CN103166601A - 产生可调整输出信号频率的振荡器 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种产生可调整输出信号频率的振荡器，包括阻抗单元、电容单元、第一反向器及第二反向器。其中，阻抗单元串接在第一参考端点以及第二参考端点间。电容单元耦接在第一参考端点以及输出端点间，并具有多个电容，电容的一端共同耦接至输出端点，且各电容的另一端依据控制信号以决定耦接至第一参考端点或参考接地端。第一反向器的输入端耦接第一参考端点，其输出端耦接至第二参考端点。第二反向器的输入端耦接第一反向器的输出端，第二反向器的输出端耦接至输出端点。

Description

产生可调整输出信号频率的振荡器

技术领域

本发明涉及一种产生可调整输出信号频率的振荡器，尤其涉及一种电阻电容振荡器(RC oscillator)。

背景技术

一般来说，振荡器可应用于各式各样的电子产品之中，以用于提供电子产品的内部电路所需要的振荡信号，例如作为电路操作的基准的时脉信号(clock signal)。

在现今的电子产品当中，像是通信装置或是移动装置，基于体积小的需求，通常将振荡器实施于集成电路之中，以节省装置的配置空间。其中，于集成电路中的振荡器，常见以电阻与电容所组成的电路所建构，并且通过对电阻与电容所组成的电路进行充电以及放电所产生的延迟时间，来产生周期性的振荡信号。然而，集成电路中的电阻容易随着温度变化而改变。并且，现有技术领域所提出的电阻电容振荡器所产生的输出信号的振荡频率，会与其所接收的操作电压有关。因此，在操作电压会变化的状态下，电阻电容振荡器所产生的输出信号的振荡频率是会改变的，进以影响到所属系统的稳定度。

发明内容

本发明提供一种振荡器，可提升其所产生的输出信号的频率的稳定度。

本发明提出一种振荡器，包括阻抗单元、电容单元、第一反向器及第二反向器。其中，阻抗单元串接在第一参考端点以及第二参考端点间。电容单元耦接在第一参考端点以及输出端点间，并具有多个电容，电容的一端共同耦接至输出端点，且各电容的另一端依据控制信号以决定耦接至第一参考端点或参考接地端。第一反向器的输入端耦接第一参考端点，其输出端耦接至第二参考端点。第二反向器的输入端耦接第一反向器的输出端，第二反向器的输出端耦接至输出端点。

基于上述，本发明振荡器的电容单元中的多个电容，根据所接收的控制信号，使各电容的一端切换于输出端点及参考接地端之间，以调整电容单元的等效电容值。并且，在这样的电容单元的调整机制下，振荡器所产生的输出信号的振荡频率与其所接收的操作电压的关联程度可以被降低，有效提供具有稳定振荡频率的输出信号。

为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合附图作详细说明如下。

附图说明

图1显示本发明一实施例的振荡器100的示意图；

图2显示本发明一实施例的振荡器100的参考端点P1的操作波形图；

图3显示本发明一实施例的阻抗单元110的示意图；

图4显示本发明一实施例的振荡器100的操作电压变化与输出信号的频率偏移的关系图；

图5显示本发明一实施例的振荡器100的温度变化与输出信号的频率偏移的关系图。

附图标记：

100：振荡器；

110：阻抗单元；

120：电容单元；

130、140、150：反向器；

160：控制器；

C1～C4：电容；

SW1～SW4：开关；

P1、P2：参考端点；

GND：参考接地端；

O1：输出端点；

Vdd：操作电压；

Vth：临界电压；

Vrc1、Vrc2：电压；

T1、T2：周期；

RP：正温度系数电阻；

RN：负温度系数电阻。

具体实施方式

图1显示本发明一实施例的振荡器100的示意图。请参照图1，振荡器100包括阻抗单元110、电容单元120、反向器130以及反向器140。其中，阻抗单元110串接于参考端点P1与参考端点P2之间。电容单元120耦接在参考端点P1与输出端点O1之间，并且电容单元120具有多个电容C1～C4。其中，多个电容C1～C4的一端依据控制信号CTRL1～CTRL4切换于参考端点P1与参考接地端GND之间。反向器130的输入端耦接至参考端点P1，并且反向器130的输出端耦接至参考端点P2。反向器140的输入端耦接反向器130的输出端，也就是参考端点P2，并且反向器140的输出端耦接至输出端点O1。在本实施例中，振荡器100还包括反向器150，用以将振荡器100所产生的输出信号加以缓冲，然后输出一缓冲驱动信号BDS，并且反向器150将缓冲驱动信号BDS传送至下一级的电路。

