CN106209025A - 具有工艺及温度补偿的环形振荡器 - Google Patents

具有工艺及温度补偿的环形振荡器 Download PDF

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Abstract

具有工艺及温度补偿的环形振荡器，属于振荡器领域，本发明为解决现有技术中环形振荡器的环振频率受工艺参数以及温度变化影响的问题。本发明包括延迟单元、温度补偿模块和工艺补偿模块；所述的延迟单元包括奇数个以电容作负载的反相器；所述的温度补偿模块的主体电路为二阶温度补偿的带隙基准电流源，产生基本与温度无关的供电电流I_pow提供给延迟单元，使得其振荡频率基本不受温度变化的影响；所述的工艺补偿模块采用二极管连接的MOS管产生与工艺同步变化的电压通过LDO将其反映到延迟单元的供电电压ULdo_out上，来进行工艺补偿。

Description

具有工艺及温度补偿的环形振荡器
技术领域
本发明属于振荡器领域。
背景技术
振荡器简单的说就是一个频率源，不需要外接信号激励、自身就可以将直流电能转化为交流电能。振荡器自其诞生至今一直在通信、电子、航海航空、医学装备以及仪器仪表领域扮演着重要角色。振荡器按其振荡方式可分为自激振荡器和它激振荡器；按其输出波形的种类可以分为正弦波、方波、锯齿波等振荡器；按照其拓扑结构分为三种类型：环形振荡器、迟滞振荡器和LC振荡器。
近年以来，对于采用CMOS工艺的振荡器的研究主要集中在LC振荡器和环形振荡器，其中LC振荡器的噪声性能要优于环形振荡器而主要用于射频电路中，但是对于普通的集成电路设计来说大面积的电感增大了集成的难度。环形振荡器的结构相对简单更有利于集成，通过调整环形振荡器的级数可以有效的获得一系列不同相位信号的输出而应用于许多集成电路芯片的设计。但是，环形振荡器的振荡频率受工艺参数和温度的影响很大，对电路的稳定性造成了很大的影响。
发明内容
本发明目的是为了解决现有技术中环形振荡器的环振频率受工艺参数以及温度变化影响的问题。提供了一种具有工艺及温度补偿的环形振荡器。
本发明所述具有工艺及温度补偿的环形振荡器，包括延迟单元、温度补偿模块和工艺补偿模块；所述的延迟单元包括奇数个以电容作负载的反相器；所述的温度补偿模块的主体电路为二阶温度补偿的带隙基准电流源，产生基本与温度无关的供电电流I_pow提供给延迟单元，使得其振荡频率基本不受温度变化的影响；所述的工艺补偿模块采用二极管连接的MOS管产生与工艺同步变化的电压通过LDO将其反映到延迟单元的供电电压ULdo_out上，来进行工艺补偿。
温度补偿模块的优选方案如图3所示，温度补偿模块包括运放AMP2、PMOS管M10、NMOS管M11、PMOS管M12、PMOS管M13、PMOS管M14、PMOS管M15、PNP三极管P0、PNP三极管P1、PNP三极管P2、电阻R0、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4和电解电容C6；
供电电压ULdo_out同时连接运放AMP2的供电端子、PMOS管M10的源极、PMOS管M12的源极、PMOS管M13的源极、PMOS管M14的源极和PMOS管M15的源极；
运放AMP2的同相输入端接入的V2和反相输入端接入的V1的电压相等；运放AMP2的输出端Vc1连接NMOS管M11的栅极，NMOS管M11的漏极同时连接PMOS管M10的漏极及其栅极；NMOS管M11的源极接地；
PMOS管M12的栅极同时连接PMOS管M13的栅极、PMOS管M14的栅极和PMOS管M15的栅极；
PMOS管M12的漏极同时连接电阻R0的一端、电阻R1的一端和电阻R4的一端；
PMOS管M13的漏极同时连接电阻R3的一端、电阻R2的一端和PNP三极管P1的发射极；
电阻R0的另一端连接PNP三极管P0的发射极，电阻R1的另一端同时连接PNP三极管P0的集电极、PNP三极管P1的集电极和电阻R2的另一端，PNP三极管P0的基极连接PNP三极管P1的基极，并接地；
PMOS管M14的漏极同时连接电阻R3的另一端、电阻R4的另一端和PNP三极管P2的发射极，PNP三极管P2的基极及其集电极同时连接电解电容C6的负极，并接地；
