CN104113331A - 一种应用于电子标签中的新型环形振荡器 - Google Patents

Abstract

本发明属于集成电路设计领域，尤其涉及一种新型振荡器，本发明公开了一种应用于电子标签中的新型环形振荡器，包括电流镜，第一RS锁存器，第二RS锁存器，充电放电结构；所述电流境包括4个PMOS管；所述第一RS锁存器包括两个或非门,第二RS锁存器包括两个或非门；所述充电放电结构包括两个反相器、两个电容；为了减少传统环形振荡器产生频率时，对电压、工艺和温度的要求，同时保留环形振荡器的结构简单，面积小等优点，本发明提供的新型的环形振荡器结构，具有时钟电路功耗低，能产生时钟稳定且精度高的频率的特点。

Description

一种应用于电子标签中的新型环形振荡器

技术领域

本发明属于集成电路设计领域，尤其涉及一种新型振荡器。 

背景技术

现阶段应用于射频前端的振荡电路基本就只有两种：驰豫振荡器和环形振荡器。其中环形振荡器因其结构简单，面积小等优点，而使用广泛。但是传统环形振荡器都由反相器组成，因其对电压要求高，且频率严重依赖寄生电容，这使得对温度和工艺也有一定的要求。所以折中设计一款新型的环形振荡器是有必要的。 

发明内容

为了减少传统环形振荡器产生频率时，对电压、工艺和温度的要求，同时保留环形振荡器的结构简单，面积小等优点，本发明提供一种新型的环形振荡器结构。 

本发明的技术解决方案是： 

一种应用于电子标签中的新型环形振荡器，包括电流镜100，第一RS锁存器200，第二RS锁存器300，充电放电结构400；所述电流境100包括4个PMOS管101、102、103、104，其中，PMOS管101的栅极和漏极连接，并连接PMOS管102的源极和PMOS管103的栅极；PMOS管102的栅极和漏极连接，并连接基准电流Iref和PMOS管104的栅极；PMOS管101和PMOS管103的源极接电压源Vdd；PMOS管103的漏极连接PMOS管104的源极； 

所述第一RS锁存器200包括两个或非门201、202,第二RS锁存器300包括两个或非门301和302；或非门201、或非门202、或非门301、或非门302的上端均连接数字源Vdd_ZN，下端均连接地Vss； 

所述充电放电结构400包括两个反相器401和402、两个电容403和404；PMOS管104的漏极分别连接反相器401和反相器402电源端；反相器401的输出端连接着电容403，反相器402的输出端连接着电容404； 

反相器401的输出端连接第一RS锁存器200的置位输入端S1；反相器402的输出端连接第一RS锁存器200的复位输入端R1；第一RS锁存器200的Q1输出端接第二RS锁存器300的置位输入端S2；第一RS锁存器200的输出端Q1’接第二RS锁存器300的复位输入端R2；第二RS锁存器300的输出端Q2接反相器401的输入端；第二RS锁存器300的输出端Q2’接反相器402的输入端。时钟输出Clk_o连接第二RS锁存器300的输出端Q2’。 

采用本发明所述的时钟电路采用亚阈值技术，电流控制在nA级，因此功耗较低。其次，由基准提供的电流非常稳定，可忽略电压变化对电流的影响。最后，因为充放电时可忽略寄生电容的影响，所以频率对电压和工艺要求都比较低。因此上述发明能产生稳定且精度高、功耗低的时钟频率。 

附图说明

图1是本发明中基于RS锁存器的环形振荡器； 

图2是本发明中反相器401与电容403充放电原理图； 

图3是本发明中反相器402与电容404充放电原理图； 

图4是RS锁存器的特性表。 

具体实施方式

下面，结合附图对本发明的具体实施例进行具体的描述。 

如图1，是本发明所提供的一种新的环形振荡电路的结构，该新型环形振荡器包括一个共源共栅极的电流镜100，通过镜像，精确地复制基准电流Iref，为环形振荡器提供一个与电压、温度无关的充电电流Iosc。包括一个RS锁存器200，控制RS锁存器300的复位输入端R2和置位输入端S2。包括一个RS锁存器300，控制反相器401和反相器402的充放电。包括充放电结构400，其中反相器401与电容403充放电时控制RS锁存器200的置位输入端S1,其中反相器402与电容404充放电时控制RS锁存器200的复位输入端R1。 

PMOS管101、PMOS管102的长宽尺寸相等，PMOS管103、PMOS管104的长宽尺寸相等，并且PMOS管103、PMOS管104的长宽尺寸为PMOS管101、PMOS管102的长宽尺寸的两倍。PMOS管101、PMOS管102连接成共源共栅结构，PMOS管103、PMOS管104连接成共源共栅结构，然后做成电流镜，这样设计可以复制得到更精准的充电电流Iosc。推导公式如下： 

因为PMOS管101工作在饱和区。 

所以有： 

$I_{\mathrm{ref}}=\frac{1}{2}{\mathrm{\μ}}_p{C}_{\mathrm{ox}}{\left(\frac{W}{L}\right)}_1{\left(\right|V_{\mathrm{GS}1}|-V_{\mathrm{THp}1})}^2(1+\mathrm{\λ}{V}_{\mathrm{DS}1})$

其中I_ref为电路外部提供的基准电流，μ_p为PMOS管101、102、103、104的电子迁移率，C_ox为PMOS管101、102、103、104单位面积的栅氧化层电容， 为PMOS管101的沟道宽长比，V_GS1为PMOS管101栅极与源极之间的电压，V_DS1为PMOS管101漏极与源极之间的电压，V_THp1为PMOS管101的阈值电 压，λ表示给定的V_DS1增量所引起的沟道长度的相对变化量。 