依据图1的振荡器100的电路组态，可整理出振荡器100的输出信号的频率如下列方程式1：

$f=\frac{1}{21n\left[\frac{\mathrm{Vth}}{\mathrm{Vth}+\frac{\mathrm{Cselect}}{\mathrm{Ctotal}}\mathrm{Vdd}}\right]\·R\·\mathrm{Cselect}}---1$

其中f为振荡器100的输出信号的频率；Cselect为参考端点P1耦接与输出端点O1间的等效电容值；Vth为反向器130及140的临界电压；Ctotal为所有电容单元120的电容的电容值总和；R为参考端点P1及P2间的等效电阻。

如方程式1所示，振荡器100的输出信号的频率f与反向器130及140的临界电压Vth相关。其中，反向器130与140通常各别由N型晶体管与P型晶体管所构成。更进一步，可通过反向器130及140的N型晶体管与P型晶体管的制程参数，推导出反向器130及140的临界电压Vth如下列方程式2：

$\mathrm{Vth}=\frac{\mathrm{Vthn}+\sqrt{\frac{\mathrm{Up}\·\mathrm{Cox}\·\frac{\mathrm{Wp}}{\mathrm{Lp}}}{\mathrm{Un}\·\mathrm{Cox}\·\frac{\mathrm{Wn}}{\mathrm{Ln}}}}(\mathrm{Vdd}+\mathrm{Vthd})}{1+\sqrt{\frac{\mathrm{Up}\·\mathrm{Cox}\·\frac{\mathrm{Wp}}{\mathrm{Lp}}}{\mathrm{Un}\·\mathrm{Cox}\·\frac{\mathrm{Wn}}{\mathrm{Ln}}}}}---2$

其中，Up为反向器130及140中的P型晶体管的通道载子的迁移率；Wp/Lp为反向器130及140的P型晶体管的通道宽长比；Un为反向器130及140中的N型晶体管的通道载子的迁移率；Wn/Ln为反向器130及140的N型晶体管的通道宽长比；Cox为N型晶体管及P型晶体管中的栅极氧化层(gate oxide)的电容值；Vthn为N型晶体管的临界电压，并且Vthp为P型晶体管的临界电压。

如方程式2所示，可以设定反向器130及140的P型晶体管的通道宽长比Wp/Lp为5，并且反向器130及140的N型晶体管的通道宽长比Wn/Ln为44.4。换句话说，反向器130及140中的N型晶体管与P型晶体管的布局面积的比值约略为8倍。通过前述N型晶体管及P型电晶通道宽长比的施实方法，本实施例的振荡器100的输出信号的频率f，不易受到振荡器100的操作电压Vdd的飘移，而有太大的变化。

在实际操作方面，请一并参照图1与图2，以做更进一步地说明。图2显示本发明一实施例的振荡器100的参考端点P1的波形图。在进入上升周期T1时，反向器130于参考端点P2输出具有操作电压Vdd的高电压准位并且反相器140于输出端点O1反应出具有与参考接地端GND相同的低电压准位。此时，反向器130通过阻抗单元110对电容单元120充电。藉此，于上升周期T1时，参考端点P1的电压变化呈现上升的充电的曲线。当电容单元120耦接的参考端点P1被充电至大于反向器130的临界电压Vth时，反向器130的输出则会依据参考端点P1而转态，则反向器130于参考端点P2输出具有参考接地端GND的低电压准位，并且反向器140于输出端点O1输出具有操作电压Vdd的高电压准位。于此同时，参考端点P1感应到输出端点O1的电压提升至高电压准位Vrc1，并且进入下降周期T2。

