本申請(qǐng)涉及半導(dǎo)體領(lǐng)域，具體而言，涉及一種環(huán)形振蕩電路和環(huán)形振蕩器。

背景技術(shù)：

時(shí)鐘源作為系統(tǒng)芯片中必不可少的電路模塊，其頻率穩(wěn)定性直接影響系統(tǒng)芯片的性能。通常數(shù)字系統(tǒng)利用片外石英晶體振蕩器來(lái)得到時(shí)鐘源信號(hào)。石英晶振擁有優(yōu)越的電壓和溫度的特性，能夠穩(wěn)定地工作，但是難以集成到芯片內(nèi)部，且附加了器件成本，阻礙了芯片的高度集成化。

在標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝中，主要采用環(huán)形振蕩器，但其振蕩頻率受溫度和工藝的變化影響很大。工藝變化對(duì)振蕩頻率的影響一般可以通過(guò)微調(diào)振蕩器的電流開關(guān)來(lái)調(diào)節(jié)，而環(huán)境溫度變化對(duì)振蕩頻率的影響就需要更為復(fù)雜的電路結(jié)構(gòu)來(lái)克服。

在很多低溫度系數(shù)振蕩器設(shè)計(jì)中，采用溫度檢測(cè)電路、鎖存電路以及數(shù)字校準(zhǔn)等技術(shù)根據(jù)檢測(cè)到的溫度調(diào)整電路，從而達(dá)到降低振蕩器溫度系數(shù)的目的,但是這些電路同時(shí)也增加了振蕩器的功耗和面積。

針對(duì)上述的問(wèn)題，目前尚未提出有效的解決方案。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本申請(qǐng)實(shí)施例提供了一種環(huán)形振蕩電路和環(huán)形振蕩器，以至少解決現(xiàn)有技術(shù)無(wú)法在降低溫度系數(shù)對(duì)環(huán)形振蕩器輸出振蕩頻率的影響的同時(shí)減低功耗和面積的技術(shù)問(wèn)題。

根據(jù)本申請(qǐng)實(shí)施例的一個(gè)方面，提供了一種環(huán)形振蕩電路，包括：包括用于輸出偏置電流的參考電壓產(chǎn)生電路、偏置電路和環(huán)形振蕩結(jié)構(gòu)，其中，所述偏置電路包括：第一NMOS晶體管，漏極和柵極連接到所述參考電壓產(chǎn)生電路的偏置電流輸出端；第二NMOS晶體管，柵極和漏極均與所述第一NMOS晶體管的源極相連接，所述第二NMOS晶體管的源極接地；第三NMOS晶體管，柵極與所述第一NMOS晶體管的柵極相連接，漏極與第一PMOS晶體管的漏極相連接，其中，所述第一PMOS晶體管的源極連接到電源，所述第一PMOS晶體管的柵極與所述第一PMOS晶體管的漏極相連接，并向所述環(huán)形振蕩結(jié)構(gòu)輸出偏置電壓V_PB；以及電阻R，一端與所述第三NMOS 晶體管的源極相連接，另一端接地，所述電阻R包括串聯(lián)的具有正溫度系數(shù)的第一電阻和具有負(fù)溫度系數(shù)的第二電阻，用于補(bǔ)償所述環(huán)形振蕩結(jié)構(gòu)的溫度系數(shù)。

進(jìn)一步地，用于產(chǎn)生參考電壓的參考電壓產(chǎn)生電路包括：帶隙基準(zhǔn)電壓源，用于產(chǎn)生并輸出參考電壓Vref；運(yùn)算放大器，正相輸入端與所述帶隙基準(zhǔn)電壓源的輸出端相連接，用于接收所述帶隙基準(zhǔn)電壓源輸出的所述參考電壓Vref；第四NMOS晶體管，柵極與所述運(yùn)算放大器的輸出端相連接，源極與所述運(yùn)算放大器A2的反向輸入端相連接；一對(duì)鏡像的PMOS晶體管，其中一個(gè)PMOS晶體管的漏極與所述第四NMOS晶體管的漏極相連接，另外一個(gè)PMOS晶體管的漏極輸出偏置電流I_B，所述一對(duì)鏡像的PMOS晶體管的柵極相連接，源極均連接至電源；電阻R_B，一端與所述第四NMOS晶體管相連接，另一端接地，其中，所述電阻R_B包括串聯(lián)的具有正溫度系數(shù)的第三電阻和具有負(fù)溫度系數(shù)的第四電阻。

