸發下一個位相級(相對于振蕩器的下一個相)。每個位相級的邏輯塊可以通過很多不同 的方法製備。一個邏輯塊的示例含有一反相器和一置位-復位閂鎖。特定位相級的反相器 輸入端耦合到該位相級電晶體的漏極上。特定位相級的反相器輸出端耦合到該位相級閂鎖 置位的輸入端上。特定位相級閂鎖的輸出端耦合到該位相級的開關上。特定位相級反相器 的輸出端也耦合到隨後的位相級的置位_復位閂鎖的復位輸入端。最後位相級的反相器的 輸出端耦合到第一位相級的置位_復位閂鎖的復位輸入端上。圖2A表示相振蕩器200的輸入級(或位相級)的電路圖。如圖2A所示，振蕩器 200包含一個參考級202和一個位相級204。參考級202包含一個參考場效應管Lef，其漏 極DMf電耦合到第一參考電流源上，柵極Gref電連接到參考電壓VMf上，源極耦合 到第二參考電流源IMf』的輸入端，第二參考電流源可提供的電流，高達第一參考電流 源所提供的電流的兩倍。例如，參考電晶體TMf可以是金屬氧化物半導體(MOS)器件。 例如，第一參考電流源Iref可提供1 μ A左右的電流，第二參考電流源』可提供2 μ A左右 的電流，參考電壓可提供1. 2V左右的電壓。位相級204也包含一個具有源極S1、柵極G1和漏極D1的電晶體1\。源極S1在第 一結J1處，連接到參考電晶體TMf的源極Sref上。柵極G1耦合到第二結J2上，漏極D1連 接到電流源I1的輸出端，它所提供的電流與第一參考電流源Iref的電流大致相等。振蕩器200還包含一個電容器C，其第一端連接到結J2上，第二端接地。振蕩器200還含有一個開 關SW，當開關SW的控制電極收到輸入觸發信號時，開關SW允許電流在第二結J2和地之間 流動，為電容器C放電。電流源Iref、I1以及第三電流源I1'的輸入端耦合到第三結J3上。 第三電流源I1'的輸出端耦合到結J2上。 振蕩器200的工作進程如下首先假設，觸發信號開啟開關SW，由於柵極&耦合接 地，所以電晶體T1關閉。由於參考電晶體Tm的柵極上所加的是參考電壓V&，所以晶 體管TMf開啟。從第二參考源極流出的較大的電流拉低了參考電晶體Tref的漏極Dref 的電壓，但是從源極流出的較小的電流I1卻拉升了電晶體T1的漏極D1的電壓。
開關SW關閉後，第三電流源I1 』中的電流為電容器C充電，當電晶體T1的柵極G1 高於參考電壓時，緩慢開啟電晶體T1,同時關閉參考電晶體TMf。電流源Ire/拉低了晶 體管T1漏極D1處的電壓，拉升了第一結J1以及參考電晶體Tref的漏極Dref處的電壓。直到 開關SW再次開啟時，這種情況才會停止。可以從電晶體T1和TMf的漏極D1和處的電 壓獲得數字輸出信號。綜上所述，為了使振蕩器在較高頻率下工作，第二電流源Ire/的電 流應該相對較高。可以選擇不使用恆定電流Iref』，電流控制可以通過基於第一參考源極和參考 電晶體TMf (也被稱為第一參考電晶體)之間電壓的負反饋，從而控制從電晶體T1到結J1 的電流。例如，圖2B為一種可選振蕩器210的電路圖，它是圖2A所示的振蕩器200的一種 變形。除了上述圖2A所示的器件之外，振蕩器210的參考級212含有以第二參考電晶體 Tre/ (例如MOS電晶體)的形式控制電流，漏極Dref，耦合到第一結J1上，柵極Gref，耦合到 第一參考電晶體TMf的漏極Dref上，源極SMf』接地。注意本例如圖2B所示，參考電晶體Tre/ 為N-型(或η-溝道)器件。也可選擇，參考電晶體Trrf』為P-型(或ρ-溝道)器件，在 這種情況下，源極SMf』可以耦合到共用電壓Vcc上。第一參考電流源作為一個固定參 考電流源。