用于低功率张弛振荡器的方法和装置制造方法及图纸

在所描述的示例中，装置(200)包括：电容器(230)，其具有经耦合以接收电流的第一端子并且具有耦合到接地的第二端子；第一比较器(240)，其耦合到电容器(230)的第一端子处的电压并且耦合到第一参考电压(260)；第二比较器(242)，其耦合到电容器(230)的第一端子处的电压并且耦合到不同于第一参考电压(260)的第二参考电压(262)，并且具有耦合到第一比较器(240)的输出的使能输入；放电电路(216)，其耦合到电容器(230)并由第二比较器(242)的输出使能；以及切换电路(246)，其耦合到第二比较器(242)的输出。

Method and device for low power relaxation oscillator

In the described example, the device (200) includes a capacitor (230), which has a first terminal coupled to receive current and a second terminal coupled to the ground; a first comparator (240), which is coupled to the voltage at the first terminal of the capacitor (230) and to the first reference voltage (260); and a second comparator (242), which is coupled to the electricity at the first terminal of the capacitor (230). Voltage is coupled to a second reference voltage (262) different from the first reference voltage (260) and has enabling input coupled to the output of the first comparator (240); discharge circuit (216), which is coupled to capacitor (230) and enabled by the output of the second comparator (242); and switching circuit (246), which is coupled to the output of the second comparator (242).

