CN105227180A - 一种环形振荡器电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种环形振荡器电路，用于实现温度补偿以稳定时钟频率，其特征在于，包括：一基准带隙单元，用于接收一电源电压并输出一与温度成反比的负温度系数电压以及一偏置电压；一线性稳压单元，用于接收该负温度系数电压以及该偏置电压，输出一放大后的负温度系数电压；一环形振荡单元，该环形振荡单元接收该大后的负温度系数电压作为工作电压，并输出稳定的该时钟频率；一电平转换单元，该电平转换单元接收该偏置电压用于将该环形振荡单元的工作电压由该放大后的负温度系数电压转换为该电源电压。

Description

一种环形振荡器电路

技术领域

本发明涉及一种时钟振荡器，尤其涉及一种可以实现温度补偿以稳定频率的环形振荡器电路。

背景技术

利用标准的CMOS工艺实现片上的时钟振荡器来取代片外的晶振，对于降低系统的成本，提高系统的集成度有极大的帮助。实现片上时钟振荡器主要面临的挑战是如何保证时钟频率的稳定性，使振荡频率不随温度和电源电压的变化而改变。传统环形振荡器的振荡频率受电源电压变化的影响很大，当电源电压降低50％时，频率降低50％以上。

图1所示为传统CMOS环形振荡电路的示意图。如图1所示，传统的CMOS环形振荡器，其中假定CMOS反相器中的上拉PMOS管在对电容C充电的过程中一直处于饱和状态，下拉NMOS管在放电过程中也一直处于饱和状态，且设上升时间等于下降时间，根据分析，振荡频率为f＝1/T，振荡周期为：

$T=\frac{N*\mathrm{VDD}*C}{{(\mathrm{VDD}-\mathrm{Vt})}^2}*(\frac{1}{\mathrm{\βn}}+\frac{1}{\mathrm{\βp}});$ 式中， $\frac{1}{{\mathrm{\β}}_{n,p}}=\frac{W}{L}*K_{n.p},$ K_n,p是与材料、工艺有关的参数，Vt是MOS管的阈值电压，N为反相器的级数。

可见，当阈值电压一定时，随电源电压的减小，充放电电流减小，上升沿、下降沿时间增大，从而导致振荡频率大大降低。当环境温度发生变化时，晶体管的参数会随之发生变化，从而引起振荡器的输出频率变化，电子迁移率μn，空穴迁移率μp，阈值电压V_THp，V_THn都会随温度而变化，其中：

μp∝T^-2.2

μn∝T^-2.2

V_THn＝V_THn0(1-knT)

V_THp＝V_THp0(1-kpT)

式中,kn和kp都大于0,V_THp0和V_THn0分别为PMOS管和NMOS管在温度300K时的阈值电压，可以得出振荡器的输出随着温度的升高频率也会升高。

可得出该结构的环形振荡器受温度和电源以及工艺偏差等影响很大，当温度在-40℃+85℃范围变化，工作电压在3V-6V变化时，振荡器的频率波动范围一般在30％以上，其频率精度无法满足很多应用场合的要求。

为了解决该技术问题，现有技术中提出了一些解决方案。如文献《一种频率稳定的改进型CMOS环形振荡器》载于《微电子学》第29卷第5期、文献《一种频率稳定的改进型CMOS环形振荡器》载于《机电工程》第28卷第2期，以及文献《一种频率稳定的集成CMOS环形振荡器》载于《微电子学》第33卷第3期。如图2所示，上述现有文献中所提出的改进型的CMOS环形振荡器主要是充放电通路上通过电阻限流，使主要的延迟由电阻通路产生，虽然频率有较大改善(当电源电压变化50％时，输出频率变化20％)，但它采用了集成电阻。这不仅增大了芯片面积，而且集成电阻阻值在工艺制造中的离散性很大(高达±20％)，还会进一步增大环振输出频率的不稳定性。

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种可以实现温度补偿以稳定频率的环形振荡器电路。

发明内容

为了克服现有技术中存在的缺陷，本发明提供一种可以实现温度补偿以稳定频率的环形振荡器电路。

为了实现上述发明目的，本发明公开一种环形振荡器电路，用于实现温度补偿以稳定时钟频率，其特征在于，包括：一基准带隙单元，用于接收一电源电压并输出一与温度成反比的负温度系数电压以及一偏置电压；一线性稳压单元，用于接收该负温度系数电压以及该偏置电压，输出一放大后的负温度系数电压；一环形振荡单元，该环形振荡单元接收该大后的负温度系数电压作为工作电压，并输出稳定的该时钟频率；一电平转换单元，该电平转换单元接收该偏置电压用于将该环形振荡单元的工作电压由该放大后的负温度系数电压转换为该电源电压。

