專利名稱：靈活的低電流多相振蕩器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明普遍涉及一種用于產(chǎn)生循環(huán)信號的電路，更確切地說，涉及一種帶有低晶 體管數(shù)量的靈活振蕩器，可以在很高的頻率下振蕩，而且消耗的電流很低，可用于多相作 業(yè)。
背景技術(shù)：
幾乎每種電學子系統(tǒng)中都存在某種形式的波形發(fā)生器，用于產(chǎn)生循環(huán)波形。這種 波形產(chǎn)生器通常叫做振蕩器。根據(jù)應(yīng)用，振蕩器可以用于定期間隔脈沖源或時鐘信號。對 振蕩器性能的評估，通常取決于它們的穩(wěn)定性、準確性、頻率可調(diào)性、有源電路增益、啟動時 間以及功率耗散等等。一種叫做弛豫振蕩器的振蕩器是較低頻率的振蕩器設(shè)計中最常用的器件。圖IA 表示一個傳統(tǒng)的弛豫振蕩器的電路示意圖。如圖IA所示，弛豫振蕩器100包含一個電容器 Cltl、一個開關(guān)裝置SW1Q(例如場效應(yīng)管)、一個比較器102、一個電流源極Iltl以及一個單次計 時器104。參考電壓VKef連接到比較器102的一輸入端。電容器Cltl的第一端連接到比較器 102的+輸入端。電容器Cltl的第二端接地。比較器102的輸出端電連接到單次計時器104 的輸入端，計時器的輸出端電耦合到開關(guān)裝置SWltl的控制端。開關(guān)裝置SWltl電連接在電容 器Cltl的第一端和地之間，用于對頻率決定的電容器Cltl放電。如圖IB中的電壓隨時間的關(guān) 系圖所示，電容器上的電壓大致成鋸齒狀，在連續(xù)的鋸齒之間，有一個很短的平點101。對于這些特殊的振蕩器，頻率通常由比較器102的速度決定。當電流從源極Iltl流 向電容器Cltl時，比較器102的(+)輸入端電壓最終達到參考電壓VKef，打開比較器102。這 將觸發(fā)單次計時器104打開開關(guān)SWltl，對電容器Cltl放電，將電壓重新設(shè)為0。單次計時器 104保持開關(guān)SWltl處于打開狀態(tài)，直到電容器Cltl完全放電為止，這時的輸出不再振蕩。為 了保證電容器Cltl完全放電，在連續(xù)的鋸齒之間，會有一段延遲時間101。對于低頻時，比較器102中的延遲時間相對較短。但是如果開關(guān)發(fā)生在高頻時，對 應(yīng)每個鋸齒循環(huán)的延遲時間會變長。而且，例如在5MHz的高頻下，需要ImA之高的開關(guān)電 流。為電容器Cltl充電的電流源極耦合到單次計時器104，會隨輸入電壓的增加而增加。例 如，在5. OV時，電流源極Iltl可以傳輸5μ A電流，但在2. 5V時，它僅能傳輸1 μ A。從而，在 5. OV時，電容器充電5次會比在2. 5V時更快。因此，在5. OV時的平坦響應(yīng)遠小于在2. 5V 時。在開關(guān)頻率為500ΚΗζ時的低頻時，單次計時器104從50ns變到70ns可能并不是問題， 但在高頻振蕩(例如3MHz以上)時，從50ns變到IOOns就有很大影響。由于單次計時器屬性隨電源電壓而變化，因此鋸齒波之間的平點也隨電源電壓變 化，而且還隨溫度變化，這是我們所不需要的。因此，弛豫振蕩器僅適用于IMHz及以下的頻 率。此外，這些振蕩器并不十分適應(yīng)多相系統(tǒng)。在一個傳統(tǒng)的多相系統(tǒng)中，每個相都需要自 己特殊的振蕩器和比較器。而且，傳統(tǒng)的比較器價格昂貴，振蕩器消耗的電流也很大。高電 流消耗在便攜式器件等應(yīng)用中并不受歡迎。
正是在上述背景下，我們才提出了本發(fā)明。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種靈活的低電流多相振蕩器，克服原有技術(shù)的弛豫振蕩 器缺陷，無需使用傳統(tǒng)的比較器，而可以在很高的頻率下振蕩，且消耗的電流很低，可用于 多相作業(yè)。為了達到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是提供一種振蕩器裝置，包含一個具有一個參考電流源Im和一個第一參考晶體管TM的參考級；所述第一參 考晶體管TMf的柵極耦合到一參考電壓上V&’，漏極耦合到參考電流源Iref上；以及含有一個第一和一個最后位相級的兩個或多個位相級，其中每個位相級包含一個相晶體管，其漏極耦合到一第一電流源，柵極耦合到一節(jié)點，源極耦合到第一 參考晶體管的源極上；一個第二電流源，其耦合到所述節(jié)點上；一個電容器，具有一個耦合到所述節(jié)點上的第一端和一個第二端；一個耦合在所述電容器的第一端和第二端之間的開關(guān)；以及一個邏輯塊，用于當所述節(jié)點處的電壓超過參考電壓V,時，為后面的位相級閂鎖 開關(guān)和關(guān)閉開關(guān)。所述每個邏輯塊還包含一個置位_復(fù)位閂鎖，以及一個耦合到置位_復(fù)位閂鎖的 置位輸入端的單次計時器。所述參考級還包含一個第二參考晶體管T&’，用于提供負反饋，探測所需電流以 及改變供給電流。所述每個位相級中的開關(guān)都是一個場效應(yīng)管。所述邏輯塊還包含一個置位_復(fù)位閂鎖，并且置位_復(fù)位閂鎖的輸出端耦合到所 述的場效應(yīng)管開關(guān)的柵極上。所述的開關(guān)和晶體管皆為η-溝道MOS晶體管。所述的開關(guān)的源極和第二參考晶體管的源極都接地。所述開關(guān)和晶體管為ρ-溝道MOS晶體管。所述開關(guān)的源極和第二參考晶體管的源極都耦合到電壓Vcc上。所述兩個或多個位相級僅含有第一位相級和最后位相級，因此該裝置為雙相振蕩
