張馳振蕩器的製作方法
2023-06-14 05:27:31 1
本發明涉及張馳振蕩器，尤其涉及適合於快速切換、低噪聲和低電流消耗很重要的應用的張馳振蕩器。
背景技術：
通常用反饋迴路和切換裝置(例如比較器或繼電器)實施的張馳振蕩器生成周期性輸出信號。這些裝置產生諸如方波的非線性輸出信號。原理是用反饋迴路和切換裝置先將諸如電容器或電感器的能量存儲裝置充電到閾值水平，然後將其放電並且重複充電放電循環。充電放電行為會產生周期性的不連續波形，這個周期性的不連續波形於是可以被視為輸出。
通常在常規張馳振蕩器中在電流消耗與切換速度之間和電流消耗與噪聲之間存在權衡。維持快速切換速度和低噪聲對於張馳振蕩器的低抖動操作(即離期望頻率只有較小的偏差)很重要，但是通常需要較高的電流。這一點與現代的電池供電的裝置的要求有衝突，因為在這類裝置中減少電流消耗非常重要。本發明旨在解決這個問題。
技術實現要素：
從第一方面，本發明提供一種張馳振蕩器，其包括：
比較器，其包括：
電晶體差分對；
靜態電流源；以及
動態電流源；以及
至少一個能量存儲組件；
其中所述比較器布置成提供輸出信號，所述輸出信號觸發能量存儲組件的充電或放電，所述動態電流源在充電或放電被觸發之前啟用，並且在預定時間之後停用。
所屬領域的技術人員將發現，根據本發明，當為能量存儲裝置充電時，張馳振蕩器可以先用第一低靜態電流操作，然後在比較器觸發充電或放電之前啟用第二動態高電流源。與常規張馳振蕩器相比，這個臨時較高電流可以有利地提供更精確的時序，減少噪聲效應並且整體電流消耗更低。
本發明可以用單一能量存儲組件實施。但是，在一組實施例中，提供多個能量存儲組件-例如兩個。在此類實施例中，可以使用輸出信號在能量存儲組件之間切換，從而使得一個能量存儲組件可以在充電，同時另一個能量存儲組件在放電。這樣容許更高頻率的輸出。
靜態或動態電流源可以採用本領域中本身已知的任何形式。然而，在一組實施例中，電流源中的任一個或兩個是電流反射鏡。申請人理解，在這個背景下使用電流鏡特別有利，因為電流鏡的功率效率高，而且會產生更精確的輸出頻率，其中輸出頻率與電流除以電容成比例。
在一組實施例中，振蕩器布置成在能量存儲組件兩端使用電壓以啟用動態電流源。這樣可能便於就在觸發充電/放電之前啟用動態電流源，或者在提供多個能量存儲組件的情況下在能量存儲組件之間切換。在一組實施例中，動態電流源包括至少一個開關電晶體，其布置成啟用和停用動態電流源。在一組實施例中，所述開關電晶體的柵極導線連接到能量存儲組件。在提供多個能量存儲組件的情況下，可以提供分開的開關電晶體，其中每個開關電晶體可以具有柵極導線連接到相應能量存儲組件。通過提供電晶體，電晶體的柵極連接到能量存儲裝置並且源極導線連接使得它能啟用或停用動態電流源，這樣可以有利地使動態電流源就在比較器觸發任何充電或放電之前的時間接通。
存在多種不同的電晶體技術可供用於半導體裝置製造。然而，對於低功率應用，場效應電晶體(fet)是最合適的技術，原因在於它的低電流操作要求。因而，在一組實施例中差分對和/或開關電晶體包括場效應電晶體。
本發明可以使用本領域中本身已知的任何能量存儲組件實施。然而，優選地，該能量存儲組件或每一能量存儲組件包括電容器。電容器尤其非常適合用於切換速度和功率消耗很重要的應用。
可以使用來自比較器的輸出信號控制在任何給定時刻多個能量存儲組件中的哪個能量存儲組件正在充電。在有些組實施例中，張馳振蕩器包括能量存儲充電控制模塊，當從比較器接收到合適的信號時，該能量存儲充電控制模塊在能量存儲組件之間切換。
當從第二方面看時，本發明提供一種電池供電的集成電路，其包括如上文所述的張馳振蕩器。
附圖說明
現將僅藉助於實例且參考附圖描述本發明的實施例，在這些附圖中：
圖1是本發明的示例性實施例的電路圖；
圖2是本發明的示例性實施例的時序圖；
圖3是現有技術的電路圖；以及
圖4是包括本發明的示例性實施例的一部分的比較器的電路圖。
具體實施方式
圖1示出了根據本發明的張馳振蕩器2的示例性實施例的電路圖。張馳振蕩器2包括比較器4、兩個電容器8、14、四個開關10、12、16、18和充電控制模塊6。
比較器4是三個輸入的比較器，其中所述三個輸入是電容器電壓20、22和參考電壓24。比較器產生輸出信號26，輸出信號26被充電控制模塊6用作輸入。充電控制模塊產生兩個致動信號28、30，其控制開關10、12、16、18。
第一電流源32產生流經固定電阻器34的恆定電流，由於歐姆定律的作用，恆定電流在電阻器34兩端產生固定電勢差。這個電勢差被用作電壓參考24，接著如上所述，電壓參考24用作比較器4的輸入之一。
