CN106685417B - 流控环形振荡器 - Google Patents

流控环形振荡器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种流控环形振荡器，包括N个依次顺序连接的延迟单元，且N为大于1的奇数，其中每个延迟单元均包括第一场效应管、第二场效应管、第三场效应管、第四场效应管、第五场效应管、第六场效应管及电流源；第一场效应管、第二场效应管的栅极连接，第一场效应管、第四场效应管的源极均与电流源的一端连接，电流源另一端与外部电源连接，第一场效应管、第二场效应管的漏极连接；第二场效应管的源极与第三场效应管的漏极连接；外部电压信号输入第三场效应管与第六场效应管的栅极；第四场效应管、第五场效应管的栅极连接，第四场效应管、第五场效应管的漏极连接；第五场效应管的源极与第六场效应管的漏极连接。本发明的流控环形振荡器对电源和地的共模干扰敏感度变低，增加了抗噪声能力且其应用范围更广。

Description

流控环形振荡器
技术领域
本发明涉及集成电路领域，更具体地涉及一种流控环形振荡器。
背景技术
通常，环形振荡器是由奇数个延迟单元首尾依次相连而形成的，如图1所示，且图1所示的环形振荡器由3个延迟单元组成。
如图1所示的现有技术的环形振荡器中，假设环形振荡器中传输的信号经过每个延迟单元的延迟时间为Td,延迟单元的个数为N,那么环形振荡器的输出频率为F＝1/(2*N*Td)。为了实时控制环形振荡器的输出频率，可以通过改变延迟时间Td的方式实现。而流控环形振荡器就是控制延迟单元的输入电流改变延迟时间Td,从而达到控制环形振荡器输出频率的目的。因此延迟单元的设计直接决定流控环形振荡器的整体性能。
现有技术的延迟单元原理图如图2所示：
该延迟单元由电流源S1、P型MOS管M1、N型MOS管M2所构成，其输入节点Vi同时连接MOS管M1和MOS管M2的栅极，输出节点Vo同时连接MOS管M1和MOS管M2的漏极。为了计算该延迟单元的延迟时间Td，设定电流源S1提供的电流大小为I，电源电压为Vdd，输出节点Vo到地的总电容大小为Co。当输入节点Vi的输入信号为大小由Vdd到0的反向阶跃信号时，P型MOS管M1导通，电流I流经MOS管M1对输出节点Vo的电容Co进行充电，充电时间为Tc＝Co*Vdd/I,充电完成后，输出节点Vo的电压为Vdd，该充电时间Tc可以被认为是反向阶跃信号的输入延迟。
另外，当输入信号为大小由0到Vdd的正向阶跃信号时，N型MOS管M2导通，输出节点Vo处储存的电荷由MOS管M2快速释放，输出节点Vo电压变为0，其放电时间Tf可以忽略不计。该延迟单元的总延迟时间Td为Tc和Tf的平均值，其大小近似为Td＝k*Tc(k为比例常数，其大小在0到1之间，由MOS管M1,M2的特性和尺寸所决定)。
将奇数个现有技术的延迟单元首尾相连就形成了流控环形振荡器(如图1所示)，其振荡频率受延迟单元的电流源S1电流大小I所控制，频率大小F为
Figure BDA0001154898880000021
如上所述，现有技术的流控环形振荡器一旦制成，其频率随电流的增益(即
Figure BDA0001154898880000022
)是固定不变的，增益大小等于
Figure BDA0001154898880000023
流控环形振荡器的增益大小直接决定了其输出频率F的变化范围，由于现有技术的增益不能发生改变，因此其应用范围受到了限制；而且上述现有技术的流控环形振荡器的输出信号是单端输出的，单端输出信号对于电源和地的共模干扰敏感度较高，抗噪声特性较差。
因此，有必要提供一种改进的流控环形振荡器来克服上述缺陷。
发明内容
本发明的目的是提供一种流控环形振荡器，本发明的流控环形振荡器对电源和地的共模干扰敏感度变低，增加了抗噪声能力且其应用范围更广。
为实现上述目的，本发明提供一种流控环形振荡器，包括N个依次顺序连接的延迟单元，且N为大于1的奇数，第1个所述延迟单元的正向输入端与第N个所述延迟单元的反向输出端连接，第1个所述延迟单元的反向输入端与第N个所述延迟单元的正向输出端连接，第N个所述延迟单元的正向输出端与反向输出端输出差分输出信号；其中，N个所述延迟单元具有完全相同的结构特征，每个所述延迟单元均包括第一场效应管、第二场效应管、第三场效应管、第四场效应管、第五场效应管、第六场效应管及电流源；所述第一场效应管的栅极与第二场效应管的栅极连接并形成当前延迟单元的反向输入端，所述第一场效应管的源极与所述电流源的一端连接，所述电流源的另一端与外部电源连接，所述第一场效应管的漏极与第二场效应管的漏极连接并形成当前延迟单元的正向输出端；所述第二场效应管的源极与所述第三场效应管的漏极连接；外部电压信号输入所述第三场效应管的栅极与所述第六场效应管的栅极，所述第三场效应管的源极与所述第六场效应管的源极均接地；所述第四场效应管的栅极与第五场效应管的栅极连接并形成当前延迟单元的正向输入端，所述第四场效应管的源极与所述电流源的一端连接，所述第四场效应管的漏极与第五场效应管的漏极连接并形成当前延迟单元的反向输出端；所述第五场效应管的源极与所述第六场效应管的漏极连接。
