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一種環形振蕩電路、環形振蕩器及其實現方法.pdf

摘要
申請專利號:

CN201310190432.9

申請日:

2013.05.21

公開號:

CN103684354B

公開日:

2015.01.07

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法律詳情: 授權|||實質審查的生效IPC(主分類):H03K 3/011申請日:20130521|||公開
IPC分類號: H03K3/011 主分類號: H03K3/011
申請人: 國家電網公司; 北京南瑞智芯微電子科技有限公司
發明人: 王小曼; 原義棟; 何洋; 王于波; 唐曉柯
地址: 100031 北京市西城區西長安街86號
優先權:
專利代理機構: 北京中譽威圣知識產權代理有限公司 11279 代理人: 郭振興;叢芳
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法律狀態
申請(專利)號:

CN201310190432.9

授權公告號:

103684354B||||||

法律狀態公告日:

2015.01.07|||2014.04.23|||2014.03.26

法律狀態類型:

授權|||實質審查的生效|||公開

摘要

本發明公開了一種環形振蕩電路、環形振蕩器及其實現方法,涉及電信技術領域,解決了現有技術中環形振蕩電路器件要求精度高的技術問題。其中,該電路包括:電流偏置產生電路和環形振蕩器級電路;所述環形振蕩器級電路包括至少一級的第一種反相器和至少一級的第二種反相器;所述電流偏置產生電路與所述第一種反相器耦合;所述第一種反相器的輸出端與第二種反相器的輸入端連接,并且,第二種反相器的輸出端與第一種反相器的輸入端連接。

權利要求書

權利要求書
1.  一種環形振蕩電路,其特征在于,包括:電流偏置產生電路和環形振蕩器級電路;
所述環形振蕩器級電路包括至少一級的第一種反相器和至少一級的第二種反相器;
所述電流偏置產生電路與所述第一種反相器耦合;所述第一種反相器的輸出端與二種反相器的輸入端連接,并且,第二種反相器的輸出端與第一種反相器的輸入端連接。

2.  根據權利要求1所述的環形振蕩電路,其特征在于,所述第一種反相器包括電流受限反相器;第二種反相器包括COMS反相器。

3.  根據權利要求1或2所述的環形振蕩電路,其特征在于,所述電流偏置產生電路包括第一PMOS、第二PMOS、第一NMOS、第二NMOS和電阻R;其中,
第一PMOS和第二PMOS的柵極連接在一起構成電流鏡;第二PMOS的柵極連接其漏極,第一NMOS的柵極和漏極連接在一起并與第一PMOS的漏極相連接,第二NMOS的柵極與第一NMOS的柵極連接一起,第二NMOS的漏極與第二PMOS的漏極相連接,第一NMOS的源級接地,第二NMOS的源級連接電阻R的一端,電阻R的另外一端連接到地。

4.  根據權利要求3所述的環形振蕩電路,其特征在于,第一種反相器中包括第三PMOS、第三NMOS和至少一個COMS反相器;所述電流偏置產生電路與所述第一種反相器耦合,具體包括:
第三PMOS的柵極與第二PMOS的柵極相連,第三NMOS的柵極與第一NMOS的柵極相連;
至少一個COMS反相器中的第一個CMOS反相器的電源和地分別連接第三PMOS的漏極和第三NMOS的漏極。

5.  根據權利要求4所述的環形振蕩電路,其特征在于,所述第一種反相器的輸出端與二種反相器的輸入端連接,并且,第二種反相器的輸出端與第一種反相器的輸入端連接,具體包括:
第一種和第二種反相器的各COMS反相器串聯;
第一種反相器中串聯后最后一個COMS反相器的輸出端與第二種反相器串聯后的第一個CMOS反相器的輸入端相連,第二種反相器串聯后的最后一個CMOS反相器的輸出端連接回第一種反相器的第一個CMOS反相器的輸入端。

6.  根據權利要求1或2所述的環形振蕩電路,其特征在于,所述第一種反相器中包括COMS反相器;
所述第一種反相器和第二種反相器組成的COMS反相器鏈的級數為奇數級。

7.  一種環形振蕩器,其特征在于,包括權利要求1-6中任意一項所述的環形振蕩電路。

8.  一種環形振蕩器的實現方法,其特征在于,包括:
通過電流偏置產生電路將電源的電流偏置為與電源電壓無關的正溫度系數的電流;
用該正溫度系數的電流控制環形振蕩器級電路中的第一種反相器;
第一種反相器受該正溫度系數的電流控制產生正電源電壓、負溫度系數且延時的反相器特性;并且第二種反相器通過各COMS反相器的串聯產生負電源電壓、正溫度系數且延時的反相器特性;
通過第一種反相器的反相器特性與第二種反相器的反相器特性的相互作用,形成了輸出頻率得到溫度補償和電源電壓補償的環形振蕩器。