第二電流源36產生恆定電流，該恆定電流用於根據在任何給定時間的電路狀態和開關10、12、16、18中哪些開關閉合，為第一電容器8或第二電容器14充電。
比較器4將兩個電容器電壓20、22與參考電壓24比較，並且判斷兩個電容器電壓20、22中的任一個電容器電壓是否大於參考電壓24。如果電容器電壓20、22之一超出參考電壓24，則輸出電壓26設置成邏輯高；否則輸出電壓26保持在邏輯低。
充電控制模塊6布置成使得在任何給定時間第一致動信號28和第二致動信號30中的一個是高態，另一個是低態。控制模塊6監視輸出信號26，每當輸出信號26上發生正沿時，充電控制模塊6就切換信號28、30中的哪一個是高態、哪一個是低態。
當第一致動信號28變高時，第一開關對10、12閉合，並且第二開關對16、18斷開，從而將第一電容器8連接到第二電流源36並且使第二電容器14短路。當第二致動信號30變高時，第一開關對10、12斷開，並且第二開關對16、18閉合，從而將第二電容器14連接到第二電流源36並且使第一電容器8短路。
現在將參看圖2描述振蕩器的基本操作，圖2是圖1的實施例的時序圖。在初始時間t0，第二開關對16、18閉合，因而第二電容器14連接到第二電流源36。這樣使得第二電容器14充電，因此使第二電容器電壓22上升。
一旦第二電容器電壓22超出參考電壓24，比較器輸出信號26變為邏輯高。隨後，充電控制單元6檢測輸出信號26上的邏輯高，改變兩個開關對10、12、16、18的狀態，使得第一電容器8開始充電，第二電容器14放電。因此，第一電容器電壓20開始上升，而第二電容器電壓22快速降低。一旦第二電容器電壓22不再超出參考電壓24，比較器輸出電壓26就變回邏輯低。
該循環繼續，每個電容器8、14先充電到其超出參考電壓24為止，然後輸出信號26被脈衝為高態，並且電容器的作用交換。這個反覆的充電放電循環模式會產生周期性的非線性輸出信號26。
圖3是包括可能已經用於圖1的張馳振蕩器的靜態電流源的比較器104的現有技術電路圖，這裡僅僅出於參考目的描述比較器104。比較器104將以兩個電容器電壓120、122和參考電壓124作為輸入並且提供輸出電壓126。
圖3的比較器包括三個nmos電晶體140、142、144，其相應的柵極引線分別連接到兩個電容器電壓120、122和參考電壓124。這三個電晶體140、142、144布置成差分對電路的變型。參考電晶體144形成差分對的一半，而與電容器連接的電晶體140、142並聯布置並且共同地形成差分對的另一半。這個布置準許比較器將兩個電容器電壓120、122中的任一個電容器電壓與參考電壓124比較。這個差分對布置經由電流反射鏡或包括兩個電晶體146、148的有源負載布置連接到正電源軌vdd40。
包括與電容器和參考連接的電晶體140、142、144的差分對布置成長尾對。通過拖尾電晶體150在這個布置中設置提供偏壓電流的長尾對的拖尾。這個拖尾電晶體150提供用於差分對操作的恆定的靜態電流源。
單側輸出從差分對獲得並且連接到pmos電晶體152的柵極導線，其與nmos電晶體154形成推挽式輸出級。根據在任何給定時間來自差分對的單側輸出，這個推挽式輸出級使比較器輸出信號126始終飽和到邏輯高或邏輯低。
圖4是根據本發明的替代比較器204的電路圖。這個布置的拓撲類似於圖3中的布置(並且對於相似部分使用相似的參考標號，區別是去掉了前面的1)。但是有利地在差分對布置中添加額外的電流源，採用與第一拖尾電晶體50並聯的第二拖尾64的形式。
兩個nmos動態電流源電晶體60、62並聯布置，其相應的源極和漏極導線連接在一起，其中漏極導線進一步連接到差分對電晶體40、42、44的源極導線，並且動態電流源電晶體60、62的源極導線連接到第二拖尾電晶體64。動態電流源電晶體60、62的每個柵極導線分別連接到第一和第二電容器電壓20、22。
這個有利的布置容許選擇性地啟用和停用包括動態電流源電晶體60、62和第二拖尾電晶體64的第二動態電流源以在需要時向差分對提供額外的電流。當電容器電壓20、22中的任一個電容器電壓充分高時，就在比較器將輸出信號26改變成邏輯高之前，相應的動態電流源電晶體60、62會接通並且將差分對連接到提供額外電流的額外拖尾電晶體64。這樣能確保具有準確時序的清晰的脈衝並且減少噪聲效應，同時保持較低的平均功率消耗。
因而將發現已經描述了一種尤其適合於時序、噪聲和功率因素尤其重要的應用的張馳振蕩器。儘管已詳細地描述特定實施例，但在本發明的範圍內，許多變化和修改是可能的。