CN103701411A - 一种具有温度和工艺自补偿特性的cmos松弛振荡器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有温度和工艺自补偿特性的CMOS松弛振荡器，包括基准源、电容充放电电路、第一比较器、第二比较器和SR锁存器；所述基准源的基准电流

与电容充放电电路连接，基准源的基准电压

分别与第一比较器的同相输入端和第二比较器的同相输入端连接；第一比较器的反相输入端和第二比较器的反相输入端，分别与电容充放电电路连接；第一比较器的输出端与SR锁存器的R端连接，第二比较器的输出端与SR锁存器的S端连接。本发明所述具有温度和工艺自补偿特性的CMOS松弛振荡器，可以克服现有技术中成本高、可靠性低和工艺偏差大等缺陷，以实现成本低、可靠性高和工艺偏差小的优点。

Description

一种具有温度和工艺自补偿特性的CMOS松弛振荡器

技术领域

本发明涉及集成电路设计技术领域，具体地，涉及一种具有温度和工艺自补偿特性的CMOS松弛振荡器。

背景技术

振荡器是许多电子系统的主要模块，应用范围从微处理器中的时钟产生到无线通信系统中的载波合成。最通用的振荡器是石英晶体振荡器，晶体振荡器的性能很稳定，精度很高，但是由于采用了石英晶体，使得它不能与标准的集成电路工艺兼容，成本较高。利用标准CMOS工艺实现的片上振荡器来取代片外的晶振，对于降低系统成本，提高系统的集成度将有很大帮助。

对于标准的CMOS集成电路工艺，当环境为温度变化时，MOS晶体管的许多参数都都随之发生变化，导致振荡器的频率也随温度变化；而且在芯片加工制造过程中，批次与批次之间、芯片与芯片之间，晶体管的参数具有一定的离散性，导致了振荡器频率较大的工艺偏差。

在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术中至少存在成本高、可靠性低和工艺偏差大等缺陷。

发明内容

本发明的目的在于，针对上述问题，提出一种具有温度和工艺自补偿特性的CMOS松弛振荡器，以实现成本低、可靠性高和工艺偏差小的优点。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种具有温度和工艺自补偿特性的CMOS松弛振荡器，包括基准源、电容充放电电路、第一比较器、第二比较器和SR锁存器；

所述基准源的基准电流I_ref与电容充放电电路连接_，基准源的基准电压V_ref分别与第一比较器的同相输入端和第二比较器的同相输入端连接；第一比较器的反相输入端和第二比较器的反相输入端，分别与电容充放电电路连接；第一比较器的输出端与SR锁存器的R端连接，第二比较器的输出端与SR锁存器的S端连接。

进一步地，所述电容充放电电路，包括对称设置、且分别与基准源的基准电流I_ref连接的第一充放电支路和第二充放电支路；

所述第一充放电支路与第一比较器的反相输入端连接，第二充放电支路与第二比较器的反相输入端连接。

进一步地，所述第一充放电支路，包括第一开关Q1、第二开关Q2和第一电容C1，其中：

所述第一开关Q1的第一端与基准源的基准电流I_ref连接，第一开关Q1的第二端分别与第二开关Q2的第一端、第一电容C1的上极板和第一比较器的反相输入端连接；第二开关Q2的第二端和第一电容C1的下极板连接、并接地。

进一步地，所述第一开关Q1包括PMOS管M13，第二开关Q2包括NMOS管M15，第一电容C1由NMOS管构成；

所述PMOS管M13和NMOS管M15构成反相器，反相器的输入端接SR锁存器的输出端QB，反相器的输出端接第一电容C1的上极板。需要说明的是，PMOS和NMOS是构成开关的一种形式，用其他形式构成的开关应该也在专利保护的范围之内。

进一步地，所述第二充放电支路，包括第三开关Q3、第四开关Q4和第二电容C2，其中：

所述第三开关Q3的第一端与基准源的基准电流I_ref连接，第三开关Q3的第二端分别与第四开关Q4的第一端、第二电容C2的上极板和第二比较器的反相输入端连接；第四开关Q4的第二端和第二电容C2的下极板连接、并接地。

