CN105656481B - 振荡频率具有极低温度离散的尾电流型环形振荡电路 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种振荡频率具有极低温度离散的尾电流型环形振荡电路。该振荡电路主要包括PTAT电流产生电路、恒定电流产生电路、尾电流型环形振荡电路、缓冲级。尾电流型环形振荡电路振荡频率与尾电流成线性关系，且当尾电流为恒定电流时振荡频率具有负温度系数。采用恒定电流和PTAT电流同时为环形振荡电路提供尾电流，恒定电流提供环形振荡电路振荡所需的大部分电流，PTAT电流补偿尾电流型环形振荡电路的负温度系数，这样可以实现振荡频率的极低温度离散。环形振荡电路反相级中PMOS的源端与衬底相接，减小振荡频率的电压离散。缓冲级整形输出信号波形。
Description
技术领域
本发明涉及环形振荡电路领域，尤其涉及振荡频率具有极低温度离散的尾电流型环形振荡电路。
背景技术
高稳定性的频率参考电路是时钟产生、频率综合器的关键器件。通常，我们使用外部晶体振荡器提供高稳定性的参考频率，实现几个ppm温度系数。在很多应用中，例如无线传感器网络中的接收机，需要的频率精度必须是几个百分点。
为了适应集成电路低成本、微型化的应用，必须实现片上高稳定性的振荡器，片上振荡器的稳定性能决定着集成电路的稳定性能。片上造成振荡器离散的原因包括工艺偏差、供电电压的偏差和温度的变化。工艺偏差包括栅氧厚度偏差、阈值电压偏差、晶体管尺寸的偏差（dWD和dLD）、温度梯度和机械应力带来的偏差等。供电电压的偏差主要是集成电路SOC系统中片上数字电路带来的供电电源噪声等。温度变化带来的偏差主要来自载流子迁移率和阈值电压随温度的变化。
近几年已经研究出很多补偿振荡电路PVT离散的方案，主要是调整振荡电路的控制电压或者控制电流为温度、工艺和电压的补偿函数，或者通过外部的电网频率自修调内部的振荡电路。对于在频率电压线性调整率上有更高要求的应用，可以通过片上低压差线性稳压器（LDO）来减小供电电压带的频率离散。
尾电流型环形振荡电路，结构简单，振荡频率由尾电流来确定。MOS管的性能和参数随工艺角、电压、温度的影响，振荡频率也随之改变。
公开号为CN105071801A的抗工艺、电压、温度变化的低功耗尾电流型环形振荡电路，该环形振荡电路的尾电流只采用PTAT电流补偿环形振荡电路的负温度系数，在tt工艺角下可以调整晶体管参数，使得PTAT电流正温度系数正好补偿环形振荡电路的负温度系数，但只要工艺角偏离，就很难正好补偿，振荡频率的温度离散又会变大。此补偿电路不适用对振荡频率温度离散要求很高的电路。
发明内容
本发明公开了一种振荡频率具有极低温度离散的尾电流型环形振荡电路。
一种振荡频率具有极低温度离散的尾电流型环形振荡电路，其包括：
PTAT电流产生电路，产生与温度呈正比的电流；
恒定电流产生电路，产生恒定电流；
尾电流型环形振荡电路，其振荡频率与尾电流呈线性关系，且当尾电流为恒定电流时具有负温度系数；
缓冲级，整形输出信号波形；
所述的PTAT电流和恒定电流同时为尾电流型环形振荡电路提供尾电流，其中恒定电流提供尾电流型环形振荡电路振荡所需的大部分电流，PTAT电流补偿尾电流型环形振荡电路的负温度系数；
所述的尾电流型环形振荡电路反相级中PMOS的源端与衬底相接，减小反相级中PMOS的体效应，减小PMOS阈值电压随供电电压的变化，减小振荡频率的电压离散。
所述的PTAT电流产生电路包括：
NMOS和PMOS 自偏置Cascode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Rext1，替代芯片内部离散大的电阻，ΔVBE/Rext1提供了PTAT电流，减小了PTAT电流的工艺离散。
所述的恒定电流产生电路包括：
带隙基准产生电路，产生低温漂的带隙基准电压VBG；
外部精密电阻Rext2和运算放大器，利用运放的闭环结构，产生恒定的电流Iconst=VBG/Rext2。
所述的带隙基准电压的工艺离散会导致振荡频率的工艺离散，带隙基准电压的工艺离散可以通过修调电路减小，进而减小环形振荡电路的工艺离散。
相比于现有技术，本发明的有益效果为，采用PTAT电流和恒定电流同时为尾电流型环形振荡电路提供尾电流，其中恒定电流提供环振振荡所需的大部分电流，PTAT电流补偿环形振荡电路的负温度系数；环形振荡电路反相级中PMOS的源端和体端接在一起，减小了PMOS的阈值电压随供电电压的变化，减小了振荡频率的电压离散。采用SMIC 0.18µmCMOS工艺进行仿真验证，以震荡频率为1.9MHz的振荡器为例，在-40~85℃，最差工艺角fs下振荡频率变化为±0.95%。
附图说明
