CN105071801A - 抗工艺、电压、温度变化的低功耗尾电流型环形振荡电路 - Google Patents

抗工艺、电压、温度变化的低功耗尾电流型环形振荡电路 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种抗工艺、电压、温度变化的低功耗尾电流型环形振荡电路。该振荡电路主要包括PTAT基准电流产生电路、电流镜像电路、尾电流型环形振荡器、强下拉弱上拉缓冲级和缓冲级。PTAT基准电流产生电路使用外部精密电阻来产生精准的PTAT基准电流，该基准电流具有正温度系数。尾电流型环形振荡器振荡频率与尾电流成线性关系，且振荡频率具有负温度系数。电流镜像电路镜像具有正温度系数的PTAT基准电流为尾电流型环形振荡器供电，来补偿环形振荡器的负温度系数。此尾电流型环形振荡器具有自动抗工艺离散的功能。PTAT基准电流产生电路和电流镜像电路采用Cascode结构，环形振荡电路的振荡频率对电源电压的变化不敏感。此电路结构简单，功耗低。

Description

抗工艺、电压、温度变化的低功耗尾电流型环形振荡电路
技术领域
本发明涉及集成环形振荡器领域，尤其涉及抗工艺、电压、温度变化的低功耗尾电流型环形振荡电路。
背景技术
目前，诸如生物医学器件和传感器这样的低功耗、小尺寸、低成本的应用，促进了片上低功耗CMOS振荡器的研究。在CMOS工艺中，有很多方式可以来产生时钟信号，比如RC振荡器、LC振荡器、环形振荡器等等。
环形振荡器因其结构简单、使用方便、可调节范围强而应用在许多集成电路芯片中。但其振荡频率受温度和工艺参数的漂移以及电源电压抑制比的影响很大，对电路的稳定性造成很大的影响。所以必须充分考虑环形振荡频率对供电电压、温度、工艺稳定性的设计。
环形振荡器的性能受到温度、工艺参数漂移以及电源抑制比的影响，主要源于MOS管的性能随温度、工艺参数的漂移和电源电压而改变。当温度、工艺参数和电源电压变化时，载流子的迁移率和阈值电压将会随之改变，从而影响了环形振荡器的性能。温度、工艺参数和电源抑制比的补偿主要是通过采用温度、工艺、电源电压补偿电路来减小输出频率的波动。研究电路结构简单、低功耗、高电源抑制比、低温漂、工艺离散小的环形振荡器意义重大。
公开号为CN101751062A的中国专利文献公开了用于改善环形振荡器频率变动的低噪声基准电压产生电路，去除了对噪声进行放大的放大器，将与温度成正比的电流转化为与温度成正比的电压，并通过线性调节器给环形振荡器供电，补偿环形振荡器的温漂。但此电路的结构复杂，使用了修调电阻，制作工艺复杂，成本高。
公开号为CN103684354A的中国专利文献公开了一种环形振荡电路，采用两种反相器构成振荡电路。第一种反相器受正温度系数的电流控制产生正电源电压、负温度系数的反相器特性，第二种反相器通过CMOS反相器产生负电源电压、正温度系数的反相器特性。通过两种反相器特性的相互作用，形成了输出频率得到温度补偿和电源电压补偿的环形振荡器。但此振荡器并未考虑工艺带来的离散，实用性较差。
发明内容
本发明公开了一种抗工艺、电压、温度变化的低功耗尾电流型环形振荡电路。
一种抗工艺、电压、温度变化的低功耗尾电流型环形振荡电路，包括PTAT基准电流产生电路，产生与温度呈正比的基准电流；尾电流型环形振荡器，其振荡频率与尾电流成线性关系，具有负温度系数；电流镜像电路，镜像PTAT基准电流，为尾电流型环形振荡器供电；强下拉弱上拉缓冲级，把环形振荡器的振荡信号整形为满电源摆幅输出的振荡信号；缓冲级，整形强下拉弱上拉缓冲级输出的振荡信号。
所述的PTAT基准电流产生电路包括NMOS和PMOSCascode结构，保证流过两支路的电流相等，改善了电源抑制比；两个发射极面积呈一定比例的NPN晶体管，基极和发射极电压之差ΔVbe提供正温度系数，减小NPN晶体管的带来的工艺离散；外部精密电阻Rext，替代芯片内部离散大的电阻，ΔVbe/Rext提供了PTAT电流，减小了PTAT电流的工艺离散。
所述的PTAT基准电流产生电路产生的PTAT基准电流具有正温度系数，用来补偿尾电流型环形振荡器振荡频率的负温度系数。
所述的PTAT基准电流产生电路通过改变电流镜像电路的电流镜像比例、NPN晶体管的发射极面积之比，外部精密电阻Rext来改变PTAT电流的正温度系数。
