CN106209083B

CN106209083B - 环形振荡电路和环形振荡器

Info

Publication number: CN106209083B
Application number: CN201510215867.3A
Authority: CN
Inventors: 贾海珑
Original assignee: Semiconductor Manufacturing International Shanghai Corp
Current assignee: Semiconductor Manufacturing International Shanghai Corp
Priority date: 2015-04-29
Filing date: 2015-04-29
Publication date: 2019-07-16
Anticipated expiration: 2035-04-29
Also published as: CN106209083A

Abstract

本申请公开了一种环形振荡电路和环形振荡器。其中，该环形振荡电路包括：用于输出偏置电流的参考电压产生电路、偏置电路和环形振荡结构，偏置电路包括：第一NMOS晶体管，漏极和栅极连接到参考电压产生电路的偏置电流输出端；第二NMOS晶体管，栅极和漏极均与第一NMOS晶体管的源极相连接，第二NMOS晶体管的源极接地；第三NMOS晶体管，栅极与第一NMOS晶体管的栅极相连接，漏极与第一PMOS晶体管的漏极相连接；以及电阻R，一端与第三NMOS晶体管的源极相连接，电阻R包括串联的具有正温度系数的第一电阻和具有负温度系数的第二电阻。通过本申请，解决了现有技术无法在降低温度系数对环形振荡器输出振荡频率的影响的同时减低功耗和面积的技术问题。

Description

环形振荡电路和环形振荡器

技术领域

本申请涉及半导体领域，具体而言，涉及一种环形振荡电路和环形振荡器。

背景技术

时钟源作为系统芯片中必不可少的电路模块，其频率稳定性直接影响系统芯片的性能。通常数字系统利用片外石英晶体振荡器来得到时钟源信号。石英晶振拥有优越的电压和温度的特性，能够稳定地工作，但是难以集成到芯片内部，且附加了器件成本，阻碍了芯片的高度集成化。

在标准CMOS工艺中，主要采用环形振荡器，但其振荡频率受温度和工艺的变化影响很大。工艺变化对振荡频率的影响一般可以通过微调振荡器的电流开关来调节，而环境温度变化对振荡频率的影响就需要更为复杂的电路结构来克服。

在很多低温度系数振荡器设计中，采用温度检测电路、锁存电路以及数字校准等技术根据检测到的温度调整电路，从而达到降低振荡器温度系数的目的,但是这些电路同时也增加了振荡器的功耗和面积。

针对上述的问题，目前尚未提出有效的解决方案。

发明内容

本申请实施例提供了一种环形振荡电路和环形振荡器，以至少解决现有技术无法在降低温度系数对环形振荡器输出振荡频率的影响的同时减低功耗和面积的技术问题。

根据本申请实施例的一个方面，提供了一种环形振荡电路，包括：包括用于输出偏置电流的参考电压产生电路、偏置电路和环形振荡结构，其中，所述偏置电路包括：第一NMOS晶体管，漏极和栅极连接到所述参考电压产生电路的偏置电流输出端；第二NMOS晶体管，栅极和漏极均与所述第一NMOS晶体管的源极相连接，所述第二NMOS晶体管的源极接地；第三NMOS晶体管，栅极与所述第一NMOS晶体管的栅极相连接，漏极与第一PMOS晶体管的漏极相连接，其中，所述第一PMOS晶体管的源极连接到电源，所述第一PMOS晶体管的栅极与所述第一PMOS晶体管的漏极相连接，并向所述环形振荡结构输出偏置电压V_PB；以及电阻R，一端与所述第三NMOS晶体管的源极相连接，另一端接地，所述电阻R包括串联的具有正温度系数的第一电阻和具有负温度系数的第二电阻，用于补偿所述环形振荡结构的温度系数。

