CN201066834Y - 具有调频功能的单开关控制振荡器 - Google Patents

Abstract

一种具有调频功能的单开关控制振荡器，属于电子技术领域。该实用新型包括振荡单元和频率调控单元，其特征在于，振荡单元包括一个电容、与该电容的第一端连接的第一电流源和第二电流源、一个具有三个输入端的比较器，其中比较器的第一输入端与电容的第一端连接，电容的第二端接地；频率调控单元通过提高第一参考电压增大所述电容的充放电时间，减小振荡器的输出信号频率。本实用新型的有益效果在于，采用单开关控制充放电结构，使控制结构更简单；能对电容的充放电时间同时进行控制，得到较理想调频范围；通过对具体电路参数的设置，可以精确地控制时钟信号的最小频率，为***提供了一个简单、合理、有效的低功耗解决方案。

Description

具有调频功能的单开关控制振荡器

技术领域

本实用新型涉及振荡器，具体涉及一种具有调频功能的单开关控制振荡器。

背景技术

振荡器电路在集成电路中早已得到广泛的应用，作用在于为***电路提供时钟信号。技术的不断发展和进步，对集成电路***的功耗提出了更高的要求。振荡器电路决定***的工作频率，能否在很宽的输出负载范围内，根据负载大小自动调节***的工作频率对于提高***在不同负载下的效率有着重要的意义。因此振荡器电路的设计成为***低功耗解决方案中的关注热点。

现有的振荡器一般采用双开关控制充放电，并通过减小电容的放电电流来增大电容的放电时间，从而降低振荡器的输出信号频率，以便在轻载或空载时节省功耗。但采用双开关分别控制电容充放电的方式使控制过程不统一，切换时间较长，而减小电容的放电电流只能单一地对电容的放电时间进行控制，不利于对时钟频率进行精确控制。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型的目的在于提供一种具有调频功能的单开关控制振荡器，该振荡器采用单开关控制充放电结构，使控制结构更简单，切换更迅速，并可以通过调节电容充放电电压的范围实现对电容的充放电时间同时进行控制，得到较理想、较精确的调频范围。

为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案如下：

一种具有调频功能的单开关控制振荡器，包括振荡单元和频率调控单元，其特征在于，所述振荡单元包括一个电容、与该电容的第一端连接的第一电流源和第二电流源、一个具有三个输入端的比较器，其中比较器的第一输入端与电容的第一端连接，电容的第二端接地；所述频率调控单元通过提高第一参考电压增大所述电容的充放电时间，减小振荡器的输出信号频率。

所述第一电流源产生第一电流用于向所述电容充电，第二电流源产生第二电流用于使所述电容放电。

所述电容的第一端和第二电流源之间连接有开关，开关的断开和闭合控制所述电容的充电和放电，所述开关的断开和闭合由比较器的输出信号控制。

所述频率调控单元包括一个差分电路，该差分电路的一路输入为第二参考电压，该第二参考电压为***产生的第二基准电压，另一路输入为***的反馈电压，该差分电路提供电流给一电阻，使该电阻上产生叠加到***产生的第一基准电压上的分量电压。

所述频率调控单元包括一个电压叠加电路，用于将所述第一基准电压与所述分量电压叠加，叠加后的电压输入到比较器的第三输入端。

所述比较器的第三输入端的电压与第二输入端的电压之差为第一参考电压，该第二输入端电压为***产生的第三基准电压。

所述比较器的输出端输出时钟信号。

所述比较器的输出端连接一反相器的输入端，该反相器的输出端输出时钟信号。

本实用新型一种具有调频功能的单开关控制振荡器，包括振荡单元和频率调控单元，主要应用在PWM电源转换***中。振荡单元的充电电路和放电电路共用一个开关进行控制，通过电容充电和放电的切换，得到一定频率和占空比的时钟信号。频率调控单元通过提高第一参考电压增大电容的充放电电压，从而增加切换时间，减小振荡器的输出信号频率，实现***在轻载或空载的时候节省功耗。

第一参考电压由比较器的第三输入端和第二输入端的电压差决定。起始状态下，比较器输出端输出低电平，开关断开。当振荡单元的第一电流源充电使电容上的电压增加值达到第一参考电压大小时，比较器的输出跳变，开关闭合，电容放电，当电容上的电压减少值达到第一参考电压大小时，比较器的输出再次跳变，开关重新断开。如此重复，输出一个频率和占空比固定的时钟信号。

***在轻载或空载的时候，***提供的反馈电压降低，当该反馈电压接近或小于第二参考电压的时候，通过电压叠加电路将一个分量电压与***产生的第一基准电压叠加，使比较器第三输入端的电压增大，第一参考电压增大，使电容的充放电时间增大，时钟信号频率减小。