PMOS管M15的漏极和电解电容C6的正极连接，其连接点引出线作为供电电流I_pow的引出端。
其中：电阻R1和电阻R2的阻值相等；电阻R3和电阻R4的阻值相等。
其中：PNP三极管P0和PNP三极管P2的发射极面积相等，PNP三极管P0的发射极面积为PNP三极管P1的发射极面积的8倍。
工艺补偿模块的优选方案如图4所示，工艺补偿模块包括带隙基准源电路、运放AMP1、PMOS管M21、电阻R6、电阻R7、电阻R8和电解电容Cc；
带隙基准源电路输出的带隙基准电压VREF接入运放AMP1的反相输入端，运放AMP1的输出端连接PMOS管M21的栅极，PMOS管M21的源极连接直流电源VDD；运放AMP1的同相输入端同时连接电阻R6的一端和电阻R7的一端；
电阻R7的另一端连接电阻R8的一端，并接地；
电阻R8的另一端连接电解电容Cc的负极；
PMOS管M21的漏极同时连接电阻R6的另一端和电解电容Cc的正极，并作为供电电压ULdo_out的引出端。
带隙基准源电路的优选方案：带隙基准源电路包括NMOS管M16、NMOS管M17、PMOS管M18、PMOS管M19、PMOS管M20、PMOS管MP、NMOS管MN和电阻R5；
直流电源VDD同时连接PMOS管M18的源极、PMOS管M19的源极和PMOS管M20的源极；
PMOS管M18的栅极及其漏极同时连接PMOS管M19的栅极、PMOS管M20的栅极和NMOS管M16的漏极；
NMOS管M16的栅极同时连接NMOS管M17的栅极及其漏极；NMOS管M16的源极连接电阻R5的一端；
NMOS管M17的源极同时连接电阻R5的另一端和NMOS管MN的源极，并接地；
NMOS管MN的栅极及其漏极连接PMOS管MP的栅极及其漏极；
PMOS管MP的源极连接PMOS管M20的漏极，二者的连接引出线同时作为带隙基准源电路输出的带隙基准电压VREF输出端。
本发明的优点：本发明所述的具有工艺和温度补偿的环形振荡器包括延迟单元、工艺补偿模块以及温度补偿模块。通过工艺补偿模块产生与工艺变化相关的电压给延迟单元作为电源电压来补偿延迟单元由于工艺变化而导致的振荡频率的变化；通过温度补偿模块来产生与温度无关的电流使延迟单元在宽温度范围内的振荡频率保持稳定。
本发明环形振荡器能够实现在宽温度范围内频率保持稳定，受工艺变化的影响很小。
附图说明
图1是本发明所述具有工艺及温度补偿的环形振荡器的原理框图；
图2是延迟单元的电路示意图；
图3是温度补偿模块的电路示意图；
图4是工艺补偿模块的电路示意图；
图5是环形振荡器的振荡频率随工艺角变化的仿真图；
图6是环形振荡器的振荡频率随温度变化的仿真图(工艺为ff)；
图7是环形振荡器的振荡频率随温度变化的仿真图(工艺为tt)；
图8是环形振荡器的振荡频率随温度变化的仿真图(工艺为ss)。
具体实施方式
具体实施方式一：下面结合图1至图8说明本实施方式，本实施方式所述具有工艺及温度补偿的环形振荡器。
图1为环形振荡器的整体原理框图，环形振荡器包括延迟单元1、工艺补偿模块3以及温度补偿模块2。所述的延迟单元1由奇数个反向器组成，其振荡频率受到工艺变化和温度漂移的影响，并且与其供电电压正相关；所述的工艺补偿模块3包括补偿电路和LDO电源电压产生电路，产生与工艺变化相关的供电电压；所述的温度补偿模块2即与温度无关的电流产生电路。通过工艺补偿模块3产生与工艺变化相关的电压给延迟单元1作为电源电压来补偿延迟单元1由于工艺变化而导致的振荡频率的变化；通过温度补偿模块2来产生与温度无关的电流使延迟单元1在宽温度范围内的振荡频率保持稳定。
所述的延迟单元1的每一级采用电容做负载的反相器，其振荡频率可以通过调节电容的大小来调节。其次延迟单元1由温度补偿模块2提供的电流I_pow来工作。
所述的温度补偿模块2由工艺补偿模块3产生的ULdo_out作为电源电压，温度补偿的主体电路采用二阶补偿的带隙基准电流源，为延迟单元1提供与温度基本无关的I_pow，使得其振荡频率在宽温度范围内可以保持稳定。
所述的工艺补偿模块3采用典型的LDO结构，LDO的基准电压由电流源流过两个二极管连接的PMOS管MP和NMOS管MN来提供，电流源采用基本的ΔVGS/R结构。
