CN217240680U - 带自启动偏置电路的低工作电压环形振荡器 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供带自启动偏置电路的低工作电压环形振荡器，包括：电流源、偏置电路、振荡器电路，所述电流源采用自启动电源电路，包括：启动电路和低压PTAT电流源，所述启动电路输入使能信号ENB，所述启动电路的输出端连接所述低压PTAT电流源，用于启动所述低压PTAT电流源，低压PTAT电流源的输出端连接所述偏置电路，电流源输出端接所述偏置电路，偏置电路接振荡器电路；PATA电流源通过自启动电源电路实现驱动，建立环路电流；PATA电流源经过偏置电路、充放电电路，使得振荡器电路在不同的工作电压下得到相对稳定的电流，从而得到稳定的振荡周期和占空比。

Description

带自启动偏置电路的低工作电压环形振荡器

技术领域

本实用新型涉及环形振荡器领域，具体涉及带自启动偏置电路的低工作电压环形振荡器。

背景技术

环形振荡器是利用门电路的固有传输延迟时间将奇数个反相器首尾相接而成，电路简单、起振容易，便于集成化，常用于集成电路芯片里的时钟发生器、定时器等，但是振荡器在某些时刻会无法振荡，会造成芯片的部分或全部功能失效，因此需要重新启动或唤醒，使其进行震荡工作。

实用新型内容

为解决上述问题，本实用新型提供一种带自启动偏置电路的低工作电压环形振荡器，具体技术方案为：包括：电流源、偏置电路、振荡器电路，电流源输出端接所述偏置电路，偏置电路接振荡器电路；所述电流源采用自启动电源电路，包括：启动电路和低压PTAT电流源，所述启动电路输入使能信号ENB，所述启动电路的输出端连接所述低压PTAT电流源，用于启动所述低压PTAT电流源，低压PTAT电流源的输出端连接所述偏置电路。

进一步的，所述启动电路包括：第一开关、第二开关和第三开关，所述第一开关输入使能信号ENB、输出端接第二开关的信号输入端，第二开关开启使得低压PTAT电流源建立环路电流；所述第三开关输入环路电流，所述第三开关用于控制第二开关的关闭，，利用上述开关结构实现PTAT电流源从无环路电流到建立环路电流，并进入到正常的振荡状态。

进一步的，所述启动电路包括：第一开关PMOS管M20、第二开关NMOS管M21、第三开关NMOS管，所述PMOS管M20：栅极输入使能信号ENB、源极接电压VDD、漏极接NMOS管M19的漏极和NMOS管M21的栅极；NMOS管M19的源极接VSS；NMOS管M21的漏极接地，，使能信号和VDD的共同作用使第一开关开启并使第二开关导通，从而使PATA电流源建立环路电流，第三开关输入环路电流并逐步将第二开关关闭，使PATA电流源稳定。

进一步的，所述低压PTAT电流源，包括：PMOS管M15、PMOS管M16、NMOS管M17、NMOS管M18、电阻R1，所述PMOS管M15：源极接电压VDD、栅极连接NMOS管M21的漏极、漏极连接NMOS管M18的漏极；所述NMOS管M18：漏极和栅极相连且与NMOS管M19的栅极连接、源极接VSS；所述PMOS管M16：源极接电压VDD、栅极连接NMOS管M21的漏极、漏极和栅极相连且还连接NMOS管M17的漏极；所述NMOS管M17：栅极连接NMOS管M19的栅极、漏极接电阻R1一端，电阻R1的另一端接VSS，PMOS管M15和PMOS管M16为镜像结构，当第二开关导时，镜像结构的栅极被下拉，从而建立环路电流，并且在第三开关开启后第二开关关闭，PATA电流源正常进行工作。

进一步的，所述偏置电路包括PMOS管M7、NMOS管M8、NMOS管M9、PMOS管M10，所述PMOS管M10：源极接电压VDD、栅极接PMOS管M16的栅极、漏极接NMOS管M9的漏极；所述NMOS管M9：栅极和漏极连接、源极接VSS；所述PMOS管M7：源极接电压VDD、栅极连接源极、源极连接NMOS管M8的漏极；所述NMOS管M8：栅极连接NMOS管M9的栅极、源极接VSS，PMOS管M15和PMOS管M16的栅极被下拉导通的，偏置电路的电流从PATA电流源比例复制得到。