所述的尾电流型环形振荡器电路通过改变奇数阶反相器中NMOS和PMOS的尺寸，或者改变反相器的阶数来改变负温度系数。
所述的电流镜像电路改善尾电流型环形振荡器的电源抑制比，减小环形振荡器振荡频率由于供电电压带来的离散。
所述的电流镜像电路采用Cascode电流镜。
所述的尾电流型环形振荡器，具有抗工艺离散的功能，以TT工艺角为基准：
当工艺处于FF工艺角，NMOS的阈值电压Vthn减小，PMOS的阈值电压Vthp减小，为了使流过PMOS的充电电流不变，整个环形振荡器的供电电压VRO也相应减小，反相器翻转的阈值电压VM也减小；当NMOS阈值电压Vthn比翻转阈值电压VM变化小时，NMOS的放电电流减小，等效供电电流IRO也减小，可以使振荡频率变化减小；
当工艺处于SS工艺角，NMOS的阈值电压Vthn增大，PMOS的阈值电压Vthp增大，为了使流过PMOS的充电电流不变，整个环形振荡器的供电电压VRO也相应增大，反相器的翻转阈值电压VM也增大；当NMOS阈值电压Vthn比翻转阈值电压VM变化小时，NMOS的放电电流增大，等效供电电流IRO也增大，可以使振荡频率变化减小；
当工艺处于FS工艺角，NMOS的阈值电压Vthn减小，PMOS的阈值电压Vthp增大，为了使流过PMOS的充电电流不变，整个环形振荡器的供电电压VRO也相应增大，反相器翻转的阈值电压VM也增大，NMOS的放电电流增大，等效供电电流IRO也增大，可以使振荡频率变化减小；
当工艺处于SF工艺角，NMOS的阈值电压Vthn增大，PMOS的阈值电压Vthp减小，为了使流过PMOS的充电电流不变，整个环形振荡器的供电电压VRO也相应减小，反相器翻转的阈值电压VM也减小；因为NMOS阈值电压Vthn变大。而翻转阈值电压VM变小，NMOS的放电电流减小较多，等效供电电流IRO也减小较多，会使振荡频率变小。只要调节好环形振荡器中NMOS和PMOS的尺寸，就可以使振荡频率的变化减小到可接受的范围。
所述的尾电流型环形振荡器的供电电压VRO等于电源电压减去电流镜像电路消耗的电压，所以环形振荡器的振荡摆幅为0-VRO，通过强下拉弱上拉缓冲级可以把振荡摆幅整形满电源摆幅的振荡信号。
相比于现有技术，本发明的有益效果为，此尾电流型环形振荡器电路结构简单，功耗低，振荡频率随工艺、电压、温度变化小。此尾电流型环形振荡器通过CSMC0.5μm5VCMOSMixedSignal工艺进行了仿真验证。以振荡频率为3.735MHz振荡器为例，此振荡器振荡频率在27℃时工艺离散减小到±0.58%；在温度-40~85℃、最差工艺角FS下，振荡频率变化为±2.2%；在电源电压4.5V~5.5V、最差工艺角FS下，振荡频率变化为±0.26%；整体功耗为25.78μA。
附图说明
图1是抗工艺、电压、温度变化的低功耗尾电流型环形振荡电路的一种结构框图；
图2是抗工艺、电压、温度变化的低功耗尾电流型环形振荡电路的一种内部电路原理图；
图3是尾电流型环形振荡器的振荡频率与尾电流的线性关系；
图4是尾电流型环形振荡器的振荡频率与温度的关系；
图5是PTAT电流正温度系数补偿尾电流型环形振荡器负温度系数后振荡频率与温度的关系；
图6是尾电流型环形振荡器振荡频率与电源电压的关系；
图7是尾电流型环形振荡器原始的振荡信号波形与经过强下拉弱上拉整形级之后信号波形。
具体实施方式
下面对抗工艺、电压、温度变化的低功耗尾电流型环形振荡电路进行详细描述。
图1是抗工艺、电压、温度变化的低功耗尾电流型环形振荡电路的一种结构框图。该电路主要包括PTAT基准电流产生电路，产生与温度呈正比的基准电流；尾电流型环形振荡器，其振荡频率与尾电流呈线性关系，具有负温度系数；电流镜像电路，镜像PTAT基准电流，为尾电流型环形振荡器供电；强下拉弱上拉缓冲级，把环形振荡器的振荡信号整形为满电源摆幅输出的振荡信号；缓冲级，整形振荡信号。
图2是抗工艺、电压、温度变化的低功耗尾电流型环形振荡电路的一种内部电路原理图。
PTAT基准电流产生电路包括：
NMOS和PMOSCascode结构，保证流过两支路的电流相等，改善了基准电路的电源抑制比；
两个发射极面积呈一定比例（M:1）的NPN晶体管，基极和发射极电压之差ΔVbe=VTln(M)=kTln(M)/q提供正温度系数，减小NPN晶体管带来的工艺离散；
