專利名稱：環(huán)形振蕩電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種環(huán)形振蕩電路，且特別涉及一種低功耗高精度且振蕩頻率 不隨電源電壓變化有關(guān)的環(huán)形振蕩電路。
背景技術(shù)：
眾所周知，在集成電路中經(jīng)常用到RC環(huán)形振蕩電路結(jié)構(gòu)產(chǎn)生周期性脈沖， 該結(jié)構(gòu)由奇數(shù)個反相器首尾相連形成一個環(huán)。 圖1所示為環(huán)形振蕩電路的基本形式。
5個反相器INV1 INV5首尾相連，形成一個環(huán)。VDD為該環(huán)形振蕩電路的 電源電壓。
由于電路沒有穩(wěn)定的工作點(diǎn)，因此形成振蕩。反相器的傳輸延時為tp，輸出
由低到高的傳輸延遲為tpLH,輸出由高到低的傳輸延遲為tpHL,上升時間為tr， 下降時間為tf。振蕩成立的條件是2Nt,〉tr+tf,若此條件不能滿足，前一波形將
與緊接著的后一波形相重疊，最終衰減振蕩。
振蕩周期由信號穿過整個環(huán)路的傳輸延時決定，振蕩周期為T = 2xtp><N， 其中N為環(huán)路內(nèi)反相器的個數(shù)。反相器的傳輸延時tp可以表示為 tp 1/2 x (tpLH+tpHL)=CL/VDD x (l/kp+l/kn); (式1)
其中
tPLH CL/(kpVDD); tpLH CL/(knVDD);
kn- " nC。xWn/Ln，
p，
VoD為電源電壓，Pn、 ILlp為栽流子遷移率，C。x為柵氧電容，WVU為反相
器的NMOS寬長比，Wp/Lp為反相器的PMOS寬長比，C^為反相器的負(fù)載電容， 包括反相器本身的寄生電容，連線電容和扇出負(fù)栽電容。振蕩頻率可以通過改變反相器的個數(shù)和反相器延遲時間的大小來控制。從 式l可知，調(diào)節(jié)Cp VDD、 kn和kp都可以改變延遲時間，因此，要振蕩器的振
蕩頻率不隨電源電壓VDD變化的，這種結(jié)構(gòu)是無法達(dá)到的。
圖2所示為先前技術(shù)中利用電源穩(wěn)壓模塊實(shí)現(xiàn)振蕩頻率不隨電源電壓變化 的振蕩器。要實(shí)現(xiàn)振蕩器的振蕩頻率不隨電源電壓VDD變化，簡單的方法是增 加電源穩(wěn)壓模塊201。電源穩(wěn)壓模塊201連接至電源電壓VDD,電源穩(wěn)壓模塊 201內(nèi)部包括穩(wěn)壓電路。電源穩(wěn)壓模塊201輸出穩(wěn)壓電源V:N驅(qū)動圖1所示的振 蕩器結(jié)構(gòu)。
然而，由于增加電源穩(wěn)壓模塊，雖然達(dá)到了振蕩頻率不隨電源電壓VDD變 化的目的，但帶來多余的功耗，因此，此種結(jié)構(gòu)不適合應(yīng)用于低功耗要求較高 的產(chǎn)品。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提出一種環(huán)形振蕩電路，具有高精度，低功耗，而且振蕩頻率不隨 電源電壓VDD變化的特點(diǎn)。
為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明提出一種環(huán)形振蕩電路，包括奇數(shù)個反相器、 電容和第一電容放電電路。奇數(shù)個反相器串聯(lián)，上述這些反相器均耦接電源電 壓。電容的第一端耦接上述這些反相器的首尾，第二端接地。第一電容放電電 路耦接上述電容的上述第一端，用以控制上述電容的力文電時間。 可選的，其中上述第一電容放電電路包括耗盡型MOS管。 可選的，其中上述耗盡型MOS管為耗盡型PMOS管或者耗盡型NMOS管。 可選的，其中上述第一電容放電電路還包括正溫度系數(shù)的電阻，其一端耦 合上述耗盡型MOS管，另一端接地，用于控制上述電容的放電電流的穩(wěn)定。 可選的，環(huán)形振蕩電路還包括第二電容放電電路，其耦接上述電容和接地端。
