一種用于能量采集系統(tǒng)的cmos振蕩器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于電子技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種用于能量采集系統(tǒng)的CMOS振蕩器。本發(fā)明采用電流基準和流控振蕩器，可使振蕩器在超低工作電壓下正常工作；采用周期信號檢測技術(shù)和多路選擇器，可使振蕩器在大工作電壓范圍輸出正確結(jié)果。同時該振蕩器還具有超低功耗和高電源抑制比的特點。具體電路由電流基準模塊、環(huán)形流控振蕩器、電平位移模塊、周期信號鑒別電路、多路選擇器和輸出緩沖級構(gòu)成。該發(fā)明屬于電力電子技術(shù)領(lǐng)域。
【專利說明】
-種用于能量采集系統(tǒng)的CMOS振蕩器
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于電子技術(shù)領(lǐng)域，設(shè)及一種用于能量采集系統(tǒng)的CMOS振蕩器。
【背景技術(shù)】
[0002] 伴隨著可穿戴移動計算設(shè)備在醫(yī)療保健領(lǐng)域、健康領(lǐng)域W及消費電子領(lǐng)域的廣泛 應(yīng)用，人們對可穿戴設(shè)備的續(xù)航能力提出了更高的要求。設(shè)備的續(xù)航能力不僅取決于設(shè)備 中低功耗技術(shù)的應(yīng)用水平，也受限于裡電池或其他供電模塊的性能。
[0003] 能量采集技術(shù)是一種將環(huán)境中的能量，如太陽能、熱能、機械能或電池能轉(zhuǎn)化為電 能，并加 W利用，最終為電子設(shè)備供電的技術(shù)，它的應(yīng)用可為可穿戴設(shè)備等提供高的續(xù)航能 力。但由于能量采集所獲得的能量十分微弱并且不穩(wěn)定，運使得包括振蕩器在內(nèi)的子模塊 電路設(shè)計面臨很大的挑戰(zhàn)。
[0004] 對于能量采集系統(tǒng)來說，振蕩器模塊是至關(guān)重要的系統(tǒng)子模塊。振蕩器輸出的時 鐘信號，為基于例如電荷累(charge pump)或boost變換器等電源技術(shù)的能量采集系統(tǒng)提供 開關(guān)控制信號，使系統(tǒng)可W正常工作;為系統(tǒng)中其他數(shù)字時序邏輯電路提供時鐘，W實現(xiàn)更 復雜的系統(tǒng)功能。但是能量采集系統(tǒng)所能利用的能量十分有限，并且可能隨環(huán)境改變而劇 烈變化;另外，系統(tǒng)性能也與開關(guān)頻率密切相關(guān)，運就要求振蕩器應(yīng)具有超低功耗、可工作 在超低電壓、高電源抑制比等特點。傳統(tǒng)的CMOS低頻振蕩器一般需要較高的工作電壓，而針 對低壓設(shè)計的振蕩器在較高電壓下有頻率急劇升高、動態(tài)功耗較大等問題，運些都制約了 能量采集系統(tǒng)的功能實現(xiàn)和性能優(yōu)化。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的，就是針對上述CMOS振蕩器存在的問題，提出一種能工作在超低電 壓、寬工作電壓范圍、超低功耗的CMOS振蕩器，W滿足能量采集系統(tǒng)的應(yīng)用要求。
[0006] 本發(fā)明的技術(shù)方案是:一種用于能量采集系統(tǒng)的CMOS振蕩器，包括電流基準模塊、 環(huán)形流控振蕩器、電平位移模塊、周期信號鑒別電路、多路選擇器和輸出緩沖級構(gòu)成;所述 環(huán)形流控振蕩器的輸入端接電流基準模塊的輸出端，環(huán)形流控振蕩器的第一輸出端接周期 信號鑒別電流的輸入端，環(huán)形流控振蕩器的第二輸出端分別接電平位移模塊的輸入端和多 路選擇器的一個輸入端；電平位移模塊的輸出端接多路選擇器的另一個輸入端；周期信號 鑒別電路的輸出端接多路選擇器的控制信號端，周期信號鑒別電路根據(jù)環(huán)形流控振蕩器的 輸出電壓產(chǎn)生控制信號，多路選擇器根據(jù)周期信號鑒別電路產(chǎn)生的控制信號，選擇輸出環(huán) 形流控振蕩器的信號或電平位移模塊的信號；多路選擇器的輸出端接輸出緩沖級的輸入 端，輸出緩沖級的輸出端為振蕩器的輸出端；