進(jìn)一步地，所述一對(duì)鏡像的PMOS晶體管輸出的偏置電流I_B＝參考電壓Vref/電阻R_B，其中，所述電阻R_B為所述第三電阻和第四電阻進(jìn)行溫度補(bǔ)償后的低溫度系數(shù)的電阻。

進(jìn)一步地，所述第三電阻和第四電阻為電阻可調(diào)陣列。

進(jìn)一步地，所述第三電阻為低阻值多晶硅電阻，所述第四電阻為高阻值多晶硅電阻。

進(jìn)一步地，所述環(huán)形振蕩結(jié)構(gòu)包括首尾相連的多個(gè)反相器，其中，所述多個(gè)反相器中的任意一個(gè)反相器包括：第二PMOS晶體管，柵極與所述偏置電路的偏置電壓輸出端相連接，漏極連接至電源；第三PMOS晶體管，漏極與所述第二PMOS晶體管的源極相連接；第五NMOS晶體管，柵極與所述第三PMOS晶體管的柵極相連接并輸出VPN，漏極與所述第三PMOS晶體管的漏極相連接，源極接地；電容Cn，一端連接在所述第三PMOS晶體管的源極和所述第五NMOS晶體管的漏極的節(jié)點(diǎn)處，另一端接地。

進(jìn)一步地，所述環(huán)形振蕩電路的輸出振蕩頻率的溫度系數(shù)正比于1/RCn，其中，R為所述電阻R，Cn為所述環(huán)形振蕩結(jié)構(gòu)中的電容Cn。

進(jìn)一步地，所述具有正溫度系數(shù)的第一電阻的正溫度系數(shù)補(bǔ)償所述具有負(fù)溫度系數(shù)的第二電阻和所述環(huán)形振蕩結(jié)構(gòu)中的電容Cn。

根據(jù)本申請(qǐng)實(shí)施例的另一方面，還提供了一種環(huán)形振蕩器，包括上述環(huán)形振蕩電路，在-40℃至100℃的溫度變化范圍內(nèi)，頻率變化范圍為0.5％-1.0％。

在本申請(qǐng)實(shí)施例中，通過(guò)第一NMOS晶體管MN1的漏極和柵極連接到參考電壓產(chǎn)生電路的偏置電流輸出端；第二NMOS晶體管MN2，柵極和漏極均與第一NMOS晶體管MN1的源極相連接，第二NMOS晶體管MN2的源極接地；第三NMOS晶體管MN3的柵極與第一NMOS晶體管MN1的柵極相連接，漏極與第一PMOS晶體管MP1的漏極相連接，其中，第一PMOS晶體管MP1的源極連接到電源，第一PMOS晶體管MP1的柵極與第一PMOS晶體管MP1的漏極相連接，并向環(huán)形振蕩結(jié)構(gòu)輸出偏置電壓V_PB；以及電阻R，一端與第三NMOS晶體管MN3的源極相連接，另一端接地，電阻R包括串聯(lián)的具有正溫度系數(shù)的第一電阻R+和具有負(fù)溫度系數(shù)的第二電阻R-，用于補(bǔ)償環(huán)形振蕩結(jié)構(gòu)的溫度系數(shù)。采用具有正溫度系數(shù)的第一電阻R+和具有負(fù)溫度系數(shù)的第二電阻R-作為偏置電阻R，第一電阻和第二電阻的溫度系數(shù)為近似線性的固定值，利用第一電阻R+的正溫度系數(shù)補(bǔ)償?shù)诙娮鑂-和電容Cn的負(fù)溫度系數(shù)，將影響振蕩頻率的溫度系數(shù)補(bǔ)償為0，從而避免了偏置電路中電阻R和電容Cn對(duì)振蕩頻率的影響。同時(shí)，由于溫度補(bǔ)償?shù)倪^(guò)程是通過(guò)電路本身的溫度特性進(jìn)行的補(bǔ)償，并沒(méi)有增加溫度檢測(cè)電路、溫度調(diào)整電路等，降低了環(huán)形振蕩器的功耗和面積。即通過(guò)本實(shí)施例解決了現(xiàn)有技術(shù)中降低溫度對(duì)振蕩頻率時(shí)功耗大、占用面積大的問(wèn)題，達(dá)到了降低溫度對(duì)振蕩頻率的影響的同時(shí)降低環(huán)形振蕩器的功耗和面積的效果。