ο所述兩個或多個位相級僅含有第一位相級和最后位相級，以及一個中間位相級， 所述的中間位相級在第一位相級的后面，最后位相級的前面，因此該裝置為三相振蕩器。所述兩個或多個位相級僅含有第一位相級和最后位相級，一個第一中間位相級在 第一位相級的后面，和一個第二中間位相級在第一中間位相級的后面，最后位相級的前面， 因此該裝置為四相振蕩器。所述參考級還包含一個耦合到第一參考晶體管TMf源極的電流控制，其中電流控 制用于控制在一個負反饋模式中，從相晶體管和第一參考晶體管Tref流出的總電流。所述電流控制包含一個第二參考晶體管Tre/，其漏極耦合到第一參考晶體管的源 極，柵極耦合到第一晶體管的漏極，如果第二參考晶體管Tm/為N-溝道器件的話，源極就接地，如果第二參考晶體管TMf’為P-溝道器件的話，源極就接一共同電壓。
所述電流控制含有一個運算放大器。所述邏輯塊包含一個輸入端耦合到晶體管漏極的反相器；以及一個輸出端耦合到 開關(guān)柵極、置位輸入端耦合到反相器輸出端的置位_復(fù)位閂鎖。所述第一位相級中反相器的輸出端耦合輸出一個復(fù)位輸入到下一個位相級中的 置位_復(fù)位閂鎖的復(fù)位輸入端，其中最后位相級中的置位_復(fù)位閂鎖的復(fù)位輸入端耦合到 前一個位相級中反相器的輸出端，其中最后位相級中的反相器的輸出端耦合到第一個位相 級中的置位_復(fù)位閂鎖的復(fù)位輸入端。一種多相振蕩器，其特征在于，包含多個輸入級和一個參考級，每個輸入級都產(chǎn)生一個電壓，并代表振蕩器的一個相， 其中多個輸入級作為一個最大值選擇器，用于將每個輸入級產(chǎn)生的電壓與參考級的一個電 壓作比較，并從中選取一個最大電壓，其中最大值選擇器選取的那個輸入級會使所選的輸 入級的輸出改變；一個耦合到參考級上的負反饋回路，用于探測振蕩器所需電流，并為每個輸入級 提供適當?shù)墓┙o電流。所述的多相振蕩器，還包含一個邏輯單元，按照最大值選擇器選取的輸入級，關(guān) 閉選定的輸入級，并激活下一個輸入級。所述每個輸入級都含有一個晶體管，參考級含有一個參考晶體管，其中最大值選 擇器將每個輸入級的晶體管柵極上的電壓，與參考晶體管柵極上的電壓作比較。所述參考級還包含與第一參考晶體管串聯(lián)的一個固定電流源，其中負反饋回路 用于使第一參考晶體管允許固定電流源的穩(wěn)定電流流經(jīng)第一參考晶體管。依據(jù)本發(fā)明的實施例所述的振蕩器可以用于任何轉(zhuǎn)換系統(tǒng)?；诘蛪篊MOS過程， 預(yù)計這種振蕩器可以從很低的頻率振蕩到50MHz左右。過程越快，頻率振蕩也越快。這種振 蕩器的另一優(yōu)勢在于，在瞬變時，它們可以根據(jù)需要，改變偏壓電流。通過改變系統(tǒng)的復(fù)雜 度，可以輕松改變相的數(shù)量。此外，相模中所使用的單次計時器和反相器只占晶片上很小的 一部分面積。整個電壓范圍內(nèi)傳播的頻率，僅從2. 5V到5V—小部分。此外，由于不使用傳 統(tǒng)的比較器，而且參考級可以根據(jù)需要改變電流，因此上述類型的振蕩器消耗的電流很低。


圖IA為一種傳統(tǒng)的弛豫振蕩器的電路圖。圖IB表示圖IA所示電路的信號圖形。圖2A-2B表示依據(jù)本發(fā)明的實施例，振蕩器及其參考級的工作原理的電路圖。圖3A表示依據(jù)本發(fā)明的一個實施例，一種NMOS兩相振蕩器的電路圖。圖3B表示依據(jù)本發(fā)明的一個實施例，一種PMOS兩相振蕩器的電路圖。圖3C-3D分別表示圖3A-3B所示器件類型的電路中N1和N2節(jié)點處的信號圖形。圖3E表示N1和N2節(jié)點組合的信號圖形。圖3F表示一種帶有可選參考級的匪OS兩相振蕩器的電路圖。圖4A表示依據(jù)本發(fā)明的一個實施例，一種三相振蕩器的電路圖。圖4B-4D表示振蕩頻率為50MHz時，圖4A的N1, N2和N3節(jié)點處的信號圖形。
圖4E表示振蕩頻率高于50MHz時，圖4A的N1, N2和N3節(jié)點處的信號圖形。圖5A表示依據(jù)本發(fā)明的一個實施例，一種四相振蕩器的電路圖。圖5B-5E表示振蕩頻率高于50MHz時，圖5A的N1J^N3和N4節(jié)點處的信號圖形。圖5F表示振蕩頻率高于50MHz時，圖5A的N1, N2, N3和N4節(jié)點處的信號圖形。
具體實施例方式本發(fā)明的實施例適用于克服了原有技術(shù)的弛豫振蕩器缺陷的新振蕩器。按照本 發(fā)明的實施例設(shè)計的振蕩器，無需使用傳統(tǒng)的比較器。此振蕩器通常由一個或多個差分輸 入級構(gòu)成，輸入級可能和少數(shù)有源器件所需的相數(shù)一樣多。每個差分級作為一個最大值選 擇器級。此處所提及的“最大值選擇器”是指，一種具有多輸入級(在此有時也稱為“位相 級”)的電路，該電路可選擇不同輸入級電壓中的最大電壓。通過最大值選擇器選擇一個特 定的輸入級，引起所選的輸入級的輸出變化。供給特定輸入級的電流可能會隨振蕩器的需 要而改變。例如，耦合到參考級上的負反饋回路可用于探測振蕩器所需電流，并為每個輸入 級提供供給電流，以達到所探測到的電流的需要。依據(jù)本發(fā)明的一個實施例，一種振蕩器儀器通常包含一個參考級以及含有一個第 一位相級和一個最后位相級的兩個或多個位相級。參考級具有一個參考電流源，以及一個 第一參考晶體管，并且其柵極耦合到一電壓基準上，漏極耦合到參考電流源上。每個位相 級可包含晶體管、第一和第二電流源、電容器、開關(guān)以及邏輯塊，這僅作為示例，并不作為局 限。