模拟振荡器电路

模拟振荡器电路

本发明涉及到模拟振荡器电路，更确切的说是涉及到一种能利用一个小电容器在低频下工作并具有降低了的对噪音的敏感度的模拟振荡器电路。

图1示出了一个具有电容器C1、第一和第二电阻R1和R2、比较器COMP和开关S1的通常的模拟RC振荡器。当电容器C1两端的电压小于偏压Vbiasl时，比较器的输出处于一个逻辑低电平，并且S1是打开的。电容器被从电源Vcc流经电阻R1的电流充电。当电容器两端的电压超过Vbiasl时，比较器的输出转换到逻辑高电平，从而使开关S1关闭。然后电容器通过电阻R2放电。当电容器电压下降到低于Vbiasl时，比较器使开关S1打开，于是一个新的周期开始。

图1电路的一个问题是对噪音很敏感。另一个问题是当应用在集成电路中时，由于电阻R1和/或电容器C1必须具有一个比较大的值，所以振荡器不能在低频下工作。在例如在50千赫(KHz)这阶频率的通常的低频应用中，电容器C1必须具有大于500微微法(pF)的电容值，这占据了太多的晶片区域。

图2示出了另一个通常的模拟RC振荡器电容。该电路与图1示出的电路类似，但电阻R1被第一电流源I1所代替，当开关S1被关闭时电流源I1给电容器充电，并且电阻R2被第二电流源I2所代替，当开关被关闭时电流源I2给电容器放电。电容器被流经电流源I1和I2的电流之间的差值电流放电。电流源一般由双级型晶体管构成。

如果电流源I1和I2在相对高电流下工作，那么图2所示电路对噪音的敏感度一般要比图1所示电路对噪音的敏感度小。尽管如此，如果使用高电流，那么为了使电路在低电频下工作，电容器仍然被做得太大。如果在减少电路器尺寸的尝试中应用低值电流，该电路对噪音就更敏感了。用于构成电流源的双极型晶体管在低值电流情况下也具有小电流增益和不稳定的缺点。

因此，需要一个能克服上述问题的振荡器电路。

所以，本发明的目的是提供一种模拟振荡器，该模拟振荡器能在低频下工作并具有降低了的对噪音的敏感度。

本发明的另一个目的是提供一种模拟振荡器，该模拟振荡器能够在一个不占据太多晶片区域的集成电路上构成。

本发明的一方面是一个振荡器电路，它包括：电容器；与电容器耦接的第一电流源；该第一电流源产生第一电流给电容器充电；与电容器耦接的第二电流源，该电流源产生第二电流给电容器放电；耦接到电容器和第二电流源上的比较器用于响应电容器电压来控制第二电流源；以及与电容器耦接以便从电容器分走一部分电流的第三电流源。

一个能与第二电流源耦接以控制第二电流源的开关，以及一个能与该电流源耦接的温度补偿电路。该第二电流源和第三电流源包括电流镜像电路。

本发明的另一方面是一个振荡器电路，它包括：电容器；用于产生向电容器充电的电流从而产生一个电容器电压信号的装置；比较电容器电压信号和偏压信号的装置；给电容器放电的装置；从电容器分走一部分电流的装置。

产生电流的装置包括第一电流源，给电容器放电的装置包括第二电流源；并且，分走一部分电流的装置包括第三电流源。给电容器放电的装置还可以包括控制第二电流源的开关。

本发明的另一方面是产生振荡信号的方法，它包括：产生电流；用电流给电容器充电由此产生一个电容器电压信号；比较电容器电压信号和偏压信号；给电容器放电；以及从电容器分走一部分电流。

