CN113783528B - 一种低功耗的振荡器电路 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种低功耗的振荡器电路，包括：振荡器，振荡器用于生成输出时钟信号；鉴频器，鉴频器接收使能信号、基准时钟信号以及输出时钟信号，并生成比较信号；电荷泵，电荷泵的输入端连接鉴频器的输出端，并输出控制电压；保电模块，保电模块的输入端连接电荷泵的输出端，保电模块还用于将控制电压存储在一保电电容中。本发明的有益效果在于：通过设置保电模块实现了在鉴频器和电荷泵停止工作的状态下仍能够驱动振荡器产生输出时钟信号，实现了电源的间断运行，进而使得振荡器整体功耗降低。通过对保电模块的电路设计使得保电电容漏电电流减小，更易于产生高精度的输出时钟信号。

Description

一种低功耗的振荡器电路
技术领域
本发明涉及振荡电路技术领域，具体涉及一种低功耗的振荡器电路。
背景技术
振荡器是用来产生重复电子讯号(通常是正弦波或方波)的电子元件。其构成的电路叫振荡电路。能将直流电转换为具有一定频率交流电信号输出的电子电路或装置。种类很多，按振荡激励方式可分为自激振荡器、他激振荡器；按电路结构可分为阻容振荡器、电感电容振荡器、晶体振荡器、音叉振荡器等；按输出波形可分为正弦波、方波、锯齿波等振荡器。广泛用于电子工业、医疗、科学研究等方面。
现有技术中，振荡器电路通常是由电流源输出一稳定电压驱动振荡器来使得振荡器输出精度较高的频率。这导致了振荡器电路整体的功耗偏高，不能很好地应用在低功耗场合中。
发明内容
针对现有技术中存在的上述问题，现提供一种低功耗的振荡器电路。
具体技术方案如下：
一种低功耗的振荡器电路，包括：
一振荡器，所述振荡器用于生成输出时钟信号；
鉴频器，所述鉴频器接收外部输入的使能信号和基准时钟信号，以及接收自所述振荡器的输出端输出的输出时钟信号，并根据所述输出时钟信号和所述基准时钟信号生成比较信号；
电荷泵，所述电荷泵的输入端连接所述鉴频器的输出端，并用于根据所述比较信号和所述使能信号输出控制电压；
保电模块，所述保电模块的输入端连接所述电荷泵的输出端，用于将所述控制电压输出至所述振荡器的输入端；
所述振荡器在所述控制电压的驱动下生成所述输出时钟信号；
所述保电模块还用于将所述控制电压存储在一保电电容中，并在所述使能信号的控制下，通过所述保电电容形成所述控制电压，用于实现低功耗运行。优选地，所述保电模块包括：
第一场效应管，所述第一场效应管的栅极接收所述使能信号；
所述第一场效应管的源极连接所述电荷泵的输出端；
所述第一场效应管的漏极连接放大器的负输入端和所述放大器的输出端；
所述放大器的正输入端连接至所述保电模块的输出端；
第二场效应管，所述第二场效应管的栅极通过一非门接收所述使能信号；
所述第二场效应管的源极连接所述保电模块的输出端；
所述第二场效应管的漏极连接所述电荷泵的输出端；
所述第二场效应管的基极连接所述放大器的负输入端。
优选地，所述放大器包括：
第一放大场效应管，所述第一放大场效应管的栅极连接至所述放大器的正输入端；
所述第一放大场效应管的源极接地；
所述第一放大场效应管的漏极连接至第二放大场效应管的漏极和栅极；
所述第二放大场效应管的源极连接至第三放大场效应管的源极；
所述第三放大场效应管的栅极连接至所述第二放大场效应管的栅极；
所述第三放大场效应管的漏极连接至第四放大场效应管的漏极和所述放大器的输出端；
所述第四放大场效应管的栅极连接至所述放大器的负输入端；
所述第四放大场效应管的源极连接至所述第一放大场效应管的源极。
优选地，所述保电电容的一端连接所述保电模块的输出端，所述保电电容的另一端接地。
优选地，所述电荷泵根据所述比较信号调整所述控制电压的大小；
所述比较信号为电压上升信号，用于控制所述电荷泵升高所述控制电压；
或，电压下降信号，用于控制所述电荷泵降低所述控制电压。
