CN105391429B - 一种环形振荡器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种环形振荡器，包括第一开关管，电阻，电容，第一反相器和第二反相器；所述第一开关管的第一端连接电源的输出端，第二端连接所述电阻的第一端、所述电容的第一端以及所述第一反相器的输入端，所述电阻的第二端与所述电容的第二端相连后接地，所述第一反相器的输出端连接所述第二反相器的输入端，所述第二反相器的输出端连接所述第一开关管的控制端；所述第一开关管的导通电阻值远小于所述电阻的阻值；所述第一反相器的输入信号下降沿的阈值电压随温度线性变化，且线性变化的比例系数在(0.5～3)mV/℃的范围内。本发明的环形谐振器的振荡频率不会随温度非线性地大幅度变化。

Description

一种环形振荡器

【技术领域】

本发明涉及模拟集成电路，特别涉及一种环形振荡器。

【背景技术】

振荡器可以产生周期性时钟信号，被广泛地使用于各种集成电路应用中。例如，在温度传感芯片设计中，通常需要高性能的参考时钟来辅助完成温度量化。

典型的振荡器一般涉及3个以上的奇数个反相器，振荡器的频率由每级反相器的延迟决定，而反相器的延迟取决于反相器的充放电电流及负载电容。因为晶体管中载流子迁移率随温度呈现指数变化，所以晶体管电流等参数都随温度显著变化，而且变化是非线性的。而对于温度传感芯片设计等应用，振荡器输出频率需要相对稳定，不能随温度非线性地大幅度变化。综上，亟需提出新的振荡器设计技术。

【发明内容】

本发明所要解决的技术问题是：弥补上述现有技术的不足，提出一种环形振荡器，其振荡频率不会随温度非线性地大幅度变化。

本发明的技术问题通过以下的技术方案予以解决：

一种环形振荡器，包括第一开关管，电阻，电容，第一反相器和第二反相器；所述第一开关管的第一端连接电源的输出端，第二端连接所述电阻的第一端、所述电容的第一端以及所述第一反相器的输入端，所述电阻的第二端与所述电容的第二端相连后接地，所述第一反相器的输出端连接所述第二反相器的输入端，所述第二反相器的输出端连接所述第一开关管的控制端；所述第一开关管的导通电阻值远小于所述电阻的阻值；所述第一反相器的输入信号下降沿的阈值电压随温度线性变化，且线性变化的比例系数在(0.5～3)mV/℃的范围内。

本发明与现有技术对比的有益效果是：

本发明的环形振荡器，通过开关管、电阻、电容以及两个反相器的连接改进，且开关管的导通电阻值远小于电阻的阻值，第一反相器的输入信号下降沿的阈值电压随温度线性变化，且线性变化的比例系数很小，从而振荡器工作产生的振荡频率随温度的变化近似为线性变化，且线性变化的系数接近或者等于0，远小于1，从而振荡频率不随温度变化或者仅随温度小幅度地线性变化，从而可有效地应用在大多数领域。

【附图说明】

图1是本发明具体实施方式的环形振荡器的结构示意图；

图2是本发明具体实施方式的环形振荡器中的反相器的等效结构示意图；

图3是本发明具体实施方式的环形振荡器工作时开关管的控制端栅极电极以及电容两端的电压的波形示意图；

图4是本发明具体实施方式的环形振荡器的一种优选结构示意图。

【具体实施方式】

下面结合具体实施方式并对照附图对本发明做进一步详细说明。

如图1所示，为本具体实施方式的环形振荡器的结构示意图。环形振荡器包括PMOS开关管MP、电阻R、电容C、第一反相器inv1、第二反相器inv2。其中，开关管MP的第一端连接电源VDD的输出端，第二端连接电阻R的第一端、电容C的第一端以及第一反相器inv1的输入端，电阻R的第二端与电容C的第二端相连后接地，第一反相器inv1的输出端连接第二反相器inv2的输入端，第二反相器inv2的输出端连接开关管MP的控制端。PMOS开关管MP的导通电阻值远小于电阻R的阻值。

第一反相器或者第二反相器的内部结构如图2所示，实现方式是一个PMOS开关管S2连接一个NMOS开关管S3。该实现方式下，第一反相器的输入信号下降沿的阈值电压即为PMOS开关管S2的阈值电压V_thp，而PMOS开关管S2的阈值电压V_thp随温度线性变化的表达式为：V_thp(T)＝V_thp0-α(T-T₀)，其中，T₀为25℃，V_thp0为25℃时PMOS开关管S2的阈值电压，α在(0.5～3)mV/℃的范围内。通过该实现方式，借助于PMOS开关管S2的阈值电压随温度线性变化，获得了第一反相器的输入信号下降沿的阈值电压随温度线性变化，且线性变化的比例系数在(0.5～3)mV/℃的范围内的目标。该实现方式结构简单，成本低。当然，其余可实现第一反相器的阈值电压的上述目标的方式，均可应用到方案中。

