CN102064801A - 一种基于cmos工艺实现的全硅时钟发生器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于CMOS工艺实现的全硅时钟发生器，其包括输出端相依次连接的温度补偿电流源、工艺补偿电路、V-I转换电路、环路振荡电路和整形电路，温度稳定电流源用以提供进行温度补偿后的电流；工艺补偿电路用于提供减少CMOS工艺偏差的电压；V-I转换电路用以将经补偿后的电压转换为电流输出；环路振荡电路根据接收的电流大小以产生相应频率的时钟信号；整形电路用以对时钟信号进行整形及分频后输出。本发明采用了温度和工艺补偿电路，保证了CMOS时钟电路具有良好的温度和工艺稳定性，同时具有较强的电源抑制能力，而且电路结构简单，时钟精度高，可作为石英晶体振荡器、陶瓷谐振器等电路的替代品，作为时钟源使用。

Description

一种基于CMOS工艺实现的全硅时钟发生器
技术领域
本发明涉及一种时钟发生器，尤其涉及一种基于CMOS工艺的时钟发生器。
背景技术
在各种电子系统中，时钟信号为一不可或缺的参考信号，从微处理器中的时钟产生到蜂窝电话中的载波合成，以及测量、遥控和自动控制等领域都有着广泛的应用。通常，电子系统中的时钟信号通过设置于电子系统外部的石英晶体振荡器产生一参考时钟信号，再由系统中的锁相回路依据该参考时钟信号，输出一个较高频的时钟信号供内部电路使用。然而，通过石英晶体振荡器产生时钟信号的方法，虽然可以产生一较精准的时钟信号，但该方法需要引脚来接收参考时钟信号，这将花费较高的引脚成本。
随着技术的发展，出现了一种利用CMOS工艺可片内实现的时钟电路，其在没有外加输入信号的情况下，依靠电路自激振荡而产生周期性输出信号。上述能够产生自激振荡的一般是RC振荡器或者是环行振荡器，RC振荡器的结构简单，易于实现，但精度较差，其随温度和电源电压的变化很大，一般应用在对时钟精度要求不高的场合中；为了获得较好的精度，振荡器采用环形结构，其通常由若干个具有一定增益的延迟电路以闭环形式组成，但该类振荡器的缺点是电路较为复杂，而且温度特性、工艺稳定性和电源抑制能力也较差，本申请正是针对环形振荡器的时钟电路而进行的改进。
发明内容
本发明目的是提供一种具有温度补偿和工艺补偿性能从而具有良好的温度特性、工艺稳定性的基于CMOS工艺实现的全硅时钟发生器。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：一种基于CMOS工艺实现的全硅时钟发生器，其包括输出端相依次连接的温度补偿电流源、工艺补偿电路、V-I转换电路、环路振荡电路和整形电路，所述温度稳定电流源用以提供进行温度补偿后的电流；所述的工艺补偿电路用于提供减少CMOS工艺偏差的电压；所述的V-I转换电路用以将经补偿后的电压转换为电流输出；所述的环路振荡电路根据接收的电流大小以产生相应频率的时钟信号；所述的整形电路用以对时钟信号进行整形及分频后输出。
进一步地，所述的温度补偿电流源由具有正温度系数电流和具有负温度系数电流按比例叠加而成，所述的正负温度系数电流可根据需求调节。
所述的工艺补偿电路两二极管相串联而成，所述的二极管用于感应CMOS工艺的变化以输出经补偿的电压至V-I转换电路。
所述的二极管分别与一NMOS管和PMOS管组成，所述的NMOS管栅极与PMOS管栅极相连接，所述的NMOS管漏极与PMOS管漏极相连接，且NMOS管的栅极与漏极相连接，PMOS管栅极与漏极相连接，所述的NMOS管源极与电源相连接，所述的PMOS管源极接地。
所述的V-I转换电路包括第二运放、与第二运放同相和反相输入端相镜像连接的第四MOS管和第五MOS管、第三运放、与第三运放同相和反相输入端相镜像连接的第七MOS管和第八MOS管，通过控制第四MOS管和第五MOS管的源漏极之间电压以及第七MOS管和第八MOS管的源漏极之间电压，使得V-I转换电路输出精准的镜像电流。
所述的环形振荡器包括至少一个延时单元，每个延时单元主要由两镜像连接的MOS管以及与MOS管相电连接的充电电容组成。
所述的整形电路为施密特触发器电路。
由于采用上述技术方案，本发明具有以下优点：本发明采用了温度和工艺补偿电路，保证了CMOS时钟电路具有良好的温度和工艺稳定性，同时具有较强的电源抑制能力，而且电路结构简单，时钟精度高，可作为石英晶体振荡器、陶瓷谐振器等电路的替代品，作为时钟源使用。同时，由于电路采用的是CMOS工艺，无需外挂晶体或其他无源器件，如电容等，从而降低了电路成本和功耗。
附图说明
附图1为本发明全硅时钟发生器总体原理框体；
附图2为本发明温度补充电流源原理框图；
附图3为本发明工艺补充电路图；
附图4为本发明V-I转换电路图；
附图5为本发明环形振荡器的单元电路图；
附图6为本发明整形输出电路图；
其中：11、温度补偿基准源、12、工艺补偿电路；13、V-I转换电路；14、环形振荡器；15、整形电路。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明优选的具体实施例进行说明：