說明書

說明書一種環形振蕩電路、環形振蕩器及其實現方法
技術領域
本發明涉及電信技術領域,特別涉及一種環形振蕩電路、環形振蕩器及其實現方法。
背景技術
對于大多數SOC(System on a Chip,系統級芯片)設計來說,振蕩器是必不可少的組成部分,它能為芯片提供時鐘。在各種類型的振蕩器中,環形振蕩器不需要外掛晶體,不需要使用電感-電容調諧電路,而只需要使用奇數個反相器串聯、最后一級的輸出連接到第一級的輸入即可工作。考慮到其結構簡單和低功耗的特性,環形振蕩器在頻率精度要求不高的場合得到了廣泛的應用。然而,電源電壓及環境溫度對環形振蕩器的輸出頻率影響較大,因此,環形振蕩器無法滿足在對時鐘頻率有更高精度要求的系統。
為了達到更高頻率精度,很多技術方案對環形振蕩器進行了結構上的優化設計,其中,一種較為常見的結構為通過電流受限的反相器組成環形振蕩器,因此振蕩器的振蕩頻率與電流相關,通過對參考電流生成單元進行改進,從而提高了輸出頻率的電源電壓及環境溫度特性。然而這類方案最后輸出頻率的精度主要取決于參考電流生成單元設計是否能正好抵消相應的電壓及溫度系數。由于器件的溫度特性與工藝的相關性很大,補償不足或補償過大均不能得到理想的結果,因此,對于實際設計而言,要達到較好的溫度和電壓特性具有較大的設計難度,當系數設計不合理,例如補償不合理時,存在惡化溫度或電壓特性的可能性。因此普通的環形振蕩器的輸出頻率隨電源電壓及環境溫度的變化太大,無法滿足對頻率精度有很高要求的系統需求。
并且,對于通過電流受限的反相器組成的環形振蕩器方案來說,需要合理設計電流生成電路,配置合適的溫度系數與后面的振蕩器的溫度特性進行補償,因此最終的溫度特性對電路中器件的取值較為敏感。由于設計得結果過于依賴電路設計中的器件尺寸以及其他設計技巧,在實際設計中,版圖的 不匹配以及工藝的偏差等等一些較難控制的因素會造成無法達到預期的補償效果。
發明內容
為了解決現有技術環形振蕩電路中為了達到溫度補償和電源電壓補償的目的,從而導致的對器件要求精度高、設計難度較大的技術問題,本發明提供了一種環形振蕩電路、環形振蕩器及其實現方法。
一種環形振蕩電路,包括:電流偏置產生電路和環形振蕩器級電路;
環形振蕩器級電路包括至少一級的第一種反相器和至少一級的第二種反相器;
電流偏置產生電路與第一種反相器耦合;第一種反相器的輸出端與二種反相器的輸入端連接,并且,第二種反相器的輸出端與第一種反相器的輸入端連接;
其中,第一種反相器主要是一種電流受限反相器類型;第二種反相器由COMS反相器構成。
其中,電流偏置產生電路包括第一PMOS、第二PMOS、第一NMOS、第二NMOS和電阻R;其中,
第一PMOS和第二PMOS的柵極連接在一起構成電流鏡;第二PMOS的柵極連接其漏極,第一NMOS的柵極和漏極連接在一起并與第一PMOS的漏極相連接,第二NMOS的柵極與第一NMOS的柵極連接一起,第二NMOS的漏極與第二PMOS的漏極相連接,第一NMOS的源級接地,第二NMOS的源級連接電阻R的一端,電阻R的另外一端連接到地。
其中,第一種反相器中包括第三PMOS、第三NMOS和至少一個COMS反相器;電流偏置產生電路與第一種反相器耦合,具體包括:
第三PMOS的柵極與第二PMOS的柵極相連,第三NMOS的柵極與第一NMOS的柵極相連;至少一個COMS反相器中的第一個CMOS反相器的電源和地分別連接第三PMOS的漏極和第三NMOS的漏極。
第一種反相器的輸出端與二種反相器的輸入端連接,并且,第二種反相器的輸出端與第一種反相器的輸入端連接,具體包括:
第一種和第二種反相器的各COMS反相器串聯;
第一種反相器中串聯后最后一個COMS反相器的輸出端與第二種反相器 串聯后的第一個CMOS反相器的輸入端相連,第二種反相器串聯后的最后一個CMOS反相器的輸出端連接回第一種反相器的第一個CMOS反相器的輸入端。
一種環形振蕩器,包括權利要上述的環形振蕩電路。
一種環形振蕩器的實現方法,包括:
通過電流偏置產生電路將電源的電流偏置為與電源電壓無關的正溫度系數的電流;
用該正溫度系數的電流控制環形振蕩器級電路中的第一種反相器;
第一種反相器受該正溫度系數的電流控制產生正電源電壓、負溫度系數且延時的反相器特性;并且第二種反相器通過各COMS反相器的串聯產生負電源電壓、正溫度系數且延時的反相器特性;