上述环形振荡器工作时，PMOS开关管MP的控制端栅极电极V_pc，以及电容C两端的电压V_out的波形图如图3所示。时钟周期t_clk由上升时间t_clk1和下降时间t_clk2两部分组成。工作原理如下：

第一阶段：当开关管MP的控制端栅极电压V_pc低于(VDD-Vth_mp)时(Vth_mp为开关管MP的阈值电压)，开关管MP导通，电容C的电压将被充电至VDD。由于电容C的电压V_out为高电平，经过inv1和inv2两个反相器，栅极电极V_pc将由低电平变化至高电平VDD，从而开关管MP被关断。

在对电容充电过程中，电容C的充电时间正比于C*Rx，Rx为等效电阻。在本具体实施方式的电路中，Rx为开关管MP的导通电阻并联电阻R后的阻值。而由于本具体实施方式中开关管MP的导通电阻足够小(远小于电阻R的阻值)，因此，等效电阻Rx就很小，则将电容C两端的电压充电至VDD的时间会很短暂，时钟周期中的上升时间t_clk1很小，从而可远远小于时间常数RC，即有

t_clk1<<RC (1)。

优选地，第一反相器inv1和第二反相器inv2的内部延时时间远小于时间常数RC，其中，R表示所述电阻的阻值；C表示所述电容的容值。由于两个反相器的内部延时也是时钟周期的一部分，将反相器延时设计得远小于时间常数RC，可尽可能地减小反相器延时在整个时钟周期中的比重，从而尽可能减小上升时间t_clk1，有助于使其远远小于时间常数RC，便于在后续做简化省略。

进一步优选地，如图4所示，在第二反相器inv2的输出端和开关管MP的栅极之间接入两个串联的反相器inv3和inv4。也即环形谐振器还可包括第三反相器inv3和第四反相器inv4。第三反相器inv3的输入端连接第二反相器inv2的输出端，第三反相器inv3的输出端连接第四反相器inv4的输入端，第四反相器inv4的输出端连接开关管MP的控制端。这样，反相器在小信号等效上可以理解为放大器，通过两级放大器，可以很快地放大信号，以来加速栅极电压Vpc由低电平变化至高电平VDD的时间。Vpc由低电平变化至高电平VDD的时间长短也是上升时间t_clk1长短的一个影响因素。因此，当增加两个反相器inv3和inv4加速Vpc由低电平变化至高电平VDD后，有助于缩短上升时间t_clk1，有助于使其远远小于时间常数RC，便于在后续做简化省略。

第二阶段：开关管MP关断后，电容C与等效电阻组成放电回路。此时，开关管MP的关断电阻无穷大，不会与C组成放电回路。则等效电阻为电阻R，因此即为电阻R和电容C组成放电回路。电容C两端的电压Vout由VDD开始下降，当Vout下降至(VDD-Vthp)时(Vthp为第一反相器inv1输入信号下降沿的阈值电压，也即PMOS开关管S2的阈值电压Vthp)，第一反相器inv1输出高电平，经过第二反相器inv2后，输出低电平，则栅极电压Vpc很快变化至低电平。振荡器将进入下一个周期的第一阶段，周而复始，最终电容C两端的电压Vout产生周期变化的时钟信号。在该电路中，开关管MP关断后，第一反相器inv1的输入电容相对C很小，可以忽略不计。在该放电过程中，放电回路由最简单的电阻R和电容C组成，可以推算出，电容的瞬态电压V(t)满足：

其中，V₀表示电容的初始电压，R为电阻R的阻值，C表示电容的容值。该电路中，电容C的初始电压为VDD，经过时间t_clk2后，电容电压下降至(VDD-Vthp)，可以计算出：

t_clk2＝RC·(ln(V_DD/(V_DD-V_thp)) (3)

综合第一阶段和第二阶段的分析，可得到振荡器的时钟周期为：

t_clk＝t_clk1+t_clk2≈RC·ln(V_DD/(V_DD-V_thp)) (4)

即振荡器的时钟周期依赖于电阻R、电容C、电源电压VDD及第一反相器中PMOS开关管S2的阈值电压V_thp。

本具体实施方式中，振荡器的电源电压由具有高电源抑制比的线性稳压器(LDO)来提供，所以振荡器的电源电压VDD可以保持恒定。电容选用金属-绝缘层-金属(MIM)电容，因此电容C的容值几乎不随温度变化。而电阻R的阻值是随温度线性变化的，例如片上电阻，其温度特性可以近似表达为：

R(T)＝R₀(1+TC(T-T₀)) (5)

其中R(T)为电阻在不同温度下的阻值，T₀为25℃，R₀为25℃时的电阻阻值，TC为电阻的温度系数，TC的数值一般在0.001量级左右。由不同材料制备的电阻会具备不同的温度系数TC，温度系数可以为正值，也可以为负值，但其绝对值均在0.001量级左右。

对于第一反相器中PMOS开关管S2的阈值电压V_thp，其随温度的变化的表达式为：

V_thp＝V_thp0－α·(T－T₀) (6)