进一步地，用于产生参考电压的参考电压产生电路包括：带隙基准电压源，用于产生并输出参考电压Vref；运算放大器，正相输入端与所述带隙基准电压源的输出端相连接，用于接收所述带隙基准电压源输出的所述参考电压Vref；第四NMOS晶体管，栅极与所述运算放大器的输出端相连接，源极与所述运算放大器A2的反向输入端相连接；一对镜像的PMOS晶体管，其中一个PMOS晶体管的漏极与所述第四NMOS晶体管的漏极相连接，另外一个PMOS晶体管的漏极输出偏置电流I_B，所述一对镜像的PMOS晶体管的栅极相连接，源极均连接至电源；电阻R_B，一端与所述第四NMOS晶体管相连接，另一端接地，其中，所述电阻R_B包括串联的具有正温度系数的第三电阻和具有负温度系数的第四电阻。

进一步地，所述一对镜像的PMOS晶体管输出的偏置电流I_B＝参考电压Vref/电阻R_B，其中，所述电阻R_B为所述第三电阻和第四电阻进行温度补偿后的低温度系数的电阻。

进一步地，所述第三电阻和第四电阻为电阻可调阵列。

进一步地，所述第三电阻为低阻值多晶硅电阻，所述第四电阻为高阻值多晶硅电阻。

进一步地，所述环形振荡结构包括首尾相连的多个反相器，其中，所述多个反相器中的任意一个反相器包括：第二PMOS晶体管，栅极与所述偏置电路的偏置电压输出端相连接，漏极连接至电源；第三PMOS晶体管，漏极与所述第二PMOS晶体管的源极相连接；第五NMOS晶体管，栅极与所述第三PMOS晶体管的栅极相连接并输出VPN，漏极与所述第三PMOS晶体管的漏极相连接，源极接地；电容Cn，一端连接在所述第三PMOS晶体管的源极和所述第五NMOS晶体管的漏极的节点处，另一端接地。

进一步地，所述环形振荡电路的输出振荡频率的温度系数正比于1/RCn，其中，R为所述电阻R，Cn为所述环形振荡结构中的电容Cn。

进一步地，所述具有正温度系数的第一电阻的正温度系数补偿所述具有负温度系数的第二电阻和所述环形振荡结构中的电容Cn。

根据本申请实施例的另一方面，还提供了一种环形振荡器，包括上述环形振荡电路，在-40℃至100℃的温度变化范围内，频率变化范围为0.5％-1.0％。

在本申请实施例中，通过第一NMOS晶体管MN1的漏极和栅极连接到参考电压产生电路的偏置电流输出端；第二NMOS晶体管MN2，栅极和漏极均与第一NMOS晶体管MN1的源极相连接，第二NMOS晶体管MN2的源极接地；第三NMOS晶体管MN3的栅极与第一NMOS晶体管MN1的栅极相连接，漏极与第一PMOS晶体管MP1的漏极相连接，其中，第一PMOS晶体管MP1的源极连接到电源，第一PMOS晶体管MP1的栅极与第一PMOS晶体管MP1的漏极相连接，并向环形振荡结构输出偏置电压V_PB；以及电阻R，一端与第三NMOS晶体管MN3的源极相连接，另一端接地，电阻R包括串联的具有正温度系数的第一电阻R+和具有负温度系数的第二电阻R-，用于补偿环形振荡结构的温度系数。采用具有正温度系数的第一电阻R+和具有负温度系数的第二电阻R-作为偏置电阻R，第一电阻和第二电阻的温度系数为近似线性的固定值，利用第一电阻R+的正温度系数补偿第二电阻R-和电容Cn的负温度系数，将影响振荡频率的温度系数补偿为0，从而避免了偏置电路中电阻R和电容Cn对振荡频率的影响。同时，由于温度补偿的过程是通过电路本身的温度特性进行的补偿，并没有增加温度检测电路、温度调整电路等，降低了环形振荡器的功耗和面积。即通过本实施例解决了现有技术中降低温度对振荡频率时功耗大、占用面积大的问题，达到了降低温度对振荡频率的影响的同时降低环形振荡器的功耗和面积的效果。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1是根据本申请实施例的环形振荡电路的示意图；

