CN115051692B - 一种宽电源范围的频率信号发生器及调频方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种宽电源范围的频率信号发生器及调频方法，该方法包括：提供一个偏置电路，偏置电路输出偏置电流；提供一个充放电电路，充放电电路响应于偏置电流而产生充电电流，用于对电容进行充电；提供一个反馈输出电路，反馈输出电路响应于充放电容电压达到翻转电平时产生时钟信号；提供一个电流控制电路，电流控制电路响应于电源电压在门限电压值以上的范围内控制充增大充电电流幅值，从而根据电源电压范围进行分段调节频率信号发生器输出时钟信号的频率。本发明根据电源电压范围对频率信号发生器的充电电流进行调节，使得频率信号发生器的输出时钟信号频率在较宽的电源范围下均能稳定在某一频率附近，从而实现宽电源范围的振荡频率稳定。

Description

一种宽电源范围的频率信号发生器及调频方法

技术领域

本发明涉及集成电路技术领域，具体涉及一种宽电源范围的频率信号发生器及调频方法。

背景技术

频率信号发生器的主振级一般采用晶体振荡器、环形振荡器、LC振荡器、RC振荡器等等，其中RC振荡器以结构简单、功耗低、集成度高的特点，广泛应用于一些低频时钟信号的领域。RC振荡器结构包括一个阻性充电部分、一个容性储电部分，以及反馈放电部分，其原理为利用阻性器件对容性器件的充电延迟时间来获得时钟信号。但是传统RC振荡器结构的振荡频率受工艺、温度以及电源电压的影响较大，难以获得较高精度的时钟信号。

针对此，现有解决因温度、电压和工艺的影响导致时钟信号存在偏差的技术手段主要是通过在RC振荡电路中设置稳压电路来实现时钟信号的稳定输出。其中，稳压电路主要是基于比较器实现RC振荡电路的电压稳定性调节。该稳压电压通常是将实际电压与阈值电压进行比较，从而对电路进行控制，使得电压稳定在阈值电压附近，从而降低输出时钟信号频率受工艺、温度以及电源电压的影响。然而该技术仅并不适用于宽电源电压范围的频率稳定，当电源电压输入范围太大，现有的频率信号发生器输出时钟信号的频率会发生偏移，输出时钟信号频率会随着电源电压的增大而降低；且该技术实现比较复杂，不利于电路的集成和小型化。

发明内容

为了解决宽电源电压范围的频率信号发生器输出时钟信号频率稳定的问题，本发明提供了一种适用于宽电源范围的频率信号发生器的调频方法。本发明根据电源电压范围对频率信号发生器的充电电流进行调节，使得频率信号发生器的输出时钟信号频率在较宽的电源范围下均能稳定在某一频率附近，从而实现宽电源范围的振荡频率稳定。

本发明通过下述技术方案实现：

一种适用于宽电源范围的频率信号发生器的调频方法，该方法包括：

提供一个偏置电路，所述偏置电路输出偏置电流；

提供一个充放电电路，所述充放电电路响应于所述偏置电流而产生充电电流，用于对电容进行充电；

提供一个反馈输出电路，所述反馈输出电路响应于所述充放电电路的电容电压达到翻转电平时产生时钟信号；

提供一个电流控制电路，所述电流控制电路响应于电源电压在门限电压值以上的范围内控制所述充放电电路增大充电电流幅值，从而根据电源电压范围进行分段调节频率信号发生器输出时钟信号的频率。

本发明的技术原理为：当电源电压低（小于门限电压值）时，控制充放电电路为电容提供小的充电电流，当电源电压高时（大于等于门限电压值），控制充放电电路为电容提供大的充电电流，进行加速振荡，从而提高输出时钟信号的频率，使得频率信号发生器的输出时钟信号频率在较宽的电源电压范围下均能稳定在某一频率附近，保证了频率信号发生器在宽电源电压范围内的输出时钟信号频率的稳定性，保证了频率信号发生器的性能，提高了其应用范围。

本实施例采用分段调频的方式（根据实际需要可分为两段或多段，例如电源电压范围较小，可分为两段；电源电压范围较大，可分为多段）进行频率调节的方式，以保证输出时钟信号频率在某一频率附近振荡，从而保证了频率信号发生器在宽电源电压范围内的输出时钟信号频率的稳定性，解决了当电源电压输入范围大而导致的频率信号发生器的输出时钟信号频率发生偏移的问题。