给电容器放电包括当电容器电压信号与偏压信号之间的差值达到第一个值时产生第二电流，和当电容器电压信号与偏压信号之间的差值达到第二个值时停止产生第二电流。

本发明的优点在于它允许电流源在以一个微小差值电流给电容电容器充电的情况下在高电流下工作。因此，本发明的振荡器可以减少对噪音的敏感度。

本发明的另一个优点是本发明中采用的电容器可以被保持得较小，从而占据较小晶片区域。

本发明的另一个优点是构成本发明振荡器的双极型晶体管能工作于高电流之下，从而增进稳定性、抗噪性和电流增益。

本发明上述的和其它的目的、性能和优点将通过以下伴有附图的本发明一优选实施例的详细说明很容易地体现出来。

图1是一个现有的模拟振荡器电路的原理图。

图2是一个现有的使用电流源的模拟振荡器的原理图。

图3是根据本发明的模拟振荡器电路的一实施例的原理图。

图4是根据本发明的模拟振荡器电路的一优选实施例的原理图。

本申请对应于由Samsung电子有限公司在1995年6月29日申请的韩国专利申请号95-18269，在此引入该申请作为参考。

根据本发明模拟振荡器电路的一个实施例在图3示出。在电路工作叙述的后面将提供每个元件的叙述。

图3示出的本发明的实施例通常是在集成电路使用的并且包括电容器C1，该电容器C1的一端连接一个公共馈电端GND而另一端与汇集结点V01相连。给电容器充电的第一电流源I1连接在汇集结点与电压馈送端Vcc之间。给电容器放电的第二电流源I2的一端与汇集结点相连而另一端通一个单级单掷(SPST)开关S1与GND相连。从电容器分流的第三电流源I3连接在汇集结点与GND之间。电流源I1、I2和I3通常是由双级晶体管构成的。

比较器COMP具有一个与汇集结点V01相连的第一输入端和一个与偏压信号Vbiasl相连的第二输入端，以及一个与开关S1相连以便控制该开关的输出端。比较器的输出端还形成了用于振荡器电路的输出端V02。比较器可以是一个具有延迟作用的施密特触发电路。

温度补偿电路10能够与电流源I1、I2和I3相连，以便在温度变化情况下保持稳定的电流。

下面将考虑本发明该实施例的工作过程。第一电流I1产生流入汇集结点V01的第一电流i1。第三电流源I3产生从电容器C1分流i1的部分电流的第三电流i3。当汇集结点的电压低于偏压信号Vbiasl的电压时，比较器的输出端处于逻辑低电平，并且开关S1是打开的。因此，电流源I2不向汇集结点提供任何电流，并且电容器C1由与i1-i3相等的电流充电。

当电容器充电时，汇集结点的电容器电压信号继续升高直到超过偏压信号的电压，这时比较器输出转换成逻辑高电平，由此关闭开关S1。当开关S1关闭时，电流源I2产生第二电流i2，该电流是在汇集结点处与其它电流相加。第三电流源I3继续向GND分走部分i1，然后电容器由与i1-i2-i3相等的放电电流放电。当电容器电压降到低于偏压电平时，比较器输出转换回到逻辑低电平，从而打开开关S1。如果比较器由一个施密特触发器构成，那么电容器电压降低到低于比较器关闭开关前的偏压电平的第二电平。当开关打开时，第二电流源I2停止产生电流，并且一个新的充电周期开始。

本发明电路的优点在于它允许电流源在用微小差值电流i1-i3给电容器充电的情况下工作于高电流。因此，该电流对噪音的敏感度较低，此外由于充电电流的低值，电容器能保持较小。因此电容器占据了较小的晶片区域。而且该电路还允许构成电流源的双极型晶体管在高电流下工作，并增进其稳定性、抗噪性和电流增益。

如果选择一个50KHZ的振荡频率和设置一个1.5伏的Vbiasl，图3示出的电路的电容器C1可以具有60pF的电容值，充电电流大约可为6.4微安(μA)，并且放电电流大约可为15μA。这些充电和放电电流可以由产生100μA的第一电流源、产生21.4μA的第二电流源和产生93.6μA的第三电流源实现。因此，流经电流源的电流高得足以在减少构成集成电路振荡器所需的电容器的尺寸的同时减少电路对噪音的敏感度和保持双极型晶体管的稳定性。

为保持在温度变化的情况下稳定工作，温度补偿电路10可被用于保持在电流源I1、I2和I3中的恒定电流。温度补偿电路10通过使电阻的正温度系数和双极型晶体管的基-射极电压的负温度系数相匹配而工作。

图4示出根据本发明模拟振荡器电路的优选实施例。在电路工作过程的叙述之后将给出每个元件的叙述。

图4示出的本发明的实施例是应用于集成电路中的，并且包括一个一端与公共馈电端GND相连而另一端与汇集结点V01相连的电容器C1。

NPN参考晶体管Q6的发射极连接到电压馈送端Vcc。Q6的集电极与温度补偿电路10的输出端相连，该温度补偿电路10产生与温度无关的参考电流。Q6的基极与Q6的集电极相连形成一个参考结点。

第一PNP电流源晶体管I1连接在Vcc与汇集结点之间，形成了给电容器充电的第一电流源。晶体管I1的发射极与Vcc相连，I1的集电极与汇集结点相连，而I1的基极与参考结点相连。