附圖說(shuō)明

此處所說(shuō)明的附圖用來(lái)提供對(duì)本申請(qǐng)的進(jìn)一步理解，構(gòu)成本申請(qǐng)的一部分，本申請(qǐng)的示意性實(shí)施例及其說(shuō)明用于解釋本申請(qǐng)，并不構(gòu)成對(duì)本申請(qǐng)的不當(dāng)限定。在附圖中：

圖1是根據(jù)本申請(qǐng)實(shí)施例的環(huán)形振蕩電路的示意圖；

圖2是根據(jù)本申請(qǐng)實(shí)施例的偏置電路的示意圖；

圖3是根據(jù)本申請(qǐng)實(shí)施例的參考電壓產(chǎn)生電路的示意圖；以及

圖4是根據(jù)本申請(qǐng)實(shí)施例的反相器的示意圖。

具體實(shí)施方式

為了使本技術(shù)領(lǐng)域的人員更好地理解本申請(qǐng)方案，下面將結(jié)合本申請(qǐng)實(shí)施例中的附圖，對(duì)本申請(qǐng)實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本申請(qǐng)一部分的實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒旧暾?qǐng)中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒(méi)有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都應(yīng)當(dāng)屬于本申請(qǐng)保護(hù)的范圍。

需要說(shuō)明的是，本申請(qǐng)的說(shuō)明書和權(quán)利要求書及上述附圖中的術(shù)語(yǔ)“第一”、“第二”等是用于區(qū)別類似的對(duì)象，而不必用于描述特定的順序或先后次序。應(yīng)該理解這樣使用的數(shù)據(jù)在適當(dāng)情況下可以互換，以便這里描述的本申請(qǐng)的實(shí)施例能夠以除了在這里圖示或描述的那些以外的順序?qū)嵤?。此外，術(shù)語(yǔ)“包括”和“具有”以及他們的任何變形，意圖在于覆蓋不排他的包含，例如，包含了一系列步驟或單元的過(guò)程、方法、系統(tǒng)、產(chǎn)品或設(shè)備不必限于清楚地列出的那些步驟或單元，而是可包括沒(méi)有清楚地列出的或?qū)τ谶@些過(guò)程、方法、產(chǎn)品或設(shè)備固有的其它步驟或單元。

本申請(qǐng)?zhí)峁┝艘环N環(huán)形振蕩電路。該環(huán)形振蕩電路利用具有正溫度系數(shù)和負(fù)溫度系數(shù)的對(duì)偏置電路中的偏置電阻進(jìn)行補(bǔ)償，得到近似零溫度系數(shù)的偏置電阻，減少了溫度對(duì)振蕩頻率的影響。另外，還利用低溫度系數(shù)的參考電壓，近似零溫度系數(shù)的參考電流源電阻，得到低溫度系數(shù)的偏置電流，從而進(jìn)一步降低了溫度對(duì)振蕩頻率的影響，在溫度變化的過(guò)程中，幾乎不影響環(huán)形振蕩電路輸出的振蕩頻率。

如圖1所示，該環(huán)形振蕩電路包括：用于輸出偏置電流的參考電壓產(chǎn)生電路、偏置電路和環(huán)形振蕩結(jié)構(gòu)，由參考電壓產(chǎn)生電路輸出的偏置電流輸入到偏置電路中，經(jīng)由偏置電路輸出偏置電壓V_PB到環(huán)形振蕩結(jié)構(gòu)，并最終由環(huán)形振蕩結(jié)構(gòu)輸出振蕩頻率。