作为优选实施方式，本发明的方法包括第一门限电压值，则所述电流控制电路响应于电源电压在门限电压值以上的范围内控制所述充放电电路增大充电电流幅值，具体为：

当电源电压大于等于第一门限电压值时，输出控制信号控制所述充放电电路增大充电电流幅值。

作为优选实施方式，本发明的方法包括n个门限电压值，其中，n为大于等于2的正整数，则所述电流控制电路响应于电源电压在门限电压值以上的范围内增加所述充电电流幅值，具体为：

电源电压在每个门限电压值以上的范围内增加一次所述充电电流幅值。

作为优选实施方式，本发明的n个所述门限电压值至少部分不相同。

本发明还通过设置预启动电路，用于在上电时预启动偏置电路，便于偏置电路快速进入稳态工作点。

作为优选实施方式，本发明的方法还包括：

接收启动信号，所述偏置电路响应于所述启动信号加速进入稳态工作点。

作为优选实施方式，本发明的方法还包括：

输出的所述偏置电流为与所述偏置电路的晶体管器件本身性能参数相关的函数，与所述电源电压无关。

作为优选实施方式，本发明的方法还包括：

提供设置在所述电流控制电路中的n路检测模块，且n路所述检测模块并联连接在电源电压和地之间；

提供设置在所述充放电电路中的n路可控模块、1路电流模块和1个电容，且n路所述可控模块与1路电流模块并联连接在电源电压和所述电容的上极板之间，所述电容的下极板接地，其中，n为大于等于1的正整数；

第i路检测模块响应于电源电压在第i路检测模块的门限电压值以上的范围内输出控制信号控制第i路所述可控模块为所述电容提供充电电流；

所述电流模块接收所述偏置电流，并为所述电容提供充电电流。

作为优选实施方式，本发明的n路检测模块的门限电压值至少部分不相同。

另一方面，本发明提出了一种宽电源范围的频率信号发生器，包括：

偏置电路，所述偏置电路输出偏置电流；

充放电电路，所述充放电电路响应于所述偏置电流而产生充电电流，用于对电容进行充电；

反馈输出电路，所述反馈输出电路响应于所述充放电电路的电容电压达到翻转电平时产生时钟信号；

所述电流控制电路响应于电源电压在门限电压值以上的范围内增加所述充电电流幅值，从而根据电源电压范围进行分段调节频率信号发生器输出时钟信号的频率。

作为优选实施方式，本发明的频率信号发生器还包括：

启动电路，所述启动电路输出启动信号给所述偏置电路，所述偏置电路响应于所述启动信号加速进入稳态工作点。

作为优选实施方式，本发明的门限电压值包括第一门限电压值；

所述电流控制电路在所述电源电压大于等于所述第一门限电压值时，输出控制信号控制所述充放电电路增大充电电流幅值。

作为优选实施方式，本发明的门限电压值包括n个门限电压值，其中，n为大于等于2的正整数；

所述电流控制电路在所述电源电压在每个门限电压值以上的范围内增加一次所述充电电流幅值。

作为优选实施方式，本发明的n个所述门限电压值至少部分不相同。

作为优选实施方式，本发明的偏置电路输出的所述偏置电流为与所述偏置电路的晶体管器件本身性能参数相关的函数，与所述电源电压无关。

作为优选实施方式，本发明的电流控制电路包括n路检测模块，且n路所述检测模块并联连接在所述电源电压和地之间；

所述充放电电路包括n路可控模块、1路电流模块和1个电容，且n路所述可控模块与1路电流模块并联连接在电源电压和所述电容的上极板之间，所述电容的下极板接地，其中，n为大于等于1的正整数；

第i路所述检测模块响应于所述电源电压在第i路所述检测模块的门限电压值以上的范围内输出控制信号控制第i路所述可控模块为所述电容提供充电电流；

所述电流模块接收所述偏置电流，并为所述电容提供充电电流。

作为优选实施方式，本发明的n路检测模块的门限电压值至少部分不相同。

本发明具有如下的优点和有益效果：

本发明提高了电源电压适用范围，根据电源电压对充放电电路的充电电流进行控制（当电源电压低时，控制充放电电路为电容提供较小的充电电流；当电源电压高时，控制充放电电路为电容提供较大的电流，进行加速振荡，从而提高输出时钟信号的频率），从而保证在宽电源电压范围内输出时钟信号频率的稳定性，保证频率信号发生器的性能。