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于低功率张弛振荡器的方法和装置
本专利技术总体涉及振荡器电路，更具体地涉及用于精确的、温度稳定的低功率RC振荡器的方法和装置。
技术介绍
振荡器是通常将能量转换为周期信号的电子电路。振荡器通常提供重复恒定或高度规则的频率信号，例如时钟信号。振荡器的输出可以是各种波形，包括正弦波、三角波或方波。振荡器的品质由占空比、热稳定性以及最近由功耗来描述。占空比涉及信号高于阈值的时间量。热稳定性指示振荡器在其操作温度范围内经历多少频率漂移。功耗是功率管理的一部分，在当今电池供电的移动设备时代，振荡器的功耗非常重要。振荡器趋向于连续运行，即使在电路的其它部分处于休眠模式时，也会消耗功率，使振荡器的功耗对电路中的功率降低至关重要。振荡器至少包括以下两种类型：调谐振荡器；以及张弛振荡器。虽然调谐振荡器在高功率和高精度应用中具有它们的用途，但是张弛振荡器电路是集成电路中振荡器的良好候选者，因为张弛振荡器需要很小的硅面积，可以完全在集成电路上制造，并且既不需要晶体也不需要电感器来操作。张弛振荡器通过将电容器充电到阈值电压VT来工作。当电容器充电到电压VT时，电容器放电，并且该过程重复。电容器通常从通过电阻器耦合的DC电压源充电。RC时间常数确定张弛振荡器输出的频率。使用RC网络确定其频率的简单张弛振荡器可能容易发生频率漂移，因为电阻和电容值随温度而变化。集成电路过程中常用的组件是正温度系数电阻器(RTP)和负温度系数电阻器(RTN)。通过使用串联或并联的RTN电阻器和RTP电阻器，可以使总电阻值的温度偏差在温度范围内更加稳定。图1示出了传统张弛振荡器的框图。低功率振荡器(LPO)100是张弛设计，其使用电容器104和电阻器108来产生斜坡电压。比较器110以节点115上的电压触发，并且比较器的输出耦合到一对NAND门并且耦合到最终反相缓冲器120。基于无缓冲的LPO输出，由电阻器R3和R2的值设置节点115的比较器参考电压。通电开关(PWD)102通常断开，允许LPO振荡。在开路状态下，这对NAND门作为反相器工作。当PWD被断言时，NAND门输出都变低，迫使LPO的最终输出由于反相缓冲器120而变为恒定的高。在张弛振荡器100中，比较器110基于电阻器R2和R3的比率提供可靠的触发。当电阻器R2和R3在集成电路上彼此非常接近时，该比率可以很好地跟踪过程和温度变化。通过由一对电阻器并联，第一电阻器作为RTN并且第二电阻器作为RTP电阻器来制成电阻器，可以进一步改善斜坡电压的RC时间常数的稳定性，这些电阻器通常可用于各种半导体制造过程。从触发事件到比较器输出改变的延迟(delay)时间也随功率和温度而变化。增加功率可以缩短比较器延迟(减少等待时间(latency))并降低对温度的依赖性。然而，这种方法增加了功耗。需要具有改善的热稳定性和降低的电流消耗的振荡器。
技术实现思路
在所描述的示例中，一种装置包括：电容器，其具有经耦合以接收电流的第一端子，并且具有耦合到接地的第二端子；第一比较器，其耦合到电容器的第一端子处的电压并且耦合到第一参考电压；第二比较器，其耦合到电容器的第一端子处的电压，并且耦合到大于第一参考电压的第二参考电压，并且具有耦合到第一比较器的输出的使能输入；放电电路，其耦合到电容器并由第二比较器的输出使能；以及切换电路(togglecircuit)，其耦合到第二比较器的输出。附图说明图1是传统张弛振荡器的框图。图2是用于低功率张弛振荡器的示例布置的框图。图3A、图3B、图3C和图3D是来自图2的张弛振荡器的波形。图4是形成示例实施例的附加的方面的方法的流程图。具体实施方式除非另外指出，否则附图中的对应数字和符号通常指代对应的部分。附图不一定按比例绘制。在本说明书中，术语“耦合”可以包括与中间元件建立的连接，并且在“耦合”的任何元件之间可以存在附加的元件和各种连接。随着电池供电的电子器件的普及，低功率组件和子系统对于延长电池供电设备的操作时间是必不可少的。振荡器设计在降低功耗方面经常是重要的，因为振荡器经常在其它电路子系统处于休眠模式时运行。张弛振荡器是低功率振荡器(LPO)的良好设计选择，因为其成本相对较低且易于在标准IC过程中实施。在张弛振荡器设计中使用比较器通过以已知电压触发振荡器来改善频率精度；然而，由于触发事件和输出改变之间的延迟随温度和比较器功率而变化，因此比较器中的等待时间可能是造成不必要的频率漂移的原因。较高功率的比较器可以减少等待时间和热变化，但代价是较高的电流消耗。在示例实施例的一个方面，示例布置使用一对比较器来检测斜坡电压，同时还减少所消耗的功率量。通过使用第一比较器作为第二比较器的使能电路来实现功率降低。第一比较器是低功率设计。在一个示例中，第一比较器被提供具有小于1微安的偏置电流。当第一低功率比较器触发时，它使能(enable)第二比较器。第二比较器是高功率、低等待时间比较器，其仅在短暂的时间内有效。第二比较器的高偏置功率提供低等待时间，导致振荡器在热操作范围内的频率变化可忽略不计。图2是用于低功率张弛振荡器200的示例实施例的示例方面的框图。