如果J1結處的電壓升高(例如當T1開啟時)，第一參考參考電晶體Tref的漏極 Dref和第二參考電晶體Tref』的柵極G&』被拉高，這將使第二參考電晶體TMf』開啟更大，從 而提高了供給電流Is，並拉低了結Λ。如果沒有負反饋，結J1處電壓增長，會使第一參考晶 體管Tref因其柵極-至-源極電壓(即減去結J1處的電壓)減小而關閉。反之，如果 結J1處的電壓降低，會拉低電晶體Tref』的柵極Gm/，從而使結J1恢復上升。如果第二參考 電晶體Tref 』不能提供足夠的電流，它就會提升電晶體Tref漏極DMf和結J1處的電壓，使第 二參考電晶體TMf』開啟更大，直到可以提供足夠的供給電流Is為止。因此，在這種情況下， 第一參考電晶體TMf —直開啟，並使提供的電流無論從電晶體T1的哪個輸入端都能通 過。正是由於IMf、Tref*Tref 』圖2Β所示的電路中才有一個負反饋。由於此負反饋，電路 210的供給電流Is會通過改變，適應系統對電流的要求。第二參考電晶體TMf』作為一個可變電阻器，控制參考電流源的電流，按照負反 饋的方式，對穿過結J1的電流變化做出響應。此外，另一種可用於提供負反饋迴路的器件， 如運算放大器或可變電阻器，也可作為電流控制，用於調節供給電流Is，以響應結J1處電壓 的變化，對穿過結J1的電流提供所需的負反饋控制。依據本發明的一個實施例，圖2A和圖2B所示的兩個或多個類型的位相級，都可以 與圖2B所示的參考試塊結合起來，作為一個多相振蕩器。圖3A表示依據本發明的一個實 施例，一種兩相振蕩器300的電路圖，這僅作為示例，並不作為局限。如圖3A所示，振蕩器300包含兩級位相級302、304以及一個參考級306。參考級306類似於上述圖2B所示的振 蕩器210的參考級212作為示例，第一位相級302含有一個η-型MOS電晶體T1,其漏極D1耦合到電流源 I1上，可通過結J1提供大約1 μ A的電流，柵極G1耦合到第一節點N1上，源極S1耦合到參考 級306的結J7上。第一位相級302也含有一個電容器C1，其第一端I/通過第一節點N1耦 合到第二電流源上，第二端接地。開關SW1可以是一個η-型MOS電晶體，與源極接地的電容 器C1並聯，柵極耦合到閂鎖L1的輸出端上。第一位相級302還包含一個含有反相器INV1的 邏輯塊303，其輸入端在結J1處耦合到電晶體T1上，輸出端耦合到閂鎖L1的輸入端上。單 次計數器OS1可以選擇耦合在反相器INV1和閂鎖L1之間。在這種情況下，反相器INV1的輸 出端可以看做是間接地耦合到閂鎖L1上。此處的邏輯塊僅作為示例，可用類似的功能電路 模塊代替。第二位相級304具有與第一位相級302類似的器件。第二位相級304包含一個 η-溝道MOS電晶體T2,其漏極D2通過結J2耦合到大約1 μ A的電流源I2上，柵極G2通過第 二節點N2耦合到第二電流源12』上，源極S2耦合到結J7上。第二位相級304還包含一個 電容器C2，其電容量與電容器C1相等。電容器C2的第一端耦合到第二節點N2上，第二端接 地。開關SW2可以是一個η-溝道MOS電晶體，耦合到電容器C2上，並包含一個接地的源極 和一個耦合到閂鎖L2的輸出端的柵極。第二位相級304還包含含有反相器INV2的邏輯塊 305，輸入端在結J2處耦合到電晶體T2上，輸出端耦合到閂鎖L2的輸入端。單次計時器OS2 可以選擇耦合在反相器INV2和閂鎖L2之間。如果需要，單次計時器OSpOS2可以提供數字 輸出信號。參考級306可以在類似於上述圖2Β中所示的參考級212那樣的方式下工作。參 考級306在有或沒有電流的反饋控制時都能工作。