本发明还设置了预启动电路，为偏置电路提供预启动信号，使得偏置电路快速进入稳定工作点，提高了器件的可靠性。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明实施例的频率信号发生器电路原理框图。

图2为本发明实施例的频率信号发生器电路原理图示例一。

图3为本发明实施例图2所示的频率信号发生器仿真结果图。

图4为本发明实施例的频率信号发生器电路原理图示例二。

图5为本发明实施例的频率信号发生器电路原理图示例三。

图6为本发明实施例的频率信号发生器电路原理图示例四。

图7为本发明实施例图6所示的频率信号发生器仿真结果图。

具体实施方式

在下文中，可在本发明的各种实施例中使用的术语“包括”或“可包括”指示所发明的功能、操作或元件的存在，并且不限制一个或更多个功能、操作或元件的增加。此外，如在本发明的各种实施例中所使用，术语“包括”、“具有”及其同源词仅意在表示特定特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合，并且不应被理解为首先排除一个或更多个其它特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的存在或增加一个或更多个特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的可能性。

在本发明的各种实施例中，表述“或”或“A或/和B中的至少一个”包括同时列出的文字的任何组合或所有组合。例如，表述“A或B”或“A或/和B中的至少一个”可包括A、可包括B或可包括A和B二者。

在本发明的各种实施例中使用的表述(诸如“第一”、“第二”等)可修饰在各种实施例中的各种组成元件，不过可不限制相应组成元件。例如，以上表述并不限制所述元件的顺序和/或重要性。以上表述仅用于将一个元件与其它元件区别开的目的。例如，第一用户装置和第二用户装置指示不同用户装置，尽管二者都是用户装置。例如，在不脱离本发明的各种实施例的范围的情况下，第一元件可被称为第二元件，同样地，第二元件也可被称为第一元件。

应注意到：如果描述将一个组成元件“连接”到另一组成元件，则可将第一组成元件直接连接到第二组成元件，并且可在第一组成元件和第二组成元件之间“连接”第三组成元件。相反地，当将一个组成元件“直接连接”到另一组成元件时，可理解为在第一组成元件和第二组成元件之间不存在第三组成元件。

在本发明的各种实施例中使用的术语仅用于描述特定实施例的目的并且并非意在限制本发明的各种实施例。如在此所使用，单数形式意在也包括复数形式，除非上下文清楚地另有指示。除非另有限定，否则在这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明的各种实施例所属领域普通技术人员通常理解的含义相同的含义。所述术语(诸如在一般使用的词典中限定的术语)将被解释为具有与在相关技术领域中的语境含义相同的含义并且将不被解释为具有理想化的含义或过于正式的含义，除非在本发明的各种实施例中被清楚地限定。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例1

当电源电压输入范围太大，现有的频率信号发生器输出时钟信号的频率会发生偏移，输出时钟信号频率会随着电源电压的增大而降低（电源电压越大，若充电电路不变，且为充电电路提供的充电电流或电压不变，则需要充电时间更长，则时钟信号的翻转也会更长，即输出信号的频率降低），从而导致时钟信号频率的精度降低，可能影响整个集成电路的工作性能，特别是电源电压范围越大，影响就越大。故针对现有RC振荡电路无法在宽范围电源电压的应用下保持时钟信号频率稳定的问题，本实施例通过设置电流控制电路，根据电源电压对充放电电路的充电电流进行控制，具体为：当电源电压低时，控制充放电电路为电容提供小的充电电流；当电源电压高时，控制充放电电路为电容提供大的充电电流，进行加速振荡，从而提高输出时钟信号的频率，使得频率信号发生器的输出时钟信号频率在较宽的电源范围下均能稳定在某一频率附近，解决了当电源电压输入范围大而导致的频率信号发生器的输出时钟信号频率发生偏移的问题。

进一步的，本发明实施例提出的频率信号发生器采用分段调频的方式实现输出时钟信号频率的稳定条件，具体为：根据实际应用的电源电压范围，若电源电压范围较小，则可以采用两段式调频方式，即采用一个门限电压值实现，当电源电压大于等于门限电压值时，控制充放电电路增大充电电流幅值；若电源电压范围较大，则可以采用多段式跳频方式，即至少采用两个门限电压值实现，当电源电压大于等于一个门限电压值时，控制充放电电路增大一次充电电流幅值，当电源电压大于等于另一个门限电压值时，控制充放电电路增大一次充电电流幅值，即至少增大两次充电电流幅值。至少两个门限电压值至少部分不相同。