进一步地，所述第三开关Q3包括PMOS管M14，第四开关Q4包括NMOS管M16，第二电容C2由NMOS管构成；

所述PMOS管M14和NMOS管M16构成反相器，反相器的输入端接SR锁存器的输出端Q，反相器的输出端接第二电容C2的上极板。需要说明的是，PMOS和NMOS是构成开关的一种形式，用其他形式构成的开关应该也在专利保护的范围之内。

进一步地，所述基准源，包括NMOS管M1-M7和PMOS管M8-M12，所有NMOS管的衬底均接地，所有PMOS管的衬底和源级连接在一起，并接至电源VDD，所有PMOS管的栅极连接在一起并与PMOS管M9的漏极相连；

所述NMOS管M1、NMOS管M3、NMOS管M4、NMOS管M5和NMOS管M7的源级均接地；NMOS管M1的栅极和漏极连接在一起并与NMOS管M2的栅极和PMOS管M8的漏极相连，NMOS管M2的漏极与PMOS管M9的漏极相连，NMOS管M2的源级与NMOS管M3的漏极相连，NMOS管M4的栅极与漏极连接在一起并与NMOS管M3和NMOS管M7的栅极和PMOS管M10的漏极相连，NMOS管M5和NMOS管M6的栅极和漏极都连接在一起并与PMOS管M11的漏极相连，NMOS管M6的源级与NMOS管M7的漏极相连作为基准电压的输出端，PMOS管M12的漏极作为基准电流的输出端。

进一步地，所述NMOS管M1和NMOS管M2工作在亚阈值区，NMOS管M3工作在深线性区，NMOS管M4工作在饱和区，则流过NMOS管M3的电流表示为：

$I_{\mathrm{ref}}=\left(\frac{{2\mathrm{\η}}^2{k_3}^2}{k4}{\ln }^2\frac{{k_2}^2}{{k_1}^2}\right)\mathrm{\μ}{C}_{\mathrm{ox}}{V_T}^2;$

上式中，η为亚阈值斜率因子，k₁、k₂、k₃、k₄分别为NMOS管M1、NMOS管M2、NMOS管M3和NMOS管M4的宽长比，μ为载流子迁移率，C_ox为单位面积栅氧电容，V_T为热电压；

上式中括号中的项目于温度与工艺均没有关系，C_ox近似与温度没有关系，但是随工艺的变化较大，μ的温度系数大约为-2，V_T的温度系数为1，因此上式中的基准电流近似于温度无关，而与工艺参数有关，基准电流正比于工艺参数C_ox。

进一步地，所述PMOS管M11将基准电流按比例放大n倍后镜像到NMOS管M5和NMOS管M6两条支路，NMOS管M7将基准电流按比例放大m倍后镜像到NMOS管M6支路，那么流过NMOS管M5的电流为(n-m)I_ref，基准电压V_ref为NMOS管M5与NMOS管M6的栅源电压之差，表示为：

$V_{\mathrm{ref}}=V_{\mathrm{gs}5}-V_{\mathrm{gs}6}$

$=\mathrm{\η}{V}_T\ln \frac{(n-m)k_6}{{\mathrm{mk}}_5}+V_{\mathrm{th}5}-V_{\mathrm{th}6}$

$=\mathrm{\η}{V}_T\ln \frac{(n-m)k_6}{{\mathrm{mk}}_5}+(K_{\mathrm{th}5}-K_{\mathrm{th}6})T+V_{\mathrm{th}50}-V_{\mathrm{th}60};$

上式中，k₅、k₆分别为NMOS管M5和NMOS管M6的宽长比，K_th5、K_th6分别为NMOS管M5和NMOS管M6的阈值电压的温度系数，V_th50、V_th60分别为NMOS管M5和NMOS管M6的本征阈值电压；k₅、k₆和n，m均是可以在电路设计中自由调节的参数，通过调节k₅、k₆和n，m使上式中的前两项为0，从而基准电压V_ref就由NMOS管M5与NMOS管M6的本征阈值电压之差决定，即：