晶體管的漏極耦合到第一電流源上，柵極耦合到一節(jié)點上，源極耦合到參考級中的參考 晶體管的源極上。電容器第一端耦合到節(jié)點上，第二端耦合接地。開關(guān)耦合在電容器的第 一端和第二端之間。第二電流源耦合到節(jié)點上。—般來說，特定位相級的邏輯塊用于閂鎖該位相級的開關(guān)，并復(fù)位下一個位相級 的開關(guān)。換言之，當最大值選擇器選擇了一個位相級時，邏輯塊會使所選的位相級停擺，并 觸發(fā)下一個位相級(相對于振蕩器的下一個相)。每個位相級的邏輯塊可以通過很多不同 的方法制備。一個邏輯塊的示例含有一反相器和一置位-復(fù)位閂鎖。特定位相級的反相器 輸入端耦合到該位相級晶體管的漏極上。特定位相級的反相器輸出端耦合到該位相級閂鎖 置位的輸入端上。特定位相級閂鎖的輸出端耦合到該位相級的開關(guān)上。特定位相級反相器 的輸出端也耦合到隨后的位相級的置位_復(fù)位閂鎖的復(fù)位輸入端。最后位相級的反相器的 輸出端耦合到第一位相級的置位_復(fù)位閂鎖的復(fù)位輸入端上。圖2A表示相振蕩器200的輸入級(或位相級)的電路圖。如圖2A所示，振蕩器 200包含一個參考級202和一個位相級204。參考級202包含一個參考場效應(yīng)管Lef，其漏 極DMf電耦合到第一參考電流源上，柵極Gref電連接到參考電壓VMf上，源極耦合 到第二參考電流源IMf’的輸入端，第二參考電流源可提供的電流，高達第一參考電流 源所提供的電流的兩倍。例如，參考晶體管TMf可以是金屬氧化物半導(dǎo)體(MOS)器件。 例如，第一參考電流源Iref可提供1 μ A左右的電流，第二參考電流源’可提供2 μ A左右 的電流，參考電壓可提供1. 2V左右的電壓。位相級204也包含一個具有源極S1、柵極G1和漏極D1的晶體管1\。源極S1在第 一結(jié)J1處，連接到參考晶體管TMf的源極Sref上。柵極G1耦合到第二結(jié)J2上，漏極D1連 接到電流源I1的輸出端，它所提供的電流與第一參考電流源Iref的電流大致相等。振蕩器200還包含一個電容器C，其第一端連接到結(jié)J2上，第二端接地。振蕩器200還含有一個開 關(guān)SW，當開關(guān)SW的控制電極收到輸入觸發(fā)信號時，開關(guān)SW允許電流在第二結(jié)J2和地之間 流動，為電容器C放電。電流源Iref、I1以及第三電流源I1'的輸入端耦合到第三結(jié)J3上。 第三電流源I1'的輸出端耦合到結(jié)J2上。 振蕩器200的工作進程如下首先假設(shè)，觸發(fā)信號開啟開關(guān)SW，由于柵極&耦合接 地，所以晶體管T1關(guān)閉。由于參考晶體管Tm的柵極上所加的是參考電壓V&，所以晶 體管TMf開啟。從第二參考源極流出的較大的電流拉低了參考晶體管Tref的漏極Dref 的電壓，但是從源極流出的較小的電流I1卻拉升了晶體管T1的漏極D1的電壓。
開關(guān)SW關(guān)閉后，第三電流源I1 ’中的電流為電容器C充電，當晶體管T1的柵極G1 高于參考電壓時，緩慢開啟晶體管T1,同時關(guān)閉參考晶體管TMf。電流源Ire/拉低了晶 體管T1漏極D1處的電壓，拉升了第一結(jié)J1以及參考晶體管Tref的漏極Dref處的電壓。直到 開關(guān)SW再次開啟時，這種情況才會停止?？梢詮木w管T1和TMf的漏極D1和處的電 壓獲得數(shù)字輸出信號。綜上所述，為了使振蕩器在較高頻率下工作，第二電流源Ire/的電 流應(yīng)該相對較高?？梢赃x擇不使用恒定電流Iref’，電流控制可以通過基于第一參考源極和參考 晶體管TMf (也被稱為第一參考晶體管)之間電壓的負反饋，從而控制從晶體管T1到結(jié)J1 的電流。例如，圖2B為一種可選振蕩器210的電路圖，它是圖2A所示的振蕩器200的一種 變形。除了上述圖2A所示的器件之外，振蕩器210的參考級212含有以第二參考晶體管 Tre/ (例如MOS晶體管)的形式控制電流，漏極Dref，耦合到第一結(jié)J1上，柵極Gref，耦合到 第一參考晶體管TMf的漏極Dref上，源極SMf’接地。注意本例如圖2B所示，參考晶體管Tre/ 為N-型(或η-溝道)器件。也可選擇，參考晶體管Trrf’為P-型(或ρ-溝道)器件，在 這種情況下，源極SMf’可以耦合到共用電壓Vcc上。第一參考電流源作為一個固定參 考電流源。如果J1結(jié)處的電壓升高(例如當T1開啟時)，第一參考參考晶體管Tref的漏極 Dref和第二參考晶體管Tref’的柵極G&’被拉高，這將使第二參考晶體管TMf’開啟更大，從 而提高了供給電流Is，并拉低了結(jié)Λ。如果沒有負反饋，結(jié)J1處電壓增長，會使第一參考晶 體管Tref因其柵極-至-源極電壓(即減去結(jié)J1處的電壓)減小而關(guān)閉。反之，如果 結(jié)J1處的電壓降低，會拉低晶體管Tref’的柵極Gm/，從而使結(jié)J1恢復(fù)上升。如果第二參考 晶體管Tref ’不能提供足夠的電流，它就會提升晶體管Tref漏極DMf和結(jié)J1處的電壓，使第 二參考晶體管TMf’開啟更大，直到可以提供足夠的供給電流Is為止。因此，在這種情況下， 第一參考晶體管TMf —直開啟，并使提供的電流無論從晶體管T1的哪個輸入端都能通 過。正是由于IMf、Tref*Tref ’圖2Β所示的電路中才有一個負反饋。由于此負反饋，電路 210的供給電流Is會通過改變，適應(yīng)系統(tǒng)對電流的要求。第二參考晶體管TMf’作為一個可變電阻器，控制參考電流源的電流，按照負反 饋的方式，對穿過結(jié)J1的電流變化做出響應(yīng)。