如图1所示，本发明实施例提出的频率信号发生器包括启动电路、偏置电路、电流控制电路、充放电电路和反馈输出电路。

其中，启动电路，当***上电后输出信号控制偏置电路加速进入稳态工作点，防止偏置电路工作异常无法启动。

偏置电路，当***上电后，在启动电路的预启动下快速进入稳态工作点，并输出偏置电流至充放电电路。

电流控制电路，电流控制电路响应于电源电压在门限电压值以上的范围内控制充放电电路增大充电电流幅值，从而实现根据电源电压范围进行分段调节频率信号发生器输出时钟信号的频率，使得在宽电源电压范围内保持输出信号频率的稳定性。电流控制电路主要由n路检测模块构成，n路检测模块并联连接在电源电压和地之间，其中，n为大于等于1的正整数。每路检测模块响应于电源电压在其对应的门限电压值以上的范围内增加充电电流幅值。

充放电电路，利用MOS器件导通呈阻性的特点，对电容进行充电，充电电流由电流控制电路控制，当电容上极板电压达到翻转电平时，则触发后级产生时钟信号。充放电电路主要由至少n路可控模块、1路电流模块和1个电容构成，n路可控模块与1路电流模块并联连接在电源电压和电容的上极板之间，电容的下极板接地，其中，n为大于等于1的正整数。每路可控模块用于接收偏置电路输出的偏置电流，并在对应的检测模块的控制下为电容提供充电电流；电流模块用于接收偏置电路输出的偏置电流，并为电容提供充电电流。

反馈输出电路，当前级信号达到翻转电平时，输出低电平信号，充放电电路放电，从而使输出信号翻转并形成时钟信号输出。

实施例2

本实施例以将电源电压分为两段进行输出时钟信号频率调节为例，对上述实施例1提出的频率信号发生器进行详细说明。

如图2所示，本实施例的频率信号发生器中：

启动电路M1，由PMOS管P1、电容C1和PMOS管P2构成。P1的源极接电源电压vcc， P1的栅极接地vss，P1的漏极接电容C1的上极板和P2的栅极；电容C1的上极板接P1的漏极和P2的栅极，电容C1的下极板接地vss；P2的源极接电源电压vcc，P2的栅极接P1的漏极和C1的上极板，P2的漏极接偏置电路。

偏置电路M2，由PMOS管P3、PMOS管P4、NMOS管N1、NMOS管N2和电阻R1构成。P3的源极接电源电压vcc，P3的漏极接N1的漏极，P3的栅极接P4的栅极；P4的源极接电源电压vcc，P4的漏极接N2的漏极，P4的栅极接P3的栅极；N1的漏极接P3的漏极，N1的源极接R1的一端，N1的栅极接N2的栅极、P2的漏极和N2的漏极；N2的漏极接P4的漏极、N2的栅极和P2的漏极，N2的源极接地vss，N2的栅极接N1的栅极、N2的漏极和P2的漏极；R1的一端接N1的源极，R1的另一端接地vss。P3和P4构成电流镜，N1和N2构成电流镜；P3的栅极和漏极连接公共端（即nodeB）作为偏置电路M3的输出端，输出偏置电流。偏置电流产生原理为：

其中，

为流经P3和P4的电流，

为N1的栅源电压，

为N2的栅极电压，

为导通电压，

为R1的电阻值，

和

为用于公式推导的中间变量。

为N1和N2电子的迁移速率，

为N1和N2单位面积栅氧化层电容，

为N1的氧化层宽长比，

为N2的氧化层宽长比。

根据式（1）-（3）可以得到：

根据式（4）可知，偏置电路产生的偏置电流，仅以MOS管本身的性能参数相关，与电源电压无关。

电流控制电路主要由1路检测模块构成，图2以1路检测模块为例对电流控制电路进行示例性说明，但不对此进行限制。图2所示检测模块由NMOS管N3、NMOS管N4、电阻R2、NMOS管N5、NMOS管N6和同相器I1构成。其中N3的漏极和栅极均接电源电压vcc，N3的源极接N4的漏极和栅极；N4的漏极和栅极均接N3的源极，N4的源极接N6的栅极；R2的一端接电源电压vcc，R2的另一端接N5的漏极和I1的输入端；N5的漏极接R2和I1的输入端，N5的栅极接使能信号EN，N5的源极接N6的漏极；N6的漏极接N5的源极，N6的栅极接N4的源极，N6的源极接地vss；I1的输出端作为电流控制电路的输出端，输出控制信号至充放电电路M4。