V_ref=V_th50-V_th60；

由于NMOS管M5与NMOS管M6同为N型MOS管，且在硅片上，两个MOS管处于非常接近的位置和环境，它们二者的工艺参数偏差是一致的，因此基准电压V_ref的工艺偏差被抵消，同时本征阈值电压与温度没有关系，因此基准电压V_ref既与温度无关也与工艺无关。

本发明各实施例的具有温度和工艺自补偿特性的CMOS松弛振荡器，由于包括基准源、电容充放电电路、第一比较器、第二比较器和SR锁存器；基准源的基准电流I_ref端与电容充放电电路连接，基准源的基准电压V_ref端分别与第一比较器的同相输入端和第二比较器的同相输入端连接；第一比较器的反相输入端和第二比较器的反相输入端，分别与电容充放电电路连接；第一比较器的输出端与SR锁存器的R端连接，第二比较器的输出端与SR锁存器的S端连接；可以解决现有的振荡器电路受温度和工艺影响较大的问题；从而可以克服现有技术中成本高、可靠性低和工艺偏差大的缺陷，以实现成本低、可靠性高和工艺偏差小的优点。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为本发明具有温度和工艺自补偿特性的CMOS松弛振荡器的工作原理示意图；

图2为本发明具有温度和工艺自补偿特性的CMOS松弛振荡器中基准源的电气原理示意图；

图3为本发明具有温度和工艺自补偿特性的CMOS松弛振荡器中电容充放电电路的电气原理示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

为了解决现有的振荡器电路受温度和工艺影响较大的问题，根据本发明实施例，如图1、图2和图3所示，提供了一种具有温度和工艺自补偿特性的CMOS松弛振荡器。

本实施例的具有温度和工艺自补偿特性的CMOS松弛振荡器，包括基准源、电容充放电电路、两个比较器（即比较器1和比较器2）和SR锁存器。基准源，分别与比较器1、比较器2和电容充放电电路连接，比较器1和比较器2分别与SR锁存器连接。

基准源产生一个基准电压和基准电流，基准电压作为两个比较器的正相输入端，基准电流注入电容充放电电路。电容充放电电路包含两条由开关和电容构成的充放电支路，其中电容是通过将CMOS晶体管来实现的，将CMOS晶体管的源极、漏极与衬底短接在一起，则CMOS晶体管的栅极与连接在一起的源极、漏极和衬底就形成了电容的两个极板，开关控制基准电流对电容的充放电，开关的打开与闭合由SR锁存器的输出状态控制。电容充放电电路的两个输出端，即两个电容的上极板分别于两个比较器的反相输入端相连接。两个比较器的输出端分别接至SR锁存器的置位端与复位端，SR锁存器输出两个相位相反的周期信号，两个周期信号之中的任意一个都可以作为振荡器的输出。

在上述实施例中，基准源，包括NMOS管M1-M7和PMOS管M8-M12，所有NMOS管的衬底均接地，所有PMOS管的衬底和源级连接在一起，并接至电源VDD，所有PMOS管的栅极连接在一起并与M9的漏极相连，NMOS管M1、M3、M4、M5、M7的源级均接地，M1的栅极和漏极连接在一起并与M2的栅极和M8的漏极相连，M2的漏极与M9的漏极相连，M2的源级与M3的漏极相连，M4的栅极与漏极连接在一起并与M3和M7的栅极和M10的漏极相连，M5和M6的栅极和漏极都连接在一起并与M11的漏极相连，M6的源级与M7的漏极相连作为基准电压的输出端，M12的漏极作为基准电流的输出端。

在上述实施例中，电容充放电电路，包含4个开关Q1、Q2、Q3、Q4和两个电容C1与C2，构成两条充放电支路，开关Q1、Q2与电容C1构成一条支路，开关Q3、Q4与电容C2构成另一条支路，开关Q1和Q4由锁存器的输出Q控制，开关Q1和Q4由锁存器的输出QB控制，锁存器的输出Q和QB是两个状态相反的信号，一个为“1”时，另一个为每条支路各由一对相反状态信号控制的开关和电容构成，其中一条充电时，另一条放电。