如圖3Α所示，第二參考電晶體T,ef』從 電晶體1\、T2和Tref中通過結J7，提供電流的負反饋控制。如圖3A所示，單次計時器OS1的輸出端S連接到閉鎖L1的置位輸入端以及閉鎖L2 的復位輸入端R。同樣地，單次計時器OS2的輸出端也連接到閉鎖L2的置位輸入端S以及 閉鎖L1的復位輸入端R。注意，如果沒有使用單次計時器，反相器INV1和INV2的輸出端將 直接連接到閉鎖上。電路300用作最大值選擇器，選擇位相級302、304輸出電壓的最大值。在圖3A所 示的示例中，系統中有三個電壓，即Vref以及節點NpN2處的電壓(分別寫為Vn1和Vn2)。如 圖3A所示的結構，總會選擇電壓Vn1Jn2和V,ef中的最大值。例如，如果開始時V,ef為1. 2V, &和隊為抓。一旦Vn1或Vn2超過Vref時，此結構就會發現並選取最大值。例如，如果Vn2 超過了 V,ef，那麼就會選擇位相級304，並開啟電晶體T2。由於位相級306中的負反饋，參考 電晶體TMf仍然保持開啟，下文還將詳細說明。隨著電晶體T2開啟，J1處的電壓被拉低，從 而觸發邏輯單元305。供給電流Is並不是固定的，而是隨系統需要變化的。在圖3Α中，Tref和Tre/用於 提供負反饋，為設計的結構提供所需電流。負反饋不僅保證Tref永遠允許參考電流源的 值通過，而且根據系統中其他器件的電流需要進行調節。例如，當選擇位相級304時，第二 參考電晶體TMf』允許供給電流Is通過加上I2的量。但是，當任一電晶體T1或T2開啟 時，必須在這些電晶體開啟之前就先將寄生電容充電。因此，可用電流越多，這些電容的充電速度越快，電晶體開啟得也越快。在這種瞬變時，由於TMf』上的負反饋，供給電流Is將增 大。負反饋探測到系統需要電流，就會提供相應的供給電流Is。因此負反饋使振蕩器電路 效率更高、功能更強，而且速度更快。無論使用了多少個位相級，無論需要多少瞬變電流，負 反饋總會確保提供充足的供給電流Is。圖38表示一種可選的兩相振蕩器310的電路圖，除了電晶體1\、1~2、1；#和1；^以 及開關SW1和SW2為P-溝道MOS電晶體之外，其他的元件與振蕩器300相同。在本實施例 中，電容器C1和C2的第二端、開關SW1和SW2的源極以及第二參考電晶體TMf』的源極並不 接地，而是耦合到電壓Vcc上。換言之，與圖3A中的電路300相比，電路310中Vcc的位置 和接地端的位置互換，電流源Ip I1'、12、12』和Iref的位置也互換。對於兩相振蕩器310而 言，每個位相級的邏輯部分中，反相器位於閂鎖和開關之間，而不是在單次計時器和結(例 如J1)之間。振蕩器300和310的振蕩速度由電流源I1'、12』提供的電流量，以及電容器CpC2 的容量來控制。振蕩器300和310可用於雙相位變換器。振蕩器300、310可以按以下進程工作首先開關SW1關閉，開關SW2通過閂鎖L2鎖 上。因此電晶體T2關閉。最初，節點N1處的電壓很低，電晶體T1依然關閉。源極的電流I/ 為電容器C1充電，從OV充到參考電壓VMf (例如1. 2V)。電容器C1充電完畢，達到Vref後， 最大值選擇器會選擇該位相級，電晶體T1開啟。源極的電流I1在J7處提升電壓，使得負反 饋迴路更大程度地打開第二參考電晶體TMf』，以便補償額外的電流。隨著流經TMf』的電流 超過電流源I1提供的電流，電晶體T1漏極D1處的電壓降低，使反相器INV1的輸入也隨之降 低。因此反相器INV1的輸出很高，並置位閂鎖L1，復位閂鎖L2,從而開啟開關SW1，關閉開關 SW2。同樣地，當開關SW2關閉(並且開關SW1閂鎖)時，電流源I/將電容器C2從OV 充電到(例如1.2V)。