更进一步地，该环形振荡器电路进一步包括：一校准单元，该校准单元与该线性稳压单元与该环形振荡单元连接，用于校准该放大后的负温度系数电压以及该时钟频率。

更进一步地，该基准带隙单元包括一带隙基准电路，用于产生一与绝对温度呈正比的电流；一基准电压产生电路，用于产生该负温度系数电压；以及一偏置电路，用于产生该偏置电压。

更进一步地，该带隙基准电路包括一呈镜像关系的第一第二PMOS管，一运算放大器，以及一呈镜像关系的第一第二三极管，该运算放大器的正极与该第一三极管之间包括一第一电阻。

更进一步地，该基准电压产生电路包括一第三PMOS管、一温度系统修调模块、一第二电阻以及一第三晶体管。

更进一步地，该偏置电路包括呈镜像关系的第四、第五PMOS管，以及呈镜像关系的第二第三NMOS管。

更进一步地，该基准带隙单元包括一第一电阻和一第二电阻，通过调节该第一第二电阻的阻值比以获得该负温度系数电压。

更进一步地，该温度系统修调模块用于对工艺偏差产生的误差进行修调。

更进一步地，该线性稳压单元包括一差分放大电路，该差分放大电路的负反馈电压等于该负温度系数电压。

更进一步地，该线性稳压单元还包括一反馈网络，该反馈网络通过调节反馈因子可产生正比于该负温度系数电压的该放大后的负温度系数电压。

更进一步地，该反馈网络包括一校准电路，用于校准该放大后的负温度系数电压。

更进一步地，该环形振荡单元还包括一校准电路，用于校准因工艺偏差造成的频率误差。

更进一步地，该电平转换单元将该时钟频率作为控制信号，控制一反相器输入端的充电或放电，以实现将该放大后的负温度系数电压转换为该电源电压。

更进一步地，该充电电流等于该放电电流。

与现有技术相比较，本发明所提供的环形振荡器电路传统环形振荡器的基础上增加了基准带隙电路，由于产生的稳定电压不随电源电压变化，因此可以屏蔽掉电源电压的影响，同时稳定电压会随温度产生变化，当环形振荡电路的输出频率随温度产生变化时，稳定电压会向相反的方向变化，会抵消掉温度的影响，因此可以产生一个与温度和电源电压无关的稳定频率。

附图说明

关于本发明的优点与精神可以通过以下的发明详述及所附图式得到进一步的了解。

图1是传统CMOS环形振荡电路的示意图；

图2是现有技术中所使用的CMOS环形振荡电路的示意图；

图3是本发明所涉及的高精度环形振荡器的结构示意图；

图4是本发明所涉及的环形振荡器的带隙基准电压单元的详细电路图；

图5是本发明所涉及的环形振荡器的线性稳压单元的详细电路图；

图6是本发明所涉及的环形振荡器的环形振荡单元的详细电路图；

图7是本发明所涉及的环形振荡器的电平振荡单元的详细电路图。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的具体实施例。

图3是本发明所涉及的高精度环形振荡器的结构示意图。如图3所示，本发明所提供的环形振荡器电路，包括：带隙基准单元101、线性稳压单元102、环形振荡单元104、校准单元103和电平转换单元105。

其中，带隙基准电压单元101的工作电压为电源电压VDD，并受到振荡器使能信号ENB控制，其输出电压Vref不受电源电压变化影响并对温度成反比，提供给线性稳压电路作为输入参考电平Vout，该带隙基准电压单元101还用于产生BIAS_P作为线性稳压电路的误差放大器的偏置电压和电平转换单元105的偏置电压。

线性稳压电路102的工作电压仍然为电源电压VDD，其偏置电压为前级带隙基准电压单元101产生的偏置电偏置电压BIAS_P，并受到振荡器使能信号ENB控制；通过比较输入参考电平Vref和输出电平的比例反馈，在其内部放大器的负反馈控制下，产生恒定的输出工作电压Vout，等比于所述带隙基准电压的稳定电压，并通过3位细调校准位对电压进行精确的修调。

环形振荡单元104，输出频率正比于温度和线性稳压源产生的稳定电压；环形振荡单元104还包括频率的粗调校准位，可对有工艺偏差造成的频率误差进行校准。

电平转换单元105通过环形振荡单元104产生的时钟信号作为控制信号，控制反相器的输入端的充电或放电，实现电平的转换，同时由于充电电流等于放电电流，故可以产生占空比为50％的时钟输出。