图2是根据本申请实施例的偏置电路的示意图；

图3是根据本申请实施例的参考电压产生电路的示意图；以及

图4是根据本申请实施例的反相器的示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。

需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

本申请提供了一种环形振荡电路。该环形振荡电路利用具有正温度系数和负温度系数的对偏置电路中的偏置电阻进行补偿，得到近似零温度系数的偏置电阻，减少了温度对振荡频率的影响。另外，还利用低温度系数的参考电压，近似零温度系数的参考电流源电阻，得到低温度系数的偏置电流，从而进一步降低了温度对振荡频率的影响，在温度变化的过程中，几乎不影响环形振荡电路输出的振荡频率。

如图1所示，该环形振荡电路包括：用于输出偏置电流的参考电压产生电路、偏置电路和环形振荡结构，由参考电压产生电路输出的偏置电流输入到偏置电路中，经由偏置电路输出偏置电压V_PB到环形振荡结构，并最终由环形振荡结构输出振荡频率。

图2是根据本申请实施例的偏置电路的示意图。如图2所示，第一NMOS晶体管MN1的漏极和栅极连接到参考电压产生电路的偏置电流输出端；第二NMOS晶体管MN2，栅极和漏极均与第一NMOS晶体管MN1的源极相连接，第二NMOS晶体管MN2的源极接地；第三NMOS晶体管MN3的栅极与第一NMOS晶体管MN1的栅极相连接，漏极与第一PMOS晶体管MP1的漏极相连接，其中，第一PMOS晶体管MP1的源极连接到电源，第一PMOS晶体管MP1的栅极与第一PMOS晶体管MP1的漏极相连接，并向环形振荡结构输出偏置电压V_PB；以及电阻R，一端与第三NMOS晶体管MN3的源极相连接，另一端接地，电阻R包括串联的具有正温度系数的第一电阻R+和具有负温度系数的第二电阻R-，用于补偿环形振荡结构的温度系数。

利用偏置电流的温度系数与反相器翻转电平的温度系数进行相互补偿，根据MOS管电流平方率公式可以推导出环形振荡电路的输出振荡频率的温度系数正比于1/RCn，其中，R为电阻R，Cn为环形振荡结构中的电容Cn。即环形振荡电路输出的振荡频率与偏置电路中的电阻R和环形振荡电路中的电容Cn有关，通常电容Cn为低温度系数的电容，则通过调节偏置电路中的电阻R进行温度补偿，以获得与温度近似无关的振荡频率。采用具有正温度系数的第一电阻R+和具有负温度系数的第二电阻R-作为偏置电阻R，第一电阻和第二电阻的温度系数为近似线性的固定值，利用第一电阻R+的正温度系数补偿第二电阻R-和电容Cn的负温度系数，将影响振荡频率的温度系数补偿为0，从而避免了偏置电路中电阻R和电容Cn对振荡频率的影响。同时，由于温度补偿的过程是通过电路本身的温度特性进行的补偿，并没有增加温度检测电路、温度调整电路等，降低了环形振荡器的功耗和面积。即通过本实施例解决了现有技术中降低温度对振荡频率时功耗大、占用面积大的问题，达到了降低温度对振荡频率的影响的同时降低环形振荡器的功耗和面积的效果。

可选地，如图3所示，用于产生参考电压的参考电压产生电路包括：带隙基准电压源，用于产生并输出参考电压Vref；运算放大器A2，正相输入端与带隙基准电压源的输出端相连接，用于接收带隙基准电压源输出的参考电压Vref；第四NMOS晶体管N3，栅极与运算放大器的输出端相连接，源极与运算放大器A2的反向输入端相连接；一对镜像的PMOS晶体管，其中一个PMOS晶体管的漏极与第四NMOS晶体管N3的漏极相连接，另外一个PMOS晶体管的漏极输出偏置电流I_B，一对镜像的PMOS晶体管的栅极相连接，源极均连接至电源；电阻R_B，一端与第四NMOS晶体管N3相连接，另一端接地，其中，电阻R_B包括串联的具有正温度系数的第三电阻R_B+和具有负温度系数的第四电阻R_B-。