本实用新型的有益效果在于，采用单开关控制充放电结构，使控制结构更简单；通过调节电容充放电电压的范围，实现对电容的充放电时间同时进行控制，得到较理想调频范围；通过对具体电路参数的设置，本实用新型可以精确地控制时钟信号的最小频率，为***提供了一个简单、合理、有效的低功耗解决方案。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步的阐述。

图1是本实用新型具有调频功能的单开关控制振荡器的原理结构图；

图2是本实用新型在集成电路应用中的具体电路图。

具体实施方式

如图1所示，电压源VDD通过第一电流源I1与电容C的第一端连接，提供第一电流I1。电容C的第一端通过开关SW1与第二电流源I2连接，第二电流源提供第二电流I2。电容C的第二端接地，其第一端还与比较器comp的第一输入端VRAMP连接。比较器comp的输出端与反相器U1的输入端连接，反相器U1的输出端输出时钟信号CLK。

第二参考电压VREF与***的反馈电压VFB是差分电路U2的两路输入，第二参考电压VREF是***产生的第二基准电压。差分电路U2用于提供分量电压VADD。分量电压VADD和***产生的第一基准电压VH0通过电压叠加电路U3叠加，叠加后的电压信号输入到比较器comp的第三输入端VH。输入到比较器comp的第二输入端VL的电压是***产生的第三基准电压。第一参考电压的值为比较器comp的第三输入端VH和第二输入端VL的电压差值。

比较器comp的输出信号控制开关SW1的断开和闭合。起始状态下，比较器comp输出低电平，开关SW1断开。当第一电流源I1以第一电流I1向电容C充电，使电容C上的电压增加值达到第一参考电压大小时，比较器comp的输出跳变为高电平，开关SW1闭合，电容C通过第二电流源I2放电，放电电流I＝I2-I1，当电容C上的电压减少值达到第一参考电压大小时，比较器comp的输出跳变为低电平，开关SW1重新断开。如此重复，输出一个频率和占空比固定的时钟信号CLK。

***在轻载或空载的时候，***的反馈电压VFB降低，当该反馈电压VFB接近或小于第二参考电压VREF的时候，通过电压叠加电路U3将分量电压VADD与第一基准电压VH0叠加，比较器comp的第三输入端VH的电压增大。第一参考电压增大，使电容C的充放电时间增大，时钟信号CLK的频率减小。

如图2所示为本实用新型在集成电路应用中的具体电路图。基准电流从引脚I_OSC注入，引脚I_OSC和NMOS管M103的漏极连接，NMOS管M103的源极与NMOS管M101的漏极连接。NMOS管M101的漏极与栅极相连。NMOS管M101、NMOS管M9和NMOS管M168的栅极连接在一起，源极都与接地端连接，组成两对电流镜像电路，NMOS管M101将基准电流镜像注入NMOS管M9和NMOS管M168。镜像电流的比例由组成镜像的MOS管的尺寸、数量等具体参数决定。NMOS管M103、NMOS管M111和NMOS管M117的栅极连接在一起，它们的源极分别与NMOS管M101、NMOS管M9和NMOS管M168的漏极连接，它们的作用在于减少高阶效应对前面所述两对电流镜像电路镜像准确度的影响，使基准电流通过NMOS管M101精确镜像到NMOS管M9和NMOS管M168。NMOS管M168和NMOS管M117构成第二电流源I2，提供第二电流I2。PMOS管M4、PMOS管M2和PMOS管M123的源极都连接到电压源VDD上，栅极连接在一起，组成另两对电流镜像电路。PMOS管M3、PMOS管M1和PMOS管M124的作用也在于减少高阶效应对电流镜像电路镜像准确度的影响。连接关系同理于前，不再累述。PMOS管M3的漏极与NMOS管M111的漏极连接，PMOS管M4、PMOS管M3与NMOS管M111、NMOS管M9在同一条通路上，流过的电流相同。PMOS管M4将此电流镜像到PMOS管M2和PMOS管M123，镜像电流的比例由组成镜像的MOS管的具体参数决定。PMOS管M2和PMOS管M1构成第一电流源I1，提供第一电流I1。PMOS管M123和PMOS管M124提供电流I3。

开关SW1由NMOS管M118构成，其漏极与PMOS管M1连接，源极和NMOS管M117相连，栅极与比较器comp的输出端VOUT连接。NMOS管M118的截止和导通即开关SW1的断开和闭合受比较器comp的输出端VOUT的输出信号控制。起始状态下，比较器comp输出低电平，NMOS管M118截止，开关SW1断开。第一电流源I1以第一电流I1向电容C充电，当电容C上的电压VRAMP的增加值达到第一参考电压大小时，比较器comp的输出跳变为高电平，NMOS管M118导通，开关SW1闭合，电容C通过第二电流源I2放电，放电电流I＝I2-I1，当电容C上的电压VRAMP减少值达到第一参考电压大小时，比较器comp的输出跳变为低电平，NMOS管M118截止，开关SW1重新断开。如此重复，输出一个频率和占空比固定的时钟信号CLK。

