一种低功耗高性能的松弛振荡器制造技术

为了克服松弛振荡器中传输延时的不确定、振荡频率精度低、温度稳定性差的缺点，本发明专利技术提出用反馈控制的方法，通过采样保持电路检测定时电容恒速(或以确定的变化速率)充电(或放电)阶段结束时的信号值，来自动调节定时参考信号的幅度，以补偿比较器的延时的变化，使得定时电容恒速(或以确定的变化速率)充电(或放电)阶段的时间精确可控，在几乎不增加功耗的前提下，提高振荡频率的精度与温度稳定性。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及ー种电子电路，着重涉及ー种松弛振荡器。现有技术和
技术介绍
低功耗设计技术对于无需频繁更换电池的无线传感网络来说至关重要。由于无线传感节点之间的数据交互稀少，可以在很短的时间间隔内完成，因此可以通过周期性的唤醒传感节点，而在其它时间让节点进入休眠状态的方式来达到降低功耗的目的。由于平均功耗正比于唤醒-休眠时间的相对比例，为了降低平均功耗，需要縮小花在时钟同步与通信信道检测上的等待时间，这就转化为对各节点的时钟(时间基准)的精度要求。 虽然有源的温度补偿石英晶振能达到几个ppm的精度，但由于其体积功耗较大，成本较高而不适用于无线传感网的应用。因此，需要片上全集成的，精度相对较高而功耗较低的振荡器作为时间基准。片上集成的LC振荡器可以达到了 100多ppm的精度，呈现极佳的温度稳定性。然而由于它们的方案需要高频的振荡，因此功耗通常在几十mW的量级，这远远超出无线传感节点的功耗预算。环形振荡器工作在亚阈值区能够达到极低功耗(几个uW)，然而精度仅能控制在±5% 。松弛振荡器的功耗与环形振荡器相仿，精度却相对更好，通常小于1% ，因此对无线传感网应用最为理想。图I为一种传统的松弛振荡器的电路原理图，它通过对两个定时电容55、60的交错充放电来提供周期性的振荡信号。RS锁存器输出互补的开关控制信号，使得ー个定时电容充电的时候，另ー个定时电容放电。比较器15、20检测定时电容上的信号54、59是否超过定时參考信号5、10，如果超过，比较器的输出使得时钟发生器O (RS锁存器)的输出改变，从而使两个定时电容交换充放电的状态。两个电流源25和30用来实现定时电容55和60的恒速充电，以保证定时电容上的信号到达定时參考信号的时间与定时參考信号的大小成正比。各节点信号波形如图2所示。从定时电容上的信号抵达定时參考信号的时刻到RS锁存器的输出改变状态，存在传输延时，如图2所示。该传输延时主要由比较器的延时决定，受到エ艺、供电电压、温度以及输入电压变化快慢等因素的影响，很难精确控制，这使得定时电容55和60上的信号峰值与预设的定时參考5和10存在较大差异，从而导致振荡频率的变化。为了改善传输延时不确定性导致的频率变化，传统的方法是通过高速比较器以及高速数字电路来缩小传输延时，但是比较器的功耗随着延时的縮小指数增长，导致了频率精度不可逾越的瓶颈。日本的Panasonic公司的Tokunaga等人提出电压平均反馈(Voltageaverage feedback)的概念,通过检测振荡信号的平均功率,来自动调节定时參考信号的大小，来补偿传输延时的变化。但是这种方法不但需要大面积的电阻元件以及大功率放大器，还存在功率检测受检测电阻的エ艺误差影响，定时电容上电荷由于功率检测导致的泄漏等等问题，极大的限制了这种方法能达到的功耗极限与性能指标。专利技术的目的本专利技术的目的在于克服松弛振荡器中传输延时的不确定、振荡频率精度低、温度稳定性差的缺点，提出了一种新的反馈控制的方法，通过采样保持电路检測定时电容恒速(或以确定变化速率)充电(或放电)阶段结束时的信号值，来自动调节定时參考信号的幅度，以补偿比较器的延时的变化，使得定时电容恒速(或以确定变化速率)充电(或放电)阶段的时间精确可控，在几乎不增加功耗的前提下，提高振荡频率的精度与温度稳定性。专利技术的技术方案本专利技术的目的通过如下措施来达到如图3所示，通过采样保持电路105、110，对定时电容在恒速(或以确定变化速率)充电(或放电)阶段结束时刻的信号进行采样，将定时电容上变化的信号54、59分别转化为直流电压104、109。将图I中传统的定时參考发生器1、2替换为具有第一与第二输入端的可变定时參考发生器125，130。然后将采样保持电路的输出104、109与峰值參考信 号114、119分别连接到定时參考发生器125、130的第一与第二输入端，形成负反馈机制来自动调节定时參考信号5、10，使得负反馈稳定以后，采样保持电路的输出104与峰值參考信号114相等，109与119相等，从而准确的控制定时电容的恒速(或以确定变化速率)充电(或放电)的时间，进而稳定松弛振荡器的输出频率。