一旦電容器C2的電壓達到VMf，電晶體T2就會開啟。參考電晶體 Tre/比源極I1提供的電流多，因此拉低了電晶體T2的漏極D2。INV2的輸入降低，INV2的輸 出升高，從而置位閂鎖1^2，開啟開關SW2，並復位閂鎖Li。因此，閂鎖L1的輸出降低，開關SW1 關閉。綜上所述，當節點N2處的電壓開啟電晶體T2時，N1處的電壓關閉電晶體T1,反之 亦然。因此，振蕩器300或310可以在兩種不同相下產生振蕩信號。圖3C-圖3D表示在圖 3A-圖中所示的電路在33. 3MHz工作時，節點N1和N2處的模擬信號圖形。如圖所示，鋸齒 波形相隔180度。圖3E表示圖3C-3D的兩種鋸齒波形混合在一起。注意，由於有兩個輸入 級，只要一個輸入級的電容器一開始放電，另一個輸入級的電容器就會開始充電。因此，沒 有必要等到電容器完全放電，才開始下一循環，圖IB所示的延遲時間101可忽略。可以選 用本發明中的單次計時器，但它僅能提供數位訊號。它們不會幹預時序電路。也可選擇用圖2A所示的電流源代替第二參考電晶體T&』，但該實施例不會 有負反饋。在另一個可選實施例中，如圖3F所示的電路300』，參考級306』的負反饋還包含 一個運算放大器0A&和一個電阻。電阻串聯在第二參考電晶體TMf』的源極和地之 間。運算放大器0A&的輸出端連接到第二參考電晶體TMf』的柵極上，運算放大器0A&的 一個輸入端連接在第二參考電晶體TMf』和電阻Rref之間，其他的輸入端連接到帶有電勢Vx 的第一參考電晶體TMf的漏極上。流經第二參考電晶體Tref』的供給電流Is為Is = Vx/Rref0如圖3A所示的電路300，負反饋探測到振蕩器所需電流後，會提供適當的供給電流Is。除 此之外，電路300，與圖3A中的電路300相同。圖3A、3B所示的振蕩器僅通過增加更多的位相級，就能擴展到任意數量的相。例 如，可以通過在圖3A-3B所示的兩相振蕩器電路上增加一個相模來製備一個三相振蕩器， 這僅作為示例，並不作為局限。圖4A表示三相振蕩器400的電路圖。例如，這種振蕩器可 以用在三相電壓反相器中。振蕩器400含有三位相級402、404、406和一個參考級408。參 考級408類似於圖2B所示的振蕩器210中的參考級212，參考級212包含兩個參考電晶體 Tref和Tre/。上述第二參考電晶體TMf』用於對第一參考電晶體Tref的電流提供負反饋控制， 而不管位相級的電晶體中的電流。第一和第二位相級402和404，與圖3A所示的兩相振蕩器300的第一和第二位相 級302和304類似。第一位相級402包含一個具有漏極D1、柵極G1和源極S1的η-溝道MOS 電晶體1\。漏極D1通過結J1耦合到大約1 μ A的電流源I1上。柵極G1耦合到第一節點N1 上。源極S1耦合到第二位相級404中的結J5、第三位相級406中的結J6以及參考級408中 的結J7。第一位相級402還包含一個電容器C1，其第一端穿過第一節點N1耦合到第二電流 源I1'上，第二端接地。開關SW1是一個MOS電晶體，耦合到電容器C1上，其源極接地，柵極 耦合到第一閂鎖L1的一個輸出端。第一位相級402還包含一個第一反相器INV1，其輸入端 在結J1處耦合到電流源I1上，輸出端耦合到閂鎖L1的一個輸入端上。單次計時器OS1可以 選擇耦合在第一反相器INV1和第一閂鎖L1之間。第二位相級404包含一個MOS電晶體T2,其漏極D2通過結J2耦合到大約1 μ A的 電流源I2上，柵極G2通過第二節點N2耦合到第二電流源I2』上，源極S2耦合到結J5上。第 二位相級404還包含一個電容器C2，其第一端耦合到第二節點N2上，第二端接地。