图3所示的带隙基准电压源能够获得温度系数极低的参考电压Vref，其温度系数<8ppm。电阻R_B包括串联具有正温度系数的第三电阻和具有负温度系数的第四电阻，正温度系数和负温度系数进行补偿，得到近乎为零温度系数的电阻R_B。根据欧姆定律偏置电流I_B＝参考电压Vref/电阻R_B,其中，电阻R_B为第三电阻R_B+和第四电阻R_B-进行温度补偿后的低温度系数的电阻。参考电压Vref为低温度系数的参考电压，电阻R_B为近乎零温度系数的电阻，则计算得到的偏置电流I_B近似为零温度系数。

参考电压生成电路集成在芯片上，因此偏置电流I_B的温度系数会影响环形振荡器的输出频率，在该实施例中，通过带隙基准电压源控制生成低温度系数的参考电压，并利用串联的具有正温度系数的电阻和具有负温度系数的电阻对电阻R_B进行温度补偿，得到近似零温度系数的电阻R_B，因此计算得到的偏置电流I_B近似为零温度系数，也就降低了温度系数对输出的振荡频率的影响。

可选地，第三电阻R_B+为低阻值多晶硅电阻，第四电阻R_B-为高阻值多晶硅电阻。

可选地，第三电阻R_B+和第四电阻R_B-为电阻可调阵列。为了将电阻R_B调整为零温度系数，可以采用具有正温度系数和具有负温度系数的电阻可调阵列进行温度系数的调整，即多个具有正温度系数的电阻和多个具有负温度系数的电阻。

可选地，图4是本实施例的环形振荡结构，该环形振荡结构包括首尾相连的多个反相器，图中仅示意性的示出三个反相器，其中，多个反相器中的任意一个反相器包括：第二PMOS晶体管P7，栅极与偏置电路的偏置电压输出端相连接，漏极连接至电源；第三PMOS晶体管P8，漏极与第二PMOS晶体管的源极相连接；第五NMOS晶体管N4，栅极与第三PMOS晶体管P8的栅极相连接并输出VIN，漏极与第三PMOS晶体管P8的漏极相连接，源极接地；电容Cn，一端连接在第三PMOS晶体管P8的源极和第五NMOS晶体管N4的漏极的节点处，另一端接地。反相器的电容Cn的负温度系数被偏置电路中的电阻R的正温度系数补偿，因此，反相器的电容Cn不会影响环形振荡器的输出频率。

在本实施例中，影响环形振荡电路的偏置电流I_B、偏置电阻R和电容Cn的温度系数均被补偿，因此在该实施例输出的振荡频率几乎没有温度的影响，能较大程度的降低温度对振荡频率的影响，解决了现有技术中降低温度对环形振荡电路输出频率的影响是增加功耗和面积的问题，达到了即减低温度对输出频率的影响又不增加功耗的效果。

本申请实施例还提供了一种环形振荡器，该环形振荡器包括上述实施例中任意一种环形振荡电路，利用该环形振荡器输出的振荡频率的温度系数为60至64ppm/℃，在-40℃至100℃的温度变化范围内，频率变化范围为0.5％-1.0％。

