TW201434261A - 時脈裝置 - Google Patents

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Abstract

本發明提供了一種時脈裝置，所述時脈裝置包含電流源、第一電阻器、二極體、放大器以及振盪器。電流源提供電流，並且所述電流具有第一溫度係數。第一電阻器具有第一端，並且第一端接收所述電流。二極體的陽極耦接到第一電阻器的第二端，二極體的陰極耦接到參考接地電壓。二極體具有第二溫度係數。放大器接收電壓源。放大器根據所述電壓源以及第一電阻器的第一端上的電壓來產生輸出電壓。振盪器接收輸出電壓，以將輸出電壓作為操作電源。其中，第一溫度係數與第二溫度係數是互補的。

Description

時脈裝置
本發明是有關於一種時脈裝置，且特別是有關於一種用於為較低功率消耗電路提供時脈信號的時脈裝置。
現今，對於無線通信裝置而言，待機電流是影響電池壽命的主要因素。待機電流越低，通信裝置的工作時間就越長。為了讓通信裝置保持在待機模式，應該用低功率時脈來維持通信裝置的整個系統。因此，在待機模式中，通信裝置的整個系統需要具有極低電流消耗和穩定輸出頻率的振盪器，並且這種振盪器對該系統而言很重要。
弛張振盪器非常適於提供低功率時脈。基於電阻電容(RC)時間常數，根據弛張振盪器中反向器的臨界電壓所所產生的弛張(relaxation)和交替(alternate)狀態，可以很好地確定弛張振盪器的振盪頻率。並且只有將反向器的功率消耗計算在內，並進以達到低功率目的。此外，穩定的操作電源也是輸出頻率具有準確性的一個重要因素。
本發明提供了一種用於將時脈信號提供給較低功率消耗電路的時脈裝置。
本發明所提供的時脈裝置包含電流源、第一電阻器、二極體、放大器以及振盪器。所述電流源提供電流，並且所述電流具有第一溫度係數。所述第一電阻器具有第一端，並且所述第一端耦接到電流源以接收所述電流。所述二極體具有陽極和陰極。所述陽極耦接到第一電阻器的第二端，二極體的所述陰極耦接到參考接地電壓。所述二極體具有第二溫度係數。所述放大器耦接到第一電阻器的第一端，並且所述放大器接收電壓源。所述放大器根據電壓源以及第一電阻器的第一端上的電壓來產生輸出電壓。所述振盪器耦接到所述放大器，從而接收所述輸出電壓以將所述輸出電壓作為操作電源。其中，所述第一溫度係數與所述第二溫度係數是互補的。
因此，所述時脈裝置提供了具有第一係數溫度的電流源以及具有第二溫度係數的二極體，其中第一溫度係數與第二溫度係數是互補的。也就是說，放大器所提供的輸出電壓的電壓準位獨立於環境溫度。所述輸出電壓被提供給振盪器以作為操作電源，並且振盪器所產生的時脈信號的頻率獨立於環境溫度。
為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。
100、200、300‧‧‧時脈裝置
120、220、320‧‧‧放大器
110、210、310‧‧‧振盪器
410‧‧‧電流鏡
190、290‧‧‧邏輯電路
ICS‧‧‧電流源
VC‧‧‧電壓
OP1‧‧‧運算放大器
I1‧‧‧電流
R1、R2、R3‧‧‧電阻器
D1‧‧‧二極體
GND‧‧‧參考接地電壓
VDD‧‧‧電壓源
CK1‧‧‧時脈信號
VSUS‧‧‧輸出電壓
T1、M1-M5‧‧‧電晶體
IV1、IV2‧‧‧反向器
C1‧‧‧電容器
圖1是根據本發明的一個實施例的時脈裝置100的電路圖。
圖2是根據本發明的另一個實施例的時脈裝置200的電路圖。
圖3是根據本發明的又一個實施例的時脈裝置300的電路圖。
圖4是根據本發明各實施例的圖1到圖3中的電流源ICS的電路圖。
現在詳細參考本發明的當前優選實施例，所述實施例的實例在附圖中圖示。
參考圖1，圖1是根據本發明的一個實施例的時脈裝置100的電路圖。時脈裝置100包含電流源ICS、電阻器R1、二極體D1、放大器120以及振盪器110。電流源ICS提供電流I1。電阻器R1的第一端耦接到電流源ICS以接收電流I1，也就是說，電流I1可以流過電阻器R1。電阻器R1的第二端耦接到二極體D1的陽極。二極體D1的陰極耦接到參考接地電壓(reference ground)GND。換句話說，電流I1可以流過二極體D1到達參考接地電壓GND，並且二極體D1因此而導通。
此處請注意，電流I1具有第一溫度係數並且二極體D1具有第二溫度係數，其中，第一與第二溫度係數是互補的。也就是說，電阻器R1的第一端上的電壓VC可以通過以下公式來獲得：VC=I1×R1+VD1，其中電壓VD1是二極體D1的陽極與陰 極之間的電壓差。例如，如果第一溫度係數是正溫度係數，那麼第二溫度係數是負溫度係數。電流I1的變化是正比於環境溫度的，而電壓VD1的變化則是反比於所述環境溫度。也就是說，電阻器R1的第一端上的電壓VC可以獨立於環境溫度而保持穩定。
放大器120耦接到電阻器R1的第一端以接收電壓VC。放大器120還接收電壓源VDD。此外，放大器120根據電壓源VDD以及電阻器R1的第一端上的電壓VC來產生輸出電壓VSUS。由於電壓VC是穩定的，因此放大器120所產生的輸出電壓VSUS獨立於環境。