充放电电路M4，主要由至少1路可控模块、1路电流模块和1个电容C2构成，图2中以1路可控模块进行示例性说明，但不对此进行限制。可控模块包括PMOS管P5和PMOS管P6；电流模块包括PMOS管P7。P5的源极接电源电压vcc，P5的栅极接偏置电路的输出端，P5的漏极连接P6的源极；P6的源极接P5的漏极，P6的栅极接电流控制电路的输出端，即I1的输出端，P6的漏极接C2的上极板和P7的漏极；P7的源极接电源电压vcc，P7的栅极接偏置电路的输出端，P7的漏极接P6的漏极和C2的上极板；C2的上极板接P6的漏极和P7的漏极，C2的下极板接地vss；C2与P6、P7的公共端作为充放电电路的输出端，即nodeA。P5和P3、P7和P3构成电流镜。

反馈输出电路M5，主要由迟滞模块、NMOS管N7和与非门I3；其中，迟滞模块采用具有迟滞功能的器件，例如施密特触发器，其输入端接充放电模块的输出端，即nodeA，其输出端作为反馈输出电路M5的输出端，输出时钟信号。迟滞模块在充放电模块输出的信号达到翻转电平时，时钟输出信号由高电平转换为低电平信号。I3的一输入端连接迟滞模块的输出端，I3的另一输入端接使能信号EN，I3的输出端接N7的栅极；N7的栅极接I3的输出端，N7的源极接地vss，N7的漏极接I2的输入端。

图2所示的频率信号发生器工作原理为：

在电源电压vcc上电过程中，当vcc＜Vtp1（P1的导通电压）时，则P1未导通，电容C1上极板电压为低电平，P2导通，从而使P2的漏极为电源电压vcc，使N1、N2处于弱导通状态，该状态可以使偏置电路M2更快速的进入稳态并输出偏置电流；当vcc≥Vtp1时，则P1导通，电源电压vcc对电容C1充电，使电容C1上极板电压升高，从而关闭P2，完成启动功能。当vcc稳定后，P3、P4电流镜，N1、N2电流镜，电阻R1共同作用产生偏置电流，通过P3、P5、P7电流镜为充放电电路提供充电电流。当vcc＜（VthN3+VthN4）时，其中，VthN3为N3的导通电压，VthN4为N4的导通电压，则N3和N4不能导通，N6的栅极电压为低电平，N6不能导通，则I1的输入端通过电阻R2上拉至电源电压，使I1输出为高电平，进而关闭P6，使充电电流只有P7这一路；当vcc≥（VthN3+VthN4）时，则N3和N4导通，上拉N6的栅极至高电平，使N6导通，从而使I1的输入端下拉至低电平，I1输出低电平，进而导通P6，则可控电路和电流电路输出的两路电流相加作为充电电流，即本实施例的频率信号发生器在电源电压较小时，为充放电电路提供较小的充电电流（即P7一路），在电源电压较大时，为充放电电路提供较大的充电电流（P5和P7），从而实现加速振荡，提高输出时钟信号的频率。图2所示的频率信号发生器通过采用1路检测模块与其对应的1路可控模块，分两段（以N3和N4的导通电压为阈值）控制输出时钟信号频率，达到根据电源电压调节输出时钟信号频率使其保持在一定频率范围内的目的。

采用本实施例提出的频率信号发生器进行仿真，可得到如图3所示的输出时钟信号频率随电源电压变化图，由图3可知，在达到检测模块的导通电压阈值后，输出时钟信号频率会增大，从而保证输出时钟信号频率在宽电源范围内能够保持在一定频率范围内。