NMOS管M118的漏极通过电容C接地，该漏极同时还与比较器comp的第一输入端VRAMP连接。差分电路由PMOS管M121、M120和NMOS管M129、M130构成。PMOS管M121、M120构成差分对管，它们的源极都与PMOS管M124的漏极连接。NMOS管M129和NMOS管M130的源极都接地，其中每个管子的漏极和栅极相连，NMOS管M129的漏极与PMOS管M121的漏极连接，NMOS管M130的漏极与PMOS管M120的漏极连接，作为差分对管的负载。第二参考电压VREF输入到PMOS管M121的栅极，***的反馈电压VFB输入到PMOS管M120的栅极。NMOS管M130和NMOS管M128的栅极相连，源极都接地，组成电流镜像电路。NMOS管M128的漏极通过电阻R与运放opamp的输出端VO连接。运放opamp构成了电压叠加电路，其输入端正极VP接收***的第一基准电压VH0，输入端负极VN与NMOS管M128的漏极连接。运放opamp的输出端VO与比较器comp的第三输入端VH连接。比较器comp的第二输入端VL接收***产生的第三基准VL，其输出端VOUT与反相器U1的输入端连接，反相器U1的输出端输出时钟信号CLK。

运放opamp构成一个缓冲器，根据运放的性质，可以得到其输出端VO的电压为：VO＝VH0+VADD，其中分量电压VADD＝Ir*R，Ir为电阻R上的电流，也就是NMOS管M128上的电流。所以比较器comp的第三输入端VH的电压为：VH＝VO＝VH0+VADD＝VH0+Ir*R。

***正常工作状态下，第二参考电压VREF小于***的反馈电压VFB，电流I3全部通过NMOS管M129流走，NMOS管M130上没有电流，镜像到NMOS管M128上也没有电流，此时Ir＝0，VADD＝0，VH＝VH0，第一参考电压即电容C充放电的电压为V＝VH-VL＝VH0-VL。

当***的反馈电压VFB接近甚至低于第二参考电压VREF，PMOS管M120开始分流，并通过NMOS管M130镜像放大到NMOS管M128，放大比例由两个管子的参数决定。此时电阻R上的电流Ir增大，比较器comp的第三输入端VH的电压增大，第一参考电压V＝VH-VL增大，电容C充电时间为TC＝C*V/11，放电时间为TD＝C*V/(I2-I1)，因为第一电流I1和第二电流I2不变，所以周期加长，频率减小，***进入低功耗动作模式。在此我们假设NMOS管M130和NMOS管M128之间的镜像放大比例为1∶N，且N大于1，则NMOS管M128上的最大电流为Ir＝N*I3，最大VH＝VH0+Ir*R＝VH0+N*I3*R。适当调节N、I3或R，可以控制电容C充放电周期的最大值，也就是控制***时钟信号CLK的最小频率。

Claims (8)

1.一种具有调频功能的单开关控制振荡器，包括振荡单元和频率调控单元，其特征在于，所述振荡单元包括一个电容、与该电容的第一端连接的第一电流源和第二电流源、一个具有三个输入端的比较器，其中比较器的第一输入端与电容的第一端连接，电容的第二端接地；所述频率调控单元通过提高第一参考电压增大所述电容的充放电时间，减小振荡器的输出信号频率。

2.如权利要求1所述的具有调频功能的单开关控制振荡器，其特征在于所述第一电流源产生第一电流用于向所述电容充电，第二电流源产生第二电流用于使所述电容放电。

3.如权利要求1所述的具有调频功能的单开关控制振荡器，其特征在于所述电容的第一端和第二电流源之间连接有开关，开关的断开和闭合控制所述电容的充电和放电，所述开关的断开和闭合由比较器的输出信号控制。

4.如权利要求1所述的具有调频功能的单开关控制振荡器，其特征在于所述频率调控单元包括一个差分电路，该差分电路的一路输入为第二参考电压，该第二参考电压为***产生的第二基准电压，另一路输入为***的反馈电压，该差分电路提供电流给一电阻，使该电阻上产生叠加到***产生的第一基准电压上的分量电压。

5.如权利要求4所述的具有调频功能的单开关控制振荡器，其特征在于所述频率调控单元包括一个电压叠加电路，用于将所述第一基准电压与所述分量电压叠加，叠加后的电压输入到比较器的第三输入端。

6.如权利要求1或5所述的具有调频功能的单开关控制振荡器，其特征在于所述比较器的第三输入端的电压与第二输入端的电压之差为第一参考电压，该第二输入端电压为***产生的第三基准电压。

7.如权利要求1所述的具有调频功能的单开关控制振荡器，其特征在于所述比较器的输出端输出时钟信号。

8.如权利要求1所述的具有调频功能的单开关控制振荡器，其特征在于所述比较器的输出端连接一反相器的输入端，该反相器的输出端输出时钟信号。

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