带隙基准电压单元101的电源电压VDD，系统使能信号ENB控制，产生不受电源电压变化影响和对温度成反比的输出电压Vref，同时提供偏置电压BIAS_P给线性稳压单元102和偏置电压BIAS_P给电平转换单元105。线性稳压单元102的基准输入接在带隙基准电压单元101的输出端，其工作电压也是电源电压VDD，其中的误差放大器由带隙基准电压单元101输出的偏置电压BIAS_P提供，其误差放大单元的负反馈控制产生等比于带隙基准电压Vref的基准电压Vout；电压控制环形振荡单元104在基准电压Vout下工作，输出稳定的摆幅为Vout的振荡频率。电平转换单元105的一输入端连接在电压控制环形振荡器104的输出端，第二输入端连接带隙基准电压单元的偏置电压BIAS_P的输出端，其工作电压是电源电压VDD，使得振荡信号的工作电压从基准电压Vout转换到电源电压VDD。由于电平转换单元105的充放电电流相等可以保证输出占空比为50％的设计指标频率。

本发明还采用线性稳压电路，给环形振荡器提供稳定的工作电压，同时采用校准电路103来抵消由于生产工艺条件变化而产生的频率偏差，并通过产生负温度系数的Vout稳定电压，来消除因温度改变造成的频率改变。

以下将具体结合图4-7详细说明该高精度环形振荡器各个单元的电路实现方式。

图4是本发明所涉及的环形振荡器的带隙基准电压单元的详细电路图。如图4所示，该带隙基准电压单元包括启动电路、带隙基准电路、基准电压产生电路及偏置电路。启动电路由PMOS管P6,P7系列(即图4中的P7_1至P7_6)串联，NMOS管N1，N5组成。基准带隙电路由PMOS管P1,P2，运放器，电阻R1，三极管Q1,Q2组成用于产生PTAT电流。基准电压产生电路由PMOS管P3,电阻R2，三极管Q3，温度系数修调模块组成。温度系数修调模块包括三个数字校准位，根据用户输入的不同数字信号，输出不同的温度系统。偏置电路由PMOS管P4,P5和NMOS管N2,N3组成以产生BIAS_P电压。

基准电压产生电路通过PTAT电流流过电阻和PNP双极型晶体管产生基准电压Vref，通过调节电阻R1、R2的阻值达到使基准电压Vref不受电源电压VDD的影响并与温度成反比的目的，并对电阻R2设置有3位的温度修调位，对工艺偏差产生的误差进行修调。偏置电路产生的BIAS_P电压，仍能产生与温度成正比的电流即PTAT电流。

带隙基准原理如下：由于运放的“虚短”特性(“虚短”特性指运放两输入端电压相等)使得INP和INN两端的电压相等，且P1,P2,P3成镜像关系(即电流I1＝I2＝I3)：

即：I₁*R₁+V_BE1＝V_BE2其中V_BE＝Vt*ln(I/I_ss)，(其中Vt＝KT/q，K为玻尔兹曼常数，T为热力学温度，q为电荷量，I为流过三极管集电极的电流，I_SS为三极管饱和电流)

化简公式得：I₁＝(Vt*ln(n))/R1其中n是q1管的并联个数(图中M＝n)。

由于Vt＝KT/q与温度成正比(ln(n)与温度无关，假设R1与温度也无关)，所以称I₁和I₁的镜像电流为PTAT(PATA：proportionaltoabsolutetemperature与绝对温度呈正比)电流。

知道了电流I₁，可得出V_REF端电压，V_REF＝I₃*R₂+V_BE3代入I₁(I₁＝I₂＝I₃)，得：

V_REF＝V_BE3+(R₂*Vt*ln(n))/R₁，

有公式可以看出U_BE与温度成反比，(R₂*Vt*ln(n))/R₁与温度成正比，可以通过调节两者比例系数，即通过调节R₂和R₁的阻值来改变Vref的温度系数，使其成为斜率可控的负温度系数的电压。其输出电压Vref不受电源电压变化影响并对温度成反比，提供给线性稳压电路作为输入参考电平，该带隙基准电压电路还用于产生BIAS_P作为线性稳压电路的误差放大器的偏置电压和偏置电压BIAS_P给电平转换电路。