具体实施时，参见图1，上述实施例的具有温度和工艺自补偿特性的CMOS松弛振荡器，包括基准源、电容充放电电路、比较器1、比较器2和SR锁存器。基准源，分别与比较器1、比较器2和电容充放电电路连接，比较器1和比较器2分别与SR锁存器连接。

基准源产生一个基准电压V_ref和基准电流I_ref，基准电压V_ref作为两个比较器的正相输入端，基准电流注入电容充放电电路。电容充放电电路包含两条由开关和电容构成的充放电支路，其中电容是通过将CMOS晶体管来实现的，将CMOS晶体管的源极、漏极与衬底短接在一起，则CMOS晶体管的栅极与连接在一起的源极、漏极和衬底就形成了电容的两个极板，不妨使栅极为正极板，连接在一起的源极、漏极和衬底为下极板，开关控制基准电流对电容的充放电，开关的打开与闭合由SR锁存器的输出状态控制。

电容充放电电路包含4个开关Q1、Q2、Q3、Q4和两个电容C1与C2，构成两条充放电支路，开关Q1、Q2与电容C1构成一条支路，开关Q3、Q4与电容C2构成另一条支路，电容C1与C2是两个容值相同的电容，电容C1与C2的下极板均接地，电容C1的上极板作为电容充点电电路的一个输出端接至比较器1的反相输入端，电容C2的上极板作为电容充点电电路的另一个输出端接至比较器2的反相输入端，开关Q1和Q4由锁存器的输出Q控制，开关Q2和Q3由锁存器的输出QB控制，锁存器的输出Q和QB是两个相位相反的信号。当开关Q1与Q4打开时，开关Q2和Q3关闭，基准电流对电容C1充电，电容C2的电荷泄放到地；同理当开关Q2与Q3打开时，开关Q1和Q4关闭，基准电流对电容C2充电，电容C1的电荷泄放到地。比较器1的输出端接至SR锁存器的置位端S，比较器2的输出端接至SR锁存器的复位端R，SR锁存器输出两个相位相反的周期信号Q和QB，两个周期信号之中的任意一个都可以作为振荡器的输出。

电容C1与C2是两个容值相同的电容，设C1=C2=C，那么，上述实施例的具有温度和工艺自补偿特性的CMOS松弛振荡器的频率可以表示为：

$f=\frac{I_{\mathrm{ref}}}{2C{V}_{\mathrm{ref}}}.$

参见图2，在上述实施例的具有温度和工艺自补偿特性的CMOS松弛振荡器中，基准源，包括NMOS管M1-M7和PMOS管M8-M12，所有NMOS管（即NMOS管M1-M7）的衬底均接地，所有PMOS管（即PMOS管M8-M12）的衬底和源级连接在一起，并接至电源VDD，所有PMOS管的栅极连接在一起并与PMOS管M9的漏极相连，NMOS管M1、NMOS管M3、NMOS管M4、NMOS管M5和NMOS管M7的源级均接地；NMOS管M1的栅极和漏极连接在一起并与NMOS管M2的栅极和PMOS管M8的漏极相连，NMOS管M2的漏极与PMOS管M9的漏极相连，NMOS管M2的源级与NMOS管M3的漏极相连，NMOS管M4的栅极与漏极连接在一起并与NMOS管M3和NMOS管M7的栅极和PMOS管M10的漏极相连，NMOS管M5和NMOS管M6的栅极和漏极都连接在一起并与PMOS管M11的漏极相连，NMOS管M6的源级与NMOS管M7的漏极相连作为基准电压的输出端，PMOS管M12的漏极作为基准电流的输出端。

NMOS管M1和NMOS管M2工作在亚阈值区，NMOS管M3工作在深线性区，NMOS管M4工作在饱和区，则流过NMOS管M3的电流可以表示为：

$I_{\mathrm{ref}}=\left(\frac{{2\mathrm{\η}}^2{k_3}^2}{k_4}{\ln }^2\frac{{k_2}^2}{{k_1}^2}\right)\mathrm{\μ}{C}_{\mathrm{ox}}{V_T}^2;$