其中，T₀为25℃，V_thp0为25℃时所述第一反相器中的PMOS开关管S2的阈值电压，为常数，在0.5V左右。α在(0.5～3)mV/℃的范围内。

将公式(5)和(6)代入公式(4)中，可以推算得到如下表达式(7)：

本具体实施方式中，第一反相器的输入信号下降沿的阈值电压随温度线性变化，且线性变化的比例系数在(0.5～3)mV/℃的范围内，值很小，则在一定温度范围内(如0～100℃)，可以近似计算得到如下表达式(8)：

各器件加工制作后，上述表达式中的参数V_thp0，α，TC都是常数，是固定的。如果这三个参数满足：为0，则该振荡器的时钟周期将不随温度变化。如果这三个参数满足：为非0，由于上述表达式中，V_thp0在0.5V左右，α在(0.5～3)mV/℃的范围内，电阻的温度系数TC在0.001量级，所以项经过计算后也是一个接近0且远小于1的值，即此时振荡器的时钟周期将随温度小幅度地线性变化。

综上，本具体实施方式的环形振荡器，通过开关管、电阻、电容以及两个反相器的连接改进，且开关管的导通电阻值远小于电阻的阻值，第一反相器的阈值电压随温度线性变化，且线性变化的比例系数很小，从而振荡器工作产生的振荡频率随温度的变化近似为线性变化，且线性变化的系数可为0或者为接近0，且远小于1的值，从而振荡频率不随温度变化或者仅随温度小幅度地线性变化。本具体实施方式的环形振荡器结构简单，时钟周期主要由电阻、电容等的参数决定，最终能产生稳定或者随温度小幅度线性变化的参考时钟，可有效地应用在大多数领域。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下做出若干替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种环形振荡器，其特征在于：包括第一开关管，电阻，电容，第一反相器和第二反相器；所述第一开关管的第一端连接电源的输出端，第二端连接所述电阻的第一端、所述电容的第一端以及所述第一反相器的输入端，所述电阻的第二端与所述电容的第二端相连后接地，所述第一反相器的输出端连接所述第二反相器的输入端，所述第二反相器的输出端连接所述第一开关管的控制端；所述第一开关管的导通电阻值远小于所述电阻的阻值，且所述电阻的阻值随温度线性变化；所述第一反相器的输入信号下降沿的阈值电压随温度线性变化，且线性变化的比例系数在(0.5～3)mV/℃的范围内；所述第一反相器的输入信号下降沿的阈值电压为V_thp与温度T的关系式为：V_thp＝V_thp0－α·(T－T₀)，其中，T₀为25℃，V_thp0为25℃时所述第一反相器的输入信号下降沿的阈值电压，α在(0.5～3)mV/℃的范围内；所述环形振荡器的时钟周期为其中，C表示所述电容的容值，V_DD表示所述电源的电压，R₀表示25℃时的所述电阻的阻值，TC表示所述电阻的温度系数，T₀为25℃，T表示环境温度。

2.根据权利要求1所述的环形振荡器，其特征在于：还包括第三反相器和第四反相器，所述第三反相器的输入端连接所述第二反相器的输出端，所述第三反相器的输出端连接所述第四反相器的输入端，所述第四反相器的输出端连接所述第一开关管的控制端。

3.根据权利要求1所述的环形振荡器，其特征在于：所述第一反相器和第二反相器的内部延时时间远小于RC，其中，R表示所述电阻的阻值；C表示所述电容的容值。

4.根据权利要求1所述的环形振荡器，其特征在于：所述第一反相器包括第二开关管和第三开关管；所述第二开关管为PMOS开关管，所述第三开关管为NMOS开关管；所述第二开关管的控制端与所述第三开关管的控制端相连，相连端作为所述第一反相器的输入端，所述第二开关管的第一端作为正电压输入端，所述第三开关管的第一端作为负电压输入端，所述第二开关管的第二端与所述第三开关管的第二端相连，相连端作为所述第一反相器的输出端。

5.根据权利要求1所述的环形振荡器，其特征在于：所述第二反相器包括第四开关管和第五开关管；所述第四开关管为PMOS开关管，所述第五开关管为NMOS开关管；所述第四开关管的控制端与所述第五开关管的控制端相连，相连端作为所述第二反相器的输入端，所述第四开关管的第一端作为正电压输入端，所述第五开关管的第一端作为负电压输入端，所述第四开关管的第二端与所述第五开关管的第二端相连，相连端作为所述第二反相器的输出端。

6.根据权利要求1所述的环形振荡器，其特征在于：所述电容为金属-绝缘层-金属结构的电容。

7.根据权利要求1所述的环形振荡器，其特征在于：所述电阻为片上电阻。

8.根据权利要求7所述的环形振荡器，其特征在于：所述电阻为具有正温度系数的电阻或者具有负温度系数的电阻。

9.根据权利要求1所述的环形振荡器，其特征在于：所述电源通过线性稳压器提供。