于下降周期T2时，由于反相器130的输出如接地端GND的低电压准位至参考端点P2，则电容单元120通过阻抗单元110放电。藉此，参考端点P1的电压变化则呈现下降的放电曲线，并且参考端点P1的电压放电至小于反向器130的临界电压Vth时，反向器130及140的输出再度转态，使得参考端点P2及输出端点O1分别具有操作电压Vdd的高电压准位与参考接地端GND的低电压准位。此外，参考端点P1感应到输出端点O1的电压，则下拉至低电压准位Vrc2。接着，则又会再进入上升周期T1。通过对参考端点P1不断地充放电，上升周期T1与下降周期T2会不断的轮替，进而于输出端点O1输出周期性的信号。

藉由改变电容单元120的等效电容值，可改变在参考端点P1上电压的充放电至反向器130及140的临界电压Vth的时间，进而改变振荡器100的输出信号的频率。电容单元120还包括多个开关SW1～SW4，分别耦接在电容C1～C4与参考端点P1之间。开关SW1～SW4具有第一端、第二端、第三端及控制端，其中开关SW1～SW4的第一端各别耦接电容C1～C4的一端，开关SW1～SW4的第二端共同耦接参考端点P1，并且开关SW1～SW4的第三端共同耦接参考接地端GND。此外，开关SW1～SW4的控制端各别接收控制信号CTRL1～CTRL4，并且分别依据控制信号CTRL1～CTRL4来分别决定将耦接电容C1～C4的一端(也就是连接开关SW1～SW4的第一端)耦接至参考端点P1或是参考接地端GND。例如，若开关SW1接收到高电压准位的控制信号CTRL1，则开关SW1将电容C1的一端耦接至参考端点P1，反之若开关SW1接收到低电压准位的控制信号CTRL1，则开关SW1将电容C1的一端耦接至参考接地端GND。

在此，开关SW1～SW4的切换状态是可以分别依据控制信号CTRL1～CTRL4被独立设定的。并且本实施例中所提及的电容C1～C4的数量仅只是一个范例，并不用以限制本发明。

值得注意的是，上述控制信号CTRL1～CTRL4与开关SW1～SW4的切换方式，可以由使用者定义。故控制信号CTRL1～CTRL4与开关SW1～SW4的切换方式亦可定义为，当控制信号CTRL1～CTRL4为低电压准位时，将电容C1～C4的一端耦接至参考端点P1，而当控制信号CTRL1～CTRL4为高电压准位时，将电容C1～C4的一端耦接至参考接地端GND，惟本发明的开关的切换状态与控制信号的关系不限于上述。

由于电容单元120中的开关SW1～SW4接收控制信号CTRL1～CTRL4而切换，因此在另一实施例中，振荡器100还包括控制器160，耦接电容单元120并且用以分别产生控制信号CTRL1～CTRL4分别至开关SW1～SW4的控制端。在本发明一实施例中，控制器160可通过参考开关信息的方式，来决定每个开关SW1～SW4所接收的控制信号CTRL1～CTRL4的电压准位。举例来说，控制器160参考开关信息为数值1时，则开关SW1所接收的控制信号CTRL1为高电压准位，则开关SW2～SW4所分别接收的控制信号CTRL2～CTRL4为低电压准位，并据以将电容C1耦接至例如参考端点P1，而将电容C2～C4耦接至例如参考接地端GND。再举一个例子来说，开关信息为数值3时，则开关SW1及SW2分别接收到的控制信号CTRL1～CTRL2为高电压准位，而开关SW3～SW4所分别接收到的控制信号CTRL3～CTRL4为低电压准位。另外，在本实施例中，可以设定电容C1～C4的电容值间的比为等比数列，例如，电容C3的电容值为电容C2的2倍，而电容C2的电容值亦为电容C1的2倍。