外部精密电阻（Rext），替代芯片内部离散大的电阻，减小了PTAT电流的工艺离散，ΔVbe/Rext=kTln(M)/qRext提供了具有正温度系数的PTAT电流IPTAT。
所述的PTAT基准电流产生电路产生的PTAT基准电流具有正温度系数，用来补偿尾电流型环形振荡器振荡频率的负温度系数。
电流镜像电路，镜像PTAT基准电流N*IPTAT，为尾电流型环形振荡器供电（VRO，IRO=N*IPTAT）；电流镜像电路改善尾电流型环形振荡器的电源抑制比，减小环形振荡器振荡频率由于供电电压带来的离散。
奇数阶尾电流型环形振荡器，其振荡频率与尾电流呈线性关系。K阶尾电流型环形振荡器的振荡频率为：fOSC=IOR/K*CL*VOR，其中，IOR为环形振荡器的供电电流，VOR为环形振荡器的供电电压，CL为每一级反相器的负载电容。此尾电流型环形振荡的振荡频率与IOR的线性关系见图3所示。
因为此尾电流环形振荡器具有负温度系数，振荡频率与温度的关系见图4，在TT5V-40～85℃范围内频率离散为±10.5%。可以用具有正温度系数的PTAT电流N*IPTAT来补偿环形振荡器振荡频率的负温度系数。
N*IPTAT=N*kTln(M)/qRext，通过改变电流镜像电路的电流镜像比例N、NPN晶体管的发射极面积之比M，外部精密电阻Rext来改变PTAT电流的正温度系数；通过改变尾电流型环形振荡器奇数阶反相器中NMOS和PMOS的尺寸，或者反相器的阶数，来改变环形振荡器振荡频率的负温度系数。通过合理的调节各项参数，使得PTAT电流的正温度系数正好补偿尾电流型环形振荡器的负温度系数。图5为PTAT电流正温度系数补偿尾电流型环形振荡器负温度系数后振荡频率与温度的关系，在TT5V-40～85℃范围内频率离散为±0.8%。相比图4未补偿前频率离散±10.5%，补偿后的频率离散大大降低。
PTAT基准电流产生电路和尾电流型环形振荡器都采用Cascode结构，这样整体电路具有很高的电源抑制比，减小环形振荡器振荡频率由于供电电压带来的离散。尾电流型环形振荡器振荡频率与电源电压的关系见图6，在TT27℃4.5～5.5V电压范围内，振荡频率的离散为±0.08%。
奇数阶尾电流型环形振荡器，具有抗工艺离散的功能，以TT工艺角为基准。
当工艺处于FF工艺角，NMOS的阈值电压Vthn减小，PMOS的阈值电压Vthp减小，为了使流过PMOS的充电电流不变，整个环形振荡器的供电电压VRO也相应减小，反相器翻转的阈值电压VM也减小；当NMOS阈值电压Vthn比翻转阈值电压VM变化小时，NMOS的放电电流减小，等效供电电流IRO也减小，可以使振荡频率变化减小。
当工艺处于SS工艺角，NMOS的阈值电压Vthn增大，PMOS的阈值电压Vthp增大，为了使流过PMOS的充电电流不变，整个环形振荡器的供电电压VRO也相应增大，反相器的翻转阈值电压VM也增大；当NMOS阈值电压Vthn比翻转阈值电压VM变化小时，NMOS的放电电流增大，等效供电电流IRO也增大，可以使振荡频率变化减小。
当工艺处于FS工艺角，NMOS的阈值电压Vthn减小，PMOS的阈值电压Vthp增大，为了使流过PMOS的充电电流不变，整个环形振荡器的供电电压VRO也相应增大，反相器翻转的阈值电压VM也增大；NMOS的放电电流增大，等效供电电流IRO也增大，可以使振荡频率变化减小。
当工艺处于SF工艺角，NMOS的阈值电压Vthn增大，PMOS的阈值电压Vthp减小，为了使流过PMOS的充电电流不变，整个环形振荡器的供电电压VRO也相应减小，反相器翻转的阈值电压VM也减小；因为NMOS阈值电压Vthn变大。而翻转阈值电压VM变小，NMOS的放电电流减小较多，等效供电电流IRO也减小较多，会使振荡频率变小。只要调节好环形振荡器中NMOS和PMOS的尺寸，就可以使振荡频率的变化减小到可接受的范围。
表1是27℃时工艺角TTSSFFFSSF下尾电流型环形振荡器的振荡频率，可以看到振荡频率的离散为±0.57%。
尾电流型环形振荡器的供电电压VRO等于电源电压减去电流镜像电路消耗的电压，所以环形振荡器的振荡摆幅为0-VRO，通过强下拉弱上拉缓冲级可以把振荡摆幅整形满电源摆幅（0-VDD）的振荡信号，仿真结果见图7。
一种抗工艺、电压、温度变化的低功耗尾电流型环形振荡电路结构简单，功耗低，在TT5V27℃时，供电电流仅为25.78μA。