在图2中，张弛振荡器200包括：FET210、212、214、216，电阻器220、222、224，电容器230，比较器240和242，反相器244，触发器246和电流源248。FET210、212和214形成电流镜，其相应栅极端子耦合在一起。这些FET的源极端子耦合到节点250处的电源。FET210的栅极端子耦合到FET210的漏极端子并且耦合到电流源248的端子。电流源的第二端子耦合到接地节点252。电阻器222和224并联耦合到接地节点252，并且每个电阻器的第二端子耦合在节点260处。还耦合到节点260的是电阻器220的端子和比较器240的反相输入。电阻器220的第二端子在节点262处耦合到FET212的漏极和比较器242的反相端子。仍然参考图2，电容器230具有耦合到接地节点252的一个端子，并且电容器的第二端子以及比较器240和242二者的非反相端子耦合到节点264。还耦合到节点264的是FET216的漏极端子，FET216的源极端子耦合到接地节点252。比较器240的输出在节点266处耦合到比较器242的使能端子。比较器242的输出在节点268处耦合到FET216的栅极端子。触发器246的反相和非反相时钟输入耦合到节点268。触发器246的输入耦合到反相器244的输出端子，并且触发器的输出耦合到反相器244的输入。触发器246的输出是振荡器200的输出。将在标记为OUT的输出节点处产生方波输出信号。在包含张弛振荡器200中的组件的集成电路的制造中，尺寸匹配和物理接近或协同定位(co-location)有助于确保一些组件的近似相同的电特性和/或热经历。例如，FET212和214的尺寸匹配并且协同定位于集成电路上以形成匹配电流镜。电容器230实现为金属对金属型电容器，其固有地随温度变化很小。形成在顶层金属上，电容器230可以被激光微调(trim)到所需的值，使得在整个晶片上，张弛振荡器可以具有一致的频率而不管工艺的可变性。在另一示例布置中，电容器230可以由许多金属层(level)形成，并且不用激光微调。在这种方法中，多个FET与本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种装置，其包括：电容器，其具有经耦合以接收电流的第一端子，并且具有耦合到接地的第二端子；第一比较器，其耦合到所述电容器的所述第一端子处的电压并且耦合到第一参考电压；第二比较器，其耦合到所述电容器的所述第一端子处的所述电压并且耦合到不同于所述第一参考电压的第二参考电压，并且具有耦合到所述第一比较器的输出的使能输入，并且具有输出；放电电路，其耦合到所述电容器并由所述第二比较器的所述输出使能；以及切换电路，其耦合到所述第二比较器的所述输出，并输出周期信号。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.08.31 US 15/252,7251.一种装置，其包括：电容器，其具有经耦合以接收电流的第一端子，并且具有耦合到接地的第二端子；第一比较器，其耦合到所述电容器的所述第一端子处的电压并且耦合到第一参考电压；第二比较器，其耦合到所述电容器的所述第一端子处的所述电压并且耦合到不同于所述第一参考电压的第二参考电压，并且具有耦合到所述第一比较器的输出的使能输入，并且具有输出；放电电路，其耦合到所述电容器并由所述第二比较器的所述输出使能；以及切换电路，其耦合到所述第二比较器的所述输出，并输出周期信号。2.根据权利要求1所述的装置，其中所述第一比较器是具有第一延迟时间的低功率比较器，并且所述第二比较器是具有比所述第一延迟时间更短的第二延迟时间的高功率比较器。3.根据权利要求1所述的装置，还包括：电流参考源；以及第一电流镜，其耦合到所述电流参考源并且耦合到所述电容器的所述第一端子，其被配置为利用等于所述电流参考源的电流对所述电容器充电。4.根据权利要求3所述的装置，还包括：第二电流镜，其耦合到所述电流参考源并且耦合到电阻器网络，所述电阻器网络被配置为输出所述第一参考电压和所述第二参考电压。5.根据权利要求4所述的装置，其中所述电阻器网络还包括：第一电阻器，其在第一节点处具有所述第二参考电压并且在第二节点处具有所述第一参考电压；以及温度补偿电阻，其耦合在所述第二节点和接地端子之间。6.根据权利要求5所述的装置，其中所述温度补偿电阻还包括：第二电阻器，其具有与绝对温度成比例的电阻；以及第三电阻器，其具有与绝对温度成反比的电阻；所述第二电阻器和所述第三电阻器并联耦合在所述第二节点和接地端子之间。7.根据权利要求5所述的装置，其中所述周期信号的频率与所述电容和所述第一电阻器的乘积成反比。8.根据权利要求1所述的装置，其中所述周期信号的占空比约为50％。9.根据权利要求1所述的装置，其中所述电容器是金属对金属电容器。10.根据权利要求1所述的装置，其中所述电容器是可微调的。11.根据权利要求1所述的装置，其中所述第一比较器和所述第二比较器是差分比较器。12.根据权利要求1所述的装置，其中所述切换电路响应于所述第二比较器的所述输出，切换所述周期信号的电压电平。13.根据权利要...

【专利技术属性】
技术研发人员：B·L·亨特，
申请(专利权)人：德克萨斯仪器股份有限公司，
类型：发明
国别省市：美国,US