可選的，其中第二電容放電電路包括耗盡型MOS管。 可選的，其中上述耗盡型MOS管為耗盡型PMOS管或者耗盡型NMOS管。 可選的，環(huán)形振落電路還包括電容充電電路，其耦接上述電源電壓、上述 電容和上述這些反相器的一端，用以控制上述電容的充電時間。可選的，其中電容充電電路包括增強(qiáng)型MOS管。
可選的，其中上述增強(qiáng)型MOS管為增強(qiáng)型PMOS管或者增強(qiáng)型NMOS管。 可選的，環(huán)形振蕩電路還包括增強(qiáng)型MOS管耦接上述電源電壓、上述電容 的上述第一端和上述反相器的一端。
可選的，其中上述增強(qiáng)型MOS管為增強(qiáng)型PMOS管或者增強(qiáng)型NMOS管。 本發(fā)明提出的環(huán)形振蕩電路，使用耗盡型MOS管控制電容的放電時間不受 電源電壓的影響，進(jìn)而控制整個振蕩電路的延遲時間，從而使得振蕩頻率不受 電源電壓的影響。本發(fā)明的環(huán)形振蕩電路中還包括正溫度系數(shù)的電阻，使耗盡 型MOS管的電流不隨溫度變化，整個環(huán)形振蕩電路具有良好的溫度特性。通過 減少環(huán)形振蕩電路中的MOS管電流，即可減小整個環(huán)形振蕩電路的功耗。本發(fā) 明提出的環(huán)形振蕩電路還具有結(jié)構(gòu)簡單、面積小的特點(diǎn)，能夠很好地應(yīng)用在集 成電路生產(chǎn)中。


圖1所示為環(huán)形振蕩電路的基本形式。
圖2所示為先前技術(shù)中利用電源穩(wěn)壓模塊實(shí)現(xiàn)振蕩頻率不隨電源電壓變化 的振蕩器。
圖3為本發(fā)明較佳實(shí)施例的環(huán)形振蕩電路的原理示意圖。
具體實(shí)施例方式
為了更了解本發(fā)明的技術(shù)內(nèi)容，特舉具體實(shí)施例并配合所附圖式說明如下。
圖3為本發(fā)明較佳實(shí)施例的環(huán)形振蕩電路的原理示意圖。
請參見圖3所示，這是本發(fā)明一較佳實(shí)施例的低功耗高精度，振蕩頻率不
隨電源電壓變化的環(huán)形振蕩電路的電原理圖。本實(shí)施例揭露的環(huán)形振蕩電路中
包括電容充電電路、笫一電容放電電路、第二電容放電電路、電容C1，電阻R1
以及反相器INV1、 INV2、 INV3。
本實(shí)施例中的電容充電電路包括增強(qiáng)型PMOS管Pl;第一電容放電電路包
括耗盡型NMOS管Dl;第二電容放電電路包括耗盡型NMOS管D2。
增強(qiáng)型PMOS管Pl、 P2,耗盡型NMOS管Dl、 D2,電容C1，電阻R1以及反相器INV1、 INV2、 INV3。
增強(qiáng)型PM0S管P1、 P2的源端和襯底連接電源電壓VDD，增強(qiáng)型PMOS 管Pl的漏端在VA處連接Dl的漏端、增強(qiáng)型PMOS管P2的柵端以及電容Cl 的正極板。耗盡型NMOS管Dl的柵端在VD處連接Dl的源端、電阻Rl的一 端。電阻R1另一端接地，電容C1的負(fù)極板接地，耗盡型NMOS管Dl的襯底 接地。增強(qiáng)型PMOS管P2的漏端在VB處連接耗盡型NMOS管D2的漏端、反 相器INV1輸入端。耗盡型NMOS管D2的柵端、源端、襯底接地。
反相器INV1輸出端在VE處接反相器INV2的輸入端。反相器INV2輸出 端在OSCOUT處接反相器INV3輸入端。反相器INV3輸出端在VC處接Pl的
柳端o
本發(fā)明的工作原理為
既然振蕩結(jié)構(gòu)是環(huán)形振蕩電路，振蕩頻率由反相器的個數(shù)和反相器延遲時 間決定。當(dāng)反相器的個數(shù)一定，那么振蕩頻率必然跟環(huán)路的延遲時間有關(guān)系。 如果電容充放電的時間遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于環(huán)路的延遲時間，振蕩頻率就可以近似的認(rèn)為 只與電容充;^文電時的時間有關(guān)。
由以上分析，才艮據(jù)電容充放電公式
Q=I x dt=C x dv (式2 )
其中Q為電容電荷量，I為電容充放電電流，dt為充電時間，C為電容值， dv為電容電壓值， 有式2易知
T=(C/I) x av (式3) 其中T為充電放電時間，AV為電容電壓變化量，如果C、 I以及AV均不 變，T也不變。