优选地，所述振荡器为压控振荡器，用于根据所述控制电压的大小调整所述输出时钟信号的频率。
优选地，当所述使能信号为低电平时，所述鉴频器停止工作，所述保电模块输出所述控制电压。
优选地，所述第一场效应管、所述第二场效应管、所述第二放大场效应管、所述第三放大场效应管为N沟道型场效应管；
所述第一放大场效应管、所述第四放大场效应管为P沟道型场效应管。
上述技术方案具有如下优点或有益效果：通过设置保电模块实现了在鉴频器和电荷泵停止工作的状态下仍能够驱动振荡器产生输出时钟信号，实现了电源的间断运行，进而使得振荡器整体功耗降低。通过对保电模块的电路设计使得保电电容漏电电流减小，更易于产生高精度的输出时钟信号。
附图说明
参考所附附图，以更加充分的描述本发明的实施例。然而，所附附图仅用于说明和阐述，并不构成对本发明范围的限制。
图1为本发明实施例的整体示意图；
图2为本发明实施例的第二场效应管寄生电容示意图；
图3为本发明实施例的放大器示意图；
图4为本发明实施例的信号对照示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
本发明包括：
一种低功耗的振荡器电路，如图1所示，包括：
鉴频器1，鉴频器1接收外部输入的使能信号EN和基准时钟信号CLK_IN，以及自振荡器4的输出端输出的输出时钟信号CLK_OUT，并生成比较信号；
电荷泵2，电荷泵2的输入端连接鉴频器1的输出端，电荷泵2根据比较信号和使能信号EN输出控制电压VCTRL；
保电模块3，保电模块3的输入端连接电荷泵2的输出端，用于将控制电压VCTRL输出至振荡器4；
振荡器4在控制电压的驱动下生成输出时钟信号CLK_OUT；
保电模块3还用于将控制电压VCTRL存储在保电电容CAP1中，并在使能信号EN的控制下，通过保电电容CAP1形成控制电压VCTRL，用于实现低功耗运行。
具体地，本技术方案通过切换使能信号EN使得振荡器电路整体具有两种工作状态。当使能信号EN置1时，鉴频器1接收自振荡器4反馈的输出时钟信号CLK_OUT并与参考用的基准时钟信号CLK_IN进行比较，判断输出时钟信号的频率CLK_OUT高于或是低于基准时钟信号CLK_IN的频率，并根据判断结果控制电荷泵输出的控制电压VCTRL，进而实现对振荡器4的输出时钟信号CLK_OUT的控制。而当使能信号EN置0时，振荡器电路整体进入低功耗运行状态，此时仅靠保电模块3维持振荡器4的供电，同时停止鉴频器1对输出时钟信号CLK_OUT的频率的控制，使得电路整体的功耗降低。
在一种较优的实施例中，保电模块3包括：
第一场效应管MP1，第一场效应管MP1的栅极接收使能信号；
第一场效应管MP1的源极连接电荷泵2的输出端；
第一场效应管MP1的漏极连接放大器U1的负输入端和放大器U1的输出端；
放大器U1的正输入端连接至保电模块3的输出端；
第二场效应管MP2，第二场效应管MP2的栅极通过一非门U2接收使能信号；
第二场效应管MP2的源极连接保电模块3的输出端；
第二场效应管MP2的漏极连接电荷泵2的输出端；
第二场效应管MP2的基极连接放大器U1的负输入端。
具体地，保电模块3由放大器U1、第一场效应管MP1、第二场效应管MP2和保电电容CAP1组成，用于将电荷泵2输出的控制电压VCTRL存储在保电电容CAP1中，以便于在使能信号EN置0、鉴频器和电荷泵不工作时通过保电电容CAP1生成控制电压VCTRL进而使得振荡器4能够正常生成输出时钟信号CLK_OUT。同时，非门U2用于将使能信号EN翻转，即当使能信号EN为0时，非门U2输出至第二场效应管MP2的信号为1，其对应图2中的VDD端。
进一步地，如图2所示，第二场效应管MP2中的寄生电容分布为：