[0007] 所述周期信號鑒別電路由第一反相器INV1、第二反相器INV2、第Ξ反相器INV3、第 四反相器INV4、第一 PM0S管MP1、第二PM0S管MP2、NM0S管麗1和電容C1構(gòu)成;第一反相器INV1 的輸入端接環(huán)形流控振蕩器的第一輸出端，第一反相器INV1的輸出端接第二反相器INV2的 輸入端;第一 PM0S管MP1的源極接電源，其柵極接偏置電壓；第二PM0S管MP2的源極接第一 PMOS管MP1的漏極，第二PMOS管MP2的柵極接第二反相器INV2的輸出端;NMOS管MNl的漏極接 第二PM0S管MP2的漏極，NM0S管MN1的柵極接第二反相器INV2的輸出端，NM0S管MN1的源極接 地;第二PMOS管MP2漏極與醒0S管麗1漏極的連接點通過電容C1后接地;第Ξ反相器INV3的 輸入端接第二PMOS管MP2漏極與NM0S管MN1漏極的連接點，第Ξ反相器INV3的輸出端接第四 反相器INV4的輸入端，第四反相器INV4的輸出端為周期信號鑒別電路的輸出端。
[0008] 本發(fā)明的有益效果為，通過將電流基準技術(shù)和環(huán)形流控振蕩器結(jié)合，把振蕩器的 工作電流限制在很低的范圍內(nèi)，使得振蕩器可W在超低壓下工作，同時使輸出頻率具有較 高的電源抑制比。利用周期信號鑒別電路、電平位移電路和多路選擇器，可W使振蕩器在極 寬的工作電壓范圍內(nèi)輸出正確、可識別的波形，并且由于采用了低功耗設(shè)計，子模塊的功耗 很低。因此可W滿足能量采集系統(tǒng)的對振蕩器模塊的要求。
【附圖說明】
[0009] 圖1為CMOS振蕩器模塊整體框圖。
[0010] 圖2為環(huán)形流控振蕩器結(jié)構(gòu)圖。
[0011] 圖3為環(huán)形流控振蕩器的延時單元電路圖。
[0012] 圖4為周期信號鑒別電路。
【具體實施方式】
[0013] 下面結(jié)合附圖，詳細描述本發(fā)明的技術(shù)方案：
[0014] 如圖1所示，該振蕩器的整體電路由電流基準模塊、環(huán)形流控振蕩器、電平位移模 塊、周期信號鑒別電路、多路選擇器和輸出緩沖級構(gòu)成。電流基準模塊產(chǎn)生一個幾十nA級的 電流，其輸出接到環(huán)形流控振蕩器和周期信號鑒別模塊，為環(huán)形流控振蕩器中的所有單元 提供工作電流，并為周期信號鑒別模塊提供偏置電壓。環(huán)形流控振蕩器在電流基準模塊產(chǎn) 生的工作電流的控制下輸出一個上擺小于M0S器件闊值的周期信號。振蕩器輸出的周期信 號分成Ξ路:第一路直接送如多路選擇器;第二路送入電平位移電路，電平位移電路的輸出 再送入多路選擇器;第Ξ路送入周期信號鑒別電路。周期信號鑒別電路接受振蕩器的輸出 信號，并判斷運個信號的高電平的電壓是否足夠高。如果足夠高，則輸出控制信號0,選擇直 接輸出環(huán)形流控振蕩器的輸出信號；如果不足夠高，則輸出控制信號1，選擇輸出電平位移 電路處理之后的周期信號。多路選擇器的輸出接到輸出緩沖級，輸出緩沖級的輸出作為整 個振蕩器模塊的最終輸出信號。
[0015] 環(huán)形流控振蕩器的整體連接框圖如圖2所示，圖示W(wǎng)4個延時單元的連接方式為 例，實際延時單元個數(shù)可根據(jù)需求而改變。環(huán)形流控振蕩器延時單元如圖3所示。虛線框內(nèi) 所示的兩個反相器構(gòu)成雙穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)，確保上下兩路的邏輯相反，避免振蕩器穩(wěn)定在穩(wěn)態(tài)。延 時單元內(nèi)的所有反相器都由電流源供電。由于電流由基準電流源產(chǎn)生，所W受電源電壓的 影響不大，具有較高的電源抑制比。若假設(shè)在振蕩器工作過程中，電流源的電流不變，則工 作電流Ibias和振蕩器高電平電壓Vtop之間應(yīng)滿足關(guān)系
[0016]
[0017]由此可見，環(huán)形流控振蕩器高電平電壓隨工作電流的降低而降低，實際情況中，會 降至MOS管闊值電壓W下。邏輯口的翻轉(zhuǎn)電壓與電源電壓有關(guān)，大概為電源電壓的一半。在 電源電壓較高時，如果直接將環(huán)形流控振蕩器的輸出信號輸入數(shù)字電路，數(shù)字電路會認為 環(huán)形流控振蕩器的輸出一直為低。所W需要電平位移模塊將環(huán)形流控振蕩器的輸出高電位 的電壓轉(zhuǎn)換成電源電壓。但在實際應(yīng)用中，電平位移電路對最低工作電壓有一定要求，如果 電源電壓很低，電平位移電路的輸出會產(chǎn)生錯誤，不能正常工作。