此外，另一種可用于提供負反饋回路的器件， 如運算放大器或可變電阻器，也可作為電流控制，用于調(diào)節(jié)供給電流Is，以響應(yīng)結(jié)J1處電壓 的變化，對穿過結(jié)J1的電流提供所需的負反饋控制。依據(jù)本發(fā)明的一個實施例，圖2A和圖2B所示的兩個或多個類型的位相級，都可以 與圖2B所示的參考試塊結(jié)合起來，作為一個多相振蕩器。圖3A表示依據(jù)本發(fā)明的一個實 施例，一種兩相振蕩器300的電路圖，這僅作為示例，并不作為局限。如圖3A所示，振蕩器300包含兩級位相級302、304以及一個參考級306。參考級306類似于上述圖2B所示的振 蕩器210的參考級212作為示例，第一位相級302含有一個η-型MOS晶體管T1,其漏極D1耦合到電流源 I1上，可通過結(jié)J1提供大約1 μ A的電流，柵極G1耦合到第一節(jié)點N1上，源極S1耦合到參考 級306的結(jié)J7上。第一位相級302也含有一個電容器C1，其第一端I/通過第一節(jié)點N1耦 合到第二電流源上，第二端接地。開關(guān)SW1可以是一個η-型MOS晶體管，與源極接地的電容 器C1并聯(lián)，柵極耦合到閂鎖L1的輸出端上。第一位相級302還包含一個含有反相器INV1的 邏輯塊303，其輸入端在結(jié)J1處耦合到晶體管T1上，輸出端耦合到閂鎖L1的輸入端上。單 次計數(shù)器OS1可以選擇耦合在反相器INV1和閂鎖L1之間。在這種情況下，反相器INV1的輸 出端可以看做是間接地耦合到閂鎖L1上。此處的邏輯塊僅作為示例，可用類似的功能電路 模塊代替。第二位相級304具有與第一位相級302類似的器件。第二位相級304包含一個 η-溝道MOS晶體管T2,其漏極D2通過結(jié)J2耦合到大約1 μ A的電流源I2上，柵極G2通過第 二節(jié)點N2耦合到第二電流源12’上，源極S2耦合到結(jié)J7上。第二位相級304還包含一個 電容器C2，其電容量與電容器C1相等。電容器C2的第一端耦合到第二節(jié)點N2上，第二端接 地。開關(guān)SW2可以是一個η-溝道MOS晶體管，耦合到電容器C2上，并包含一個接地的源極 和一個耦合到閂鎖L2的輸出端的柵極。第二位相級304還包含含有反相器INV2的邏輯塊 305，輸入端在結(jié)J2處耦合到晶體管T2上，輸出端耦合到閂鎖L2的輸入端。單次計時器OS2 可以選擇耦合在反相器INV2和閂鎖L2之間。如果需要，單次計時器OSpOS2可以提供數(shù)字 輸出信號。參考級306可以在類似于上述圖2Β中所示的參考級212那樣的方式下工作。參 考級306在有或沒有電流的反饋控制時都能工作。如圖3Α所示，第二參考晶體管T,ef’從 晶體管1\、T2和Tref中通過結(jié)J7，提供電流的負反饋控制。如圖3A所示，單次計時器OS1的輸出端S連接到閉鎖L1的置位輸入端以及閉鎖L2 的復(fù)位輸入端R。同樣地，單次計時器OS2的輸出端也連接到閉鎖L2的置位輸入端S以及 閉鎖L1的復(fù)位輸入端R。注意，如果沒有使用單次計時器，反相器INV1和INV2的輸出端將 直接連接到閉鎖上。電路300用作最大值選擇器，選擇位相級302、304輸出電壓的最大值。在圖3A所 示的示例中，系統(tǒng)中有三個電壓，即Vref以及節(jié)點NpN2處的電壓(分別寫為Vn1和Vn2)。如 圖3A所示的結(jié)構(gòu)，總會選擇電壓Vn1Jn2和V,ef中的最大值。例如，如果開始時V,ef為1. 2V, &和隊為抓。一旦Vn1或Vn2超過Vref時，此結(jié)構(gòu)就會發(fā)現(xiàn)并選取最大值。例如，如果Vn2 超過了 V,ef，那么就會選擇位相級304，并開啟晶體管T2。由于位相級306中的負反饋，參考 晶體管TMf仍然保持開啟，下文還將詳細說明。隨著晶體管T2開啟，J1處的電壓被拉低，從 而觸發(fā)邏輯單元305。供給電流Is并不是固定的，而是隨系統(tǒng)需要變化的。在圖3Α中，Tref和Tre/用于 提供負反饋，為設(shè)計的結(jié)構(gòu)提供所需電流。負反饋不僅保證Tref永遠允許參考電流源的 值通過，而且根據(jù)系統(tǒng)中其他器件的電流需要進行調(diào)節(jié)。例如，當選擇位相級304時，第二 參考晶體管TMf’允許供給電流Is通過加上I2的量。但是，當任一晶體管T1或T2開啟 時，必須在這些晶體管開啟之前就先將寄生電容充電。因此，可用電流越多，這些電容的充電速度越快，晶體管開啟得也越快。在這種瞬變時，由于TMf’上的負反饋，供給電流Is將增 大。負反饋探測到系統(tǒng)需要電流，就會提供相應(yīng)的供給電流Is。因此負反饋使振蕩器電路 效率更高、功能更強，而且速度更快。無論使用了多少個位相級，無論需要多少瞬變電流，負 反饋總會確保提供充足的供給電流Is。圖38表示一種可選的兩相振蕩器310的電路圖，除了晶體管1\、1~2、1；#和1；^以 及開關(guān)SW1和SW2為P-溝道MOS晶體管之外，其他的元件與振蕩器300相同。在本實施例 中，電容器C1和C2的第二端、開關(guān)SW1和SW2的源極以及第二參考晶體管TMf’的源極并不 接地，而是耦合到電壓Vcc上。換言之，與圖3A中的電路300相比，電路310中Vcc的位置 和接地端的位置互換，電流源Ip I1'、12、12’和Iref的位置也互換。對于兩相振蕩器310而 言，每個位相級的邏輯部分中，反相器位于閂鎖和開關(guān)之間，而不是在單次計時器和結(jié)(例 如J1)之間。