一种无需启动电路的RC振荡器

技术领域

本发明属于模拟集成电路领域，具体为一种无需启动电路的RC振荡器。

背景技术

随着智能器件逐渐成为主流的选择，且可穿戴器件的市场需求增加，为了解决外部晶体振荡器的成本较高和电路板面积较大的问题，目前RC振荡器，包括松弛振荡器，逐渐发展为在标准CMOS工艺下实现的低功耗、片上振荡器。相比于环形振荡器，RC振荡器具有更好的频率稳定性、控制线性度以及更宽的调整范围，因此全集成的松弛振荡器被广泛应用于片上参考时钟。

然而，传统的松弛振荡器仍然存在一些亟待改进的问题。一方面，松弛振荡器的品质因数还没有达到其理论限度，因此需要采取降低噪声等手段进行优化。开关电容摆幅增强电路可以改善频率稳定性和相位噪声特性，但由于采取了无源器件，开关电容摆幅增强电路占据较大的芯片面积。为了降低比较器的噪声影响，可以采取差分摆幅增强方式，然而，这种方式需要高速比较器以实现稳定的输出频率。还有基于反相器链的RC振荡器结构，在振荡节点获取高电压摆幅。然而，由于这种单端方式很容易受到电路延时波动的影响，需要由PTAT基准获得调制电源电压，这会导致较低的工作频率。另一方面，传统的松弛振荡器包含由与非门构成的RS触发器，当两个输入信号同时为低电平时，RS触发器锁死，即两个输出信号均变为高电平，导致松弛振荡器无法正常工作。电路刚上电时可能出现该情况，存在无法起振的风险。因此，RC振荡器常会在关键节点接入启动电路，从而在RS触发器锁死的情况下迫使电路起振。

发明内容

针对上述存在问题或不足，为解决现有RC振荡器需要启动电路和噪声较高的问题，本发明提供了一种无需启动电路的RC振荡器，简化电路结构的同时降低噪声。

一种无需启动电路的RC振荡器，包括：电容交替充放电模块、施密特触发器模块、RS触发器模块和延时控制模块。

所述电容交替充放电模块包括第一电容充放电支路和第二电容充放电支路。第一电容充放电支路由第一MOS管M1、第二MOS管M2和第一电容C1构成，第一电容C1通过第一MOS管M1可充电至电源电压，而通过第二MOS管M2可进行放电。第二电容充放电支路由第三MOS管M3、第四MOS管M4和第二电容C2构成，第二电容C2通过第三MOS管M3可充电至电源电压，而通过第四MOS管M4可进行放电。

所述施密特触发器模块包括第一施密特触发器COMP1和第二施密特触发器COMP2，二者具有完全相同的结构，作用是比较上一级的电容放电电压与施密特触发器的翻转电压。

所述RS触发器模块包括第一与非门NAND1和第二与非门NAND2，作用是当输入信号变换时使输出信号翻转。

所述延时控制模块包括第一反相器链和第二反相器链，作用是避免时序错误，防止电容未开始充电时施密特触发器就复位。第一反相器链由第一反相器INV1和第二反相器INV2构成，第二反相器链由第三反相器INV3和第四反相器INV4构成。

电容交替充放电模块中的第一MOS管M1的栅极与RS触发器模块中第二与非门NAND2的输出端S2相连；电容交替充放电模块中的第一MOS管M1的漏极与第二MOS管M2的漏极、第一电容C1的正端以及施密特触发器模块中的第一施密特触发器COMP1的输入端相连；

电容交替充放电模块中的第三MOS管M3的栅极与RS触发器模块中第一与非门NAND1的输出端S1相连；电容交替充放电模块中的第三MOS管M3的漏极与第四MOS管M4的漏极、第二电容C2的正端以及施密特触发器模块中的第二施密特触发器COMP2的输入端相连；

电容交替充放电模块中的第一MOS管M1的源极和衬底和第三MOS管M3的源极和衬底均接电源；电容交替充放电模块中的第二MOS管M2的源极和衬底、第四MOS管M4的源极和衬底、第一电容C1的负端和第二电容C2的负端均接地；电容交替充放电模块中的第二MOS管M2的栅极和第四MOS管M4的栅极均接参考电位V

施密特触发器模块中的第一施密特触发器COMP1的复位端与延时控制模块中的第二反相器INV2的输出端S

延时控制模块中的第一反相器INV1的输入端与RS触发器模块中的第一与非门NAND1的输出端相连；延时控制模块中的第一反相器INV1的输出端与第二反相器INV2的输入端相连；延时控制模块中的第三反相器INV3的输入端与RS触发器模块中的第二与非门NAND2的输出端相连；延时控制模块中的第三反相器INV3的输出端与第四反相器INV4的输入端相连。

进一步的，所述施密特触发器由第五MOS管M5、第六MOS管M6、第七MOS管M7、第八MOS管M8、第九MOS管M9、第十MOS管M10和第十一MOS管M11构成。

在施密特触发器的内部，第五MOS管M5的漏极与第六MOS管M6的漏极、第七MOS管M7的漏极相连；第六MOS管M6的栅极与第八MOS管M8的栅极相连；第六MOS管M6的衬底与第九MOS管M9的源极相连；第七MOS管M7的源极与第八MOS管M8的漏极相连；第十MOS管M10的栅极与第十一MOS管M11的栅极相连，并与第七MOS管M7的漏极相连；第十MOS管M10的漏极与第十一MOS管M11的漏极相连，并与第九MOS管M9的漏极和第七MOS管M7的栅极相连；第六MOS管M6的源极和衬底、第九MOS管M9的衬底、第十MOS管M10的源极和衬底均接电源；第五MOS管M5的源极和衬底、第七MOS管M7的衬底、第八MOS管M8的源极和衬底、第九MOS管M9的栅极以及第十一MOS管M11的源极和衬底均接地。施密特触发器的输入端与第六MOS管M6的栅极相连；施密特触发器的复位端与第五MOS管M5的栅极相连；施密特触发器的输出端与第十MOS管M10的漏极相连。