在图2中，I_pow为延迟单元1的供电电流，I_pow保持稳定那么环形振荡器的振荡频率就会保持稳定，当然也可以通过改变延迟单元1的负载电容的大小来调节振荡频率。在负载电容值一定的情况下，当工艺变化时延迟单元1的供电电压随工艺变化，当温度变化时I_pow基本保持不变，使得延迟单元1的延迟时间保持不变。环形振荡器的振荡频率由延迟单元1的数量和延迟时间决定，因此本发明可以达到温度和工艺补偿的目的。
图3所示为温度补偿模块2的电路示意图，该电路为基本的二阶温度补偿的带隙基准电流源。带隙基准电流源的一阶补偿电路采用带有运放钳位的传统带隙基准源电路，其中AMP2采用PMOS差分输入的两级运放，使得V1、V2的电位基本相等，P0的发射极面积为P1的8倍。因此，P0和P1的基极-发射极电压差ΔVBE作用在R0上产生PTAT电流，而同时在R1、R2上产生CTAT电流，两电流按照一定的比例进行叠加产生一阶补偿的基准电流。由于VBE的非线性一阶补偿的效果并不能满足电路的要求，因此本发明采用VBE线性化温度补偿的方式对电路进行二级补偿。如图3所示，P0和P2的基极-发射极电压差(P0和P2的发射极面积相等)加在R3、R4上，产生一个含TlnT项的电流与一阶补偿的电流以一定的比例叠加在一起得到二阶补偿的带隙基准电流，通过M15给延迟单元1提供与温度无关的电流I_pow。当温度变化时，I_pow不随温度变化因此延迟单元1也基本不受温度的影响而保持振荡频率的稳定。
与此同时，不同的工艺对环形振荡器的振荡频率的影响不同。就SMIC 0.18μm为例，当工艺角从ss→tt→ff依次变化时，MOS管(涉及环形振荡器中所有的MOS管)的阈值电压依次减小。而MOS管的阈值电压变小意味着延迟单元1的延迟时间缩短，相应的振荡频率变大，如图5所示。
图4为本发明的工艺补偿模块3的电路示意图，为延迟单元1提供供电电压ULdo_out，当工艺角变化时，ULdo_out随MOS管的阈值电压变化而变化来补偿延迟单元1因工艺变化而引起的振荡频率的变化。当工艺角变化而引起MOS管阈值电压变化时，MP、MN的阈值电压同时变化，意味着LDO的基准电压与工艺角同步变化，所以ULdo_out随工艺角的变化而进行调整。
SMIC 0.18μm工艺角从ss→tt→ff依次变化，MOS管的阈值电压依次减小，同时MN、MP的阈值电压也依次减小，LDO的基准电压VREF可以由(1)计算得到
VREF＝VGSN+VGSP＝VTHN+VTHP+VOD (1)
其中，VTHN、VTHP分别为MN和MP的阈值电压，VOD为MN和MP的阈值电压之和。由式(1)可以知道，当MOS管的阈值电压减小时，VREF也随之减小，LDO的输出ULdo_out也随之减小，然而当MOS管的阈值电压减小时，延迟单元1的延迟时间减小而振荡频率增大，这时ULdo_out减小，延迟单元1的供电电压减小，延迟时间增大而振荡频率降低，两项结果相互叠加抵消，达到工艺补偿的目的。延迟单元1的延迟时间受MOS管的阈值电压以及供电电压的影响，阈值电压的减小而造成的振荡频率增加通过阈值电压减小而产生的供电电压的减小来进行补偿，使得振荡频率在工艺变化时也能保持稳定。
实际的补偿性环形振荡器在不同工艺角下输出频率随温度变化的仿真图如图4～图7所示。主要仿真温度和工艺对环形振荡器振荡频率的影响。工艺角从ss→tt→ff依次变化，温度从-40℃～125℃变化，具体数值可参见表1。
表1环形振荡器前仿振荡频率(单位：MHz)
-40℃ -20℃ -10℃ 0℃ 20℃ 40℃ 80℃ 100℃ 125℃
ff 10.697 10.679 10.661 10.621 10.592 10.584 10.500 10.430 10.349
tt 9.449 9.419 9.407 9.392 9.349 9.312 9.208 9.149 9.067
ss 8.260 8.230 8.221 8.213 8.117 8.137 8.038 7.980 7.898
从表1的数据可以看出，在同一工艺角下，温度补偿效果良好，-40℃～125℃之间，振荡频率的最大变化值不超过0.4MHz；在同一温度下，工艺补偿效果良好，从ss→tt→ff依次变化，振荡频率的最大变化值不超过0.5MHz。