振蕩器300和310的振蕩速度由電流源I1'、12’提供的電流量，以及電容器CpC2 的容量來控制。振蕩器300和310可用于雙相位變換器。振蕩器300、310可以按以下進程工作首先開關(guān)SW1關(guān)閉，開關(guān)SW2通過閂鎖L2鎖 上。因此晶體管T2關(guān)閉。最初，節(jié)點N1處的電壓很低，晶體管T1依然關(guān)閉。源極的電流I/ 為電容器C1充電，從OV充到參考電壓VMf (例如1. 2V)。電容器C1充電完畢，達到Vref后， 最大值選擇器會選擇該位相級，晶體管T1開啟。源極的電流I1在J7處提升電壓，使得負反 饋回路更大程度地打開第二參考晶體管TMf’，以便補償額外的電流。隨著流經(jīng)TMf’的電流 超過電流源I1提供的電流，晶體管T1漏極D1處的電壓降低，使反相器INV1的輸入也隨之降 低。因此反相器INV1的輸出很高，并置位閂鎖L1，復(fù)位閂鎖L2,從而開啟開關(guān)SW1，關(guān)閉開關(guān) SW2。同樣地，當開關(guān)SW2關(guān)閉(并且開關(guān)SW1閂鎖)時，電流源I/將電容器C2從OV 充電到(例如1.2V)。一旦電容器C2的電壓達到VMf，晶體管T2就會開啟。參考晶體管 Tre/比源極I1提供的電流多，因此拉低了晶體管T2的漏極D2。INV2的輸入降低，INV2的輸 出升高，從而置位閂鎖1^2，開啟開關(guān)SW2，并復(fù)位閂鎖Li。因此，閂鎖L1的輸出降低，開關(guān)SW1 關(guān)閉。綜上所述，當節(jié)點N2處的電壓開啟晶體管T2時，N1處的電壓關(guān)閉晶體管T1,反之 亦然。因此，振蕩器300或310可以在兩種不同相下產(chǎn)生振蕩信號。圖3C-圖3D表示在圖 3A-圖中所示的電路在33. 3MHz工作時，節(jié)點N1和N2處的模擬信號圖形。如圖所示，鋸齒 波形相隔180度。圖3E表示圖3C-3D的兩種鋸齒波形混合在一起。注意，由于有兩個輸入 級，只要一個輸入級的電容器一開始放電，另一個輸入級的電容器就會開始充電。因此，沒 有必要等到電容器完全放電，才開始下一循環(huán)，圖IB所示的延遲時間101可忽略?？梢赃x 用本發(fā)明中的單次計時器，但它僅能提供數(shù)字信號。它們不會干預(yù)時序電路。也可選擇用圖2A所示的電流源代替第二參考晶體管T&’，但該實施例不會 有負反饋。在另一個可選實施例中，如圖3F所示的電路300’，參考級306’的負反饋還包含 一個運算放大器0A&和一個電阻。電阻串聯(lián)在第二參考晶體管TMf’的源極和地之 間。運算放大器0A&的輸出端連接到第二參考晶體管TMf’的柵極上，運算放大器0A&的 一個輸入端連接在第二參考晶體管TMf’和電阻Rref之間，其他的輸入端連接到帶有電勢Vx 的第一參考晶體管TMf的漏極上。流經(jīng)第二參考晶體管Tref’的供給電流Is為Is = Vx/Rref0如圖3A所示的電路300，負反饋探測到振蕩器所需電流后，會提供適當?shù)墓┙o電流Is。除 此之外，電路300，與圖3A中的電路300相同。圖3A、3B所示的振蕩器僅通過增加更多的位相級，就能擴展到任意數(shù)量的相。例 如，可以通過在圖3A-3B所示的兩相振蕩器電路上增加一個相模來制備一個三相振蕩器， 這僅作為示例，并不作為局限。圖4A表示三相振蕩器400的電路圖。例如，這種振蕩器可 以用在三相電壓反相器中。振蕩器400含有三位相級402、404、406和一個參考級408。參 考級408類似于圖2B所示的振蕩器210中的參考級212，參考級212包含兩個參考晶體管 Tref和Tre/。上述第二參考晶體管TMf’用于對第一參考晶體管Tref的電流提供負反饋控制， 而不管位相級的晶體管中的電流。第一和第二位相級402和404，與圖3A所示的兩相振蕩器300的第一和第二位相 級302和304類似。第一位相級402包含一個具有漏極D1、柵極G1和源極S1的η-溝道MOS 晶體管1\。漏極D1通過結(jié)J1耦合到大約1 μ A的電流源I1上。柵極G1耦合到第一節(jié)點N1 上。源極S1耦合到第二位相級404中的結(jié)J5、第三位相級406中的結(jié)J6以及參考級408中 的結(jié)J7。第一位相級402還包含一個電容器C1，其第一端穿過第一節(jié)點N1耦合到第二電流 源I1'上，第二端接地。開關(guān)SW1是一個MOS晶體管，耦合到電容器C1上，其源極接地，柵極 耦合到第一閂鎖L1的一個輸出端。第一位相級402還包含一個第一反相器INV1，其輸入端 在結(jié)J1處耦合到電流源I1上，輸出端耦合到閂鎖L1的一個輸入端上。單次計時器OS1可以 選擇耦合在第一反相器INV1和第一閂鎖L1之間。第二位相級404包含一個MOS晶體管T2,其漏極D2通過結(jié)J2耦合到大約1 μ A的 電流源I2上，柵極G2通過第二節(jié)點N2耦合到第二電流源I2’上，源極S2耦合到結(jié)J5上。第 二位相級404還包含一個電容器C2，其第一端耦合到第二節(jié)點N2上，第二端接地。開關(guān)SW2 可以是一個MOS晶體管，耦合到電容器C2上，含有一個接地的源極以及一個耦合到第二閂 鎖L2輸出端的柵極。第二位相級404還包含一個第二反相器INV2,其輸入端在結(jié)J2處耦合 到電流源I2上，輸出端耦合到第二閂鎖L2的輸入端上。單次計時器OS2可以選擇耦合在第 二反相器INV2和第二閂鎖L2之間。第三位相級406包含一個具有漏極D3、柵極G3和源極S3的MOS晶體管Τ3。