圖2是根據(jù)本申請(qǐng)實(shí)施例的偏置電路的示意圖。如圖2所示，第一NMOS晶體管MN1的漏極和柵極連接到參考電壓產(chǎn)生電路的偏置電流輸出端；第二NMOS晶體管MN2，柵極和漏極均與第一NMOS晶體管MN1的源極相連接，第二NMOS晶體管MN2的源極接地；第三NMOS晶體管MN3的柵極與第一NMOS晶體管MN1的柵極相連接，漏極與第一PMOS晶體管MP1的漏極相連接，其中，第一PMOS晶體管MP1的源極連接到電源，第一PMOS晶體管MP1的柵極與第一PMOS晶體管MP1的漏極相連接，并向環(huán)形振蕩結(jié)構(gòu)輸出偏置電壓V_PB；以及電阻R，一端與第三NMOS晶體管MN3的源極相連接，另一端接地，電阻R包括串聯(lián)的具有正溫度系數(shù)的第一電阻R+和具有負(fù)溫度系數(shù)的第二電阻R-，用于補(bǔ)償環(huán)形振蕩結(jié)構(gòu)的溫度系數(shù)。

利用偏置電流的溫度系數(shù)與反相器翻轉(zhuǎn)電平的溫度系數(shù)進(jìn)行相互補(bǔ)償，根據(jù)MOS管電流平方率公式可以推導(dǎo)出環(huán)形振蕩電路的輸出振蕩頻率的溫度系數(shù)正比于1/RCn，其中，R為電阻R，Cn為環(huán)形振蕩結(jié)構(gòu)中的電容Cn。即環(huán)形振蕩電路輸出的振蕩頻率與偏置電路中的電阻R和環(huán)形振蕩電路中的電容Cn有關(guān)，通常電容Cn為低溫度系數(shù)的電容，則通過(guò)調(diào)節(jié)偏置電路中的電阻R進(jìn)行溫度補(bǔ)償，以獲得與溫度近似無(wú)關(guān)的振蕩頻率。采用具有正溫度系數(shù)的第一電阻R+和具有負(fù)溫度系數(shù)的第二電阻R-作為偏置電阻R，第一電阻和第二電阻的溫度系數(shù)為近似線性的固定值，利用第一電阻R+的正溫度系數(shù)補(bǔ)償?shù)诙娮鑂-和電容Cn的負(fù)溫度系數(shù)，將影響振蕩頻率的溫度系數(shù) 補(bǔ)償為0，從而避免了偏置電路中電阻R和電容Cn對(duì)振蕩頻率的影響。同時(shí)，由于溫度補(bǔ)償?shù)倪^(guò)程是通過(guò)電路本身的溫度特性進(jìn)行的補(bǔ)償，并沒(méi)有增加溫度檢測(cè)電路、溫度調(diào)整電路等，降低了環(huán)形振蕩器的功耗和面積。即通過(guò)本實(shí)施例解決了現(xiàn)有技術(shù)中降低溫度對(duì)振蕩頻率時(shí)功耗大、占用面積大的問(wèn)題，達(dá)到了降低溫度對(duì)振蕩頻率的影響的同時(shí)降低環(huán)形振蕩器的功耗和面積的效果。

可選地，如圖3所示，用于產(chǎn)生參考電壓的參考電壓產(chǎn)生電路包括：帶隙基準(zhǔn)電壓源，用于產(chǎn)生并輸出參考電壓Vref；運(yùn)算放大器A2，正相輸入端與帶隙基準(zhǔn)電壓源的輸出端相連接，用于接收帶隙基準(zhǔn)電壓源輸出的參考電壓Vref；第四NMOS晶體管N3，柵極與運(yùn)算放大器的輸出端相連接，源極與運(yùn)算放大器A2的反向輸入端相連接；一對(duì)鏡像的PMOS晶體管，其中一個(gè)PMOS晶體管的漏極與第四NMOS晶體管N3的漏極相連接，另外一個(gè)PMOS晶體管的漏極輸出偏置電流I_B，一對(duì)鏡像的PMOS晶體管的柵極相連接，源極均連接至電源；電阻R_B，一端與第四NMOS晶體管N3相連接，另一端接地，其中，電阻R_B包括串聯(lián)的具有正溫度系數(shù)的第三電阻R_B+和具有負(fù)溫度系數(shù)的第四電阻R_B-。