開關SW2 可以是一個MOS電晶體，耦合到電容器C2上，含有一個接地的源極以及一個耦合到第二閂 鎖L2輸出端的柵極。第二位相級404還包含一個第二反相器INV2,其輸入端在結J2處耦合 到電流源I2上，輸出端耦合到第二閂鎖L2的輸入端上。單次計時器OS2可以選擇耦合在第 二反相器INV2和第二閂鎖L2之間。第三位相級406包含一個具有漏極D3、柵極G3和源極S3的MOS電晶體Τ3。其漏極 D3通過結J3耦合到大約1 μ A的電流源I3上，柵極G3通過第三節點N3耦合到第三電流源 13』上，源極S3耦合到結J6上。第三位相級406還包含一個電容器C3，其電容與電容器Q、 C2相等。由於電容器CpCyC3的第二電流源I/、12』、I/決定每個電容器上的電壓的增長 速度，因此它們的值也決定每個相的周期。對於一個帶有相等相的對稱振蕩器來說，電流源 和電容器的值應該相等。但是，如果需要不相等的相，那麼這些值也應該相應地變化。電容 器仏的第一端耦合到第三節點N3上，第二端接地。開關SW3可以是一個MOS電晶體，耦合 到電容器C3上，含有一個接地的源極以及一個耦合到第三閂鎖「輸出端的柵極。第三位相 級406還包含一個第三反相器INV3,其輸入端在結J3處耦合到電流源I3上，輸出端耦合到 第三閂鎖L3的輸入端上。單次計時器OS3可以選擇耦合在第三反相器INV3和第三閂鎖L3 之間。一般來說，參考電流並不一定要等於I^I2和13。也沒有必要使I/ = 12，= 13』。但是，如果需要對稱振蕩器，那麼第二電流源應該相等I1' = 12』 = 13』，電容器的電容 也應相等C1 = C2 = C3O
如圖4A所示，單次計時器OS1的輸出端連接到閂鎖L1的置位S以及閂鎖L2的復 位R。單次計時器OS2的輸出端連接到閂鎖L2的置位S以及閂鎖L3的復位R。單次計時器 OS3的輸出端連接到閂鎖L3的置位S以及閂鎖L1的復位R。如果需要的話，單次計時器OSp OS2, OS3可以提供數字輸出信號。如果沒有使用單次計時器OSp OS2, OS3，那麼反相器的輸 出端可以直接耦合到閂鎖INV1、INV2、INV3上。參考級408可以在類似於上述圖2B中所示的方式下工作。參考級408在有或沒 有電流的反饋控制時都能工作。如圖4A所示，第二參考電晶體Tref』從電晶體I\、T2、T3* Tref中通過結J7，提供電流的負反饋控制。振蕩器400的振蕩速度由電流源I1'、12』、13』提供的電流量，以及電容器CrCpC3 的容量來控制。振蕩器400的工作進程如下在初始位相級，開關SW1關閉，開關SW2和SW3 開啟。由於來自電流源I1'的電流，第一節點N1處的電壓一直升高到V&，從而開啟電晶體 T1，拉低電晶體T1的漏極Dp置位第一閂鎖L1,復位第二閂鎖L2。因此，開關開啟SW1，開關 SW2關閉；開關SW3仍然閂鎖。同樣地，隨著開關SW2的關閉，電流源12』的電流使節點N2處的電壓超過Vref時， MOS電晶體T2的漏極D2被拉低。從而置位第二閂鎖L2，並復位第三閂鎖L3。因此，開啟第 二開關SW2,並關閉第三開關SW3。當電流源I/的電流使節點N3處的電壓超過VMf時，晶體 管T3的漏極D3被拉低。從而置位閂鎖L3，並復位閂鎖Lp因此，開啟開關SW3，並關閉開關 SW1，回到初始狀態。振蕩器400的三個相對應節點NpN2和N3處電壓。對于振蕩頻率，應 減少電容器CpC2或仏，並增加電流源I1M2'和I/。圖4B-4D表示在圖4A中所示的電路在節點N1、N2和N3處的模擬信號圖形。如圖 所示，鋸齒波形相隔120度。圖4E表示圖4B-4D的鋸齒波形相互疊加在一起。