實(shí)現(xiàn)振蕩頻率不隨電源電壓VDD變化，就必須保證C、 I以及AV為定值。
如圖3中，電容C1是可以確定的，設(shè)定電容C1充放電時間遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于環(huán)路 延遲時，電路的振蕩頻率由電容C1的充放電的時間決定。
電容C1的放電時間是由耗盡型NMOS管Dl與電阻R1決定，此時耗盡型 NMOS管Dl工作在飽和區(qū)，耗盡型NMOS管Dl的電流
Idl=l/2 ju nCox(W/L)dl(Vgsdl-Vthdl)2=l/2 unCox(W/L)dl(Vthdl)2 式4其中，1^為載流子遷移率，Cox為柵氧電容，(W/L)dl為Dl管寬長比，Vthdl 為Dl管閾值電壓，其值為負(fù)電壓值。如果工藝確定，即耗盡管Dl的閾值Vthdl 確定，Idl電流不隨電源電壓VDD變化。如果電阻R1為零，放電電流完全由 Idl決定，故得電容C1的放電電流不隨電源電壓VDD變化。但是，(Vthdlf隨 溫度呈正溫度特性，即溫度越高，(Vthdlf越大，導(dǎo)致Idl隨溫度升高而變大， 從而電容》文電時間變快。
電阻R1接在D1管的源端，造成D1管的源端電壓為正電壓值，即源端與 襯底端電壓VsB為正電壓值，起到減小(Vthdlf目的，若電阻R1是正溫度系數(shù)， 則溫度越高，Vsb越大，(Vthdl)M目應(yīng)減小，所以選擇適當(dāng)?shù)碾娮鑂l,能夠得到 (Vthdlf不隨溫度變化，從而Idl也不隨溫度變化，故得電容C1的放電電流不 隨溫度變4匕。
電容Cl的充電時間是由增強(qiáng)型PMOS管Pl決定，如果增強(qiáng)型PMOS管 Pl的寬長比較大，導(dǎo)通電阻較小，那么充電電流很大，電容C1的充電時間4艮 短，相對電容C1的i文電時間，充電時間可以忽略。
電容C1兩端電壓變化量A V是由增強(qiáng)型PMOS管P2閾值電壓Vthp2決定， 因?yàn)楫?dāng)VA電壓值為VDD時，增強(qiáng)型PMOS管P2完全關(guān)閉，VB電壓被耗盡型 NMOS管D2下拉至零伏，經(jīng)過三級反相器INV1、 INV2、 INV3。 VC為高電平， 增強(qiáng)型PMOS管Pl關(guān)閉，VA處電容C1通過D1、 Rl;改電，當(dāng)放電至電壓VA =VDD-Vthp2時，增強(qiáng)型PMOS管P2開啟，VB電壓升高，VE翻轉(zhuǎn)為零。經(jīng) 過兩級反相器INV2、 INV3后VC為零，增強(qiáng)型PMOS管Pl導(dǎo)通，VA處電容 Cl通過增強(qiáng)型PMOS管Pl充電，快速充電至VDD，將增強(qiáng)型PMOS管P2關(guān) 閉，從而形成振蕩。
耗盡型NMOS管Dl,增強(qiáng)型PMOS管Pl,耗盡型麗OS管D2，增強(qiáng)型 PMOS管P2支路的電流主要由耗盡型NMOS管Dl ,耗盡型NMOS管D2決定， 耗盡型NMOS管Dl，耗盡型NMOS管D2電流由其閾值電壓決定，根據(jù)式4， 選定合適的W/L，可以得到很小的耜盡型NMOS管Dl,耗盡型NMOS管D2 電流，整個電路的功耗可以控制在幾個微安，實(shí)現(xiàn)低功耗。
上述實(shí)施例僅說明本發(fā)明之用，而非對本發(fā)明的限制，相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的技 術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，還可以做出各種變換或變化，比如將增強(qiáng)型PMOS管換成增強(qiáng)型NMOS管，耗盡型NMOS管換成耗盡型 PMOS管等，因此所有等同的技術(shù)方案也應(yīng)該屬于本發(fā)明的范疇。
綜上所述，本發(fā)明環(huán)形振蕩電路振蕩頻率不隨電源電壓變化。振蕩頻率由 耗盡型NMOS管Dl電流及電容C1決定，振蕩頻率精度高。功耗由耗盡型NMOS 管D1、 D2的電流決定，能夠控制在幾個微安。正溫度系數(shù)電阻Rl對產(chǎn)生電流 的耗盡型NMOS管Dl進(jìn)行溫度補(bǔ)償，確保溫度特性很好。結(jié)構(gòu)簡單，面積小， 有利于集成電路生產(chǎn)。