源极和栅极之间具有寄生电容CGS、栅极和漏极之间具有寄生电容CGD、漏极和基极之间具有寄生电容CDB、源极和基极之间具有一对并联的寄生电容CGB和CSB。其中，寄生电容CGD和CDB与保电电容CAP1连接，第二场效应管MP2的基极、漏极和源极等电位。通过将第二场效应管MP2的基极、漏极和源极接入控制电压VCTRL使得其等电位，以此来减小控制电压VTCRL与其他电位之间的寄生电容。此时，可能存在漏电的通路只有VCTRL和VDD之间的寄生电容CGS和CGD。而在关断状态下，第二场效应管MP2的寄生电容CGS和CGD最小，能够有效防止保电电容CAP1漏电，进而使得保电电容CAP1能够有效维持振荡器4的输出，以起到振荡器电路整体的低功耗效果。
在一种较优的实施例中，放大器U1包括：
第一放大场效应管Q1，第一放大场效应管Q1的栅极连接至放大器U1的正输入端；
第一放大场效应管Q1的源极接地；
第一放大场效应管Q1的漏极连接至第二放大场效应管Q2的漏极和栅极；
第二放大场效应管Q2的源极连接至第三放大场效应管Q3的源极；
第三放大场效应管Q3的栅极连接至第二放大场效应管Q2的栅极；
第三放大场效应管Q3的漏极连接至第四放大场效应管Q4的漏极和放大器U1的输出端；
第四放大场效应管Q4的栅极连接至放大器U1的负输入端；
第四放大场效应管Q4的源极连接至第一放大场效应管Q1的源极。
具体地，通过上述设计使得放大器U1具有较低的功耗。
在一种较优的实施例中，保电电容CAP1的一端连接保电模块3的输出端，保电电容CAP1的另一端接地。
在一种较优的实施例中，电荷泵2根据比较信号调整控制电压VCTRL的大小。
在一种较优的实施例中，振荡器4为压控振荡器，用于根据控制电压的大小调整输出时钟信号的频率。
在一种较优的实施例中，当使能信号EN为低电平时，鉴频器1停止工作，保电模块3输出控制电压。
在一种较优的实施例中，第一场效应管MP1、第二场效应管MP2、第二放大场效应管Q2、第三放大场效应管Q3为N沟道型场效应管；
第一放大场效应管Q1、第四放大场效应管Q4为P沟道型场效应管。
在一种较优的实施例中，比较信号为电压上升信号UP，用于控制电荷泵2升高控制电压VCTRL；或，电压下降信号，用于控制电荷泵2降低控制电压VCTRL。
具体地，如图4所示，本发明中的振荡器电路通过使能信号EN来控制振荡器器电路整体的工作状态。
当使能信号EN为1时，鉴频器1接收来自振荡器生成的输出时钟信号CLK_OUT和自外部输入的基准时钟信号CLK_IN，通过比较输出时钟信号CLK_OUT与基准时钟信号CLK_IN的频率生成比较信号，即：当输出时钟信号CLK_OUT的频率低于基准时钟信号CLK_IN的频率时，输出电压上升信号UP至电荷泵2，使得电荷泵2将控制电压VCTRL升高，随后使得振荡器4生成的输出时钟信号CLK_OUT的频率增大；而当输出时钟信号CLK_OUT的频率高于基准时钟信号CLK_IN的频率时，输出电压下降信号DOWN至电荷泵2，使得电荷泵2将控制电压VCTRL降低，随后使得振荡器4生成的输出时钟信号CLK_OUT的频率减小，以起到精确生成输出时钟信号CLK_OUT的效果。同时，当使能信号EN为1时，保电模块3还将控制电压存储在保电电容CAP1中。
当使能信号EN为0时，此时控制电压VCTRL仅由保电电容CAP1输出，并且鉴频器1不工作，振荡器4工作在固定的频率上。
通过上述设计，使得振荡器电路整体的功耗分为静态功耗和动态功耗两个部分，静态功耗为保电模块3和振荡器4的功耗，其并不随着工作状态或是使能信号EN置0置1改变；而动态功耗则包括外部电路用于产生基准时钟信号CLK_IN的功耗、鉴频器功耗和电荷泵功耗。通过使能信号EN使得振荡器电路具有了动态的、可调节的功耗，并通过对保电模块3的设计实现保电电容CAP1的漏电的减小，从而降低了动态功耗大小，进而使得振荡器整体功耗减小。
本发明的有益效果在于:通过设置保电模块实现了在鉴频器和电荷泵停止工作的状态下仍能够驱动振荡器产生输出时钟信号，实现了电源的间断运行，进而使得振荡器整体功耗降低。通过对保电模块的电路设计使得保电电容漏电电流减小，更易于产生高精度的输出时钟信号。