圖3所示的帶隙基準(zhǔn)電壓源能夠獲得溫度系數(shù)極低的參考電壓Vref，其溫度系數(shù)<8ppm。電阻R_B包括串聯(lián)具有正溫度系數(shù)的第三電阻和具有負(fù)溫度系數(shù)的第四電阻，正溫度系數(shù)和負(fù)溫度系數(shù)進(jìn)行補(bǔ)償，得到近乎為零溫度系數(shù)的電阻R_B。根據(jù)歐姆定律偏置電流I_B＝參考電壓Vref/電阻R_B,其中，電阻R_B為第三電阻R_B+和第四電阻R_B-進(jìn)行溫度補(bǔ)償后的低溫度系數(shù)的電阻。參考電壓Vref為低溫度系數(shù)的參考電壓，電阻R_B為近乎零溫度系數(shù)的電阻，則計(jì)算得到的偏置電流I_B近似為零溫度系數(shù)。

參考電壓生成電路集成在芯片上，因此偏置電流I_B的溫度系數(shù)會(huì)影響環(huán)形振蕩器的輸出頻率，在該實(shí)施例中，通過(guò)帶隙基準(zhǔn)電壓源控制生成低溫度系數(shù)的參考電壓，并利用串聯(lián)的具有正溫度系數(shù)的電阻和具有負(fù)溫度系數(shù)的電阻對(duì)電阻R_B進(jìn)行溫度補(bǔ)償，得到近似零溫度系數(shù)的電阻R_B，因此計(jì)算得到的偏置電流I_B近似為零溫度系數(shù)，也就降低了溫度系數(shù)對(duì)輸出的振蕩頻率的影響。

可選地，第三電阻R_B+為低阻值多晶硅電阻，第四電阻R_B-為高阻值多晶硅電阻。

可選地，第三電阻R_B+和第四電阻R_B-為電阻可調(diào)陣列。為了將電阻R_B調(diào)整為零溫度系數(shù)，可以采用具有正溫度系數(shù)和具有負(fù)溫度系數(shù)的電阻可調(diào)陣列進(jìn)行溫度系數(shù)的調(diào)整，即多個(gè)具有正溫度系數(shù)的電阻和多個(gè)具有負(fù)溫度系數(shù)的電阻。

可選地，圖4是本實(shí)施例的環(huán)形振蕩結(jié)構(gòu)，該環(huán)形振蕩結(jié)構(gòu)包括首尾相連的多個(gè)反相器，圖中僅示意性的示出三個(gè)反相器，其中，多個(gè)反相器中的任意一個(gè)反相器包 括：第二PMOS晶體管P7，柵極與偏置電路的偏置電壓輸出端相連接，漏極連接至電源；第三PMOS晶體管P8，漏極與第二PMOS晶體管的源極相連接；第五NMOS晶體管N4，柵極與第三PMOS晶體管P8的柵極相連接并輸出VIN，漏極與第三PMOS晶體管P8的漏極相連接，源極接地；電容Cn，一端連接在第三PMOS晶體管P8的源極和第五NMOS晶體管N4的漏極的節(jié)點(diǎn)處，另一端接地。反相器的電容Cn的負(fù)溫度系數(shù)被偏置電路中的電阻R的正溫度系數(shù)補(bǔ)償，因此，反相器的電容Cn不會(huì)影響環(huán)形振蕩器的輸出頻率。

在本實(shí)施例中，影響環(huán)形振蕩電路的偏置電流I_B、偏置電阻R和電容Cn的溫度系數(shù)均被補(bǔ)償，因此在該實(shí)施例輸出的振蕩頻率幾乎沒(méi)有溫度的影響，能較大程度的降低溫度對(duì)振蕩頻率的影響，解決了現(xiàn)有技術(shù)中降低溫度對(duì)環(huán)形振蕩電路輸出頻率的影響是增加功耗和面積的問(wèn)題，達(dá)到了即減低溫度對(duì)輸出頻率的影響又不增加功耗的效果。

本申請(qǐng)實(shí)施例還提供了一種環(huán)形振蕩器，該環(huán)形振蕩器包括上述實(shí)施例中任意一種環(huán)形振蕩電路，利用該環(huán)形振蕩器輸出的振蕩頻率的溫度系數(shù)為60至64ppm/℃，在-40℃至100℃的溫度變化范圍內(nèi)，頻率變化范圍為0.5％-1.0％。

以上所述僅是本申請(qǐng)的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本申請(qǐng)?jiān)淼那疤嵯?，還可以做出若干改進(jìn)和潤(rùn)飾，這些改進(jìn)和潤(rùn)飾也應(yīng)視為本申請(qǐng)的保護(hù)范圍。