專利名稱：高精準(zhǔn)環(huán)形振蕩器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種環(huán)形振蕩器，特別是涉及—種高精準(zhǔn)的環(huán)形振蕩器。
技術(shù)背景
當(dāng)前較大規(guī)模集成片上的系統(tǒng)都需要一個(gè)較精準(zhǔn)的時(shí)鐘，作為數(shù)字模 塊的時(shí)鐘或作為同步或作為定時(shí)用。出于功耗和成本的考慮，片內(nèi)環(huán)形振 蕩器是一個(gè)較好的選擇。這種振蕩器不需要片外的晶體或電感電容等調(diào)諧 器件，僅需奇數(shù)個(gè)反相器串聯(lián)并首尾相接。
若千個(gè)反相器首尾相接的環(huán)形振蕩器的輸出信號(hào)頻率受電源電壓、溫 度、工藝漂移等因素影響很大，無(wú)法達(dá)到高精準(zhǔn)的應(yīng)用要求。
發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型的目的是針對(duì)上述存在的問(wèn)題，提供一種能抑制電源電壓 的變化，具有溫度和工藝補(bǔ)償功能的環(huán)形振蕩器。
本實(shí)用新型為了達(dá)到上述的目的，所采取的技術(shù)方案是提供一種高精 準(zhǔn)的環(huán)形振蕩器，它包括至少一個(gè)環(huán)形振蕩器級(jí)和與其電連接的供電電 源；所述的環(huán)形振蕩器級(jí)包括兩種不同導(dǎo)電類型的MOS場(chǎng)效應(yīng)管構(gòu)成的 反相器以及與其電連接的MOS場(chǎng)效應(yīng)管；所述的供電電源是包括閾值電 壓VTH與環(huán)形振蕩器級(jí)中的MOS場(chǎng)效應(yīng)管的閾值電壓VTH相互補(bǔ)償?shù)?MOS場(chǎng)效應(yīng)管和可調(diào)電阻的自偏置電流源。
如上述本實(shí)用新型的環(huán)形振蕩器，它包括一個(gè)以MOS.場(chǎng)效應(yīng)管的閾值電壓VTH和可調(diào)電阻為基準(zhǔn)的自偏置電流源以及至少--個(gè)環(huán)形振蕩器 級(jí)。它是利用自偏置電流源中的MOS場(chǎng)效應(yīng)管的閾值電壓VTH和環(huán)形振 蕩器級(jí)的MOS場(chǎng)效應(yīng)管的閾值電壓VTH相互補(bǔ)償，消除由MOS場(chǎng)效應(yīng) 管工藝漂移和溫度系數(shù)引起的環(huán)形振蕩器輸出頻率不穩(wěn)的現(xiàn)象。利用可調(diào) 電阻的溫度系數(shù)和MOS場(chǎng)效應(yīng)管的寄生參數(shù)的溫度系數(shù)的相互補(bǔ)償，減 小環(huán)形振蕩器輸出頻率的溫度系數(shù)。通過(guò)對(duì)可調(diào)電阻進(jìn)行內(nèi)部微調(diào)，可對(duì) 輸出信號(hào)頻率進(jìn)行微調(diào)，使之達(dá)到高精準(zhǔn)的要求。還可通過(guò)調(diào)整電流源到 環(huán)形振蕩器級(jí)的電流比例，達(dá)到輸出信號(hào)頻率高精準(zhǔn)的要求。
所述的MOS場(chǎng)效應(yīng)管的閾值電壓VTH適用于NMOS和PMOS兩種 類型的場(chǎng)效應(yīng)管的閾值電壓VTH。
由于本實(shí)用新型的環(huán)形振蕩器采用上述的結(jié)構(gòu)，輸出信號(hào)頻率與電源 電壓無(wú)關(guān)，帶有溫度、工藝補(bǔ)償和校準(zhǔn)功能。所以本實(shí)用新型可實(shí)現(xiàn)在一 定的溫度、電源電壓、工藝漂移范圍內(nèi)的高精準(zhǔn)頻率的應(yīng)用。


圖1是本實(shí)用新型環(huán)形振蕩器的結(jié)構(gòu)示意圖2是本實(shí)用新型的自偏置電流源一實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖3是本實(shí)用新型的環(huán)形振蕩器級(jí)一實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)進(jìn)行進(jìn)一步地說(shuō)明。 圖1是本實(shí)用新型的環(huán)形振蕩器的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖1所示，本實(shí)用 新型的環(huán)形振蕩器包括自偏置電流源1和包含N級(jí)(N為奇數(shù))反相器首 尾相接的環(huán)形振蕩器級(jí)2，圖1中Fout端為信號(hào)輸出端。 圖2是圖1中自偏置電流源1一實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。 