进一步的，偏置电路还与充放电支路连接，所述充放电支路包含：PMOS管M5、NMOS管M6和充放电电容C1，所述PMOS管M5：源极接VDD、栅极接PMOS管M7的栅极；所述NMOS管M6：栅极接NMOS管M8的栅极、源极接VSS；所述充放电电容C1：接收所述PMOS管M5漏极或NMOS管M6漏极的输出电流，PMOS管M5、NMOS管M6的栅极接偏置电路，获得偏置电流，并对充放电电容C1进行充电或放电。

进一步的，所述振荡器电路包含：奇数个串联的反相器、反馈支路Ⅰ、反馈支路Ⅱ和反馈支路Ⅲ，奇数个串联的反相器的输出端OSC连接反馈支路Ⅲ，奇数个串联的反相器的输出端串联一个反相器INV4后连接反馈支路Ⅱ和反馈支路Ⅰ的VI，反馈支路Ⅰ还与充放电电容C1连接，反馈支路Ⅰ、反馈支路Ⅲ共同的输出端接在奇数个串联的反相器的输入端，该振荡器电路配合充放电电路，通过充放电电路为在不同的工作电压下得到相对稳定的电流，从而得到稳定振荡周期与占空比。

进一步的，所述反馈支路Ⅰ包括：PMOS管M11、PMOS管M13、NMOS管M14、NMOS管M12，所述PMOS管M11：源极接VDD、栅极接NMOS管M12的栅极且与充放电电容C1连接、漏极接PMOS管M13源极；所述PMOS管M13：栅极与NMOS管M14栅极连接且连接反相器INV4的输出端、漏极与NMOS管M14的漏极相连且与反馈支路Ⅲ的输出端；所述NMOS管M14：源极与NMOS管M12漏极相连；所述NMOS管M12：源极连接VSS。

进一步的，所述反馈支路Ⅱ包括：PMOS管M1、NMOS管M2，所述PMOS管M1：源极连接PMOS管M5的漏极、栅极与NMOS管M2的栅极连接且连接反相器INV4的输出端、漏极与NMOS管M2的漏极连接且连接充放电电容C1；所述NMOS管M2：源极接NMOS管M6的漏极。

进一步的，所述反馈支路Ⅲ包括：PMOS管M3、NMOS管M4，所述PMOS管M3：源极接PMOS管M5的漏极、栅极接NMOS管M4的栅极、漏极与NMOS管M4的漏极相连，漏极还与奇数个串联的反相器的输入端连接、漏极还连接PMOS管M13的漏极和NMOS管M14的漏极；所述NMOS管M4：栅极连接奇数个串联的反相器的输出端OSC、源极连接NMOS管M6的漏极。

与现有技术相比本实用新型具有以下有益效果：PATA电流源通过自启动电源电路实现驱动，建立环路电流；PATA电流源经过偏置电路、充放电电路，使得振荡器电路在不同的工作电压下得到相对稳定的电流，从而得到稳定的振荡周期和占空比。

附图说明

图1为本专利的电路原理图；

图2为本专利环形振荡电路的波形图。

具体实施方式

现结合附图对本实用新型作进一步说明。

图1所示，本专利包括：电流源、偏置电路、充放电支路、振荡器电路，电流源输出端接偏置电路，偏置电路接充放电支路，充放电支路获取偏置电路的偏置电流，通过充放电支路使得不同工作电压下的振荡器电路能获得相对稳定的电流，得到稳定振荡周期和占空比，本专利申请基于0.5um COMS工艺，电源低至0.9V即可工作。

其中，电流源采用自启动电源电路，自启动电源电路包括：启动电路和低压PTAT电流源，启动电路输入使能信号ENB，启动电路的输出端连接低压PTAT电流源，用于启动低压PTAT电流源建立环路电流，低压PTAT电流源的输出端连接偏置电路。