[0018] 為了使振蕩器的工作電壓范圍兼顧超低電壓和較高的電壓，本發(fā)明提出了如圖4 所示的周期信號鑒別電路。環(huán)形流控振蕩器輸出接到第一反相器INV1的輸入端口，第一反 相器INV1的輸出接到第二反相器INV2的輸入，第二反相器INV2的輸出分別接到第二PM0S管 MP2和第一 NM0S管麗1的柵極;第一 NM0S管麗1的源極接地;第二PM0S管MP2和第一 NM0S管麗1 的漏極相連，并接一個電容C1，電容C1的另一端接地;第二PM0S管MP2的源極接第一PM0S管 MP1的漏極，第一PM0S管MP1的源極接高電位，柵極接偏置電壓，作電流源;第Ξ反相器INV3 的輸入接第二PM0S管MP2和第一匪0S管MN1的漏極，輸出接INV4的輸入，最終控制信號從 INV4的輸入端輸出。
[0019] 電路工作原理如下：
[0020] 如果環(huán)形流控振蕩器輸出的信號的高電平電壓足夠高，那么信號經(jīng)過兩個反相器 之后為方波。在方波信號的低電平時，MP2開啟，麗1關(guān)斷，MP1的漏電流給C1充電；在方波信 號的高電平時，MP2關(guān)斷，MN1開啟，C1通過MN1放電。如果認為NM0S的放電速度很快，而MP1提 供的充電電流很小，C1在充電階段只獲得很少的電荷，在放電階段就完全放掉，那么在一個 周期內(nèi)，C1上極板的電壓不會超過反相器INV3的翻轉(zhuǎn)電壓，所WINV4輸出0。如果環(huán)形流控 振蕩器的輸出信號的高電平電壓過低，反相器會將信號識別成低電平，INV2的輸出即為0， MP2打開，麗1關(guān)斷，MP2給電容C1充電，直至C1上極板電壓達到接近電源電壓，此時INV4的輸 出為1。綜上，環(huán)形流控振蕩器輸出信號的高電平電壓足夠高時，周期信號鑒別電路輸出0， 反之輸出1。
[0021] 將環(huán)形流控振蕩器的輸出信號和經(jīng)過電平位移電路處理后的信號輸出到多路選 擇器的輸入端，將周期信號鑒別電路的輸入端接到多路選擇器的控制端。輸出選擇信號為0 則直接輸出環(huán)形流控振蕩器的輸出，為1則輸出電平位移電路處理之后的信號。多路選擇器 的輸出端緩沖級，W便驅(qū)動后續(xù)電路。
[0022] 根據(jù)上述說明，采用電流基準模塊、環(huán)形流控振蕩器、電平位移模塊、周期信號鑒 別電路、多路選擇器和輸出緩沖級的振蕩器模塊，具有可工作在超低工作電壓、寬工作電壓 范圍、高電源抑制比和超低功耗的特點，符合能量采集系統(tǒng)對振蕩器的要求。
【主權(quán)項】
1. 一種用于能量采集系統(tǒng)的CMOS振蕩器，包括電流基準模塊、環(huán)形流控振蕩器、電平位 移模塊、周期信號鑒別電路、多路選擇器和輸出緩沖級構(gòu)成;所述環(huán)形流控振蕩器的輸入端 接電流基準模塊的輸出端，環(huán)形流控振蕩器的第一輸出端接周期信號鑒別電流的輸入端， 環(huán)形流控振蕩器的第二輸出端分別接電平位移模塊的輸入端和多路選擇器的一個輸入端； 電平位移模塊的輸出端接多路選擇器的另一個輸入端;周期信號鑒別電路的輸出端接多路 選擇器的控制信號端，周期信號鑒別電路根據(jù)環(huán)形流控振蕩器的輸出電壓產(chǎn)生控制信號， 多路選擇器根據(jù)周期信號鑒別電路產(chǎn)生的控制信號，選擇輸出環(huán)形流控振蕩器的信號或電 平位移模塊的信號；多路選擇器的輸出端接輸出緩沖級的輸入端，輸出緩沖級的輸出端為 振蕩器的輸出端； 所述周期信號鑒別電路由第一反相器INV1、第二反相器INV2、第三反相器INV3、第四反 相器INV4、第一 PM0S管MP1、第二PM0S管MP2、NM0S管麗1和電容C1構(gòu)成;第一反相器INV1的輸 入端接環(huán)形流控振蕩器的第一輸出端，第一反相器INV1的輸出端接第二反相器INV2的輸入 端;第一 PM0S管MP1的源極接電源，其柵極接偏置電壓;第二PM0S管MP2的源極接第一 PM0S管 MP1的漏極，第二PM0S管MP2的柵極接第二反相器INV2的輸出端;匪0S管MN1的漏極接第二 PM0S管MP2的漏極，匪0S管麗1的柵極接第二反相器INV2的輸出端，NM0S管麗1的源極接地； 第二PM0S管MP2漏極與NM0S管MN1漏極的連接點通過電容C1后接地;第三反相器INV3的輸入 端接第二PM0S管MP2漏極與NM0S管MN1漏極的連接點，第三反相器INV3的輸出端接第四反相 器INV4的輸入端，第四反相器INV4的輸出端為周期信號鑒別電路的輸出端。
【文檔編號】H03K3/012GK106059534SQ201610424763
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年6月15日
【發(fā)明人】羅萍, 鄭心易, 肖天成, 王遠飛, 楊朋博
【申請人】電子科技大學