上述无需启动电路的RC振荡器的工作流程，具体有：

当S2为高电平，S1为低电平时，第一电容C1的上极板从电源电压开始放电，第二电容C2的上极板从第二施密特触发器COMP2的翻转电压V

延时控制模块的作用是将RS触发器输出信号S1和S2经过延时后作用在施密特触发器的复位端。确保施密特触发器的复位信号不会在输入信号变化之前提早对输出结果进行控制，避免时序错误。

当RC振荡器处于不正常的工作状态时，RS触发器的输入端均为低电平，电路锁死。此时施密特触发器的复位端起到启动电路的关键作用。由于RS触发器的输出端S1和S2均为高电平，因此S1d与S2d也均为高电平。高电平的复位信号使得RS触发器的输入信号也变为高电平，从而解除了RS触发器的锁死状态，电路逐渐起振。

综上所述，本发明利用施密特触发器作为RC振荡器中的比较器，降低回踢噪声的影响；同时在施密特触发器中添加复位端口，从而在电路启动时解除RS触发器输入端同时为低电平的工作状态。有效解决了现有RC振荡器需要启动电路和噪声较高的问题。

附图说明

图1为本发明的整体电路结构示意图。

图2为本发明施密特触发器部分的电路结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明。

本实施例提供的无需启动电路的RC振荡器，包括电容交替充放电模块、施密特触发器模块、RS触发器模块和延时控制模块，共计四个部分，如图1所示。

其中施密特触发器部分的电路结构如图2所示，由第五MOS管M5、第六MOS管M6、第七MOS管M7、第八MOS管M8、第九MOS管M9、第十MOS管M10和第十一MOS管M11构成。

第五MOS管M5的漏极与第六MOS管M6的漏极、第七MOS管M7的漏极相连；第六MOS管M6的栅极与第八MOS管M8的栅极相连；第六MOS管M6的衬底与第九MOS管M9的源极相连；第七MOS管M7的源极与第八MOS管M8的漏极相连；第十MOS管M10的栅极与第十一MOS管M11的栅极相连，并与第七MOS管M7的漏极相连；第十MOS管M10的漏极与第十一MOS管M11的漏极相连，并与第九MOS管M9的漏极和第七MOS管M7的栅极相连；第六MOS管M6的源极和衬底、第九MOS管M9的衬底、第十MOS管M10的源极和衬底均接电源；第五MOS管M5的源极和衬底、第七MOS管M7的衬底、第八MOS管M8的源极和衬底、第九MOS管M9的栅极以及第十一MOS管M11的源极和衬底均接地。

下面对电容交替充放电模块、施密特触发器模块、RS触发器模块和延时控制模块的工作原理进行分析。

当S2为高电平，S1为低电平时，第一电容C1处于放电状态，而第二电容C2处于充电状态。在第一电容C1的放电电压高于施密特触发器的翻转电压V

当施密特触发器的复位信号保持在低电平时，第五MOS管M5断开与电路的连接，不会对电路造成影响。输入信号为高电平时，其输出信号也是高电平。由于第九MOS管M9的栅极接地，源极接输出端的高电平，因此|V

另外施密特触发器的正反馈特性也尤为重要，正反馈的存在极大降低了回踢噪声的影响。仍然以输入信号由高变低的过程为例，此时输出信号也由高变低，通过处于线性区的第九MOS管M9传递到第六MOS管M6的衬底。因此，第六MOS管M6的衬源电压|V

在该RC振荡器中，施密特触发器的另一种工作状态为：输入端从低到高变化，复位端保持在高电平。此时由复位信号控制的第五MOS管M5处于导通状态，将第六MOS管M6的漏极电位下拉至低电平，从而使输出信号变为高电平。输出信号作用在第七MOS管M7的栅极使其逐渐导通。另外，由于输入信号逐渐变为高电平，使第六MOS管M6逐渐关断，第八MOS管M8逐渐导通，同样将第六MOS管M6的漏极电位下拉至低电平。可见在这种工作状态下，输入信号与复位信号造成的结果是相同的，即复位端的存在并不会改变输出结果。

因此，可以对整体的RC振荡器的工作流程进行总结。当S2为高电平，S1为低电平时，第一电容C1的上极板从电源电压开始放电，第二电容C2的上极板从第二施密特触发器COMP2的翻转电压V

当RC振荡器处于不正常的工作状态时，RS触发器的输入端均为低电平，电路锁死。此时施密特触发器的复位端起到启动电路的关键作用。由于RS触发器的输出端S1和S2均为高电平，因此S1d与S2d也均为高电平。根据上文所说，高电平的复位信号使得RS触发器的输入信号也变为高电平，从而解除了RS触发器的锁死状态，电路逐渐起振。

通过以上实施例可见，本发明利用施密特触发器作为RC振荡器中的比较器，利用施密特触发器的迟滞效应和正反馈特性降低回踢噪声的影响；同时在施密特触发器中添加复位端口，从而在电路启动时解除RS触发器输入端同时为低电平的工作状态；并通过延时控制模块将RS触发器的两输出信号经过延时后分别作用在两施密特触发器的复位端，确保施密特触发器的复位信号不会在输入信号变化之前提早对输出结果进行控制，避免了时序错误。本发明有效解决了现有RC振荡器需要启动电路和噪声较高的问题。