第二PNP电流源晶体管I2通过第一电流镜像电路20连接在Vcc与汇集结点V01之间，从而形成给电容器放电的第二电流源。晶体管I2的发射极与Vcc相连，I2的基极与参考结点相连。该电流镜像电路包括第一和第二NPN电流镜像晶体管Q1和Q2，Q1和Q2的发射极分别通过电阻R1和R2与GND相连从而形成电流镜像电路。Q1和Q2的基极连在一起，而且Q1的基极和集电极连接在一起。Q1的集电极与I2的集电极相连，并且Q2的集电极与汇集结点相连。

第三PNP电流源晶体管I3通过第二电流镜像电路30连接在Vcc和汇集结点V01之间，从而形成从第一电流源分流电流的第三电流源。晶体管I3的发射极与Vcc相连，I3的基极与参考结点相连。该第二电流镜像电路包括第一和第二NPN电流镜像晶体管Q3和Q4，Q3和Q4的发射极分别通过电阻R3和R4与GND相连从而形成电流镜像电路。Q3和Q4的基极连接在一起，Q3的基极与集电极连在一起。Q3的集电极与I3的集电极连在一起，Q4的集电极与汇集结点相连。

电流源晶体管I1、I2和I3与Q6形成电流镜像电路，由此，晶体管I1、I2和I3分别产生与温度补偿电路10所产生的参考电流成正比的电流i1、i2和i3。第二电流镜像晶体管Q2产生正比于i2的第二电流iq2，第四电流镜像晶体管Q4产生正比于i3的第三电流iq4。通过适当的选择发射极区和电阻值能够使得iq2等于i2、iq4等于i3。

比较器COMP具有连接到汇集结点V01的第一输入端和连接到偏压信号Vbias1的第二输入端，以及连接到PNP开关晶体管Q5基极的输出端。Q5的发射极连接到晶体管I2的集电极，Q5的集电极连接到GND。比较器的输出端还形成了一个用于振荡器电路的输出端V02。比较器可以是一个具有延迟作用的施密特触发器。

下面考虑本发明优选实施例的操作。第一电流源晶体管I1产生流入汇集结点V01的第一电流i1。第三电流源晶体管I3产生流入第二电流镜像电路30的第三电流i3。第二电流镜像电路30产生流入Q4集电极并从电容器C1分流部分i1的电流iq4。当汇集结点处的电压低于偏压信号Vbiasl的电压电平时，比较器的输出端处于驱动晶体管Q5导通的逻辑低电平，借此使电流i2流向GND。由此，电流镜20不再向汇集结点分配任何电流，并且电容器C1由等于i1-iq4的充电电流充电。如果电流镜像电路30平衡，充电电流为i1-i3。

当电容器充电时，汇集结点处的电容器电压信号持续上升，直到它超过偏压信号的电压为止，在该时间处，比较器的输出转换成高逻辑电平并由此驱动晶体管Q5截止。随着Q5截止，电流iq2流入第一电流镜像电路20。第一电流镜像电路20产生流入Q2集电极的电流iq2并在汇集结点处和其它电流相加。第二电流镜像电路30继续分流部分i1到GND。如果iq2大于i1-iq4，则电容器以等于i1-iq2-iq4的放电电流放电。假如两个电流镜像电路20和30平衡，放电电流为i1-i2-i3。

当电容器电压降到偏压电平以下时，比较器的输出转换回到低逻辑电平，借此驱动开关晶体管Q5导通。如果该比较器是用施密特触发器构成的，那么电容器电压降到低于比较器驱动Q5导通前偏压电平的第二电平。当Q5导通时，第一电流源镜像电路20停止产生电流并且新的充电周期开始。

为了在存在温度变化的情况下保持稳定的工作，温度补偿电路10在Q6中保持一个恒定的参考电流。温度补偿电路10通过使电阻的正温度系数和双极型晶体管的基-射电压的负温度系数相匹配而工作。

本发明的一个优点就是在利用小差值电流i1-iq4向电容器充电的同时允许电流源工作于高电流之下。由此，电路对噪声的敏感度降低。另外，由于充电电流很小，所以电容器可以保持得很小。由此电容器只占用很小的电路区域。另外，这个电路还允许电流源中的双极型晶体管工作于高电流之下，由此改进了稳定性，抗噪性以及电流增益。

在本发明的优选实施例中已对本发明的原理作了解释和叙述。对于本专业技术领域以内的普通技术人员来讲很明显的是，可以对本发明在布置和细节方面作出修改而不脱离本发明的原理，还要求保护落入所附权利要求书的精神和范围内的所有修改。