雖然本發(fā)明已以較佳實(shí)施例揭露如上，然其并非用以限定本發(fā)明。本發(fā)明 所屬技術(shù)領(lǐng)域中具有通常知識者，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，當(dāng)可作各 種的更動與潤飾。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍當(dāng)視權(quán)利要求書所界定者為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1.一種環(huán)形振蕩電路，其特征是，包括奇數(shù)個反相器串聯(lián)，上述這些反相器均耦接電源電壓；電容，其第一端耦接上述這些反相器的首尾，第二端接地；以及第一電容放電電路，耦接上述電容的上述第一端，用以控制上述電容的放電時間。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的環(huán)形振蕩電路，其特征是，其中上述第一電容放 電電路包括耗盡型MOS管。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的環(huán)形振蕩電路，其特征是，其中上述耗盡型MOS 管為耗盡型PMOS管或者耗盡型NMOS管。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的環(huán)形振蕩電路，其特征是，其中上述第一電容放 電電路還包括正溫度系數(shù)的電阻，其一端耦合上述耗盡型MOS管，另一端接地， 用于控制上述電容的放電電流的穩(wěn)定。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的環(huán)形振蕩電路，其特征是，還包括第二電容放電 電路，其耦接上述電容和接地端。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的環(huán)形振蕩電路，其特征是，其中第二電容放電電 路包括耗盡型MOS管。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的環(huán)形振蕩電路，其特征是，其中上述耗盡型MOS 管為耗盡型PMOS管或者耗盡型NMOS管。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的環(huán)形振蕩電路，其特征是，還包括電容充電電路, 其耦接上述電源電壓、上述電容和上述it些反相器的一端，用以控制上述電容 的充電時間。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的環(huán)形振蕩電路，其特征是，其中電容充電電路包 括增強(qiáng)型MOS管。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的環(huán)形振蕩電路，其特征是，還包括增強(qiáng)型MOS 管耦接上述電源電壓、上述電容的上述第一端和上述反相器的一端。
全文摘要
本發(fā)明提出一種環(huán)形振蕩電路，包括奇數(shù)個反相器、電容和第一電容放電電路。奇數(shù)個反相器串聯(lián)，該些反相器均耦接電源電壓。電容的第一端耦接該些反相器的首尾，第二端接地。第一電容放電電路耦接該電容的該第一端，用以控制該電容的放電時間。本發(fā)明所揭露的環(huán)形振蕩電路，具有高精度、低功耗、而且振蕩頻率不隨電源電壓變化的特點(diǎn)。
文檔編號H03K3/03GK101409541SQ20081020289
公開日2009年4月15日 申請日期2008年11月18日 優(yōu)先權(quán)日2008年11月18日
發(fā)明者宇 莊, 鵬 羅 申請人:上海貝嶺矽創(chuàng)微電子有限公司