如图1所示的全硅时钟发生器，其依次由温度补偿基准源11、工艺补偿电路12、V-I转换电路13、环形振荡器14以及整形电路15连接而成，温度补偿基准源11用于接收输入的电源电压，并对输入的电压根据外界温度的变化进行温度补偿以输出稳定的电压或电流信号供给工艺补偿电路12，工艺补偿电路12接收基准源输出的电压或电流信号并根据整个时钟发生电路的工艺偏差进行工艺补偿，以输出经补偿后的控制电压Vctrl，该控制电压Vctrl输出至V-I转换电路13转换为电流信号输出。电流信号输入至环形振荡器14，环形振荡器14产生时钟信号，经过整形输出电路15输出稳定的设定频率的系统时钟。上述温度补偿基准源11、工艺补偿电路12、V-I转换电路13、环形振荡器14以及整形输出电路15采用CMOS工艺集成为一个芯片或与其它电路集成在一个片内。下面将对结合具体实施电路对各功能电路实现及其原理进行说明：
图2所示的为温度补偿基准源11原理电路，其由具有正温度系数电流和具有负温度系数电流按比例叠加而成，该叠加系数的确定由V-I转换电路13、环形振荡器14以及整形电路15所累加的总的温度系数决定。通过电流镜像产生输出电流I1给工艺补偿电路12。而且各正负温度系数电流可根据需求调节。
图3为所示的为工艺补偿电路12具体实施电路，该工艺补偿电路12由NMOS二极管MN和PMOS二极管MP串连构成。当MOS管工艺发生变化时，如MOS模型由tt变到ff时，MOS管的栅氧化层厚度变薄，阈值减小，NMOS二极管MN和PMOS二极管MP的等效电阻变小，因此输出电压Vctrl变小，由于Vctrl变小，则通过V-I转换电路13的电流减小，则振荡器延迟时间变大。对于环形振荡器14，由于MOS管阈值变小，延迟时间变小，因此该工艺补偿电路12通过适当调整NMOS二极管MN和PMOS二极管MP的宽长比W/L即能补偿振荡器延迟时间的变化。
图4所示的为V-I转换电路13具体实施电路，该V-I转换电路13为了保证精准的镜像电流Ibias，采用了运放嵌位的方式强制PMOS管M4和M5的VDS及NMOS管M7和M8的VDS相等，具体电路包括三级运放，第一级运放A1的同相输入端与工艺补偿电路输出Vctrl相电连接，其反相输入端通过电阻R0接地。第一运放A1输出端与MOS管M3栅极相连接；第二运放的同相和反相输入端分别与MOS管M4和M5的栅极相电连接，MOS管M4和M5之间镜像连接，且MOS管M3的源极与MOS管M4的漏极相连接。第二运放的输出端与MOS管M6的栅极相连接，第三运放A3的同相和方向输入端同样通过两相镜像连接的MOS管M7和M8与前一级运放相连接。在宽长比一定的情况下，能够保证很好的镜像电流Ibias。
图5所示的为环形振荡器14具体实施电路，环形振荡器14采用电流对电容充放电的方法实现振荡。通过V-I转换电路输出的镜像电流Ibias输入到环形振荡器14中PMOS管M2的漏端，通过环形振荡器14中PMOS管M1的镜像对电容C进行充放电，来实现一定的延迟时间。环形振荡器14一般是由3～5级延迟单元构成，前一级的输出作为后一级的输入，多个延迟单元一起构成一个环路。MOS管工艺参数的变化和温度变化对环形振荡器14的振荡频率有影响。
图6为本发明采用的整形电路15，整形电路15采用施密特触发器结构，由MOS管M41、M42、M43、M44、M45和M46构成，该结构对环形振荡器14输出信号vf进行整形产生最终的输出信号Vout。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于CMOS工艺实现的全硅时钟发生器，其包括输出端相依次连接的温度补偿电流源、工艺补偿电路、V-I转换电路、环路振荡电路和整形电路，所述温度稳定电流源用以提供进行温度补偿后的电流；所述的工艺补偿电路用于提供减少CMOS工艺偏差的电压；所述的V-I转换电路用以将经补偿后的电压转换为电流输出；所述的环路振荡电路根据接收的电流大小以产生相应频率的时钟信号；所述的整形电路用以对时钟信号进行整形及分频后输出。
2.根据权利要求1所述的一种基于CMOS工艺实现的全硅时钟发生器，其特征在于：所述的温度补偿电流源由具有正温度系数电流和具有负温度系数电流按比例叠加而成，所述的正负温度系数电流可根据需求调节。
3.根据权利要求1所述的一种基于CMOS工艺实现的全硅时钟发生器，其特征在于：所述的工艺补偿电路两二极管相串联而成，所述的二极管用于感应CMOS工艺的变化以输出经补偿的电压至V-I转换电路。
4.根据权利要求3所述的一种基于CMOS工艺实现的全硅时钟发生器，其特征在于：所述的二极管分别与一NMOS管和PMOS管组成，所述的NMOS管栅极与PMOS管栅极相连接，所述的NMOS管漏极与PMOS管漏极相连接，且NMOS管的栅极与漏极相连接，PMOS管栅极与漏极相连接，所述的NMOS管源极与电源相连接，所述的PMOS管源极接地。
5.根据权利要求1所述的一种基于CMOS工艺实现的全硅时钟发生器，其特征在于：所述的V-I转换电路包括第二运放、与第二运放同相和反相输入端相镜像连接的第四MOS管和第五MOS管、第三运放、与第三运放同相和反相输入端相镜像连接的第七MOS管和第八MOS管，通过控制第四MOS管和第五MOS管的源漏极之间电压以及第七MOS管和第八MOS管的源漏极之间电压，使得V-I转换电路输出精准的镜像电流。
6.根据权利要求1所述的一种基于CMOS工艺实现的全硅时钟发生器，其特征在于：所述的环形振荡器包括至少一个延时单元，每个延时单元主要由两镜像连接的MOS管以及与MOS管相电连接的充电电容组成。
7.根据权利要求1所述的一种基于CMOS工艺实现的全硅时钟发生器，其特征在于：所述的整形电路为施密特触发器电路。
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