面向NB-IoT的低成本环形振荡器的制作方法

文档编号:14477033
研发日期:2018/5/18

本发明涉及窄带物联网(NB-IoT)领域,具体来讲涉及一种用于以较低的成本产生振荡信号,使用反相器实现的环形振荡器。



背景技术:

众所周知,NB-IoT是指基于蜂窝的窄带物联网,是万物互联网络的一个重要分支。NB-IoT构建于蜂窝网络,只消耗大约180KHz的带宽,可直接部署于GSM网络、UMTS网络或LTE网络,以降低部署成本、实现平滑升级。

NB-IoT是IoT领域中较新的技术概念,其主要内容是支持低功耗的设备在广域网的蜂窝数据连接。这样我们就可以基于当前的蜂窝网络将物体互联起来,用较低的代价换取较大的成功。

由于NB-IoT支持待机时间长、对网络连接要求较高设备的高效连接;所以芯片要支持NB-IoT,就必须要低功耗,必须要有数字系统对网络进行连接。于是数字系统的基础——时钟信号,就是设计重点。

常用的振荡器结构主要分为两类:调谐振荡器和非线性振荡器。其中调谐振荡器常用的结构为电感电容振荡器(LC Oscillators),非线性振荡器常用的结构为环形振荡器(Ring Oscillators)。

然而,环形振荡器,其优点为线性度好,功耗低,对电源的干扰有抑止作用,集成度高;其缺点是电路相对复杂,布局尺寸面积较大,输出频谱纯度不够好。

众所周知,奇数个反相器首尾相连便可以得到一个最简单的振荡器,但是这时输出的相位差为360°/(2N+1)。当我们想要使用一些特殊的相位差时钟信号的,就会出现设计困难,如90°相位差需要4个反相器首尾相连,45°相位差需要8个反相器首尾相连,而这样的结构是不能起振的;因此需要加以改进。



技术实现要素:

因此,为了解决上述不足,本发明在此提供一种面向NB-IoT的低成本环形振荡器;本发明利用环形振荡器优点,并改进了其部分缺点,仅使用两种反相器实现,电路复杂度和布局尺寸面积得到了改善。

本发明是这样实现的,构造一种面向NB-IoT的低成本环形振荡器,其特征在于:

该环形振荡器仅用反相器搭建,其中,包括4个A反相器I1、I2、I3、I4;

其电路结构为:N1节点连接I1的输入,I4的输出,I7的输入,I8的输出;N2节点连接I2的输入,I1的输出,I5的输入,I6的输出;N3节点连接I3的输入,I2的输出,I7的输出,I8的输入;N4节点连接I4的输入,I3的输出,I5的输出,I6的输入;四个A反相器首尾相连;构建完成后,通电,使其形成一个稳定结构;

在N1节点和N3节点或N2节点和N4节点间加入另一反相器,将其从平衡状态驱逐出来,此时所加入的反相器与A反相器不同,称它为B反相器。其中,在N1节点和N3节点之间加上从N1节点到N3节点的B反相器,在N2节点和N4节点之间加上从N2节点到N4节点的B反相器。

另一方面,所述一种面向NB-IoT的低成本环形振荡器,其特征在于:B反向器的尺寸在A反相器尺寸的0.6~0.8之间。

另一方面,所述一种面向NB-IoT的低成本环形振荡器,其特征在于:在4个A反相器和B反相器中,将两个A反相器和B反相器组合成为一个差动放大器,使其两个差动放大器得到一个振荡器,在这个振荡器中能够得到4对差分对,他们的固有相位差为90°。

本发明具有如下优点:本发明通过改进在此提供一种面向NB-IoT的低成本环形振荡器;本发明利用环形振荡器优点,并改进了其部分缺点,仅使用两种反相器实现,电路复杂度和布局尺寸面积得到了改善;与现有技术相比,具有如下改进及优点;

优点1:本发明仅用反相器搭建的环形振荡器,其中包括A、B两类反相器分别各4个,A反相器对应的四个反相器首尾相连,采用最简单的连接结构。

优点2:另一方面,为了破坏这种结构的平衡,可以在N1和N3或N2和N4间加入反相器,将其从平衡状态驱逐出来。加入的反相器与A反相器不同,称它为B反相器;使其平衡被破坏后,电路会振荡。

优点3:由于器件中的噪声会影响输出振荡信号的相位噪声,而MOS晶体管噪声与其跨导成正比,而跨导与晶体管尺寸成反比,即要减小相位噪声就应该增大晶体管的尺寸。另外,如果增大了晶体管的尺寸,则反相器的负载电容增大,传输延时增大,振荡器振荡频率减小;因此B反向器的尺寸应该在A反相器尺寸的0.6~0.8之间较佳。