如圖2所示，本實(shí)用新型的自偏置電流源1包括至少2個(gè)MOS場(chǎng)效應(yīng)管的柵極連接在一起構(gòu)成的第一條電流鏡，在本實(shí)施例中，是3個(gè)PMOS 場(chǎng)效應(yīng)管(以下簡(jiǎn)稱PMOS管)Mpbl 、 Mpb2、 Mpb3 ， 3個(gè)PMOS管Mpbl 、 Mpb2、 Mpb3的柵極接在一起，構(gòu)成第一條電流鏡的結(jié)構(gòu)；與第一條電流 鏡并聯(lián)的至少2個(gè)MOS場(chǎng)效應(yīng)管的柵極連接在一起構(gòu)成的第二條電流鏡， 在本實(shí)施例中，是2個(gè)NMOS場(chǎng)效應(yīng)管(以下簡(jiǎn)稱NMOS管)Mnb2和 Mnb3， NMOS管Mnb2和Mnb3的柵極接在一起，構(gòu)成第二條電流鏡的結(jié) 構(gòu)；第一條電流鏡一端的MOS場(chǎng)效應(yīng)管的漏極連接一可調(diào)電阻，如圖2 所示，在本實(shí)施例中，在第一條電流鏡一端的PMOS管Mpbl的漏極接于 可調(diào)電阻(分電阻R1)的一端；第二條電流鏡通過(guò)一MOS場(chǎng)效應(yīng)管與這 一可調(diào)電阻相連接，如圖2所示，在本實(shí)施例中，通過(guò)一NMOS管Mnbl 的柵極與可調(diào)電阻(分電阻R1)的一端相連，NMOS管Mnbl的源極接地， 漏極與NMOS管Mnb2的柵極和漏極相連，PMOS管Mpb3的柵極和漏極 接在一起，NMOS管Mnb2的柵極和漏極接在一起。
如圖2所示，可調(diào)電阻包括至少2個(gè)串聯(lián)的分電阻以及每個(gè)分電阻并 聯(lián)的MOS場(chǎng)效應(yīng)管。在本實(shí)施例中，可調(diào)電阻包括分電阻R1、 R2……Rn 串聯(lián)，和與R1并聯(lián)的NMOS管Mnsl，與R2并聯(lián)的NMOS管Mns2，與 Rn并聯(lián)的NMOS管Mnsn; NMOS管Mnsl、 Mns2、 Mnsn的柵極控制信 號(hào)為ctrll、 ctrl2、……ctrln，該信號(hào)來(lái)自數(shù)字電路的寄存器或者存儲(chǔ)器。 圖2中顯示的電流Il為流過(guò)分電阻R1、 R2……Rn的電流，電流I2為流 過(guò)NMOS管Mnbl的電流。
如圖2所示，以MOS場(chǎng)效應(yīng)管的閾值電壓VTH為基準(zhǔn)的自偏置電流 源，可通過(guò)電流鏡相的結(jié)構(gòu)保證11=12 = 1，因此
<formula>formula see original document page 5</formula>
其中I為電流源產(chǎn)生的電流，1,和I2分別為電流源中左右兩路的電流，VTH為NMOS管M^的閾值電壓，；9為NMOS管M^的跨導(dǎo)系數(shù)，R為 可調(diào)電阻的阻值，即為串聯(lián)的分電阻R。 R2......RJ且值的和。
<formula>formula see original document page 6</formula>
將R設(shè)計(jì)為較大值，可減小A的影響，并且降 低電流I的大小。
圖3是本實(shí)用新型的環(huán)形振蕩器級(jí)一實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖3所 示，本實(shí)用新型的環(huán)形振蕩器級(jí)包括兩種不同導(dǎo)電類型的MOS場(chǎng)效應(yīng)管 構(gòu)成的反相器以及與其連接的MOS場(chǎng)效應(yīng)管。在本實(shí)施例的圖3中環(huán)形 振蕩器級(jí)只畫(huà)出三級(jí)，實(shí)際上還可以是五級(jí)或是七級(jí)或是其他奇數(shù)級(jí)。圖 3中Bias的接口接圖2中的bias端口。 PMOS管Mpb4、 Mpb5、 Mpb6的 柵極接bias端口構(gòu)成電流鏡結(jié)構(gòu)；NMOS管Mnl和PMOS管Mpl的柵 極和漏極接在一起，構(gòu)成反相器結(jié)構(gòu)，同樣的，Mn2和Mp2以及Mn3和 Mp3也構(gòu)成反相器結(jié)構(gòu)，三個(gè)反相器串聯(lián)并首尾相接，構(gòu)成環(huán)振環(huán)路。電 容器C1、 C2、 C3的上極板分別接至反相器的輸出端，下極板接地。反相 器的電流由Mpb4、Mpb5、Mpb6構(gòu)成的鏡相結(jié)構(gòu)提供，用MXI表示。Fout 為環(huán)形振蕩器的輸出端。
如圖3所示，PMOS管Mpb4、 Mpb5、 Mpb6為圖2中電流源的鏡相， 比例為M,因此每路電流大小為MXI。 NMOS管Mnl、 Mn2、 Mn3的類 型需和圖2中的NMOS管Mnbl相同，通常設(shè)計(jì)為較大寬長(zhǎng)比，使反相器 的翻轉(zhuǎn)閾值近似為NMOS管的閾值電壓VTH。電容器C1、 C2、 C3的電 容C設(shè)計(jì)為遠(yuǎn)大于開(kāi)關(guān)管Mnl、 Mn2、 Mn3和放電管Mpl、 Mp2、 Mp3