其漏極 D3通過結(jié)J3耦合到大約1 μ A的電流源I3上，柵極G3通過第三節(jié)點N3耦合到第三電流源 13’上，源極S3耦合到結(jié)J6上。第三位相級406還包含一個電容器C3，其電容與電容器Q、 C2相等。由于電容器CpCyC3的第二電流源I/、12’、I/決定每個電容器上的電壓的增長 速度，因此它們的值也決定每個相的周期。對于一個帶有相等相的對稱振蕩器來說，電流源 和電容器的值應(yīng)該相等。但是，如果需要不相等的相，那么這些值也應(yīng)該相應(yīng)地變化。電容 器仏的第一端耦合到第三節(jié)點N3上，第二端接地。開關(guān)SW3可以是一個MOS晶體管，耦合 到電容器C3上，含有一個接地的源極以及一個耦合到第三閂鎖“輸出端的柵極。第三位相 級406還包含一個第三反相器INV3,其輸入端在結(jié)J3處耦合到電流源I3上，輸出端耦合到 第三閂鎖L3的輸入端上。單次計時器OS3可以選擇耦合在第三反相器INV3和第三閂鎖L3 之間。一般來說，參考電流并不一定要等于I^I2和13。也沒有必要使I/ = 12，= 13’。但是，如果需要對稱振蕩器，那么第二電流源應(yīng)該相等I1' = 12’ = 13’，電容器的電容 也應(yīng)相等C1 = C2 = C3O
如圖4A所示，單次計時器OS1的輸出端連接到閂鎖L1的置位S以及閂鎖L2的復(fù) 位R。單次計時器OS2的輸出端連接到閂鎖L2的置位S以及閂鎖L3的復(fù)位R。單次計時器 OS3的輸出端連接到閂鎖L3的置位S以及閂鎖L1的復(fù)位R。如果需要的話，單次計時器OSp OS2, OS3可以提供數(shù)字輸出信號。如果沒有使用單次計時器OSp OS2, OS3，那么反相器的輸 出端可以直接耦合到閂鎖INV1、INV2、INV3上。參考級408可以在類似于上述圖2B中所示的方式下工作。參考級408在有或沒 有電流的反饋控制時都能工作。如圖4A所示，第二參考晶體管Tref’從晶體管I\、T2、T3* Tref中通過結(jié)J7，提供電流的負反饋控制。振蕩器400的振蕩速度由電流源I1'、12’、13’提供的電流量，以及電容器CrCpC3 的容量來控制。振蕩器400的工作進程如下在初始位相級，開關(guān)SW1關(guān)閉，開關(guān)SW2和SW3 開啟。由于來自電流源I1'的電流，第一節(jié)點N1處的電壓一直升高到V&，從而開啟晶體管 T1，拉低晶體管T1的漏極Dp置位第一閂鎖L1,復(fù)位第二閂鎖L2。因此，開關(guān)開啟SW1，開關(guān) SW2關(guān)閉；開關(guān)SW3仍然閂鎖。同樣地，隨著開關(guān)SW2的關(guān)閉，電流源12’的電流使節(jié)點N2處的電壓超過Vref時， MOS晶體管T2的漏極D2被拉低。從而置位第二閂鎖L2，并復(fù)位第三閂鎖L3。因此，開啟第 二開關(guān)SW2,并關(guān)閉第三開關(guān)SW3。當電流源I/的電流使節(jié)點N3處的電壓超過VMf時，晶體 管T3的漏極D3被拉低。從而置位閂鎖L3，并復(fù)位閂鎖Lp因此，開啟開關(guān)SW3，并關(guān)閉開關(guān) SW1，回到初始狀態(tài)。振蕩器400的三個相對應(yīng)節(jié)點NpN2和N3處電壓。對于振蕩頻率，應(yīng) 減少電容器CpC2或仏，并增加電流源I1M2'和I/。圖4B-4D表示在圖4A中所示的電路在節(jié)點N1、N2和N3處的模擬信號圖形。如圖 所示，鋸齒波形相隔120度。圖4E表示圖4B-4D的鋸齒波形相互疊加在一起?？梢酝ㄟ^在圖4A所示的三相振蕩器電路上增加一個相模來制備一個四相振蕩 器。圖5A表示三相振蕩器500的電路圖，含有四位相級502、504、506、508和一個參考級 510。參考級510類似于圖2B所示的振蕩器210中的參考級212，參考級212包含兩個參 考晶體管T,ef和Tre/，它們可以是MOS晶體管。前三個位相級502、504、506的配置方法，與 圖4A的位相級402、404和406的配置方法，除了有少許微小差別之外，大致相同。只是第 三參考級506的結(jié)J6耦合到第四參考級508的相似結(jié)J8上，結(jié)J8耦合到參考級中的結(jié)J7 上。而且，單次計時器OS3的輸出端連接到閂鎖L4的復(fù)位R上，閂鎖L1的復(fù)位R連接到單 次計時器OS4的輸出端。第四位相級508包含一個具有漏極D4、柵極G4和源極S4的MOS晶體管T4。其漏 極D4通過結(jié)J4耦合到大約1 μ A的電流源I4上，柵極G4通過第四節(jié)點N8耦合到電流源I/ 上，源極S4耦合到結(jié)J8上。第四位相級508還包含一個電容器C4,其電容與電容器Ci、C2、 C3相等。電容器C4的第一端耦合到第四節(jié)點N4上，第二端接地。開關(guān)SW4可以是一個MOS 晶體管，耦合到電容器C4上，含有一個接地的源極以及一個耦合到第四閂鎖L4輸出端的柵 極。第四位相級508還包含一個第四反相器INV4,其輸入端在結(jié)J4處耦合到電流源I4上， 輸出端耦合到第四閂鎖L4的輸入端上。單次計時器OS4可以選擇耦合在第四反相器INV4* 第四閂鎖L4之間。如圖5A所示，單次計時器的輸出端OS1的輸出端連接到閂鎖L1的置位S以及閂鎖 L2的復(fù)位R。單次計時器OS2的輸出端連接到閂鎖L2的置位S以及閂鎖L3的復(fù)位R。單次計時器OS3的輸出端連接到閂鎖L3的置位S以及閂鎖L4的復(fù)位R。單次計時器OS4的輸出 端連接到閂鎖L4的置位S以及閂鎖L1的復(fù)位R。