CN104967446B - 一种环形振荡器 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例公开了一种环形振荡器，涉及集成电路技术领域，解决了现有环形振荡器的振荡频率不稳定的缺陷。本发明的一种频率稳定的环形振荡器，所述环形振荡器包括第一延时单元、第二延时单元和第三延时单元，所述第一延时单元的输出端与所述第二延时单元的输入端连接，所述第二延时单元的输出端与所述第三延时单元的输入端连接，所述第三延时单元的输出端与所述第一延时单元的输入端连接，所述第一延时单元的延时时间与所述环形振荡器的电源电压成反比，所述第二延时单元的延时时间与所述环形振荡器的电源电压成正比，所述第三延时单元的延时时间与所述环形振荡器的电源电压成反比。
Description
技术领域
本发明涉及集成电路技术领域，尤其涉及一种环形振荡器。
背景技术
振荡器是电子系统的重要组成部分，其为芯片提供准确的时钟信号。环形振荡器以其结构简单而得到广泛应用，其中，应用CMOS(Complementary Metal OxideSemiconductors，互补金属氧化物半导体)工艺制作的CMOS环形振荡器一般由多级标准CMOS反相器组成，每一级的输出端和输入端首尾相接构成环状。CMOS环形振荡器因具有结构简单、功耗可调和极高的工艺移植性而得到广泛应用。
在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术中至少存在如下技术问题：
现有的环形振荡器的振荡频率通常是不稳定的，特别地，环形振荡器容易受到电源电压或环境温度的影响而产生较大的频率偏移，使得环形振荡器无法满足对时钟频率有更高精度要求的系统。
发明内容
本发明提供一种环形振荡器，其能够解决环形振荡器容易随电源电压和环境温度而产生频率偏移的问题，以得到稳定的振荡频率。
本发明提供一种环形振荡器，所述环形振荡器包括第一延时单元、第二延时单元和第三延时单元，所述第一延时单元的输出端与所述第二延时单元的输入端连接，所述第二延时单元的输出端与所述第三延时单元的输入端连接，所述第三延时单元的输出端与所述第一延时单元的输入端连接，所述第一延时单元的延时时间与所述环形振荡器的电源电压成反比，所述第二延时单元的延时时间与所述环形振荡器的电源电压成正比，所述第三延时单元的延时时间与所述环形振荡器的电源电压成反比。
本发明提供的环形振荡器，包括第一延时单元、第二延时单元和第三延时单元，所述第一延时单元的输出端与所述第二延时单元的输入端连接，所述第二延时单元的输出端与所述第三延时单元的输入端连接，所述第三延时单元的输出端与所述第一延时单元的输入端连接，所述第一延时单元的延时时间与所述环形振荡器的电源电压成反比，所述第二延时单元的延时时间与所述环形振荡器的电源电压成正比，所述第三延时单元的延时时间与所述环形振荡器的电源电压成反比。与现有技术相比，其能够减少环形振荡器受到供电电压不稳定的影响，同时也能够减少环形振荡器受到应用环境温度抖动因素的影响，从而解决环形振荡器容易随电源电压和环境温度而产生频率偏移的问题，得到稳定的振荡频率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为本发明一种环形振荡器一实施例的结构示意图；
图2为本发明一种环形振荡器另一实施例的结构示意图；
图3为现有环形振荡器与图2中提供的环形振荡器受供电电压抖动的频率离散程度仿真图；
图4为现有环形振荡器与图2中提供的环形振荡器受应用环境的温度抖动的频率离散程度仿真图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明实施例提供一种环形振荡器，所述环形振荡器包括第一延时单元11、第二延时单元12和第三延时单元13，所述第一延时单元11的输出端与所述第二延时单元12的输入端连接，所述第二延时单元12的输出端与所述第三延时单元13的输入端连接，所述第三延时单元13的输出端与所述第一延时单元11的输入端连接，所述第一延时单元11的延时时间与所述环形振荡器的电源电压成反比，所述第二延时单元12的延时时间与所述环形振荡器的电源电压成正比，所述第三延时单元13的延时时间与所述环形振荡器的电源电压成反比。