比较器15、20的输出75和80为时间上互不重叠的短脉冲。通过时钟发生器O将短脉冲转化为互补的两个时钟信号，分别用来控制采样电容的充放电。该时钟发生器通常由RS锁存器实现。比较器的输出以及RS锁存器的输出波形如图2所示。图3中的采样保持电路有几种不同的具体实现形式，在图4所示的松弛振荡器原理图中，米用了第一种米样保持电路，它包括米样电容255与米样开关265,米样电容255通过采样开关265连接到定时电容55。时钟发生器200输出的时钟信号84、85，分别控制开关35与45。将开关35闭合、开关45断开、定时电容55充电的状态定义为开关装置第一状态，将开关35断开、开关45闭合、定时电容55放电的状态定义为开关装置第二状态。电流源25、30在开关装置的第一状态,对定时电容恒速充电，时钟发生器200 (虚线框中表不的部分)输出的时钟信号84、85使得开关35断开后，开关45并不立即闭合。在开关45闭合之前，还存在定时电容55既不充电也不放电的第三状态。在第三状态，定时电容55上的信号保持第一状态结束时刻的信号值。这时时钟发生器200输出的采样时钟信号83闭合采样开关265，使得采样电容255与定时电容55进行电荷重新分配，这个过程稳定下来以后，采样电容255上的信号与定时电容55在第一状态结束时刻的信号值相等。这时采样电容255上的信号104为采样保持电路的输出。图5为图4中各信号的波形。如果将前段所述的恒速充电的松弛振荡器类型修改为恒速放电的类型，那么相应的修改时钟发生器，使得开关装置在恒速放电阶段结束后，并不立即进行充电。也就是说，开关装置在第二状态结束，第一状态开始之前，先进入第三状态。在第三状态，时钟信号闭合采样开关，对定时电容恒速放电阶段结束时刻的信号进行采样。第二种采样保持电路还可以用两个电容轮流采样与保持来实现，即振荡的前一周期，第一个电容负责保持，第二个电容负责米样，而在后ー个周期，第一个电容负责米样，第ニ个电容负责保持。在图6所示的松弛振荡器原理图中，采样保持电路105、110就采取这种实现方案。米样保持电路105包括第一米样电容385与第二米样电容395,第一米样开关355与第二米样开关365,第一保持开关345与第二保持开关375。第一保持开关345连接第一采样电容385与采样保持电路的输出104，第二保持开关375连接第二采样电容395与米样保持电路的输出104,第一米样开关355连接定时电容55与第一米样电容385,第二米样开关365连接定时电容55与第二采样电容395。二分频电路305实际上是ー个D触发器，用来产生振荡频率的二分频来控制采样电容385与395的交错切換。时钟发生器300 (虚线围绕部分)的输出除了控制定时电容55、60的开关，还包括控制采样开关355、365的采样时钟信号313、312以及控制保持开关345、375的保持时钟信号315、314。当二分频电路305输出的二分频信号315为高电平(第一电平)时，第一保持开关345闭合,第二保持开关375与第一采样开关35本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种松弛振荡器，包含至少一个定时电容，至少一个充电电路，至少一个放电电路，至少一套具有第一与第二状态的开关装置，至少一个用来产生一个定时参考信号的定时参考发生器，至少一个比较器，一个用来产生时钟信号的时钟发生器；所述开关装置的第一状态通过所述充电电路对所述定时电容进行充电，所述开关装置的第二状态通过所述放电电路对所述定时电容进行放电；所述比较器比较所述定时电容上的信号与所述定时参考信号；所述比较器的输出信号耦合到所述时钟发生器的输入端；所述时钟信号选择所述开关装置的状态；其特征是：还包含至少一个用来产生一个峰值参考信号的峰值参考发生器，至少一个采样保持电路；所述采样保持电路的输出采样并保持所述开关装置第一状态结束时刻所述定时电容上的信号值，或所述开关装置第二状态结束时刻所述定时电容上的信号值；所述定时参考发生器中的至少一个还具有第一与第二控制端来调节所述定时参考信号的大小；所述采样保持电路的输出耦合到所述至少一个定时参考发生器的第一控制端，所述峰值参考信号耦合到所述至少一个定时参考发生器的第二控制端，来调节所述定时参考信号，使得所述采样保持电路的输出信号与所述峰值参考信号之差减小。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：贺林，
申请(专利权)人：贺林，
类型：发明
国别省市：