本发明的上述实施例仅仅是为说明本发明所作的举例，而并非是对本发明实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化和变动。凡是属于本发明的技术方案所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (9)

1.一种抗工艺、电压、温度变化的低功耗尾电流型环形振荡电路，其特征在于，包括：
PTAT基准电流产生电路，产生与温度呈正比的基准电流；
尾电流型环形振荡器，其振荡频率与尾电流成线性关系，具有负温度系数；
电流镜像电路，镜像PTAT基准电流，为尾电流型环形振荡器供电；
强下拉弱上拉缓冲级，把环形振荡器的振荡信号整形为满电源摆幅输出的振荡信号；
缓冲级，整形强下拉弱上拉缓冲级输出的振荡信号。
2.如权利要求1所述的电路，其特征在于，所述的PTAT基准电流产生电路包括：
NMOS和PMOSCascode结构，保证流过两支路的电流相等，改善了电源抑制比；
两个发射极面积呈比例的NPN晶体管，基极和发射极电压之差ΔVbe提供正温度系数，减小NPN晶体管的带来的工艺离散；
外部精密电阻Rext，替代芯片内部离散大的电阻，ΔVbe/Rext提供了PTAT电流，减小了PTAT电流的工艺离散。
3.如权利要求2所述的电路，其特征在于，所述的PTAT基准电流产生电路产生的PTAT基准电流具有正温度系数，用来补偿尾电流型环形振荡器振荡频率的负温度系数。
4.如权利要求2所述的电路，其特征在于，所述的PTAT基准电流产生电路通过改变电流镜像电路的电流镜像比例、NPN晶体管的发射极面积之比，外部精密电阻Rext来改变PTAT电流的正温度系数。
5.如权利要求1所述的电路，其特征在于，所述的尾电流型环形振荡器电路，通过改变奇数阶反相器中NMOS和PMOS的尺寸，或者改变反相器的阶数来改变负温度系数。
6.如权利要求1所述的电路，其特征在于，所述的电流镜像电路改善尾电流型环形振荡器的电源抑制比，减小环形振荡器振荡频率由于供电电压带来的离散。
7.如权利要求6所述的电路，其特征在于，所述的电流镜像电路采用Cascode电流镜。
8.如权利要求1所述的电路，其特征在于，所述的尾电流型环形振荡器，具有抗工艺离散的功能：
以TT工艺角为基准，
当工艺处于FF工艺角，NMOS的阈值电压Vthn减小，PMOS的阈值电压Vthp减小，为了使流过PMOS的充电电流不变，整个环形振荡器的供电电压VRO也相应减小，反相器翻转的阈值电压VM也减小；当NMOS阈值电压Vthn比翻转阈值电压VM变化小时，NMOS的放电电流减小，等效供电电流IRO也减小，可以使振荡频率变化减小；
当工艺处于SS工艺角，NMOS的阈值电压Vthn增大，PMOS的阈值电压Vthp增大，为了使流过PMOS的充电电流不变，整个环形振荡器的供电电压VRO也相应增大，反相器的翻转阈值电压VM也增大；当NMOS阈值电压Vthn比翻转阈值电压VM变化小时，NMOS的放电电流增大，等效供电电流IRO也增大，可以使振荡频率变化减小；
当工艺处于FS工艺角，NMOS的阈值电压Vthn减小，PMOS的阈值电压Vthp增大，为了使流过PMOS的充电电流不变，整个环形振荡器的供电电压VRO也相应增大，反相器翻转的阈值电压VM也增大，NMOS的放电电流增大，等效供电电流IRO也增大，可以使振荡频率变化减小；
当工艺处于SF工艺角，NMOS的阈值电压Vthn增大，PMOS的阈值电压Vthp减小，为了使流过PMOS的充电电流不变，整个环形振荡器的供电电压VRO也相应减小，反相器翻转的阈值电压VM也减小；因为NMOS阈值电压Vthn变大，而翻转阈值电压VM变小，NMOS的放电电流减小较多，等效供电电流IRO也减小较多，会使振荡频率变小；
只要调节好环形振荡器中NMOS和PMOS的尺寸，就可以使振荡频率的变化减小到可接受的范围。
9.如权利要求4所述的电路，其特征在于，所述的尾电流型环形振荡器的供电电压VRO等于电源电压减去电流镜像电路消耗的电压，所以环形振荡器的振荡摆幅为0-VRO，通过强下拉弱上拉缓冲级可以把振荡摆幅整形满电源摆幅的振荡信号。
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