本发明实施例提供的环形振荡器，包括第一延时单元、第二延时单元和第三延时单元，所述第一延时单元的输出端与所述第二延时单元的输入端连接，所述第二延时单元的输出端与所述第三延时单元的输入端连接，所述第三延时单元的输出端与所述第一延时单元的输入端连接，所述第一延时单元的延时时间与所述环形振荡器的电源电压成反比，所述第二延时单元的延时时间与所述环形振荡器的电源电压成正比，所述第三延时单元的延时时间与所述环形振荡器的电源电压成反比。与现有技术相比，其能够减少环形振荡器受到供电电压不稳定的影响，同时也能够减少环形振荡器受到应用环境温度抖动因素的影响，从而解决环形振荡器容易随电源电压和环境温度而产生频率偏移的问题，得到稳定的振荡频率。
如图2所示，本发明实施例提供一种环形振荡器，所述环形振荡器包括商用标准反相器21、电流饥饿型反相器22、商用标准反相器23，所述商用标准反相器21的输出端与所述电流饥饿型反相器22的输入端连接，所述电流饥饿型反相器22的输出端与所述商用标准反相器23的输入端连接，所述商用标准反相器23的输出端与所述商用标准反相器21的输入端连接。
其中，所述商用标准反相器21包括MOS管M1和MOS管M2，所述商用标准反相器23包括MOS管M3和MOS管M4，所述电流饥饿型反相器22包括偏置电路221和反向电路222，所述偏置电路221包括MOS管M5、MOS管M6和MOS管M7，所述反向电路222包括MOS管M8、MOS管M9、MOS管M10和MOS管M11。
具体地，所述M1的栅极和M2的栅极连接形成所述商用标准反相器21的输入端，所述M1的源极与所述M2的源极连接形成所述商用标准反相器21的输出端，所述M1的漏极与所述环形振荡器电源电压连接，所述M2的漏极接地；所述M3的栅极和M4的栅极连接形成所述商用标准反相器23的输入端，所述M3的源极与所述M4的源极连接形成所述商用标准反相器23的输出端，所述M3的漏极与所述电源电压连接，所述M4的漏极接地。
具体地，所述M5的栅极与所述M5的漏极连接，所述M5的漏极与所述M6的漏极连接，所述M5的源极与所述电源电压连接；所述M6的栅极与控制电压连接；所述M7的栅极与所述M7的漏极连接，所述M7的漏极与所述M6的源极连接，所述M7的源极与所述电源电压连接。
具体地，所述M8的栅极与所述M5的栅极连接，所述M8的源极与所述M9的漏极连接，所述M8的漏极与所述电源电压连接；所述M9的栅极与所述M10的栅极连接形成所述电流饥饿型反相器22的输入端，所述M9的源极与所述M10的源极连接形成所述电流饥饿型反相器22的输出端；所述M11的源极与所述M10的漏极连接，所述M11的栅极与所述M7的栅极连接，所述M11的漏极接地。
下面将简要介绍本实施例中提供的环形振荡器能够实现稳定的振荡频率的基本原理。
根据半导体物理器件中描述器件的方程可知：
商用标准反相器的延时为
电流饥饿型反相器的延时为
公式(1)和(2)中，tdelay是反相器延时，CL是负载电容，Cox是氧化层电容，VDD是供电电压，Vth是晶体管的阈值电压，其余参数是晶体管期间物理系数。
这里将常数定义为一个特定的符号，定义如下：
那么，商用标准反相器的延时可以近似为
电流饥饿型反相器的延时可以近似为
从方程(3)和(4)可知，商用标准反相器的延时与供电电压成反比关系，同时电流饥饿型反相器的延时与供电电压成正比关系。以此为据，可以得到在供电电压发生抖动时，延时的离散程度为：
商用标准反相器的延时离散可以近似为
电流饥饿型反相器的延时离散可以近似为
从方程(5)和(6)可知，商用标准反相器的延时离散与供电电压成反比关系，同时电流饥饿型反相器的延时离散与供电电压成正比关系。因此，如果将这两种类型的反相器组成一个新的延时单元，那么这个延时单元在供电电压抖动下的影响会很小。