通過第一種反相器的反相器特性與第二種反相器的反相器特性的相互作用,形成了輸出頻率得到溫度補償和電源電壓補償的環形振蕩器。
本發明提供的方案設計的簡便性,由于采用了兩種反相器構成振蕩器,因此,不需要刻意設置溫度系數即可以達到溫度補償的效果。不需要晶體管匹配等器件設計就可以達到電源電壓補償的目的。并且低功耗,電流偏置電路由于工作在亞閾值區,因此工作電流較小,鏡像的電流給反相器提供電源,功耗也較小,由于電流受限的反相器通常無法直接驅動外部的模塊,在現有的技術中通常在環形振蕩級的后面再接反相器增大驅動,而在本設計中,后面提高驅動的反相器成為了環形振蕩級的一部分,因此節省了反相器鏈中反相器的個數,能夠達到更低的功耗。
附圖說明
附圖用來提供對本發明的進一步理解,并且構成說明書的一部分,與本發明的實施例一起用于解釋本發明,并不構成對本發明的限制。在附圖中:
為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案,下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹,顯而易見地,下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例,對于本領域普通技術人員來 講,在不付出創造性勞動性的前提下,還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。
圖1為本發明實施例1提供的環形振蕩電路的電路圖;
圖2為本發明實施例3提供的方法的流程圖。
具體實施方式
下面將結合本發明實施例中的附圖,對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述,顯然,所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例,而不是全部的實施例。基于本發明中的實施例,本領域普通技術人員在沒有作出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例,都屬于本發明保護的范圍。并且,以下各實施例均為本發明的可選方案,實施例的排列順序及實施例的編號與其優選執行的順序無關。
實施例1
本實施例提供一種環形振蕩電路,該電路包括:電流偏置產生電路100和環形振蕩器級電路200;
環形振蕩器級電路200包括至少一級的第一種反相器210和至少一級的第二種反相器211;其中,第一種反相器210從功能上來說用于限制電流,屬于是一種電流受限反相器;第二種反相器211包括COMS反相器。
電流偏置產生電路100與第一種反相器210耦合;第一種反相器210的輸出端與二種反相器211的輸入端連接,并且,第二種反相器211的輸出端與第一種反相器210的輸入端連接。
其中,為了給第一種反相器210提供大小與電源電壓無關,且帶正溫度系數的電流,本實施例中提供的電流偏置產生電路100包括第一PMOS103、第二PMOS104、第一NMOS102、第二NMOS101和電阻R105;如圖1所示,
第一PMOS103和第二PMOS104的柵極連接在一起構成電流鏡;第二PMOS104的柵極連接第二PMOS104的漏極,第一NMOS102的柵極和漏極連接在一起并與第一PMOS103的漏極相連接,第二NMOS101的柵極 與第一NMOS102的柵極連接一起,第二NMOS101的漏極與第二PMOS104的漏極相連接,第一NMOS102的源級接地,第二NMOS101的源級連接電阻R105的一端,電阻R105的另外一端接地。
具體而言,第一種反相器中210包括第三PMOS204、第三NMOS205和至少一個COMS201反相器;電流偏置產生電路100與第一種反相器210耦合,具體包括:
第三PMOS204的柵極與第二PMOS104的柵極相連,第三NMOS205的柵極與第一NMOS102的柵極相連;
至少一個COMS反相器201中的第一個CMOS反相器201的電源和地分別連接第三PMOS204的漏極和第三NMOS205的漏極。
優選方案中,第一種反相器210的輸出端與二種反相器211的輸入端連接,并且,第二種反相器211的輸出端與第一種反相器210的輸入端連接,具體包括:
第一種反相器210和第二種反相器211的各COMS反相器串聯;