进一步的，启动电路包括：第一开关、第二开关和第三开关，第一开关输入使能信号ENB、输出端接第二开关的信号输入端，控制第二开关的启动，第二开关开启使得低压PTAT电流源建立环路电流；环路电流建立后，第三开关输入环路电流，并控制第二开关的关闭，启动电路使PATA电流源进入到正常的工作状态，且该启动电路在PATA电流源工作后关闭，不影响其正常工作状态。

进一步的，启动电路包括：第一开关PMOS管M20、第二开关NMOS管M21、第三开关NMOS管，PMOS管M20：栅极输入使能信号ENB、源极接电压VDD、漏极接NMOS管M19的漏极和NMOS管M21的栅极；NMOS管M19的源极接VSS；NMOS管M21的漏极接地，当PTAT电流源环路电流未建立时，NMOS管M19栅极电压为低，PMOS管M20输入ENB信号后导通，PMOS管M20上拉NMOS管M21栅极，使NMOS管M21导通，使得PTAT电流源的环路电流建立，该环路电流建立后，NMOS管M19开启，由于NMOS管M19能力强于PMOS管M20，从而关闭NMOS管M21，所以启动电路不影响PTAT电流源的正常工作。

进一步的，低压PTAT电流源，包括：PMOS管M15、PMOS管M16、NMOS管M17、NMOS管M18、电阻R1，PMOS管M15：源极接电压VDD、栅极连接NMOS管M21的漏极、漏极连接NMOS管M18的漏极；NMOS管M18：漏极和栅极相连且与NMOS管M19的栅极连接、源极接VSS；PMOS管M16：源极接电压VDD、栅极连接NMOS管M21的漏极、漏极和栅极相连且还连接NMOS管M17的漏极；NMOS管M17：栅极连接NMOS管M19的栅极、漏极接电阻R1一端，电阻R1的另一端接VSS，PMOS管M15和PMOS管M16构成电流镜，当PMOS管M20上拉NMOS管M21栅极，使NMOS管M21导通，下拉电流镜的栅极，从而PMOS管M15和PMOS管M16导通，使得PATA电流源的环路电流建立。

进一步的，偏置电路包括PMOS管M7、NMOS管M8、NMOS管M9、PMOS管M10，PMOS管M10：源极接电压VDD、栅极接PMOS管M16的栅极、漏极接NMOS管M9的漏极；NMOS管M9：栅极和漏极连接、源极接VSS；PMOS管M7：源极接电压VDD、栅极连接源极、源极连接NMOS管M8的漏极；NMOS管M8：栅极连接NMOS管M9的栅极、源极接VSS，偏置电流从PTAT电流源比例复制得到。

进一步的，偏置电路还与充放电支路连接，充放电支路包含：PMOS管M5、NMOS管M6和充放电电容C1，PMOS管M5：源极接VDD、栅极接PMOS管M7的栅极；NMOS管M6：栅极接NMOS管M8的栅极、源极接VSS；充放电电容C1：接收PMOS管M5漏极或NMOS管M6漏极的输出电流，PMOS管M5和NMOS管M6从偏置电路获取偏置电流，导通后电流流经充放电电容C1，实现充放电电容C1的充电或放电。

进一步的，振荡器电路包含：奇数个串联的反相器、反馈支路Ⅰ、反馈支路Ⅱ和反馈支路Ⅲ，奇数个串联的反相器的输出端OSC连接反馈支路Ⅲ，奇数个串联的反相器的输出端串联一个反相器INV4后连接反馈支路Ⅱ和反馈支路Ⅰ的VI，反馈支路Ⅰ还与充放电电容C1连接，反馈支路Ⅰ、反馈支路Ⅲ共同的输出端接在奇数个串联的反相器的输入端，充放电电路配合偏置电路，能保证在不同工作电压下的振荡器电路得到相对稳定的电流，从而得到稳定振荡周期与占空比。

进一步的，振荡器电路中，反馈支路Ⅰ包括：PMOS管M11、PMOS管M13、NMOS管M14、NMOS管M12，PMOS管M11：源极接VDD、栅极接NMOS管M12的栅极且与充放电电容C1连接、漏极接PMOS管M13源极；PMOS管M13：栅极与NMOS管M14栅极连接且连接反相器INV4的输出端、漏极与NMOS管M14的漏极相连且与反馈支路Ⅲ的输出端；NMOS管M14：源极与NMOS管M12漏极相连；NMOS管M12：源极连接VSS。