由于商用标准反相器的延时离散与供电电压成反比关系，同时电流饥饿型反相器的延时离散与供电电压成正比关系，且由于参数C大于参数A，则将商用标准反相器和电流饥饿型反相器按着一定数量进行匹配(这里为1个电流饥饿型反相器和2个商用标准反相器进行匹配)得到的环形振荡器，其产生的时钟频率几乎不受到供电电压抖动的影响。
本发明实施例提供的环形振荡器，与现有技术相比，其能够减少环形振荡器受到供电电压不稳定的影响，同时也能够减少环形振荡器受到应用环境温度抖动因素的影响，从而解决环形振荡器容易随电源电压和环境温度而产生频率偏移的问题，得到稳定的振荡频率。
如图3所示，为现有的环形振荡器(由商用标准反相器构成的环形振荡器)与图2所示的本发明实施例的环形振荡器受供电电压抖动的频率离散程度仿真图，由图3可知，现有的环形振荡器的离散程度在-0.6～0.6之间，而本发明提供的环形振荡器的离散程度仅仅在-0.2～0.2之间，其大大降低了环形振荡器在供电电压下的频率离散程度，由此证明，本发明的环形振荡器的振荡频率是稳定的。
如图4所示，为现有的环形振荡器(由商用标准反相器构成的环形振荡器)与图2所示的本发明实施例的环形振荡器受应用环境的温度抖动的频率离散程度仿真图，由图4可知，现有的环形振荡器的延时随着温度的增大而不断增大，通过SPICE仿真可以清楚地看到，这个增大几乎是成线性的，而这个现象会大大使得环形振荡器不稳定。而图2所示的环形振荡器，通过仿真结果中看到在-60～120摄氏度这个较大的温度范围内，其提供的振荡频率是比较稳定，由此可证明，本发明提供的环形振荡器解决了延时容易受到应用环境的温度抖动因素的影响。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (1)
1.一种环形振荡器，其特征在于，所述环形振荡器包括第一延时单元、第二延时单元和第三延时单元，所述第一延时单元的输出端与所述第二延时单元的输入端连接，所述第二延时单元的输出端与所述第三延时单元的输入端连接，所述第三延时单元的输出端与所述第一延时单元的输入端连接，所述第一延时单元的延时时间与所述环形振荡器的电源电压成反比，所述第二延时单元的延时时间与所述环形振荡器的电源电压成正比，所述第三延时单元的延时时间与所述环形振荡器的电源电压成反比；
所述第一延时单元和所述第三延时单元均为商用标准反相器；所述第二延时单元为电流饥饿型反相器；
所述第一延时单元包括MOS管M1和MOS管M2，所述第三延时单元包括MOS管M3和MOS管M4，所述第二延时单元包括偏置电路和反向电路，所述偏置电路包括MOS管M5、MOS管M6和MOS管M7，所述反向电路包括MOS管M8、MOS管M9、MOS管M10和MOS管M11，其中，
所述M1的栅极和M2的栅极连接形成所述第一延时单元的输入端，所述M1的源极与所述M2的源极连接形成所述第一延时单元的输出端，所述M1的漏极与所述电源电压连接，所述M2的漏极接地；
所述M3的栅极和M4的栅极连接形成所述第三延时单元的输入端，所述M3的源极与所述M4的源极连接形成所述第三延时单元的输出端，所述M3的漏极与所述电源电压连接，所述M4的漏极接地；
所述M5的栅极与所述M5的漏极连接，所述M5的漏极与所述M6的漏极连接，所述M5的源极与所述电源电压连接；
所述M6的栅极与控制电压连接；
所述M7的栅极与所述M7的漏极连接，所述M7的漏极与所述M6的源极连接，所述M7的源极接地；
所述M8的栅极与所述M5的栅极连接，所述M8的源极与所述M9的漏极连接，所述M8的漏极与所述电源电压连接；
所述M9的栅极与所述M10的栅极连接形成所述第二延时单元的输入端，所述M9的源极与所述M10的源极连接形成所述第二延时单元的输出端；
所述M11的源极与所述M10的漏极连接，所述M11的栅极与所述M7的栅极连接，所述M11的漏极接地。
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