振盪器110耦接到放大器120和邏輯電路190。振盪器110從放大器120接收輸出電壓VSUS。振盪器110可以是弛張振盪器，並且振盪器110接收輸出電壓VSUS，以將輸出電壓VSUS作為操作電源。此外，振盪器110還產生時脈信號CK1，並且將時脈信號CK1提供給邏輯電路190。在此實施例中，輸出電壓VSUS也被提供給邏輯電路190以作為邏輯電路190的操作電源。邏輯電路190可以是在低功率消耗模式(例如，睡眠模式或待機模式)下工作的電路。
參考圖2，圖2是根據本發明的另一個實施例的時脈裝置200的電路圖。時脈裝置200包含電流源ICS、電阻器R1、二極體D1、放大器220以及振盪器210。振盪器210用於產生時脈信號CK1並將時脈信號CK1提供給邏輯電路290。在本實施例中，放大器220是電晶體T1。電晶體T1具有第一端、第二端以及控 制端。電晶體T1的第一端接收電壓源VDD，電晶體T1的第二端產生輸出電壓VSUS，並且控制端耦接到電流源ICS和電阻器R1。電晶體T1可以是金屬氧化物半導體場效應電晶體(metal oxide semiconductor field-effect transistor；MOSFET)。電晶體T1的控制端可以是電晶體T1的閘極，第一端和第二端分別可以是電晶體T1的源極和汲極。
振盪器210包括反向器IV1和IV2、電阻器R2以及電容器C1。反向器IV1的輸出端耦接到反向器IV2的輸入端。電阻器R2耦接在反向器IV1的輸出端與反向器IV1的輸入端之間。電容器C1耦接在反向器IV2的輸出端與反向器IV1的輸入端之間。反向器IV1和IV2從放大器220接收輸出電壓VSUS。輸出電壓VSUS作為反向器IV1和IV2的操作電源。
在此實施例中，電阻器R1與電流源ICS的連接端上的電壓VC可以表示成以下公式：VC=I1×R1+VD1。輸出電壓VSUS可以表示成以下公式：VSUS=VC=I1×R1+VD1-VGS，其中VGS是電晶體T1的閘極與源極之間的電壓差。也就是說，輸出電壓VSUS的電壓準位小於電壓源VDD的電壓準位。振盪器210和邏輯電路290可以在低功率消耗狀態下操作。另外，時脈信號CK1的電壓準位可以在輸出電壓VSUS與參考接地電壓GND之間轉態。
參考圖3，圖3是根據本發明的又一個實施例的時脈裝置300的電路圖。時脈裝置300包含電流源ICS、電阻器R1、二極 體D1、放大器320以及振盪器310。振盪器310用於產生時脈信號CK1並將時脈信號CK1提供給邏輯電路390。在此實施例中，放大器320是運算放大器OP1。運算放大器OP1具有第一輸入端、第二輸入端以及輸出端，運算放大器OP1的第一輸入端耦接到電阻器R1的第一端，運算放大器OP1的第二輸入端耦接到運算放大器OP1的輸出端，並且，運算放大器OP1的輸出端產生輸出電壓VSUS。也就是說，運算放大器OP1被配置成電壓隨耦器(voltage follow)，且運算放大器OP1所產生的輸出電壓VSUS等於電阻器R1的第一端上的電壓VC。
承上述，輸出電壓VSUS用於作為振盪器310和邏輯電路390的操作電源。輸出電壓VSUS的電壓準位可以通過選用電阻器R1、電流源ICS以及二極體D1來進行設定。由於輸出電壓VSUS的電壓準位可有效降低，振盪器310和邏輯電路390的總功率消耗就可以減少。
參考圖4，圖4是根據本發明各實施例的圖1到圖3中的電流源ICS的電路圖。電流源ICS包含電晶體M1-M5以及電阻器R3。電晶體M1具有第一端、第二端以及控制端。第一電晶體的第一端耦接到電壓源VDD，並且電晶體M1的第二端產生電流I1。電晶體M2具有第一端、第二端以及控制端。電晶體M2的第一端耦接到電壓源VDD，並且電晶體M2的控制端耦接到電晶體M1的控制端。電晶體M3具有第一端、第二端以及控制端。電晶體M3的第一端耦接到電壓源VDD，電晶體M3的第二端和控制端耦 接到電晶體M2的控制端。電晶體M4具有第一端、第二端以及控制端。電晶體M4的第一端和控制端耦接到電晶體M2的第二端，第四電晶體的第二端耦接到參考接地電壓GND。電晶體M5具有第一端、第二端以及控制端。第五電晶體的第一端耦接到第三電晶體的第二端，並且第五電晶體的控制端耦接到第四電晶體的控制端。電阻器R2耦接在電晶體M5的第二端與參考接地電壓GND之間。
電晶體M4與M5構成了電流鏡410。電流鏡410的比率可以通過選擇電晶體M4或電晶體M5的寬度-長度比率(W/L)來設定。電晶體M4與M5的比率也可以通過選擇電晶體M4和M5的寬度-長度比率(W/L)來設定。此外，電阻器R3的電阻可以由設計者來選擇。也就是說，通過選擇電流鏡410的比率以及電阻器R3的電阻，電流源所產生的電流I1可以與製程變化及電壓源VDD的電壓變化不相關聯。並且，電流I1正比於環境溫度。
綜上所述，本發明藉由具有互補的溫度係數的電流源以及二極體來提供電壓，並利用放大器依據電流源以及二極體耦接端的電壓來產生輸出電壓至振盪器，並使振盪器產生時脈信號。如此一來，振盪器所產生的時脈信號可以提供給具有低功率消耗的邏輯電路使用，可節省功耗。並且，放大器可提供穩定的輸出電壓至振盪器，使振盪器產生穩定的時脈信號。
100‧‧‧時脈裝置
120‧‧‧放大器
110‧‧‧振盪器
190‧‧‧邏輯電路
ICS‧‧‧電流源
I1‧‧‧電流
R1‧‧‧電阻器
D1‧‧‧二極體
GND‧‧‧參考接地電壓
VDD‧‧‧電壓源
CK1‧‧‧時脈信號
VSUS‧‧‧輸出電壓
VC‧‧‧電壓