进一步的，在另外的优选实施方式中，可通过调整具有导通功能的器件的数量，来调节门限电压值的大小，如图4所示的电流控制模块M3A，其采用一个NMOS管N3a来进行分段调频，即N3a的导通电压作为门限电压值，按照上述工作原理可知，当vcc＜VthN3a时，其中，VthN3a为N3a的导通电压，则N3a不能导通，N6a的栅极电压为低电平，N6a不能导通，则I1a的输入端通过电阻R2a上拉至电源电压，使I1a输出为高电平，进而关闭P6a，使充电电流只有P7这一路；当vcc≥VthN3a时，则N3a导通，上拉N6a的栅极至高电平，使N6a导通，从而使I1a的输入端下拉至低电平，I1a输出低电平，进而导通P6a，则可控电路和电流电路输出的两路电流相加作为充电电流，即本实施例的频率信号发生器在电源电压较小时，为充放电电路提供较小的充电电流（即P7一路），在电源电压较大时，为充放电电路提供较大的充电电流（P5a和P7），从而实现加速振荡，提高输出时钟信号的频率。

进一步的，在另外的优选实施方式中，如图5所示，电流控制模块M3B还可采用三个NMOS管（N3b、N4b、N8b）的导通电压值之和作为门限电压值进行分段调频，其工作原理如上所述，此处不再赘述。

故本实施例可采用电流控制模块M3A或M3B替换M3模块即可实现不同门限电压值的分段调频控制。

本实施例中的电流控制电路采用NMOS管实现充电电流的控制，在另外的优选实施方式中，也可以采用其他的器件，例如PMOS管、三极管，二极管等具有导通性能的器件实现。

本实施例采用晶体管的导通电压值来构建门限电压值，且本申请无需采用比较器等器件，结构简单，便于实现。

实施例3

本实施例以将电源电压分三段进行输出时钟信号频率调节为例，对上述实施例提出的频率信号发生器进行详细说明。

频率信号发生器中的启动模块、偏置模块和反馈输出模块与实施例2中所述相同，故在本实施例中不再赘述，本实施例主要对电流控制电路和充放电电路进行详细说明，具体如图6所示。

本实施例的频率信号发生器的电流控制电路由2路检测模块构成（即M3C和M3D），2路检测模块并联设置在电源vcc和地vss之间，其中，第一路检测模块，即M3C，主要由NMOS管N3c、电阻R2c、NMOS管N5c、NMOS管N6c和同相器I1c构成；第二路检测模块，即M3D，主要由NMOS管N3d、NMOS管N4d、电阻R2d、NMOS管N5d、NMOS管N6d和同相器I1d构成。N3c的漏极和栅极均连接电源电压vcc，N3c的源极连接N6c的栅极；R2c的一端连接电源电压vcc，R2c的另一端连接N5c的漏极和I1c的输入端；N5c的漏极连接R2c和I1c的输入端，N5c的源极连接N6c的漏极，N5c的栅极接使能信号EN；N6c的漏极连接N5c的源极，N6c的栅极连接N3c的源极，N6c的源极接地vss；I1c的输入端连接到R2c与N5c的公共连接端，I1c的输出端作为该检测模块的输出端。N3d的漏极和栅极均连接电源电压vcc，N3d的源极连接N4d的漏极和栅极；N4d的漏极和栅极均连接N3d的源极，N4d的源极连接N6d的栅极；R2d的一端连接电源电压vcc，R2d的另一端连接N5d的漏极和I1d的输入端；N5d的漏极连接R2d和I1d的输入端，N5d的栅极接使能信号EN，N5d的源极连接N6d的漏极；N6d的漏极连接N5d的源极，N6d的栅极连接N4d的源极，N6d的源极接地vss；I1d的输入端连接R2d和N5d的公共连接端，I1d的输出端作为该检测模块的输出端。

充放电电路主要由2路可控模块、1路电流模块和电容C2构成。其中，2路可控模块和1路电流模块并联连接在电源电压vcc和电容C2的上极板之间，第1路可控模块接收偏置电路输出的偏置电流，并在第1路检测模块（即M3C）输出的信号控制下为电容C2提供充电电流，第2路可控模块接收偏置电路输出的偏置电流，并在第2路检测模块（即M3D）输出的信号控制下为电容C2提供充电电流，电流模块接收偏置电路输出的偏置电流，并为电容C2提供充电电流；第1路可控模块主要由PMOS管P5c和PMOS管P6c构成；第2路可控模块主要由PMOS管P5d和PMOS管P6d构成；电流模块主要由PMOS管P7构成。P5c的源极连接电源电压vcc，P5c的栅极连接偏置电路的输出端，即nodeB，P5c的漏极连接P6c的源极；P6c的源极连接P5c的漏极，P6c的栅极连接M3C的输出端，即I1c的输出端，P6c的漏极连接电容C2的上极板；P5d的源极连接电源电压vcc，P5d的栅极连接偏置电路的输出端，即nodeB，P5d的漏极连接P6d的源极；P6d的源极连接P5d的漏极，P6d的栅极连接M3D的输出端，即I1d的输出端，P6d的漏极连接电容C2的上极板；P7的源极连接电源电压vcc，P7的栅极连接偏置电路的输出端，即nodeB，P7的漏极连接电容C2的上极板；电容C2的上极板连接P6c的漏极、P7的漏极和P6d的漏极，电容C2的下极板接地vss。电容C2的上极板作为充放电电路M4A的输出端，为后级模块提供翻转信号。