其中，上述的开关信息可以依据振荡器100所要产生的输出信号的振荡频率来决定。

图3显示本发明一实施例的阻抗单元110的示意图。请一并参照图1与图3，为了解决集成电路中，电阻容易随着温度不同，进而造成振荡器100的输出信号的频率不稳定的现象，本实施例的阻抗单元110包括正温度系数电阻RP与负温度系数电阻RN。其中，正温度系数电阻RP由半导体制程中的N形井区(N-well)所组成，而负温度系数电阻RN由半导体制程中的多晶硅(poly)所构成。在本发明一实施例中，通过分别设置正温度系数电阻RP以及负温度系数电阻RN来提供振荡器100所需的等效电阻值，就可以有效的降低如现有的振荡器中所设置的电阻，因环境温度的改变所造成的漂移，而影响到振荡器产生的输出信号的频率的可能性。

图4显示本发明一实施例的振荡器100的操作电压与输出信号的频率的关系图，并且图5显示本发明一实施例的温度与振荡器100的与输出信号的频率的关系图。如图4所示，操作电压Vdd在1.1V至1.3V间飘动时，振荡器100的输出信号的频率维持在129kHz左右。另一方面，如图5所示，当温度变化从摄氏-40度至110度时，振荡器100的输出信号的频率从128kHz，最高偏移至129.5kHz左右，输出信号的频率的偏移幅度小于2kHz。如图4及图5所示，本发明实施例的振荡器100降低了其输出信号的频率与温度及操作电压的关联程度。

综上所述，本发明提供一种振荡器，其包括阻抗单元及电容单元。阻抗单元中的多个电容分别接受并依据控制信号，耦接至参考端点或是参考接地端。藉此，决定电容单元的等效电容值，并达到调整振荡器输出信号的频率的功能。再者，通过阻抗单元中的正温度系数电阻与负温度系数电阻，使振荡器的输出信号的频率不会随着温度变化而有过大的偏移。更进一步，本发明亦针对反向器的N型晶体管与P型晶体管的通道宽长比进行调整，降低了振荡器的输出信号的频率随着操作电压的变化所改变的程度。

虽然本发明已以实施例揭示如上，然其并非用以限定本发明，任何所属技术领域的普通技术人员，当可作些许更动与润饰，而不脱离本发明的精神和范围。

Claims (8)

1.一种振荡器，包括：

一阻抗单元，串接在一第一参考端点以及一第二参考端点间；

一电容单元，耦接在所述第一参考端点以及一输出端点间，并具有多个电容，所述多个电容的一端共同耦接至所述输出端点，且各所述电容的另一端依据一控制信号以决定耦接至所述第一参考端点或一参考接地端；

一第一反向器，其输入端耦接所述第一参考端点，其输出端耦接至所述第二参考端点；以及

一第二反向器，其输入端耦接所述第一反向器的输出端，所述第二反向器的输出端耦接至所述输出端点。

2.根据权利要求1所述的振荡器，其中还包括一第三反向器，其输入端耦接所述第二反向器的输出端，并且所述第三反向器输出一缓冲驱动信号。

3.根据权利要求1所述的振荡器，其中所述阻抗单元包括一正温度系数电阻与一负温度系数电阻，所述正温度系数电阻与所述负温度系数电阻串接于所述第一参考端点与所述第二参考端点之间。

4.根据权利要求3所述的振荡器，其中所述正温度系数电阻为N形井区所构成的电阻。

5.根据权利要求3所述的振荡器，其中所述负温度系数电阻为多晶硅所构成的电阻。

6.根据权利要求1所述的振荡器，其中所述电容单元还包括多个开关，各所述开关具有第一端、第二端、第三端及控制端，其中各所述开关的控制端接收所述控制信号，各所述开关的第一端耦接对应的各所述电容，所述多个开关的第二端共同耦接所述第一参考端点，并且所述多个开关的第三端共同耦接所述参考接地端。

7.根据权利要求6所述的振荡器，其中各所述电容串接于对应的各所述开关与所述第二参考端点之间。

8.根据权利要求6所述的振荡器，其中还包括：

一控制器，耦接所述电容单元，用以提供各所述控制信号至对应的各所述开关的控制端。

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