可以通過在圖4A所示的三相振蕩器電路上增加一個相模來製備一個四相振蕩 器。圖5A表示三相振蕩器500的電路圖，含有四位相級502、504、506、508和一個參考級 510。參考級510類似於圖2B所示的振蕩器210中的參考級212，參考級212包含兩個參 考電晶體T,ef和Tre/，它們可以是MOS電晶體。前三個位相級502、504、506的配置方法，與 圖4A的位相級402、404和406的配置方法，除了有少許微小差別之外，大致相同。只是第 三參考級506的結J6耦合到第四參考級508的相似結J8上，結J8耦合到參考級中的結J7 上。而且，單次計時器OS3的輸出端連接到閂鎖L4的復位R上，閂鎖L1的復位R連接到單 次計時器OS4的輸出端。第四位相級508包含一個具有漏極D4、柵極G4和源極S4的MOS電晶體T4。其漏 極D4通過結J4耦合到大約1 μ A的電流源I4上，柵極G4通過第四節點N8耦合到電流源I/ 上，源極S4耦合到結J8上。第四位相級508還包含一個電容器C4,其電容與電容器Ci、C2、 C3相等。電容器C4的第一端耦合到第四節點N4上，第二端接地。開關SW4可以是一個MOS 電晶體，耦合到電容器C4上，含有一個接地的源極以及一個耦合到第四閂鎖L4輸出端的柵 極。第四位相級508還包含一個第四反相器INV4,其輸入端在結J4處耦合到電流源I4上， 輸出端耦合到第四閂鎖L4的輸入端上。單次計時器OS4可以選擇耦合在第四反相器INV4* 第四閂鎖L4之間。如圖5A所示，單次計時器的輸出端OS1的輸出端連接到閂鎖L1的置位S以及閂鎖 L2的復位R。單次計時器OS2的輸出端連接到閂鎖L2的置位S以及閂鎖L3的復位R。單次計時器OS3的輸出端連接到閂鎖L3的置位S以及閂鎖L4的復位R。單次計時器OS4的輸出 端連接到閂鎖L4的置位S以及閂鎖L1的復位R。振蕩器500的振蕩速度由電流源I1'、12』、 13』、I/的容量和電容器Q、C2、C3和C4的容量控制。參考級510可以在類似於上述圖2B中所示的方式下工作。參考級510在有或沒 有電流的反饋控制時都能工作。如圖5A所示，第二參考電晶體Tref』從電晶體！^、!^!^!^ 和TMf中通過結J7，提供電流的負反饋控制。振蕩器500的工作原理與上述振蕩器400類似。在初始位相級，第一開關SW1關 閉，開關SW2、SWJP SW4開啟。由於來自供給電流源I1'的電流，第一節點N1處的電壓一直 升高到V&，從而拉低電晶體T1的漏極D1。置位第一閂鎖L1,復位第二閂鎖L2。因此，第一 開關開啟SW1，第二開關SW2關閉。同樣地，由於來自供給電流源12』的電流，當第二節點N2處的電壓超過參考電壓 時，電晶體T2的漏極D2被拉低。置位第二閂鎖L2,復位第三閂鎖L3。因此，第二開關3評2開 啟，第三開關SW3關閉。由於來自供給電流源13』的電流，當第三節點N3處的電壓超過參考電壓時，電晶體 T3的漏極03被拉低。置位第三閂鎖L3,復位第四閂鎖L4。因此，第三開關SW3開啟，第四開 關SW4關閉。由於來自供給電流源I/的電流，當第四節點N4處的電壓超過參考電壓時，電晶體 T4的漏極隊被拉低。置位第四閂鎖L4,復位第一閂鎖Lp因此，第四開關SW4開啟，第一開 關SW1關閉，從而回到初始狀態。可以在節點Κ、Ν2、Ν3和N4處看到第四相。為了提高振蕩器的頻率，應該降低電容 器c」 C2, C3或(；，而增加電流源V、V、V和V。如果需要的話，單次計時器OSp OS2, 0S3、OS4可以提供數字輸出信號。