第一種反相器210中串聯后的最后一個COMS反相器的輸出端與第二種反相器211串聯后的第一個CMOS反相器的輸入端相連,第二種反相器211串聯后的最后一個CMOS反相器的輸出端連接回第一種反相器210的第一個CMOS反相器的輸入端。
其中,第一種反相器中包括COMS反相器;第一種反相器和第二種反相器組成的COMS反相器鏈的級數為奇數級。
下面以圖1為例,具體描述一下本實施例提供的環形振蕩電路器。包括一個電流偏置產生電路100和一個環形振蕩器級200,其中,環形振蕩器級200包括至少一級電流受限反相器(如圖1所示第一種反相器210)及至少一級CMOS反相器(如圖1所示第二種反相器211)。圖1中給出了一個由一級電流受限反相器以及兩級CMOS反相器組成的三級環形振蕩電路的電路圖。實際上由這兩種反相器組成的反相器鏈的級數還可以是五級或七級或是其他的奇數級,即奇數級是指第一種反相器和第二種反相器的總數是奇數。
電流偏置產生電路100由第一PMOS103、第二PMOS104、第一NMOS102、第二NMOS101和R105構成,其中第一PMOS103和第二 PMOS104的柵極連接在一起構成電流鏡,同時第二PMOS104的柵極連接其漏極,第一NMOS102的柵極和漏極連接在一起并與第一PMOS103的漏極相連接,第二NMOS101的柵極與第一NMOS102的柵極連接一起,第二NMOS101的漏極與第二PMOS104的漏極相連接,第一NMOS102的源級接地,第二NMOS101的源級連接電阻R105的一端,電阻R105的另外一端連接到地。
環形振蕩器級電路200由第三PMOS204、第三NMOS205以及三組反相器201、202、203構成,第三PMOS204的柵極與第二PMOS104的柵極相連,第三NMOS205與第一NMOS102的柵極相連,第一個CMOS反相器201的電源和地分別連接第三PMOS204和第三NMOS205的漏極,該反相器204的輸出與第二個CMOS反相器202(即第二種反相器中的第一個反相器)的輸入端相連,第二個CMOS反相器202的輸出與第三個CMOS反相器203(即第二種反相器中各反相器串聯后的最后一個COMS反相器)的輸入相連,第三個CMOS反相器的輸出連接回第一個CMOS反相器201(圖1中的反相器201即是第一種反相器中各反相器串聯后的第一個反相器,也是最后一個反相器)的輸入端。
參照圖1,本實施例提供的環形振蕩電路的原理如下:首先電流偏置電路100通過第一NMOS102和第二NMOS101的VGS差值在R105上產生一個電流,該電流大小與電源電壓無關,帶有正溫度系數,流過第二PMOS104/第二NMOS101支路,由于第一PMOS103和第二PMOS104的1:1的鏡像關系,第一PMOS103/第一NMOS102支路上因此流過相同的電流。通過第二PMOS104管與第三PMOS204管組成的電流鏡,將第二PMOS104的電流鏡像到第三PMOS204的支路上。通過第一NMOS102管與第三NMOS205管組成的電流鏡,將第一NMOS102的電流鏡像到第三NMOS205的支路上,因此第一級反相器201的充電電流為流過第二PMOS104的電流,第一級反相器201的放電電流為流過第三NMOS204的電流,充放電電流值特性決定了這一級反相器的延時特性,第一級反相器201輸出連接后面的普通COMS反相器202和203組成了一個環形振蕩器鏈,最終的振蕩頻率由反相器鏈的總延時決定。
其中,電流偏置電路100在PMOS103/NMOS102和 PMOS104/NMOS101支路上產生的電流I的值大小為NMOS102管的VGS與NMOS104管的VGS的差值比上電阻R105的阻值,如下公式(1)
I=VGSMN1-VGSMN2R---(1)]]>
由于NMOS102和NMOS101工作在亞閾值區,公式(1)可以進一步寫為
I=nVTlnMR---(2)]]>
其中,M為MN2與MN1的寬長比的比值,VT為熱電壓,其具有正溫度系數,n為亞閾值斜率因子。當電阻采用poly電阻時,電阻為負溫度系數,因此,該電流具有正溫度系數。通過PMOS電流鏡,第一級電流受限的反相器電流與溫度成正比,該級反相器延時隨溫度升高而減小;該級反相器的閾值電壓隨電源電壓升高而升高,從而使得反相器延時隨電源電壓升高而增大。