的寄生電容，以盡量避免寄生電容的影響。每級(jí)反相器的延遲為
<formula>formula see original document page 6</formula>
將電流I的公式(1)代入后，環(huán)形振蕩器輸出頻率為<formula>formula see original document page 7</formula>其中N為環(huán)形振蕩器中反相器的級(jí)數(shù)，通常為奇數(shù)。^為由于A和鏡 相匹配電路導(dǎo)致的微小誤差。
可見(jiàn)，通過(guò)電流源和反相器閾值的匹配，消除了 MOS管的電壓VTH 的影響。由于電路中的PMOS管僅用作電流鏡相，因此環(huán)形振蕩器的輸出 頻率與NMOS管和PMOS管的工藝漂移基本無(wú)關(guān)。
設(shè)計(jì)中采用正溫度系數(shù)的電阻R,電容C也為正溫度系數(shù)，與^的正 溫度系數(shù)相補(bǔ)償，可使環(huán)形振蕩器的溫度系數(shù)在一定溫度范圍內(nèi)達(dá)到較小 值。
本實(shí)用新型由于采用自偏置基準(zhǔn)電流源，由式(3)可見(jiàn)，環(huán)形振蕩 器的輸出頻率與電源電壓基本無(wú)關(guān)。
如圖2所示，可通過(guò)開(kāi)關(guān)信號(hào)ctrll ctrln配置電阻的大小，對(duì)環(huán)形振 蕩器的輸出頻率進(jìn)行微調(diào)。
綜上所述，本實(shí)用新型通過(guò)上述技術(shù)方案的實(shí)施，達(dá)到了本實(shí)用新型 的目的，證明了本實(shí)用新型的環(huán)形振蕩器能保證在一定的工藝、溫度、電 源電壓范圍內(nèi)輸出頻率的準(zhǔn)確、穩(wěn)定性。
權(quán)利要求1.一種高精準(zhǔn)環(huán)形振蕩器，包括至少一個(gè)環(huán)形振蕩器級(jí)和與其電連接的供電電源，其特征在于所述的環(huán)形振蕩器級(jí)包括兩種不同導(dǎo)電類型的MOS場(chǎng)效應(yīng)管構(gòu)成的反相器以及與其連接的MOS場(chǎng)效應(yīng)管；所述的供電電源是包括閾值電壓與環(huán)形振蕩器級(jí)中的MOS場(chǎng)效應(yīng)管的閾值電壓相互補(bǔ)償?shù)腗OS場(chǎng)效應(yīng)管和可調(diào)電阻的自偏置電流源。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的髙精準(zhǔn)環(huán)形振蕩器，其特征在于所述自偏置 電流源包括至少2個(gè)MOS場(chǎng)效應(yīng)管的柵極連接在一起構(gòu)成的第--條電流鏡， 與第一條電流鏡并聯(lián)的至少2個(gè)MOS場(chǎng)效應(yīng)管的柵極連接在一起構(gòu)成的第 二條電流鏡，第一條電流鏡一端的MOS場(chǎng)效應(yīng)管的漏極連接一可調(diào)電阻， 第二條電流鏡通過(guò)一 MOS場(chǎng)效應(yīng)管與這一可調(diào)電阻相連接。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的髙精準(zhǔn)環(huán)形振蕩器，其特征在于所述町調(diào)電 阻包括至少2個(gè)串聯(lián)的分電阻以及每個(gè)分電阻并聯(lián)的MOS場(chǎng)效應(yīng)管。
專利摘要一種高精準(zhǔn)環(huán)形振蕩器，它包括一個(gè)以MOS場(chǎng)效應(yīng)管的閾值電壓和可調(diào)電阻為基準(zhǔn)的自偏置電流源以及至少一個(gè)環(huán)形振蕩器級(jí)。它是利用自偏置電流源中的MOS場(chǎng)效應(yīng)管的閾值電壓和環(huán)形振蕩器級(jí)的MOS場(chǎng)效應(yīng)管的閾值電壓相互補(bǔ)償，消除由MOS場(chǎng)效應(yīng)管工藝漂移和溫度系數(shù)引起的環(huán)形振蕩器輸出頻率不穩(wěn)的現(xiàn)象。利用可調(diào)電阻的溫度系數(shù)和MOS場(chǎng)效應(yīng)管的寄生參數(shù)的溫度系數(shù)的相互補(bǔ)償，減小環(huán)形振蕩器輸出頻率的溫度系數(shù)。通過(guò)對(duì)可調(diào)電阻進(jìn)行內(nèi)部修調(diào)，可對(duì)輸出信號(hào)頻率進(jìn)行微調(diào)，使之達(dá)到高精準(zhǔn)的要求。
文檔編號(hào)G05F3/26GK201222719SQ20082005901
公開(kāi)日2009年4月15日 申請(qǐng)日期2008年5月27日 優(yōu)先權(quán)日2008年5月27日
發(fā)明者磊 王 申請(qǐng)人:上海復(fù)旦微電子股份有限公司