Claims (6)

1.具有工艺及温度补偿的环形振荡器，其特征在于，包括延迟单元(1)、温度补偿模块(2)和工艺补偿模块(3)；所述的延迟单元(1)包括奇数个以电容作负载的反相器；所述的温度补偿模块(2)的主体电路为二阶温度补偿的带隙基准电流源，产生基本与温度无关的供电电流I_pow提供给延迟单元(1)，使得其振荡频率基本不受温度变化的影响；所述的工艺补偿模块(3)采用二极管连接的MOS管产生与工艺同步变化的电压通过LDO将其反映到延迟单元(1)的供电电压ULdo_out上，来进行工艺补偿。
2.根据权利要求1所述具有工艺及温度补偿的环形振荡器，其特征在于，温度补偿模块(2)包括运放AMP2、PMOS管M10、NMOS管M11、PMOS管M12、PMOS管M13、PMOS管M14、PMOS管M15、PNP三极管P0、PNP三极管P1、PNP三极管P2、电阻R0、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4和电解电容C6；
供电电压ULdo_out同时连接运放AMP2的供电端子、PMOS管M10的源极、PMOS管M12的源极、PMOS管M13的源极、PMOS管M14的源极和PMOS管M15的源极；
运放AMP2的同相输入端接入的V2和反相输入端接入的V1的电压相等；运放AMP2的输出端Vc1连接NMOS管M11的栅极，NMOS管M11的漏极同时连接PMOS管M10的漏极及其栅极；NMOS管M11的源极接地；
PMOS管M12的栅极同时连接PMOS管M13的栅极、PMOS管M14的栅极和PMOS管M15的栅极；
PMOS管M12的漏极同时连接电阻R0的一端、电阻R1的一端和电阻R4的一端；
PMOS管M13的漏极同时连接电阻R3的一端、电阻R2的一端和PNP三极管P1的发射极；
电阻R0的另一端连接PNP三极管P0的发射极，电阻R1的另一端同时连接PNP三极管P0的集电极、PNP三极管P1的集电极和电阻R2的另一端，PNP三极管P0的基极连接PNP三极管P1的基极，并接地；
PMOS管M14的漏极同时连接电阻R3的另一端、电阻R4的另一端和PNP三极管P2的发射极，PNP三极管P2的基极及其集电极同时连接电解电容C6的负极，并接地；
PMOS管M15的漏极和电解电容C6的正极连接，其连接点引出线作为供电电流I_pow的引出端。
3.根据权利要求2所述具有工艺及温度补偿的环形振荡器，其特征在于，电阻R1和电阻R2的阻值相等；电阻R3和电阻R4的阻值相等。
4.根据权利要求2所述具有工艺及温度补偿的环形振荡器，其特征在于，PNP三极管P0和PNP三极管P2的发射极面积相等，PNP三极管P0的发射极面积为PNP三极管P1的发射极面积的8倍。
5.根据权利要求1或2所述具有工艺及温度补偿的环形振荡器，其特征在于，工艺补偿模块(3)包括带隙基准源电路(3-1)、运放AMP1、PMOS管M21、电阻R6、电阻R7、电阻R8和电解电容Cc；
带隙基准源电路(3-1)输出的带隙基准电压VREF接入运放AMP1的反相输入端，运放AMP1的输出端连接PMOS管M21的栅极，PMOS管M21的源极连接直流电源VDD；运放AMP1的同相输入端同时连接电阻R6的一端和电阻R7的一端；
电阻R7的另一端连接电阻R8的一端，并接地；
电阻R8的另一端连接电解电容Cc的负极；
PMOS管M21的漏极同时连接电阻R6的另一端和电解电容Cc的正极，并作为供电电压ULdo_out的引出端。
6.根据权利要求5所述具有工艺及温度补偿的环形振荡器，其特征在于，带隙基准源电路(3-1)包括NMOS管M16、NMOS管M17、PMOS管M18、PMOS管M19、PMOS管M20、PMOS管MP、NMOS管MN和电阻R5；
直流电源VDD同时连接PMOS管M18的源极、PMOS管M19的源极和PMOS管M20的源极；
PMOS管M18的栅极及其漏极同时连接PMOS管M19的栅极、PMOS管M20的栅极和NMOS管M16的漏极；
NMOS管M16的栅极同时连接NMOS管M17的栅极及其漏极；NMOS管M16的源极连接电阻R5的一端；
NMOS管M17的源极同时连接电阻R5的另一端和NMOS管MN的源极，并接地；
NMOS管MN的栅极及其漏极连接PMOS管MP的栅极及其漏极；
PMOS管MP的源极连接PMOS管M20的漏极，二者的连接引出线同时作为带隙基准源电路(3-1)输出的带隙基准电压VREF输出端。
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