若设置VthN3c＜（VthN3d+VthN4d），其中，VthN3c为N3c的导通电压，VthN3d为N3d的导通电压，VthN4d为N4d的导通电压。

则本实施例的频率信号发生器的工作原理为：

当vcc＜VthN3c时，则N3c、N3d、N4d均未导通，N6c和N6d的栅极电压均为低电平，N6c和N6d均不能导通，则I1c和I1d的输入端分别通过电阻R2c和R2d上拉至电源电压，使I1c和I1d的输出均为高电平，进而关闭P6c和P6d，使充电电流只有P7这一路；当VthN3c≤vcc＜（VthN3d+VthN4d）时，则N3c导通，N3d和N4d未导通，N6c的栅极上拉至高电平，使N6c导通，从而使I1c的输入端下拉至低电平，I1c输出低电平，进而导通P6c，N6d仍未导通，从而使得I1d的输入端保持高电平，I1d输出高电平，进而P6d保持关闭状态，则第1路可控电路和电流电路输出的两路电流相加作为充电电流，即随着电源电压的升高，本实施例增大了充电电流，实现加速振荡；随着电源电压的进一步升高，满足vcc≥（VthN3d+VthN4d）时，则N3c、N3d、N4d均导通，N6c和N6d的栅极电压上拉至高电平，N6c和N6d均导通，则I1c和I1d的输入端下拉至低电平，使I1c和I1d的输出均为低电平，进而导通P6c和P6d，则第1路可控电路、第2路可控电路和电流电路输出的三路电流相加作为充电电流，即随着电源电压的进一步升高，本实施例进一步增大了充电电流，实现加速振荡；即本实施例的频率信号发生器在电源电压较小时，为充放电电路提供较小的充电电流（即P7一路），在电源电压较大时，为充放电电路提供较大的充电电流（P5c和P7），在电源电压进一步增大时，为充放电电路提供更大的充电电流（P5c、P5d和P7），从而实现加速振荡，提高输出时钟信号的频率。

采用本实施例提出的频率信号发生器进行仿真，可得到如图7所示的输出时钟信号频率随电源电压变化图，由图7可知，在电源电压小于第1检测模块的导通电压时，则第一可控模块和第二可控模块均关断，充电电流仅有电流模块提供，振荡频率较低；在达到第1检测模块的导通电压后但未到达第2检测模块的的导通电压，则第一可控模块导通第二可控模块关断，增大充电电流，加速振荡；在达到第2检测模块的导通电压后，则第一可控模块和第二可控模块均导通，进一步增大充电电流，进一步加速振荡。最后通过设置两个门限电压值，可实现将电源电压分三段调整时钟输出信号的频率，从而保证输出时钟信号频率在宽电源范围内能够保持在一定频率范围内。

在另外的优选实施例中，为了更加准确的调整输出时钟信号频率，还可以通过设置更多的检测模块和相应的可控模块，以将电源电压分成更多段进行调节。

在另外的优选实施例中，每个检测模块可根据实际需要选择合适的门限电压值。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (14)

1.一种适用于宽电源范围的频率信号发生器的调频方法，其特征在于，该方法包括：

提供一个偏置电路，所述偏置电路输出偏置电流；

提供一个充放电电路，所述充放电电路响应于所述偏置电流而产生充电电流，用于对电容进行充电；

提供一个反馈输出电路，所述反馈输出电路响应于所述充放电电路的电容电压达到翻转电平时产生时钟信号；

提供一个电流控制电路，所述电流控制电路响应于电源电压在门限电压值以上的范围内控制所述充放电电路增大充电电流幅值，从而根据电源电压范围进行分段调节频率信号发生器输出时钟信号的频率；