图1是振荡频率具有极低温度离散的尾电流型环形振荡电路的一种结构框图；
图2是振荡频率具有极低温度离散的尾电流型环形振荡电路的PTAT电流产生电路的一种电路原理图；
图3是振荡频率具有极低温度离散的尾电流型环形振荡电路的恒定电流产生电路的一种电路原理图；
图4是振荡频率具有极低温度离散的尾电流型环形振荡电路中反相级的设计；
图5是tt 3.3V下振荡频率随温度（-40~85°C）的变化；
图6是tt 27°C下振荡频率随供电电压（3~3.6V）的变化。
具体实施方式
下面对一种振荡频率具有极低温度离散的尾电流型环形振荡电路进行详细描述。
图1是振荡频率具有极低温度离散的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电流产生电路，产生与温度呈正比的电流；恒定电流产生电路，产生恒定电流；尾电流型环形振荡电路，其振荡频率与尾电流呈线性关系，且当尾电流为恒定电流时具有负温度系数；缓冲级，整形输出信号波形。
图2是PTAT电流产生电路的一种电路原理图。PTAT电流产生电路包括NMOS和PMOS自偏置Cascode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Rext1，替代芯片内部离散大的电阻，ΔVBE /Rext1提供了PTAT电流，减小了PTAT电流的工艺离散。
图3是恒定电流产生电路的一种电路原理图。恒定电流产生电路包括带隙基准产生电路，产生低温漂的带隙基准电压VBG；外部精密电阻Rext2和运算放大器，利用运放的闭环结构，产生恒定的电流Iconst=VBG/Rext2。
所述的PTAT电流和恒定电流同时为尾电流型环形振荡电路提供尾电流，其中恒定电流提供环形振荡电路振荡所需的大部分电流，PTAT电流补偿尾电流型环形振荡电路的负温度系数。
图4是振荡频率具有极低温度离散的尾电流型环形振荡电路中反相级的设计，反相级中PMOS的源端与衬底相接，减小反相级中PMOS的体效应，减小PMOS阈值电压随供电电压的变化，减小振荡频率的电压离散。
带隙基准电压的工艺离散会导致振荡频率的工艺离散，带隙基准电压的工艺离散可以通过修调电路减小，进而减小环形振荡电路的工艺离散。
图5是tt 3.3V下振荡频率随温度（-40~85°C）的变化，振荡频率的温度离散为0.009/1.983=0.45%。在不同的工艺角下振荡频率随温度的变化见表1。从表1中可以看出，在tt 3.3V 27°C振荡频率的工艺离散，为（2.029-1.932）/1.983=4.9%，工艺离散很大。因为图3恒定电流产生电路中带隙电压VBG的工艺离散为4.2%，因而造成恒定电流4.2%的工艺离散。可以通过修调方法减小带隙电压的工艺离散，进而减小振荡频率的工艺离散。
图6是tt 27°C下振荡频率随供电电压（3~3.6V）的变化，振荡频率的电压离散为0.723*10-3/1.983=0.036%。在不同的工艺角下振荡频率随供电电压的变化见表2。
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 (2)
1.一种振荡频率具有极低温度离散的尾电流型环形振荡电路，其特征在于，包括：
PTAT电流产生电路，产生与温度呈正比的电流；
恒定电流产生电路，产生恒定电流；
尾电流型环形振荡电路，其振荡频率与尾电流呈线性关系，且当尾电流为恒定电流时具有负温度系数；
缓冲级，整形输出信号波形；
所述的PTAT电流和恒定电流同时为尾电流型环形振荡电路提供尾电流，其中恒定电流提供尾电流型环形振荡电路振荡所需的大部分电流，PTAT电流补偿尾电流型环形振荡电路的负温度系数；
所述的尾电流型环形振荡电路反相级中PMOS的源端与衬底相接，减小反相级中PMOS的体效应，减小PMOS阈值电压随供电电压的变化，减小振荡频率的电压离散；
所述的恒定电流产生电路包括：
带隙基准产生电路，产生低温漂的带隙基准电压VBG；
外部精密电阻Rext2和运算放大器，利用运放的闭环结构，产生恒定的电流Iconst=VBG/Rext2；
所述的带隙基准电压的工艺离散导致振荡频率的工艺离散，带隙基准电压的工艺离散通过修调电路减小，进而减小环形振荡电路的工艺离散。
2.如权利要求1所述的电路，其特征在于，所述的PTAT电流产生电路包括：
NMOS和PMOS 自偏置Cascode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Rext1，替代芯片内部离散大的电阻，ΔVBE/Rext1提供了PTAT电流，减小了PTAT电流的工艺离散。
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