附图中所示的一些方框图是功能实体，不一定必须与物理或逻辑上独立的实体相对应。可以采用软件形式来实现这些功能实体，或在一个或多个硬件模块或集成电路中实现这些功能实体，或在不同网络和/或处理器装置和/或微控制器装置中实现这些功能实体。
同样的，本发明中的“鉴频器”、“电荷泵”以及“振荡器”也可能被理解为一个或多个应用专用集成电路(ASIC)、DSP、可编程逻辑器件(PLD)、复杂可编程逻辑器件(CPLD)、现场可编程门阵列(FPGA)、通用处理器、控制器、微控制器(MCU)、微处理器(Microprocessor)、或者其他电子元件实现。
以上仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书及图示内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种低功耗的振荡器电路，其特征在于，包括：
一振荡器，所述振荡器用于生成输出时钟信号；
鉴频器，所述鉴频器接收外部输入的使能信号和基准时钟信号，以及接收自所述振荡器的输出端输出的输出时钟信号，并根据所述输出时钟信号和所述基准时钟信号生成比较信号；
电荷泵，所述电荷泵的输入端连接所述鉴频器的输出端，并用于根据所述比较信号和所述使能信号输出控制电压；
保电模块，所述保电模块的输入端连接所述电荷泵的输出端，用于将所述控制电压输出至所述振荡器的输入端；
所述振荡器在所述控制电压的驱动下生成所述输出时钟信号；
所述保电模块还用于将所述控制电压存储在一保电电容中，并在所述使能信号的控制下，通过所述保电电容形成所述控制电压，用于实现低功耗运行；
所述保电模块包括：
第一场效应管，所述第一场效应管的栅极接收所述使能信号；
所述第一场效应管的源极连接所述电荷泵的输出端；
所述第一场效应管的漏极连接放大器的负输入端和所述放大器的输出端；
所述放大器的正输入端连接至所述保电模块的输出端；
第二场效应管，所述第二场效应管的栅极通过一非门接收所述使能信号；
所述第二场效应管的源极连接所述保电模块的输出端；
所述第二场效应管的漏极连接所述电荷泵的输出端；
所述第二场效应管的衬底连接所述放大器的负输入端。
2.根据权利要求1所述的振荡器电路，其特征在于，所述放大器包括：
第一放大场效应管，所述第一放大场效应管的栅极连接至所述放大器的正输入端；
所述第一放大场效应管的源极接地；
所述第一放大场效应管的漏极连接至第二放大场效应管的漏极和栅极；
所述第二放大场效应管的源极连接至第三放大场效应管的源极；
所述第三放大场效应管的栅极连接至所述第二放大场效应管的栅极；
所述第三放大场效应管的漏极连接至第四放大场效应管的漏极和所述放大器的输出端；
所述第四放大场效应管的栅极连接至所述放大器的负输入端；
所述第四放大场效应管的源极连接至所述第一放大场效应管的源极。
3.根据权利要求1所述的振荡器电路，其特征在于，所述保电电容的一端连接所述保电模块的输出端，所述保电电容的另一端接地。
4.根据权利要求1所述的振荡器电路，其特征在于，所述电荷泵根据所述比较信号调整所述控制电压的大小；
所述比较信号为电压上升信号，用于控制所述电荷泵升高所述控制电压；
或，电压下降信号，用于控制所述电荷泵降低所述控制电压。
5.根据权利要求1所述的振荡器电路，其特征在于，所述振荡器为压控振荡器，用于根据所述控制电压的大小调整所述输出时钟信号的频率。
6.根据权利要求1所述的振荡器电路，其特征在于，当所述使能信号为低电平时，所述鉴频器停止工作，所述保电模块输出所述控制电压。
7.根据权利要求2所述的振荡器电路，其特征在于，所述第一场效应管、所述第二场效应管、所述第二放大场效应管、所述第三放大场效应管为N沟道型场效应管；
所述第一放大场效应管、所述第四放大场效应管为P沟道型场效应管。
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