反相器鏈中的第二種反相器即為普通CMOS反相器,這種反相器的延時隨溫度的升高而增大,隨電源電壓的升高而減小。
這兩種反相器的溫度和電壓特性正好是反相的,在振蕩器環路中采用這兩種反相器,可以實現溫度補償和電壓補償的作用。通過調節電流產生電路的溫度系數,可以對振蕩器的溫度和電壓特性進行有目標的補償。因此該環形振蕩電路的溫度電壓補償作用對電路內部具體器件的取值并不敏感,故而在使用時可以達到溫度和電壓補償的目的。
本實施例提供的環形振蕩電路由于第一種反相器延時與第二種反相器延時的溫度特性和電源電壓特性剛好相反,因此反相器鏈的總延時在溫度和電源電壓特性上達到了補償的目的,從而使得振蕩器的輸出頻率達到了溫度補償和電源電壓補償目的。
實施例2
本實施例提供一種環形振蕩器,該環形振蕩器包括實施例1中所描述的環形振蕩電路,具體環形振蕩器的內容在此不贅述。
實施例3
本實施例提供一種環形振蕩器的實現方法,如圖2所示,包括:
步驟101,通過電流偏置產生電路將電源的電流偏置為與電源電壓無關的正溫度系數的電流;
步驟102,用該正溫度系數的電流控制環形振蕩器級電路中的第一種反相器;
步驟103,第一種反相器受該正溫度系數的電流控制產生正電源電壓、負溫度系數且延時的反相器特性;
步驟104,在步驟103反相器特性產生的同時,第二種反相器通過各COMS反相器的串聯產生負電源電壓、正溫度系數且延時的反相器特性;
步驟105,通過第一種反相器的反相器特性與第二種反相器的反相器特性的相互作用,形成了輸出頻率得到溫度補償和電源電壓補償的環形振蕩器。
例如:參照圖1,首先電流偏置電路100通過第一NMOS102和第二NMOS101的VGS差值在R105上產生一個電流,該電流大小與電源電壓無關,帶有正溫度系數,流過第二PMOS104/第二NMOS101支路,由于第一PMOS103和第二PMOS104的1:1的鏡像關系,第一PMOS103/第一NMOS102支路上因此流過相同的電流。通過第二PMOS104管與第三PMOS204管組成的電流鏡,將第二PMOS104的電流鏡像到第三PMOS204的支路上。通過第一NMOS102管與第三NMOS205管組成的電流鏡,將第一NMOS102的電流鏡像到第三NMOS205的支路上,因此第一級反相器201的充電電流為流過第二PMOS104的電流,第一級反相器201的放電電流為流過第三NMOS204的電流,充放電電流值特性決定了這一級反相器的延時特性,第一級反相器201輸出連接后面的普通COMS反相器202和203組成了一個環形振蕩器鏈,最終的振蕩頻率由反相器鏈的總延時決定。
具體該各步驟的實現方式請參考實施1中的環形振蕩電路,在此不贅述。
本發明提供的實現方法由于采用了兩種可產生相反溫度和電源電壓特性的反相器,因此,不需要刻意設置溫度系數即可以達到溫度補償的效果。 不需要晶體管匹配等器件設計就可以達到電源電壓補償、低功耗的技術效果。
本發明實施例提供的上述方法中,雖然給出了執行各步驟的先后順序,但是該順序僅為本發明的一個優選的實施方式。顯然,本領域技術人員根據上述方法可以對該方法步驟的執行順序進行多種多樣的等效變換,也就是說本發明實施例方法中的上述各步驟或部分步驟完全可以按照其他順序執行,或者同時執行。例如:先執行步驟104,再執行步驟103;或者同時執行步驟103和步驟104。因此上述方法描述的各步驟的執行順序并僅限于實施例中所提供的一種方式。
以上所述,僅為本發明的具體實施方式,但本發明能有多種不同形式的具體實施方式,上文結合附圖對本發明做舉例說明,這并不意味著本發明所應用的具體實施方式只能局限在這些特定的具體實施方式中,本領域的技術人員應當了解,上文所提供的具體實施方式只是多種優選實施方式中的一些示例,任何體現本發明權利要求的具體實施方式均應在本發明權利要求所要求保護的范圍之內;本領域的技術人員能夠對上文各具體實施方式中所記載的技術方案進行修改,或者對其中部分技術特征進行等同替換。凡在本發明的精神和原則之內,所作的任何修改、等同替換或者改進等,均應包含在本發明權利要求的保護范圍之內。

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一種 環形 振蕩 電路 振蕩器 及其 實現 方法
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