CN101409541A

CN101409541A - 环形振荡电路

Info

Publication number: CN101409541A
Application number: CNA2008102028951A
Authority: CN
Inventors: 罗鹏; 庄宇
Original assignee: SHANGHAI BELLING-SYSTRON MICROELECTRONICS Co Ltd
Current assignee: Shanghai Beiling Co Ltd
Priority date: 2008-11-18
Filing date: 2008-11-18
Publication date: 2009-04-15

Abstract

本发明提出一种环形振荡电路，包括奇数个反相器、电容和第一电容放电电路。奇数个反相器串联，该些反相器均耦接电源电压。电容的第一端耦接该些反相器的首尾，第二端接地。第一电容放电电路耦接该电容的该第一端，用以控制该电容的放电时间。本发明所揭露的环形振荡电路，具有高精度、低功耗、而且振荡频率不随电源电压变化的特点。

Description

环形振荡电路

技术领域

本发明涉及一种环形振荡电路，且特别涉及一种低功耗高精度且振荡频率不随电源电压变化有关的环形振荡电路。

背景技术

众所周知，在集成电路中经常用到RC环形振荡电路结构产生周期性脉冲，该结构由奇数个反相器首尾相连形成一个环。

图1所示为环形振荡电路的基本形式。

5个反相器INV1～INV5首尾相连，形成一个环。VDD为该环形振荡电路的电源电压。

由于电路没有稳定的工作点，因此形成振荡。反相器的传输延时为t_p，输出由低到高的传输延迟为t_pLH，输出由高到低的传输延迟为t_pHL，上升时间为t_r，下降时间为t_f。振荡成立的条件是2Nt_p＞＞t_r+t_f，若此条件不能满足，前一波形将与紧接着的后一波形相重叠，最终衰减振荡。

振荡周期由信号穿过整个环路的传输延时决定，振荡周期为T＝2×t_p×N，其中N为环路内反相器的个数。反相器的传输延时t_p可以表示为：

t_p≈1/2×(t_pLH+t_pHL)＝C_L/V_DD×(1/k_p+1/k_n)； (式1)

其中

t_pLH≈C_L/(k_pV_DD)；

t_pLH≈C_L/(k_nV_DD)；

k_n＝μ_nC_oxW_n/L_n；

k_p＝μ_pC_oxW_p/L_p；

V_DD为电源电压，μ_n、μ_p为载流子迁移率，C_ox为栅氧电容，W_n/L_n为反相器的NMOS宽长比，W_p/L_p为反相器的PMOS宽长比，C_L为反相器的负载电容，包括反相器本身的寄生电容，连线电容和扇出负载电容。

振荡频率可以通过改变反相器的个数和反相器延迟时间的大小来控制。从式1可知，调节C_L、V_DD、k_n和k_p都可以改变延迟时间，因此，要振荡器的振荡频率不随电源电压VDD变化的，这种结构是无法达到的。

图2所示为先前技术中利用电源稳压模块实现振荡频率不随电源电压变化的振荡器。要实现振荡器的振荡频率不随电源电压VDD变化，简单的方法是增加电源稳压模块201。电源稳压模块201连接至电源电压VDD，电源稳压模块201内部包括稳压电路。电源稳压模块201输出稳压电源V_IN驱动图1所示的振荡器结构。

然而，由于增加电源稳压模块，虽然达到了振荡频率不随电源电压VDD变化的目的，但带来多余的功耗，因此，此种结构不适合应用于低功耗要求较高的产品。

发明内容

本发明提出一种环形振荡电路，具有高精度，低功耗，而且振荡频率不随电源电压VDD变化的特点。

为了达到上述目的，本发明提出一种环形振荡电路，包括奇数个反相器、电容和第一电容放电电路。奇数个反相器串联，上述这些反相器均耦接电源电压。电容的第一端耦接上述这些反相器的首尾，第二端接地。第一电容放电电路耦接上述电容的上述第一端，用以控制上述电容的放电时间。