以上所述仅是本申请的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。

Claims

1.一种环形振荡电路，其特征在于，包括用于输出偏置电流的参考电压产生电路、偏置电路和环形振荡结构，其中，所述偏置电路包括：

第一NMOS晶体管(MN1)，漏极和栅极连接到所述参考电压产生电路的偏置电流输出端；

第二NMOS晶体管(MN2)，栅极和漏极均与所述第一NMOS晶体管(MN1)的源极相连接，所述第二NMOS晶体管(MN2)的源极接地；

第三NMOS晶体管(MN3)，栅极与所述第一NMOS晶体管(MN1)的栅极相连接，漏极与第一PMOS晶体管(MP1)的漏极相连接，其中，所述第一PMOS晶体管(MP1)的源极连接到电源，所述第一PMOS晶体管(MP1)的栅极与所述第一PMOS晶体管(MP1)的漏极相连接，并向所述环形振荡结构输出偏置电压V_PB；以及

电阻R，一端与所述第三NMOS晶体管(MN3)的源极相连接，另一端接地，所述电阻R包括串联的具有正温度系数的第一电阻(R+)和具有负温度系数的第二电阻(R-)，用于补偿所述环形振荡结构的温度系数。

2.根据权利要求1所述的环形振荡电路，其特征在于，用于产生参考电压的参考电压产生电路包括：

带隙基准电压源，用于产生并输出参考电压Vref；

运算放大器(A2)，正相输入端与所述带隙基准电压源的输出端相连接，用于接收所述带隙基准电压源输出的所述参考电压Vref；

第四NMOS晶体管(N3)，栅极与所述运算放大器(A2)的输出端相连接，源极与所述运算放大器(A2)的反向输入端相连接；

一对镜像的PMOS晶体管，其中一个PMOS晶体管的漏极与所述第四NMOS晶体管(N3)的漏极相连接，另外一个PMOS晶体管的漏极输出偏置电流I_B，所述一对镜像的PMOS晶体管的栅极相连接，源极均连接至电源；

电阻R_B，一端与所述第四NMOS晶体管(N3)的源极相连接，另一端接地，其中，所述电阻R_B包括串联的具有正温度系数的第三电阻(R_B+)和具有负温度系数的第四电阻(R_B-)。

3.根据权利要求2所述的环形振荡电路，其特征在于，所述一对镜像的PMOS晶体管输出的偏置电流I_B＝参考电压Vref/电阻R_B，其中，所述电阻R_B为所述第三电阻(R_B+)和第四电阻(R_B-)进行温度补偿后的低温度系数的电阻。

4.根据权利要求2所述的环形振荡电路，其特征在于，所述第三电阻(R_B+)和第四电阻(R_B-)为电阻可调阵列。

5.根据权利要求2所述的环形振荡电路，其特征在于，所述第三电阻(R_B+)为低阻值多晶硅电阻，所述第四电阻(R_B-)为高阻值多晶硅电阻。

6.根据权利要求1所述的环形振荡电路，其特征在于，所述环形振荡结构包括首尾相连的多个反相器，其中，所述多个反相器中的任意一个反相器包括：

第二PMOS晶体管(P7)，栅极与所述偏置电路的偏置电压输出端相连接，漏极连接至电源；

第三PMOS晶体管(P8)，漏极与所述第二PMOS晶体管的源极相连接；

第五NMOS晶体管(N4)，栅极与所述第三PMOS晶体管(P8)的栅极相连接并输出VPN，漏极与所述第三PMOS晶体管(P8)的源极相连接，源极接地；

电容Cn，一端连接在所述第三PMOS晶体管(P8)的源极和所述第五NMOS晶体管(N4)的漏极的节点处，另一端接地。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的环形振荡电路，其特征在于，所述环形振荡电路的输出振荡频率的温度系数正比于1/RCn，其中，R为所述电阻R，Cn为所述环形振荡结构中的电容Cn。

8.根据权利要求7所述的环形振荡电路，其特征在于，所述具有正温度系数的第一电阻(R+)的正温度系数补偿所述具有负温度系数的第二电阻(R-)和所述环形振荡结构中的电容Cn。

9.一种环形振荡器，其特征在于，包括权利要求1至8中任一项所述的环形振荡电路，在-40℃至100℃的温度变化范围内，频率变化范围为0.5％-1.0％。