振蕩器500的振蕩速度由電流源I1'、12’、 13’、I/的容量和電容器Q、C2、C3和C4的容量控制。參考級510可以在類似于上述圖2B中所示的方式下工作。參考級510在有或沒 有電流的反饋控制時都能工作。如圖5A所示，第二參考晶體管Tref’從晶體管！^、!^!^!^ 和TMf中通過結(jié)J7，提供電流的負反饋控制。振蕩器500的工作原理與上述振蕩器400類似。在初始位相級，第一開關(guān)SW1關(guān) 閉，開關(guān)SW2、SWJP SW4開啟。由于來自供給電流源I1'的電流，第一節(jié)點N1處的電壓一直 升高到V&，從而拉低晶體管T1的漏極D1。置位第一閂鎖L1,復(fù)位第二閂鎖L2。因此，第一 開關(guān)開啟SW1，第二開關(guān)SW2關(guān)閉。同樣地，由于來自供給電流源12’的電流，當?shù)诙?jié)點N2處的電壓超過參考電壓 時，晶體管T2的漏極D2被拉低。置位第二閂鎖L2,復(fù)位第三閂鎖L3。因此，第二開關(guān)3評2開 啟，第三開關(guān)SW3關(guān)閉。由于來自供給電流源13’的電流，當?shù)谌?jié)點N3處的電壓超過參考電壓時，晶體管 T3的漏極03被拉低。置位第三閂鎖L3,復(fù)位第四閂鎖L4。因此，第三開關(guān)SW3開啟，第四開 關(guān)SW4關(guān)閉。由于來自供給電流源I/的電流，當?shù)谒墓?jié)點N4處的電壓超過參考電壓時，晶體管 T4的漏極隊被拉低。置位第四閂鎖L4,復(fù)位第一閂鎖Lp因此，第四開關(guān)SW4開啟，第一開 關(guān)SW1關(guān)閉，從而回到初始狀態(tài)?？梢栽诠?jié)點Κ、Ν2、Ν3和N4處看到第四相。為了提高振蕩器的頻率，應(yīng)該降低電容 器c” C2, C3或(；，而增加電流源V、V、V和V。如果需要的話，單次計時器OSp OS2, 0S3、OS4可以提供數(shù)字輸出信號。如果沒有使用單次計時器OSpOSyOSpO、，反相器INVp INV2, INV3、INV4的輸出端可以直接耦合到閂鎖上。圖5B-5E表示振蕩頻率高于50MHz時，圖5A的N1J^N3和N4節(jié)點處的信號圖形。 如圖所示，鋸齒波形相隔90度。圖5F表示圖5B-5D的鋸齒波形相互疊加在一起。依據(jù)本發(fā)明的實施例所述的振蕩器可以用于任何轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。基于低壓CMOS過程， 預(yù)計這種振蕩器可以從很低的頻率振蕩到50MHz左右。過程越快，頻率振蕩也越快。這種振 蕩器的另一優(yōu)勢在于，在瞬變時，它們可以根據(jù)需要，改變偏壓電流。通過改變系統(tǒng)的復(fù)雜 度，可以輕松改變相的數(shù)量。此外，相模中所使用的單次計時器和反相器只占晶片上很小的 一部分面積。整個電壓范圍內(nèi)傳播的頻率，僅從2. 5V到5V—小部分。此外，由于不使用傳 統(tǒng)的比較器，而且參考級可以根據(jù)需要改變電流，因此上述類型的振蕩器消耗的電流很低。雖然以上是本發(fā)明首選實施例的完整說明，但可能還有各種備選、優(yōu)化和同類實 例。因此，本發(fā)明的范圍不應(yīng)由上述說明決定，而應(yīng)由所附的權(quán)利要求書及其全部相關(guān)內(nèi)容 決定。任何可選件(無論首選與否)，都可與其他任何可選件(無論首選與否)組合。在以 下權(quán)利要求中，除非特別聲明，否則不定冠詞“一個”或“一種”都指下文內(nèi)容中的一個或多 個項目的數(shù)量。除非用“意思是”明確指出限定范圍，否則所附的權(quán)利要求書并不應(yīng)認為是 意義和功能的局限。盡管本發(fā)明的內(nèi)容已經(jīng)通過上述優(yōu)選實施例作了詳細介紹，但應(yīng)當認識到上述的 描述不應(yīng)被認為是對本發(fā)明的限制。在本領(lǐng)域技術(shù)人員閱讀了上述內(nèi)容后，對于本發(fā)明的多種修改和替代都將是顯而易見的。因此，本發(fā)明的保護范圍應(yīng)由所附的權(quán)利要求來限定。
權(quán)利要求
一種振蕩器裝置，其特征在于，包含一個具有一個參考電流源Iref和一個第一參考晶體管Tref的參考級；所述第一參考晶體管Tref的柵極耦合到一參考電壓上Vref’，漏極耦合到參考電流源Iref上；以及含有一個第一和一個最后位相級的兩個或多個位相級，其中每個位相級包含一個相晶體管，其漏極耦合到一第一電流源，柵極耦合到一節(jié)點，源極耦合到第一參考晶體管的源極上；一個第二電流源，其耦合到所述節(jié)點上；一個電容器，具有一個耦合到所述節(jié)點上的第一端和一個第二端；一個耦合在所述電容器的第一端和第二端之間的開關(guān)；以及一個邏輯塊，用于當所述節(jié)點處的電壓超過參考電壓Vref時，為后面的位相級閂鎖開關(guān)和關(guān)閉開關(guān)。
2.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述每個邏輯塊還包含一個置位_復(fù)位閂 鎖，以及一個耦合到置位_復(fù)位閂鎖的置位輸入端的單次計時器。
3.如權(quán)利要求1所述的振蕩器裝置，其特征在于，所述參考級還包含一個第二參考晶 體管T&’，用于提供負反饋，探測所需電流以及改變供給電流。
4.如權(quán)利要求3所述的裝置，其特征在于，所述每個位相級中的開關(guān)都是一個場效應(yīng)管。