如果沒有使用單次計時器OSpOSyOSpO、，反相器INVp INV2, INV3、INV4的輸出端可以直接耦合到閂鎖上。圖5B-5E表示振蕩頻率高於50MHz時，圖5A的N1J^N3和N4節點處的信號圖形。 如圖所示，鋸齒波形相隔90度。圖5F表示圖5B-5D的鋸齒波形相互疊加在一起。依據本發明的實施例所述的振蕩器可以用於任何轉換系統。基於低壓CMOS過程， 預計這種振蕩器可以從很低的頻率振蕩到50MHz左右。過程越快，頻率振蕩也越快。這種振 蕩器的另一優勢在於，在瞬變時，它們可以根據需要，改變偏壓電流。通過改變系統的複雜 度，可以輕鬆改變相的數量。此外，相模中所使用的單次計時器和反相器只佔晶片上很小的 一部分面積。整個電壓範圍內傳播的頻率，僅從2. 5V到5V—小部分。此外，由於不使用傳 統的比較器，而且參考級可以根據需要改變電流，因此上述類型的振蕩器消耗的電流很低。雖然以上是本發明首選實施例的完整說明，但可能還有各種備選、優化和同類實 例。因此，本發明的範圍不應由上述說明決定，而應由所附的權利要求書及其全部相關內容 決定。任何可選件(無論首選與否)，都可與其他任何可選件(無論首選與否)組合。在以 下權利要求中，除非特別聲明，否則不定冠詞「一個」或「一種」都指下文內容中的一個或多 個項目的數量。除非用「意思是」明確指出限定範圍，否則所附的權利要求書並不應認為是 意義和功能的局限。儘管本發明的內容已經通過上述優選實施例作了詳細介紹，但應當認識到上述的 描述不應被認為是對本發明的限制。在本領域技術人員閱讀了上述內容後，對於本發明的多種修改和替代都將是顯而易見的。因此，本發明的保護範圍應由所附的權利要求來限定。
權利要求
一種振蕩器裝置，其特徵在於，包含一個具有一個參考電流源Iref和一個第一參考電晶體Tref的參考級；所述第一參考電晶體Tref的柵極耦合到一參考電壓上Vref』，漏極耦合到參考電流源Iref上；以及含有一個第一和一個最後位相級的兩個或多個位相級，其中每個位相級包含一個相電晶體，其漏極耦合到一第一電流源，柵極耦合到一節點，源極耦合到第一參考電晶體的源極上；一個第二電流源，其耦合到所述節點上；一個電容器，具有一個耦合到所述節點上的第一端和一個第二端；一個耦合在所述電容器的第一端和第二端之間的開關；以及一個邏輯塊，用於當所述節點處的電壓超過參考電壓Vref時，為後面的位相級閂鎖開關和關閉開關。
2.如權利要求1所述的裝置，其特徵在於，所述每個邏輯塊還包含一個置位_復位閂 鎖，以及一個耦合到置位_復位閂鎖的置位輸入端的單次計時器。
3.如權利要求1所述的振蕩器裝置，其特徵在於，所述參考級還包含一個第二參考晶 體管T&』，用於提供負反饋，探測所需電流以及改變供給電流。
4.如權利要求3所述的裝置，其特徵在於，所述每個位相級中的開關都是一個場效應管。
5.如權利要求4所述的裝置，其特徵在於，所述邏輯塊還包含一個置位_復位閂鎖，並 且置位_復位閂鎖的輸出端耦合到所述的場效應管開關的柵極上。
6.如權利要求1所述的裝置，其特徵在於，所述的開關和電晶體皆為η-溝道MOS電晶體。
7.如權利要求6所述的裝置，其特徵在於，所述的開關的源極和第二參考電晶體的源 極都接地。
8.如權利要求1所述的裝置，其特徵在於，所述開關和電晶體為ρ-溝道MOS電晶體。
9.如權利要求8所述的裝置，其特徵在於，所述開關的源極和第二參考電晶體的源極 都耦合到電壓Vcc上。
10.如權利要求1所述的裝置，其特徵在於，所述兩個或多個位相級僅含有第一位相級 和最後位相級，因此該裝置為雙相振蕩器。
11.如權利要求1所述的裝置，其特徵在於，所述兩個或多個位相級僅含有第一位相級 和最後位相級，以及一個中間位相級，所述的中間位相級在第一位相級的後面，最後位相級 的前面，因此該裝置為三相振蕩器。