图5给出图3中线性稳压电路的线路示意图，其工作电压仍然为电源电压VDD，其偏置电压为前级带隙基准电压电路产生的偏置电偏置电压BIAS_P，并受到振荡器使能信号ENB控制；其中P302,P303,P304，N302,N303,N304和R301，R302电阻串构成运算放大器，由于运放的虚短特性，使得运放两输入端电压相等，即IN(连接带隙基准电路的输出Vref)和FB(Vout经电阻分压产生)端电压相等，可以得出Vout＝(1+R301/R302)VFB即Vout＝(1+R301/R302)Vref。通过调节R301和R302电阻的反馈比例，产生一个电压特性与Vref相同，幅值是输入电压Vref的(1+R301/R302)倍的Vout。并通过3位细调校准位对电压进行精确的修调(通过数字部分控制电阻串R301和R302的比例，实现Vout的调整)。

图6给出了图3中环形振荡器的线路示意图，包括8位电容选择开关S400～S407之间是二进制方式布置，对工作电流进行二进制加权粗调，以修调由于生过程的工艺偏差带来的环形振荡器的工作频率的偏差。该环形振荡器的工作电压为线性稳压电路输出提供的工作电压Vout，并受到振荡器使能信号ENB控制。

图7给出了图1中电平转换电路的线路示意图，其工作电压为电源电压VDD使得振荡频率的信号电平从基准电压Vout转换到工作电压VDD，同时充放电电流都是由偏置电压BIAS_P提供，并呈镜像关系，可以保证输出占空比为50％的设计指标频率。

本说明书中所述的只是本发明的较佳具体实施例，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明的限制。凡本领域技术人员依本发明的构思通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在本发明的范围之内。

Claims (14)

1.一种环形振荡器电路，用于实现温度补偿以稳定时钟频率，其特征在于，包括：

一基准带隙单元，用于接收一电源电压并输出一与温度成反比的负温度系数电压以及一偏置电压；

一线性稳压单元，用于接收所述负温度系数电压以及所述偏置电压，输出一放大后的负温度系数电压；

一环形振荡单元，所述环形振荡单元接收所述大后的负温度系数电压作为工作电压，并输出稳定的所述时钟频率；

一电平转换单元，所述电平转换单元接收所述偏置电压用于将所述环形振荡单元的工作电压由所述放大后的负温度系数电压转换为所述电源电压。

2.如权利要求1所述的环形振荡器电路，其特征在于，所述环形振荡器电路进一步包括：一校准单元，所述校准单元与所述线性稳压单元与所述环形振荡单元连接，用于校准所述放大后的负温度系数电压以及所述时钟频率。

3.如权利要求1所述的环形振荡器电路，其特征在于，所述基准带隙单元包括一带隙基准电路，用于产生一与绝对温度呈正比的电流；一基准电压产生电路，用于产生所述负温度系数电压；以及一偏置电路，用于产生所述偏置电压。

4.如权利要求3所述的环形振荡器电路，其特征在于，所述带隙基准电路包括一呈镜像关系的第一第二PMOS管，一运算放大器，以及一呈镜像关系的第一第二三极管，所述运算放大器的正极与所述第一三极管之间包括一第一电阻。

5.如权利要求3所述的环形振荡器电路，其特征在于，所述基准电压产生电路包括一第三PMOS管、一温度系统修调模块、一第二电阻以及一第三晶体管。

6.如权利要求3所述的环形振荡器电路，其特征在于，所述偏置电路包括呈镜像关系的第四、第五PMOS管，以及呈镜像关系的第二第三NMOS管。

7.如权利要求1所述的环形振荡器电路，其特征在于，所述基准带隙单元包括一第一电阻和一第二电阻，通过调节所述第一第二电阻的阻值比以获得所述负温度系数电压。

8.如权利要求5所述的环形振荡器电路，其特征在于，所述温度系统修调模块用于对工艺偏差产生的误差进行修调。

9.如权利要求1所述的环形振荡器电路，其特征在于，所述线性稳压单元包括一差分放大电路，所述差分放大电路的负反馈电压等于所述负温度系数电压。

10.如权利要求9所述的环形振荡器电路，其特征在于，所述线性稳压单元还包括一反馈网络，所述反馈网络通过调节反馈因子可产生正比于所述负温度系数电压的所述放大后的负温度系数电压。

11.如权利要求10所述的环形振荡器电路，其特征在于，所述反馈网络包括一校准电路，用于校准所述放大后的负温度系数电压。

12.如权利要求1所述的环形振荡器电路，其特征在于，所述环形振荡单元还包括一校准电路，用于校准因工艺偏差造成的频率误差。

13.如权利要求1所述的环形振荡器电路，其特征在于，所述电平转换单元将所述时钟频率作为控制信号，控制一反相器输入端的充电或放电，以实现将所述放大后的负温度系数电压转换为所述电源电压。

14.如权利要求13所述的环形振荡器电路，其特征在于，所述充电电流等于所述放电电流。