上式中，η为亚阈值斜率因子，k₁、k₂、k₃、k₄分别为NMOS管M1、NMOS管M2、NMOS管M3和NMOS管M4的宽长比，μ为载流子迁移率，C_ox为单位面积栅氧电容，V_T为热电压。上式中括号中的项目于温度与工艺均没有关系，C_ox近似与温度没有关系，但是随工艺的变化较大，μ的温度系数大约为-2，V_T的温度系数为1，因此上式中的基准电流近似于温度无关，而与工艺参数有关，基准电流正比于工艺参数C_ox。

PMOS管M11将基准电流按比例放大n倍后镜像到NMOS管M5和NMOS管M6两条支路，NMOS管M7将基准电流按比例放大m倍后镜像到NMOS管M6支路，那么流过NMOS管M5的电流为(n-m)I_ref，基准电压V_ref为NMOS管M5与NMOS管M6的栅源电压之差，可以表示为：

$V_{\mathrm{ref}}=V_{\mathrm{gs}5}-V_{\mathrm{gs}6}$

$=\mathrm{\η}{V}_T\ln \frac{(n-m)k_6}{{\mathrm{mk}}_5}+V_{\mathrm{th}5}-V_{\mathrm{th}6}$

$=\mathrm{\η}{V}_T\ln \frac{(n-m)k_6}{{\mathrm{mk}}_5}+(K_{\mathrm{th}5}-K_{\mathrm{th}6})T+V_{\mathrm{th}50}-V_{\mathrm{th}60};$

上式中，k₅、k₆分别为NMOS管M5和NMOS管M6的宽长比，K_th5、K_th6分别为NMOS管M5和NMOS管M6的阈值电压的温度系数，V_th50、V_th60分别为NMOS管M5和NMOS管M6的本征阈值电压。k₅、k₆和n，m均是可以在电路设计中自由调节的参数，通过调节k₅、k₆和n，m可以使上式中的前两项为0，从而基准电压V_ref就由NMOS管M5与NMOS管M6的本征阈值电压之差决定，即：

V_ref=V_th50-V_th60；

由于NMOS管M5与NMOS管M6同为N型MOS管，且在硅片上，两个MOS管处于非常接近的位置和环境，它们二者的工艺参数偏差是一致的，因此基准电压V_ref的工艺偏差被抵消，同时本征阈值电压与温度没有关系，因此基准电压V_ref既与温度无关也与工艺无关。

参见图3，在上述实施例的具有温度和工艺自补偿特性的CMOS松弛振荡器中，一电容充放电电路，包括PMOS管M13、M14，NMOS管M15、M16，以及两个由NMOS管构成的电容C1和C2。PMOS管M13、M15和M14、M16构成两个反相器，两个反相器的输入端分别接SR锁存器的输出端QB和Q，两个反相器的输出端分别接电容C1和C2的上极板。当Q为高电平时，QB为低电平，此时M13与M16导通，M14与M15截止，基准电流对电容C1充电，电容C2上的电荷泄放到地；当QB为高电平时，Q为低电平，此时M14与M15导通，M13与M16截止，基准电流对电容C2充电，电容C1上的电荷泄放到地。

电容C1与C2由完全相同的两个MOS管构成，它们的电容值C可以表示为：

C=WLC_ox；

上式中，W和L分别是MOS管沟道的宽度和长度，与工艺和温度均没有关系，C_ox为单位面积栅氧电容，将基准电压V_ref、基准电流I_ref和电容C的公式带入振荡器频率f的表达式中，电容C中的参数C_ox正好抵消了基准电流中的参数C_ox，因此得到的振荡器频率于工艺参数没有关系，也近似于温度没有关系。