该方法还包括：

提供设置在所述电流控制电路中的n路检测模块，且n路所述检测模块并联连接在电源电压和地之间；

提供设置在所述充放电电路中的n路可控模块、1路电流模块和1个电容，且n路所述可控模块与1路电流模块并联连接在电源电压和所述电容的上极板之间，所述电容的下极板接地，其中，n为大于等于1的正整数；

第i路检测模块响应于电源电压在第i路检测模块的门限电压值以上的范围内输出控制信号控制第i路所述可控模块为所述电容提供充电电流；

所述电流模块接收所述偏置电流，并为所述电容提供充电电流。

2.根据权利要求1所述的调频方法，其特征在于，该方法包括第一门限电压值，则所述电流控制电路响应于电源电压在门限电压值以上的范围内控制所述充放电电路增大充电电流幅值，具体为：

当电源电压大于等于第一门限电压值时，输出控制信号控制所述充放电电路增大充电电流幅值。

3.根据权利要求1所述的调频方法，其特征在于，该方法包括n个门限电压值，其中，n为大于等于2的正整数，则所述电流控制电路响应于电源电压在门限电压值以上的范围内增加所述充电电流幅值，具体为：

电源电压在每个门限电压值以上的范围内增加一次所述充电电流幅值。

4.根据权利要求3所述的调频方法，其特征在于，n个所述门限电压值至少部分不相同。

5.根据权利要求1所述的调频方法，其特征在于，该方法还包括：

接收启动信号，所述偏置电路响应于所述启动信号加速进入稳态工作点。

6.根据权利要求1所述的调频方法，其特征在于，该方法还包括：

输出的所述偏置电流为与所述偏置电路的晶体管器件本身性能参数相关的函数，与所述电源电压无关。

7.根据权利要求1所述的调频方法，其特征在于，n路检测模块的门限电压值至少部分不相同。

8.一种宽电源范围的频率信号发生器，其特征在于，包括：

偏置电路，所述偏置电路输出偏置电流；

充放电电路，所述充放电电路响应于所述偏置电流而产生充电电流，用于对电容进行充电；

反馈输出电路，所述反馈输出电路响应于所述充放电电路的电容电压达到翻转电平时产生时钟信号；

电流控制电路，所述电流控制电路响应于电源电压在门限电压值以上的范围内增加所述充电电流幅值，从而根据电源电压范围进行分段调节频率信号发生器输出时钟信号的频率；

所述电流控制电路包括n路检测模块，且n路所述检测模块并联连接在所述电源电压和地之间；

所述充放电电路包括n路可控模块、1路电流模块和1个电容，且n路所述可控模块与1路电流模块并联连接在电源电压和所述电容的上极板之间，所述电容的下极板接地，其中，n为大于等于1的正整数；

第i路所述检测模块响应于所述电源电压在第i路所述检测模块的门限电压值以上的范围内输出控制信号控制第i路所述可控模块为所述电容提供充电电流；

所述电流模块接收所述偏置电流，并为所述电容提供充电电流。

9.根据权利要求8所述的一种宽电源范围的频率信号发生器，其特征在于，还包括：

启动电路，所述启动电路输出启动信号给所述偏置电路，所述偏置电路响应于所述启动信号加速进入稳态工作点。

10.根据权利要求8所述的一种宽电源范围的频率信号发生器，其特征在于，所述门限电压值包括第一门限电压值；

所述电流控制电路在所述电源电压大于等于所述第一门限电压值时，输出控制信号控制所述充放电电路增大充电电流幅值。

11.根据权利要求8所述的一种宽电源范围的频率信号发生器，其特征在于，所述门限电压值包括n个门限电压值，其中，n为大于等于2的正整数；

所述电流控制电路在所述电源电压在每个门限电压值以上的范围内增加一次所述充电电流幅值。

12.根据权利要求11所述的一种宽电源范围的频率信号发生器，其特征在于，n个所述门限电压值至少部分不相同。

13.根据权利要求8所述的一种宽电源范围的频率信号发生器，其特征在于，所述偏置电路输出的所述偏置电流为与所述偏置电路的晶体管器件本身性能参数相关的函数，与所述电源电压无关。

14.根据权利要求8所述的一种宽电源范围的频率信号发生器，其特征在于，n路检测模块的门限电压值至少部分不相同。

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