可选的，其中上述第一电容放电电路包括耗尽型MOS管。

可选的，其中上述耗尽型MOS管为耗尽型PMOS管或者耗尽型NMOS管。

可选的，其中上述第一电容放电电路还包括正温度系数的电阻，其一端耦合上述耗尽型MOS管，另一端接地，用于控制上述电容的放电电流的稳定。

可选的，环形振荡电路还包括第二电容放电电路，其耦接上述电容和接地端。

可选的，其中第二电容放电电路包括耗尽型MOS管。

可选的，环形振荡电路还包括电容充电电路，其耦接上述电源电压、上述电容和上述这些反相器的一端，用以控制上述电容的充电时间。

可选的，其中电容充电电路包括增强型MOS管。

可选的，其中上述增强型MOS管为增强型PMOS管或者增强型NMOS管。

可选的，环形振荡电路还包括增强型MOS管耦接上述电源电压、上述电容的上述第一端和上述反相器的一端。

本发明提出的环形振荡电路，使用耗尽型MOS管控制电容的放电时间不受电源电压的影响，进而控制整个振荡电路的延迟时间，从而使得振荡频率不受电源电压的影响。本发明的环形振荡电路中还包括正温度系数的电阻，使耗尽型MOS管的电流不随温度变化，整个环形振荡电路具有良好的温度特性。通过减少环形振荡电路中的MOS管电流，即可减小整个环形振荡电路的功耗。本发明提出的环形振荡电路还具有结构简单、面积小的特点，能够很好地应用在集成电路生产中。

附图说明

图1所示为环形振荡电路的基本形式。

图2所示为先前技术中利用电源稳压模块实现振荡频率不随电源电压变化的振荡器。

图3为本发明较佳实施例的环形振荡电路的原理示意图。

具体实施方式

为了更了解本发明的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。

图3为本发明较佳实施例的环形振荡电路的原理示意图。

请参见图3所示，这是本发明一较佳实施例的低功耗高精度，振荡频率不随电源电压变化的环形振荡电路的电原理图。本实施例揭露的环形振荡电路中包括电容充电电路、第一电容放电电路、第二电容放电电路、电容C1，电阻R1以及反相器INV1、INV2、INV3。

本实施例中的电容充电电路包括增强型PMOS管P1；第一电容放电电路包括耗尽型NMOS管D1；第二电容放电电路包括耗尽型NMOS管D2。

增强型PMOS管P1、P2，耗尽型NMOS管D1、D2，电容C1，电阻R1以及反相器INV1、INV2、INV3。

增强型PMOS管P1、P2的源端和衬底连接电源电压VDD，增强型PMOS管P1的漏端在VA处连接D1的漏端、增强型PMOS管P2的栅端以及电容C1的正极板。耗尽型NMOS管D1的栅端在VD处连接D1的源端、电阻R1的一端。电阻R1另一端接地，电容C1的负极板接地，耗尽型NMOS管D1的衬底接地。增强型PMOS管P2的漏端在VB处连接耗尽型NMOS管D2的漏端、反相器INV1输入端。耗尽型NMOS管D2的栅端、源端、衬底接地。

反相器INV1输出端在VE处接反相器INV2的输入端。反相器INV2输出端在OSCOUT处接反相器INV3输入端。反相器INV3输出端在VC处接P1的栅端。

本发明的工作原理为：

既然振荡结构是环形振荡电路，振荡频率由反相器的个数和反相器延迟时间决定。当反相器的个数一定，那么振荡频率必然跟环路的延迟时间有关系。如果电容充放电的时间远远大于环路的延迟时间，振荡频率就可以近似的认为只与电容充放电时的时间有关。

由以上分析，根据电容充放电公式

Q＝I×dt＝C×dv (式2)

其中Q为电容电荷量，I为电容充放电电流，dt为充电时间，C为电容值，dv为电容电压值，

有式2易知

T＝(C/I)×ΔV (式3)

其中T为充电放电时间，ΔV为电容电压变化量，如果C、I以及ΔV均不变，T也不变。

实现振荡频率不随电源电压VDD变化，就必须保证C、I以及ΔV为定值。

如图3中，电容C1是可以确定的，设定电容C1充放电时间远远大于环路延迟时，电路的振荡频率由电容C1的充放电的时间决定。

电容C1的放电时间是由耗尽型NMOS管D1与电阻R1决定，此时耗尽型NMOS管D1工作在饱和区，耗尽型NMOS管D1的电流

Id1＝1/2μ_nCox(W/L)_d1(Vgsd1-Vthd1)²＝1/2μ_nCox(W/L)_d1(Vthd1)² 式4

其中，μ_n为载流子迁移率，Cox为栅氧电容，(W/L)_d1为D1管宽长比，Vthd1为D1管阈值电压，其值为负电压值。如果工艺确定，即耗尽管D1的阈值Vthd1确定，Id1电流不随电源电压VDD变化。如果电阻R1为零，放电电流完全由Id1决定，故得电容C1的放电电流不随电源电压VDD变化。但是，(Vthd1)²随温度呈正温度特性，即温度越高，(Vthd1)²越大，导致Id1随温度升高而变大，从而电容放电时间变快。

