[发明专利]一种低功耗高性能的松弛振荡器

说明书

所属技术领域：

本发明涉及一种电子电路，着重涉及一种松弛振荡器。

现有技术和背景技术：

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，需要缩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[1]。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％[2]。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％[3]，因此对无线传感网应用最为理想。

图1为一种传统的松弛振荡器[4]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，使得一个定时电容充电的时候，另一个定时电容放电。比较器15、20检测定时电容上的信号54、59是否超过定时参考信号5、10，如果超过，比较器的输出使得时钟发生器0(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参考信号的时间与定时参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参考信号的时刻到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，受到工艺、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参考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缩小指数增长，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(Voltage average feedback)的概念，通过检测振荡信号的平均功率，来自动调节定时参考信号的大小，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工艺误差影响，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。

发明的目的：本发明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测定时电容恒速(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。

发明的技术方案：

本发明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1中传统的定时参考发生器1、2替换为具有第一与第二输入端的可变定时参考发生器125，130。然后将采样保持电路的输出104、109与峰值参考信号114、119分别连接到定时参考发生器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参考信号5、10，使得负反馈稳定以后，采样保持电路的输出104与峰值参考信号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0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。