5.如權(quán)利要求4所述的裝置，其特征在于，所述邏輯塊還包含一個置位_復(fù)位閂鎖，并 且置位_復(fù)位閂鎖的輸出端耦合到所述的場效應(yīng)管開關(guān)的柵極上。
6.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述的開關(guān)和晶體管皆為η-溝道MOS晶體管。
7.如權(quán)利要求6所述的裝置，其特征在于，所述的開關(guān)的源極和第二參考晶體管的源 極都接地。
8.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述開關(guān)和晶體管為ρ-溝道MOS晶體管。
9.如權(quán)利要求8所述的裝置，其特征在于，所述開關(guān)的源極和第二參考晶體管的源極 都耦合到電壓Vcc上。
10.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述兩個或多個位相級僅含有第一位相級 和最后位相級，因此該裝置為雙相振蕩器。
11.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述兩個或多個位相級僅含有第一位相級 和最后位相級，以及一個中間位相級，所述的中間位相級在第一位相級的后面，最后位相級 的前面，因此該裝置為三相振蕩器。
12.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述兩個或多個位相級僅含有第一位相級 和最后位相級，一個第一中間位相級在第一位相級的后面，和一個第二中間位相級在第一 中間位相級的后面，最后位相級的前面，因此該裝置為四相振蕩器。
13.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述參考級還包含一個耦合到第一參考晶 體管Tref源極的電流控制，其中電流控制用于控制在一個負反饋模式中，從相晶體管和第一 參考晶體管Tm流出的總電流。
14.如權(quán)利要求13所述的裝置，其特征在于，所述電流控制包含一個第二參考晶體管 Tref’，其漏極耦合到第一參考晶體管的源極，柵極耦合到第一晶體管的漏極，如果第二參考晶體管TMf’為N-溝道器件的話，源極就接地，如果第二參考晶體管TMf’為P-溝道器件的 話，源極就接一共同電壓。
15.如權(quán)利要求13所述的裝置，其特征在于，所述電流控制含有一個運算放大器。
16.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述邏輯塊包含一個輸入端耦合到晶體 管漏極的反相器；以及一個輸出端耦合到開關(guān)柵極、置位輸入端耦合到反相器輸出端的置 位_復(fù)位閂鎖。
17.如權(quán)利要求16所述的裝置，其特征在于，所述第一位相級中反相器的輸出端耦合 輸出一個復(fù)位輸入到下一個位相級中的置位_復(fù)位閂鎖的復(fù)位輸入端，其中最后位相級中 的置位_復(fù)位閂鎖的復(fù)位輸入端耦合到前一個位相級中反相器的輸出端，其中最后位相級 中的反相器的輸出端耦合到第一個位相級中的置位_復(fù)位閂鎖的復(fù)位輸入端。
18.一種多相振蕩器，其特征在于，包含多個輸入級和一個參考級，每個輸入級都產(chǎn)生一個電壓，并代表振蕩器的一個相，其中 多個輸入級作為一個最大值選擇器，用于將每個輸入級產(chǎn)生的電壓與參考級的一個電壓作 比較，并從中選取一個最大電壓，其中最大值選擇器選取的那個輸入級會使所選的輸入級 的輸出改變；一個耦合到參考級上的負反饋回路，用于探測振蕩器所需電流，并為每個輸入級提供 適當?shù)墓┙o電流。
19.如權(quán)利要求18所述的多相振蕩器，其特征在于，還包含一個邏輯單元，按照最大 值選擇器選取的輸入級，關(guān)閉選定的輸入級，并激活下一個輸入級。
20.如權(quán)利要求18所述的多相振蕩器，其特征在于，所述每個輸入級都含有一個晶體 管，參考級含有一個參考晶體管，其中最大值選擇器將每個輸入級的晶體管柵極上的電壓， 與參考晶體管柵極上的電壓作比較。
21.如權(quán)利要求18所述的多相振蕩器，其特征在于，所述參考級還包含與第一參考晶體管串聯(lián)的一個固定電流源，其中負反饋回路用于使第一參考晶體管允 許固定電流源的穩(wěn)定電流流經(jīng)第一參考晶體管。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種靈活的低電流多相振蕩器，該振蕩器包含一個參考級和多個位相級。參考級具有一個參考晶體管，其柵極耦合到參考電壓上，漏極耦合到參考電流源上。每個位相級包含一個晶體管、兩個電流源、一個電容器、開關(guān)、反相器和閂鎖。晶體管的漏極耦合到第一電流源上，柵極耦合到節(jié)點上，源極耦合到參考晶體管的源極。電容器和開關(guān)耦合在節(jié)點和地之間。第二電流源耦合到節(jié)點上。晶體管的漏極耦合到反相器的輸入端。反相器的輸出端耦合到閂鎖的置位輸入端。閂鎖的輸出端耦合到開關(guān)上。反相器的輸出端也耦合到下一個位相級閂鎖的復(fù)位輸入端。最后一個位相級的反相器輸出端耦合到第一位相級閂鎖的復(fù)位輸入端。
文檔編號H03K3/02GK101931383SQ201010208860
公開日2010年12月29日 申請日期2010年6月13日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月19日
發(fā)明者張艾倫, 貝赫扎德·穆赫塔斯米 申請人:萬國半導(dǎo)體股份有限公司