进一步的，反馈支路Ⅱ包括：PMOS管M1、NMOS管M2，PMOS管M1：源极连接PMOS管M5的漏极、栅极与NMOS管M2的栅极连接且连接反相器INV4的输出端、漏极与NMOS管M2的漏极连接且连接充放电电容C1；NMOS管M2：源极接NMOS管M6的漏极。

进一步的，反馈支路Ⅲ包括：PMOS管M3、NMOS管M4，PMOS管M3：源极接PMOS管M5的漏极、栅极接NMOS管M4的栅极、漏极与NMOS管M4的漏极相连，漏极还与奇数个串联的反相器的输入端连接、漏极还连接PMOS管M13的漏极和NMOS管M14的漏极；NMOS管M4：栅极连接奇数个串联的反相器的输出端OSC、源极连接NMOS管M6的漏极。

进一步的，奇数个串联的反相器包括：反相器INV1、反相器INV2、反相器INV3，反相器INV1的输入端连接NMOS管M4的漏极、输出端连接施密特SMT1，施密特SMT1的输出端又连接反相器INV2的输入端，反相器INV2的输出端连接反相器INV3的输入端，反相器INV3的输出端OSC接NMOS管M4的栅极以及反相器INV4的输入端。

结合图2所示，在T1时段，假设信号线VI初始为0、OSC初始为1，由于PMOS管M3与NMOS管M4两管的作用弱于PMOS管M13与NMOS管M14，所以它们共同的输出端VO仍然跟随VI的控制，可看作为1，此时PMOS管M1导通，NMOS管M2与PMOS管M3关断，由PMOS管M5提供的电流对电容C1充电，使VCHG电平逐渐升高，随着VCHG的增大，PMOS管M3与NMOS管M4的作用被逐渐削弱，VCHG增大到某一点时VO转为受OSC控制，转而等效为0，此后，信号线VO又经过施密特SMT1及反相器INV1、反相器INV2、反相器INV3整形，输出OSC变化为0，VI为1，进入T2时段。

在T2时段，OSC为0，VI为1，此时PMOS管M1和NMOS管M4关断，PMOS管M2导通，电容C1通过NMOS管M6提供的电流通路放电，VCHG电压逐渐降低，同理，随着VCHG电平逐渐降低，仍然使PMOS管M13与NMOS管M14的作用逐渐减弱(因为此时相对T1时段，VI已经变为反向电平)，VO信号逐渐转为受OSC控制，当VCHG下降到原来的低位时，VO转而等效为1，并将OSC拉回高电平，从而进入下一个振荡周期。

以上结合具体实施例描述了本实用新型的技术原理。这些描述只是为了解释本实用新型的原理，而不能以任何方式解释为对本实用新型保护范围的限制。基于此处的解释，本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本实用新型的其它具体实施方式，这些方式都将落入本实用新型权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.带自启动偏置电路的低工作电压环形振荡器，包括：电流源、偏置电路、振荡器电路，电流源输出端接所述偏置电路，偏置电路接振荡器电路；其特征在于，所述电流源采用自启动电源电路，包括：启动电路和低压PTAT电流源，所述启动电路输入使能信号ENB，所述启动电路的输出端连接所述低压PTAT电流源，用于启动所述低压PTAT电流源，低压PTAT电流源的输出端连接所述偏置电路。

2.根据权利要求1所述的带自启动偏置电路的低工作电压环形振荡器，其特征在于：所述启动电路包括：第一开关、第二开关和第三开关，所述第一开关输入使能信号ENB、输出端接第二开关的信号输入端，第二开关开启使得低压PTAT电流源建立环路电流；所述第三开关输入环路电流，所述第三开关用于控制第二开关的关闭。

3.根据权利要求2所述的带自启动偏置电路的低工作电压环形振荡器，其特征在于：所述启动电路包括：第一开关PMOS管M20、第二开关NMOS管M21、第三开关NMOS管，所述PMOS管M20：栅极输入使能信号ENB、源极接电压VDD、漏极接NMOS管M19的漏极和NMOS管M21的栅极；NMOS管M19的源极接VSS；NMOS管M21的漏极接地。