对于PMOS管101和PMOA管103有： 

V_GS1＝V_DS1＝V_GS3

其中V_GS3为PMOS管103的栅极与源极之间的电压。 

又因为： 

V_X＝V_Z-V_GS2＝V_Z-V_GS4＝V_Y

其中V_X、V_Y、V_Z分别为图一中X、Y、Z三点的电压，V_GS2为PMOS管102的栅极与源极之间的电压，V_GS4为PMOS管104的栅极与源极之间的电压。 

可以得到： 

V_GS1＝V_DS1＝V_GS3＝V_DS3

其中V_DS3为PMOS管103的漏极与源极之间的电压。 

所以对PMOS管103有： 

$I_{D3}=\frac{1}{2}{\mathrm{\μ}}_p{C}_{\mathrm{ox}}{\left(\frac{W}{L}\right)}_3{\left(\right|V_{\mathrm{GS}3}|-V_{\mathrm{THp}3})}^2(1+\mathrm{\λ}{V}_{\mathrm{DS}3})$

其中I_D3为PMOS管103的漏电流，为PMOS管103的沟道宽长比V_THp3为PMOS管103的阈值电压。 

因为有V_THp1＝V_THp3，既有： 

$I_{D3}=I_{\mathrm{ref}}\frac{{\left(\frac{W}{L}\right)}_3}{{\left(\frac{W}{L}\right)}_1}$

因为PMOS管103的宽长比是PMOS管101的宽长比的2倍，所以： 

I_D3＝2I_ref

因此PMOS管103可以精确地复制基准电流Iref。 

同时由PMOS管103、PMOS管104组成的共源共栅结构有很高的输出阻抗，因此具备较高的驱动能力。 

假设RS锁存器300的初态输出Q2的初始状态为高，次态输出Q2’的初始状态为低。如图2所示，则此时反相器401中的PMOS1管截止，NMOS2管导通，导致电流源与地断开，电流I₁变为0，另一方面，电容403通过导通的NMOS1管与地形成通路对地放电，同时拉低RS锁存器200的置位输入端S1。 

与此同时，如图3所示，反相器402中的PMOS2管导通，NMOS2管截止，电流源电流Iosc与电流I₂相等，I₂通过PMOS2管对电容404充电，同时抬高RS锁存器200的复位输入端R1。 

电容403和电容404的容抗值相对于反相器401和反相器402的寄生电容的容抗值大的多，因此可以忽略寄生电容对时钟频率的影响，从而减少了对工艺的要求。 

从图4的表格中可知，当RS锁存器200的置位输入端S1为低电平，复位输入端R1为高电平，则有RS锁存器200的初态输出Q1，即RS锁存器300的置位输入端S2为高电平；RS锁存器200的次态输出Q1’，即RS锁存器300的复位输入端R2为低电平。 

当RS锁存器300的置位输入端S2为高电平，复位输入端R2为低电平：则有 RS锁存器300的初态输出Q2由高电平变为低电平，此时，反相器401中的PMOS1管导通，NMOS1管截止，电流源电流Iosc与电流I₁相等，I₁通过PMOS1管对电容403充电，同时抬高RS锁存器200的置位输入端S1；RS锁存器300的次态输出Q2’由低电平变为高电平，此时反相器402中的PMOS2管截止，NMOS2管导通，导致电流源与地断开，电流I₂变为0，另一方面，电容404通过导通的NMOS2管与地形成通路对地放电，同时拉低RS锁存器200的复位输入端R1。 

如此周而复始循环工作，就能在输出端Clk_o输出稳定的时钟。 

具体参考图2，我们可以更清楚的了解时钟频率产生的过程，并可以通过推导公式，可以得到时钟频率的估算值。推导公式如下： 

假设充电的时间为t₁，且电压V_P稳定，则有时间t₁内电容C₁存储的电荷量为Q： 

Q＝∫I_QSCdt₁＝C₁V_P

其中电容C₁为电容403的电容值。 

因为电流I_OSC＝I₁为与电压、温度和工艺无关的电流，所以有： 

$t_1=\frac{C_1{V}_P}{I_1}$

同理，参考图3，可得： 

$t_2=\frac{C_2{V}_P}{I_2}$

其中电容C₁为电容403的电容值。 

则时钟频率为： 

$f=\frac{1}{T}=\frac{1}{t_1+t_2}$ 。

Claims (1)

1.一种应用于电子标签中的新型环形振荡器，其特征在于：包括电流镜100，第一RS锁存器200，第二RS锁存器300，充电放电结构400；所述电流境100包括4个PMOS管，其中，PMOS管101的栅极和漏极连接，并连接PMOS管102的源极和PMOS管103的栅极；PMOS管102的栅极和漏极连接，并连接基准电流Iref和PMOS管104的栅极；PMOS管101和PMOS管103的源极接电压源Vdd；PMOS管103的漏极连接PMOS管104的源极；

所述第一RS锁存器200包括两个或非门,第二RS锁存器300包括两个或非门；或非门201、或非门202、或非门301、或非门302的上端均连接数字源Vdd_ZN，下端均连接地Vss；

所述充电放电结构400包括两个反相器、两个电容；PMOS管104的漏极分别连接反相器401和反相器402的电源端；反相器401的输出端连接着电容403，反相器402的输出端连接着电容404；反相器401的输出端连接第一RS锁存器200的置位输入端S1；反相器402的输出端连接第一RS锁存器200的复位输入端R1；第一RS锁存器200的输出端Q1接第二RS锁存器300置位输入端S2；第一RS锁存器(200)的输出端Q1’接第二RS锁存器300的复位输入端R2；第二RS锁存器300的输出端Q2接反相器401的输入端；第二RS锁存器300的输出端Q2’接反相器402的输入端。