优点4:可以将两个A反相器和B反相器组合成的结构考虑为一个差动放大器,这样,用两个差动放大器便可以得到一个振荡器,达到本发明的目的。

附图说明

图1为本发明具体应用原理实现框图;

图2为本发明图1对应的简化理解图;

图3为本发明图1泛化理解图;

图4为本发明拓展应用概念图。

具体实施方式

下面将结合附图1-图4对本发明进行详细说明,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。

本发明通过改进在此提供一种面向NB-IoT的低成本环形振荡器,如图1-图4所示,可以按照如下方式予以实施;

本发明在实施时,仅用反相器搭建的环形振荡器,其中包括两类反相器分别各4个,一共8个。电路结构为:N1节点连接I1的输入,I4的输出,I7的输入,I8的输出;N2节点连接I2的输入,I1的输出,I5的输入,I6的输出;N3节点连接I3的输入,I2的输出,I7的输出,I8的输入;N4节点连接I4的输入,I3的输出,I5的输出,I6的输入。

首先,考虑最简单的连接结构,即四个反相器首尾相连。为简单起见,我们将每个反相器编号为I1,I2,I3,I4,这些反向器的输入节点分别命名为N1,N2,N3,N4;I1的输出接N2,I2的输出接N3,I3的输出接N4,I4的输出接N1。这些反相器都是一种反相器,现将它们统称之为A反相器。构建完成后,通电,发现这是一个稳定结构。现在我们假设N1和N3为高电平,则N2和N4为低电平。

另一方面,为了破坏这种结构的平衡,可以在N1和N3或N2和N4间加入反相器,将其从平衡状态驱逐出来。加入的反相器与A反相器不同,称它为B反相器。从逻辑上来说平衡被破坏后,电路会振荡,但是这种振荡是不平衡的。从A反相器的输出负载来看,如果只有一个B反相器,所有A反相器的延迟会具有不同的值,这就会导致输出的相位不是等相位差的,从而不能完成所需的要求。

然后,即在N1和N3之间加上从N1到N3的B反相器、从N1到N3的B反相器,在N2和N4之间加上从N2到N4的B反相器、从N4到N2的B反相器,于是就可以得到附图1的电路原理图。

进一步,就是确定A、B反相器的尺寸。我们对附图1简化,都可以简化为附图2的三个反相器的连接。电路振荡是指微弱的振荡信号在电路里面被不断放大,直至振幅接近最大。A、B反相器的尺寸如何确定,就依赖于此。现在假设A反相器的反相器延时为ta,B反相器的反相器延时为tb。再次简化附图2可以这样说:B反相器的输出经过2*ta的延迟后接到其输入上。假如B反相器的输出正在处于上升状态,在2*ta个单位时间后,B反相器输出的上升状态传到B反相器的输入端,于是B反相器就被迫使进入下降状态。如果这时上升的没有达到前次上升的最大值,则振荡器做减幅振荡,电路趋于平稳。假如当前B反相器输出了一个从0到VDD后又到0的一个类余弦信号,若这个信号的上升沿在输出端依旧上升时到达B反相器的输入端,则会使B反相器响应这个上升沿,减缓输出的上升沿;若这个信号的上升沿在输出端下降时到达B反相器的输入端,则会使B反相器响应这个下降沿,增强输出的上升沿。所以,只有当B反相器的输出经过的2*ta延时大于B反相器的反相器延时tb时,B反相器才能将其输入逐渐放大。

在实现过程中,由于反相器传输延迟与反相器尺寸成反比,所以B反相器的尺寸应该大于A反相器尺寸的一半。另外,器件中的噪声会影响输出振荡信号的相位噪声,而MOS晶体管噪声与其跨导成正比,而跨导与晶体管尺寸成反比,即要减小相位噪声就应该增大晶体管的尺寸。另外,如果增大了晶体管的尺寸,则反相器的负载电容增大,传输延时增大,振荡器振荡频率减小。于此综合上述,给出B反向器的尺寸应该在A反相器尺寸的0.6~0.8之间,可以根据不同应用和要求,合理地选择尺寸比例。

最后,为了更广泛地理解和使用这种结构,附图3给出了简化理解图。可以将两个A反相器和B反相器组合成的结构考虑为一个差动放大器,这样,用两个差动放大器便可以得到一个振荡器。当然使用四个也可以得到振荡器,而这个振荡器可以得到4对差分对,他们的固有相位差为90°,即如附图4。

对所公开的实施例的上述说明,使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的,本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下,在其它实施例中实现。因此,本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例,而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

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