综上所述，本发明上述各实施例的具有温度和工艺自补偿特性的CMOS松弛振荡器，至少可以达到以下有益效果：

⑴完全采用CMOS晶体管制成，具有工艺实现简单、面积小、成本低的优势；

⑵具有温度和工艺自补偿的特性，与输出频率有关的工艺和温度参数相互抵消，从而对环境温度变化和工艺参数偏差表现出高稳定性。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种具有温度和工艺自补偿特性的CMOS松弛振荡器，其特征在于，包括基准源、电容充放电电路、第一比较器、第二比较器和SR锁存器；

所述基准源的基准电流                                               

与电容充放电电路连接，基准源的基准电压

分别与第一比较器的同相输入端和第二比较器的同相输入端连接；第一比较器的反相输入端和第二比较器的反相输入端，分别与电容充放电电路连接；第一比较器的输出端与SR锁存器的R端连接，第二比较器的输出端与SR锁存器的S端连接。

2.根据权利要求1所述的具有温度和工艺自补偿特性的CMOS松弛振荡器，其特征在于，所述电容充放电电路，包括对称设置、且分别与基准源的基准电流

连接的第一充放电支路和第二充放电支路；

所述第一充放电支路与第一比较器的反相输入端连接，第二充放电支路与第二比较器的反相输入端连接。

3.根据权利要求2所述的具有温度和工艺自补偿特性的CMOS松弛振荡器，其特征在于，所述第一充放电支路，包括第一开关Q1、第二开关Q2和第一电容C1，其中：

所述第一开关Q1的第一端与基准源的基准电流连接，第一开关Q1的第二端分别与第二开关Q2的第一端、第一电容C1的上极板和第一比较器的反相输入端连接；第二开关Q2的第二端和第一电容C1的下极板连接、并接地。

4.根据权利要求3所述的具有温度和工艺自补偿特性的CMOS松弛振荡器，其特征在于，所述第一开关Q1包括PMOS管M13，第二开关Q2包括NMOS管M15，第一电容C1由NMOS管构成；

所述PMOS管M13和NMOS管M15构成反相器，反相器的输入端接SR锁存器的输出端QB，反相器的输出端接第一电容C1的上极板。

5.根据权利要求2所述的具有温度和工艺自补偿特性的CMOS松弛振荡器，其特征在于，所述第二充放电支路，包括第三开关Q3、第四开关Q4和第二电容C2，其中：

所述第三开关Q3的第一端与基准源的基准电流连接，第三开关Q3的第二端分别与第四开关Q4的第一端、第二电容C2的上极板和第二比较器的反相输入端连接；第四开关Q4的第二端和第二电容C2的下极板连接、并接地。

6.根据权利要求5所述的具有温度和工艺自补偿特性的CMOS松弛振荡器，其特征在于，所述第三开关Q3包括PMOS管M14，第四开关Q4包括NMOS管M16，第二电容C2由NMOS管构成；

所述PMOS管M14和NMOS管M16构成反相器，反相器的输入端接SR锁存器的输出端Q，反相器的输出端接第二电容C2的上极板。

7.根据权利要求1所述的具有温度和工艺自补偿特性的CMOS松弛振荡器，其特征在于，所述基准源，包括NMOS管M1-M7和PMOS管M8-M12，所有NMOS管的衬底均接地，所有PMOS管的衬底和源级连接在一起，并接至电源VDD，所有PMOS管的栅极连接在一起并与PMOS管M9的漏极相连；

所述NMOS管M1、NMOS管M3、NMOS管M4、NMOS管M5和NMOS管M7的源级均接地；NMOS管M1的栅极和漏极连接在一起并与NMOS管M2的栅极和PMOS管M8的漏极相连，NMOS管M2的漏极与PMOS管M9的漏极相连，NMOS管M2的源级与NMOS管M3的漏极相连，NMOS管M4的栅极与漏极连接在一起并与NMOS管M3和NMOS管M7的栅极和PMOS管M10的漏极相连，NMOS管M5和NMOS管M6的栅极和漏极都连接在一起并与PMOS管M11的漏极相连，NMOS管M6的源级与NMOS管M7的漏极相连作为基准电压的输出端，PMOS管M12的漏极作为基准电流的输出端。

Images