电阻R1接在D1管的源端，造成D1管的源端电压为正电压值，即源端与衬底端电压V_SB为正电压值，起到减小(Vthd1)²目的，若电阻R1是正温度系数，则温度越高，V_SB越大，(Vthd1)²相应减小，所以选择适当的电阻R1，能够得到(Vthd1)²不随温度变化，从而Id1也不随温度变化，故得电容C1的放电电流不随温度变化。

电容C1的充电时间是由增强型PMOS管P1决定，如果增强型PMOS管P1的宽长比较大，导通电阻较小，那么充电电流很大，电容C1的充电时间很短，相对电容C1的放电时间，充电时间可以忽略。

电容C1两端电压变化量ΔV是由增强型PMOS管P2阈值电压Vthp2决定，因为当VA电压值为VDD时，增强型PMOS管P2完全关闭，VB电压被耗尽型NMOS管D2下拉至零伏，经过三级反相器INV1、INV2、INV3。VC为高电平，增强型PMOS管P1关闭，VA处电容C1通过D1、R1放电，当放电至电压VA＝VDD-Vthp2时，增强型PMOS管P2开启，VB电压升高，VE翻转为零。经过两级反相器INV2、INV3后VC为零，增强型PMOS管P1导通，VA处电容C1通过增强型PMOS管P1充电，快速充电至VDD，将增强型PMOS管P2关闭，从而形成振荡。

耗尽型NMOS管D1，增强型PMOS管P1，耗尽型NMOS管D2，增强型PMOS管P2支路的电流主要由耗尽型NMOS管D1，耗尽型NMOS管D2决定，耗尽型NMOS管D1，耗尽型NMOS管D2电流由其阈值电压决定，根据式4，选定合适的W/L，可以得到很小的耗尽型NMOS管D1，耗尽型NMOS管D2电流，整个电路的功耗可以控制在几个微安，实现低功耗。

上述实施例仅说明本发明之用，而非对本发明的限制，相关技术领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变换或变化，比如将增强型PMOS管换成增强型NMOS管，耗尽型NMOS管换成耗尽型PMOS管等，因此所有等同的技术方案也应该属于本发明的范畴。

综上所述，本发明环形振荡电路振荡频率不随电源电压变化。振荡频率由耗尽型NMOS管D1电流及电容C1决定，振荡频率精度高。功耗由耗尽型NMOS管D1、D2的电流决定，能够控制在几个微安。正温度系数电阻R1对产生电流的耗尽型NMOS管D1进行温度补偿，确保温度特性很好。结构简单，面积小，有利于集成电路生产。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。

Claims

1.一种环形振荡电路，其特征是，包括：

奇数个反相器串联，上述这些反相器均耦接电源电压；

电容，其第一端耦接上述这些反相器的首尾，第二端接地；以及

第一电容放电电路，耦接上述电容的上述第一端，用以控制上述电容的放电时间。

2.根据权利要求1所述的环形振荡电路，其特征是，其中上述第一电容放电电路包括耗尽型MOS管。

3.根据权利要求2所述的环形振荡电路，其特征是，其中上述耗尽型MOS管为耗尽型PMOS管或者耗尽型NMOS管。

4.根据权利要求2所述的环形振荡电路，其特征是，其中上述第一电容放电电路还包括正温度系数的电阻，其一端耦合上述耗尽型MOS管，另一端接地，用于控制上述电容的放电电流的稳定。

5.根据权利要求1所述的环形振荡电路，其特征是，还包括第二电容放电电路，其耦接上述电容和接地端。

6.根据权利要求5所述的环形振荡电路，其特征是，其中第二电容放电电路包括耗尽型MOS管。

7.根据权利要求6所述的环形振荡电路，其特征是，其中上述耗尽型MOS管为耗尽型PMOS管或者耗尽型NMOS管。

8.根据权利要求1所述的环形振荡电路，其特征是，还包括电容充电电路，其耦接上述电源电压、上述电容和上述这些反相器的一端，用以控制上述电容的充电时间。

9.根据权利要求8所述的环形振荡电路，其特征是，其中电容充电电路包括增强型MOS管。

10.根据权利要求1所述的环形振荡电路，其特征是，还包括增强型MOS管耦接上述电源电压、上述电容的上述第一端和上述反相器的一端。