Claims (8)

  1. 一種時脈裝置，包括：一電流源，其提供一電流，並且所述電流具有一第一溫度係數；一第一電阻器，其具有一第一端，所述第一端耦接到所述電流源以接收所述電流；一二極體，其具有陽極，所述陽極耦接到所述第一電阻器的第二端，所述二極體的陰極耦接到一參考接地電壓，所述二極體具有一第二溫度係數；一放大器，其耦接到所述第一電阻器的所述第一端並接收一電壓源，所述放大器根據所述電壓源以及所述第一電阻器的所述第一端上的電壓來產生輸出電壓；以及一振盪器，其耦接到所述放大器，從而接收所述輸出電壓以將所述輸出電壓作為操作電源，其中，所述第一溫度係數與所述第二溫度係數是互補的。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的時脈裝置，其中，所述第一溫度係數是正溫度係數，而所述第二溫度係數是負溫度係數。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的時脈裝置，其中，所述放大器是電晶體，所述電晶體具有第一端、第二端以及控制端，所述電晶體的第一端接收所述電壓源，所述電晶體的第二端產生所述輸出電壓，並且所述電晶體的控制端耦接到所述第一電阻器的第一端。
  4. 如申請專利範圍第1項所述的時脈裝置，其中，所述放大器是運算放大器，所述運算放大器具有第一輸入端、第二輸入端以及輸出端，其第一輸入端耦接到所述第一電阻器的第一端，所述第二輸入端耦接到所述運算放大器的輸出端，並且所述運算放大器的輸出端產生所述輸出電壓。
  5. 如申請專利範圍第1項所述的時脈裝置，其中，所述振盪器是弛張振盪器。
  6. 如申請專利範圍第1項所述的時脈裝置，其中，所述振盪器包括：一第一反向器，接收所述輸出電壓；一第二反向器，其具有輸入端，其輸入端耦接到所述第一反向器的輸出端，所述第二反向器接收所述輸出電壓，並且所述第二反向器的輸出端產生時脈信號；一第二電阻器，其串聯耦接在所述第一反向器的輸入端與所述第一反向器的輸出端之間；以及一電容器，其串聯耦接在所述第二反向器的輸出端與所述第一反向器的輸入端之間。
  7. 如申請專利範圍第1項所述的時脈裝置，其中，所述時脈信號被提供給具有低功率消耗的邏輯電路。
  8. 如申請專利範圍第1項所述的時脈裝置，其中，所述電流源包括：一第一電晶體，其具有第一端、第二端以及控制端，所述第 一電晶體的第一端耦接到所述電壓源，所述第一電晶體的第二端產生所述電流；一第二電晶體，其具有第一端、第二端以及控制端，所述第二電晶體的第一端耦接到所述電壓源，所述第二電晶體的控制端耦接到所述第一電晶體的控制端；一第三電晶體，其具有第一端、第二端以及控制端，所述第三電晶體的第一端耦接到所述電壓源，所述第三電晶體的第二端和控制端耦接到所述第二電晶體的控制端；一第四電晶體，其具有第一端、第二端以及控制端，所述第四電晶體的第一端和所述控制端耦接到所述第二電晶體的第二端，所述第四電晶體的第二端耦接到所述參考接地電壓；一第五電晶體，其具有第一端、第二端以及控制端，所述第五電晶體的第一端耦接到所述第三電晶體的第二端，所述第五電晶體的控制端耦接到所述第四電晶體的控制端；以及一電阻器，所述電阻器耦接在所述第五電晶體的第二端與所述參考接地電壓之間。
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