12.如權利要求1所述的裝置，其特徵在於，所述兩個或多個位相級僅含有第一位相級 和最後位相級，一個第一中間位相級在第一位相級的後面，和一個第二中間位相級在第一 中間位相級的後面，最後位相級的前面，因此該裝置為四相振蕩器。
13.如權利要求1所述的裝置，其特徵在於，所述參考級還包含一個耦合到第一參考晶 體管Tref源極的電流控制，其中電流控制用於控制在一個負反饋模式中，從相電晶體和第一 參考電晶體Tm流出的總電流。
14.如權利要求13所述的裝置，其特徵在於，所述電流控制包含一個第二參考電晶體 Tref』，其漏極耦合到第一參考電晶體的源極，柵極耦合到第一電晶體的漏極，如果第二參考電晶體TMf』為N-溝道器件的話，源極就接地，如果第二參考電晶體TMf』為P-溝道器件的 話，源極就接一共同電壓。
15.如權利要求13所述的裝置，其特徵在於，所述電流控制含有一個運算放大器。
16.如權利要求1所述的裝置，其特徵在於，所述邏輯塊包含一個輸入端耦合到晶體 管漏極的反相器；以及一個輸出端耦合到開關柵極、置位輸入端耦合到反相器輸出端的置 位_復位閂鎖。
17.如權利要求16所述的裝置，其特徵在於，所述第一位相級中反相器的輸出端耦合 輸出一個復位輸入到下一個位相級中的置位_復位閂鎖的復位輸入端，其中最後位相級中 的置位_復位閂鎖的復位輸入端耦合到前一個位相級中反相器的輸出端，其中最後位相級 中的反相器的輸出端耦合到第一個位相級中的置位_復位閂鎖的復位輸入端。
18.一種多相振蕩器，其特徵在於，包含多個輸入級和一個參考級，每個輸入級都產生一個電壓，並代表振蕩器的一個相，其中 多個輸入級作為一個最大值選擇器，用於將每個輸入級產生的電壓與參考級的一個電壓作 比較，並從中選取一個最大電壓，其中最大值選擇器選取的那個輸入級會使所選的輸入級 的輸出改變；一個耦合到參考級上的負反饋迴路，用於探測振蕩器所需電流，並為每個輸入級提供 適當的供給電流。
19.如權利要求18所述的多相振蕩器，其特徵在於，還包含一個邏輯單元，按照最大 值選擇器選取的輸入級，關閉選定的輸入級，並激活下一個輸入級。
20.如權利要求18所述的多相振蕩器，其特徵在於，所述每個輸入級都含有一個晶體 管，參考級含有一個參考電晶體，其中最大值選擇器將每個輸入級的電晶體柵極上的電壓， 與參考電晶體柵極上的電壓作比較。
21.如權利要求18所述的多相振蕩器，其特徵在於，所述參考級還包含與第一參考電晶體串聯的一個固定電流源，其中負反饋迴路用於使第一參考電晶體允 許固定電流源的穩定電流流經第一參考電晶體。
全文摘要
本發明涉及一種靈活的低電流多相振蕩器，該振蕩器包含一個參考級和多個位相級。參考級具有一個參考電晶體，其柵極耦合到參考電壓上，漏極耦合到參考電流源上。每個位相級包含一個電晶體、兩個電流源、一個電容器、開關、反相器和閂鎖。電晶體的漏極耦合到第一電流源上，柵極耦合到節點上，源極耦合到參考電晶體的源極。電容器和開關耦合在節點和地之間。第二電流源耦合到節點上。電晶體的漏極耦合到反相器的輸入端。反相器的輸出端耦合到閂鎖的置位輸入端。閂鎖的輸出端耦合到開關上。反相器的輸出端也耦合到下一個位相級閂鎖的復位輸入端。最後一個位相級的反相器輸出端耦合到第一位相級閂鎖的復位輸入端。
文檔編號H03K3/02GK101931383SQ201010208860
公開日2010年12月29日 申請日期2010年6月13日 優先權日2009年6月19日
發明者張艾倫, 貝赫扎德·穆赫塔斯米 申請人:萬國半導體股份有限公司