4.根据权利要求3所述的带自启动偏置电路的低工作电压环形振荡器，其特征在于：所述低压PTAT电流源，包括：PMOS管M15、PMOS管M16、NMOS管M17、NMOS管M18、电阻R1，所述PMOS管M15：源极接电压VDD、栅极连接NMOS管M21的漏极、漏极连接NMOS管M18的漏极；所述NMOS管M18：漏极和栅极相连且与NMOS管M19的栅极连接、源极接VSS；所述PMOS管M16：源极接电压VDD、栅极连接NMOS管M21的漏极、漏极和栅极相连且还连接NMOS管M17的漏极；所述NMOS管M17：栅极连接NMOS管M19的栅极、漏极接电阻R1一端，电阻R1的另一端接VSS。

5.根据权利要求4所述的带自启动偏置电路的低工作电压环形振荡器，其特征在于：所述偏置电路包括PMOS管M7、NMOS管M8、NMOS管M9、PMOS管M10，所述PMOS管M10：源极接电压VDD、栅极接PMOS管M16的栅极、漏极接NMOS管M9的漏极；所述NMOS管M9：栅极和漏极连接、源极接VSS；

所述PMOS管M7：源极接电压VDD、栅极连接源极、源极连接NMOS管M8的漏极；所述NMOS管M8：栅极连接NMOS管M9的栅极、源极接VSS。

6.根据权利要求5所述的带自启动偏置电路的低工作电压环形振荡器，其特征在于：偏置电路还与充放电支路连接，所述充放电支路包含：PMOS管M5、NMOS管M6和充放电电容C1，所述PMOS管M5：源极接VDD、栅极接PMOS管M7的栅极；所述NMOS管M6：栅极接NMOS管M8的栅极、源极接VSS；所述充放电电容C1：接收所述PMOS管M5漏极或NMOS管M6漏极的输出电流。

7.根据权利要求6所述的带自启动偏置电路的低工作电压环形振荡器，其特征在于：所述振荡器电路包含：奇数个串联的反相器、反馈支路Ⅰ、反馈支路Ⅱ和反馈支路Ⅲ，奇数个串联的反相器的输出端OSC连接反馈支路Ⅲ，奇数个串联的反相器的输出端串联一个反相器INV4后连接反馈支路Ⅱ和反馈支路Ⅰ的VI，反馈支路Ⅰ还与充放电电容C1连接，反馈支路Ⅰ、反馈支路Ⅲ共同的输出端接在奇数个串联的反相器的输入端。

8.根据权利要求7所述的带自启动偏置电路的低工作电压环形振荡器，其特征在于：所述反馈支路Ⅰ包括：PMOS管M11、PMOS管M13、NMOS管M14、NMOS管M12，所述PMOS管M11：源极接VDD、栅极接NMOS管M12的栅极且与充放电电容C1连接、漏极接PMOS管M13源极；所述PMOS管M13：栅极与NMOS管M14栅极连接且连接反相器INV4的输出端、漏极与NMOS管M14的漏极相连且与反馈支路Ⅲ的输出端；所述NMOS管M14：源极与NMOS管M12漏极相连；所述NMOS管M12：源极连接VSS。

9.根据权利要求8所述的带自启动偏置电路的低工作电压环形振荡器，其特征在于：所述反馈支路Ⅱ包括：PMOS管M1、NMOS管M2，所述PMOS管M1：源极连接PMOS管M5的漏极、栅极与NMOS管M2的栅极连接且连接反相器INV4的输出端、漏极与NMOS管M2的漏极连接且连接充放电电容C1；所述NMOS管M2：源极接NMOS管M6的漏极。

10.根据权利要求9所述的带自启动偏置电路的低工作电压环形振荡器，其特征在于：所述反馈支路Ⅲ包括：PMOS管M3、NMOS管M4，所述PMOS管M3：源极接PMOS管M5的漏极、栅极接NMOS管M4的栅极、漏极与NMOS管M4的漏极相连，漏极还与奇数个串联的反相器的输入端连接、漏极还连接PMOS管M13的漏极和NMOS管M14的漏极；所述NMOS管M4：栅极连接奇数个串联的反相器的输出端OSC、源极连接NMOS管M6的漏极。

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