较佳地，所述第一场效应管与第四场效应管为P型场效应管。
较佳地，所述第二场效应管、第三场效应管、第五场效应管及第六场效应管为N型场效应管。
较佳地，每个所述延迟单元的正向输入端与正向输出端之间还连接有第七场效应管，每个所述延迟单元的反向输入端与反向输出端之间还连接有第八场效应管。
较佳地，所述第七场效应管的栅极与外部电源连接，其漏极与当前延迟单元的正向输出端连接，其源极与当前延迟单元的正向输入端连接。
较佳地，所述第八场效应管的栅极与外部电源连接，其漏极与当前延迟单元的反向输入端连接，其源极与当前延迟单元的反向输出端连接。
与现有技术相比，本发明的流控环形振荡器为差分输入与差分输出，并通过差分输出端输出差分信号，提高了输出信号抵抗电源和地共模干扰的能力；而且输出信号的增益可以通过外部输入的电压信号进行适时调整，扩宽了其应用范围
通过以下的描述并结合附图，本发明将变得更加清晰，这些附图用于解释本发明的实施例。
附图说明
图1为现有技术的流控环形振荡器的结构图。
图2为现有的技术的延迟单元的电路结构图。
图3为本发明流控环形振荡器一实施例的结构图。
图4为本发明流控环形振荡器的延迟单元的电路结构图。
具体实施方式
现在参考附图描述本发明的实施例，附图中类似的元件标号代表类似的元件。如上所述，本发明提供了一种流控环形振荡器，本发明的流控环形振荡器对电源和地的共模干扰敏感度变低，增加了抗噪声能力且其应用范围更广。
本发明的流控环形振荡器，包括N个依次顺序连接的延迟单元(L1、L2、L3……LN),且N为大于1的奇数，第1个所述延迟单元L1的正向输入端与第N个所述延迟单元LN的反向输出端连接，第1个所述延迟单元L1的反向输入端与第N个所述延迟单元LN的正向输出端连接，其它相邻延迟单元的输入端与输出端依次顺序连接；第N个所述延迟单元LN的正向输出端与其反向输出端输出差分输出信号。作为本发明的一具体实施例，请参考图3，图3为本发明流控环形振荡器一实施例的结构图，在图3中N取值为3；如图所示，第1个所述延迟单元L1的正向输入端Vip1与第3个所述延迟单元L3的反向输出端Von3连接，第1个所述延迟单元L1的反向输入端Vin1与第3个所述延迟单元L3的正向输出端Vop3连接；第一个所述延迟单元L1的正向输出端Vop1与第2个所述延迟单元L2的正向输入端Vip2连接，第1个所述延迟单元L1的反向输出端Von1与第2个所述延迟单元L2的反向输入端Vin2连接；第2个所述延迟单元L2的正向输出端Vop2与第3个所述延迟单元L3的正向输入端Vip3连接，第2个所述延迟单元L2的反向输出端Von2与第3个所述延迟单元L3的反向输入端Vin3连接；第3个所述延迟单元L3的正向输出端Vop3与其反向输出端Von3输出差分输出信号Foutp与Foutn。在本发明中，第1个所述延迟单元L1的正向输入端Vip1及反向输入端Vin1，与第3个所述延迟单元L3的反向输出端Von3及正向输出端Vop3交叉连接(具体如图3所示)，这样就可以避免流控环形振荡器输出电压锁死在固定电平，且使得流控环形振荡器可正常起振；且，在具体的应用中，通常为第1个所述延迟单元L1的两输入端与第N个所述延迟单元LN的两输出端之间交叉连接即可，当然并不限于此方式。
在本发明中，N个所述延迟单元(L1、L2、L3……LN)具有完全相同的结构特征。具体地，请结合参考图4描述其中一个延迟单元的具体结构。每个所述延迟单元均包括第一场效应管M1、第二场效应管M2、第三场效应管M3、第四场效应管M4、第五场效应管M5、第六场效应管M6及电流源S；所述第一场效应管M1的栅极与第二场效应管M2的栅极连接并形成当前延迟单元的反向输入端Vin，从而通过所述反向输入端Vin向当前延迟单元输入反向差分信号；所述第一场效应管M1的源极与所述电流源S的一端连接，所述电流源S的另一端与外部电源Vdd连接，且所述电流源S输出的电流为I，即所述电流I输入所述第一场效应管M1的源极；所述第一场效应管M1的漏极与第二场效应管M2的漏极连接并形成当前延迟单元的正向输出端Vop，从而通过所述正向输出端Vop输出当前延迟单元的正向差分信号；所述第二场效应管M2的源极与所述第三场效应管M3的漏极连接；外部电压信号Vcc输入所述第三场效应管M3的栅极与所述第六场效应管M6的栅极，所述第三场效应管M3的源极与所述第六场效应管M6的源极均接地；所述第四场效应管M4的栅极与第五场效应管M5的栅极连接并形成当前延迟单元的正向输入端Vip，从而通过所述正向输入端Vip向当然延迟单元输入正向差分信号；所述第四场效应管M4的源极与所述电流源S的一端连接，所述第四场效应管M4的漏极与第五场效应管M5的漏极连接并形成当前延迟单元的反向输出端Von，通过所述反向输出端Von输出当前延迟单元的反向差分信号；所述第五场效应管M5的源极与所述第六场效应管M6的漏极连接。其中，如上所述，所述正向输入端Vip和反向输入端Vin是一组差分输入端，即当输入的电平Vin是低电平时，输入Vip的电平为高电平，反之亦然，相应地，所述正向输出端Vop与反向输出端Von也是一组差分输出端，输出一对差分信号。
在本发明的优选实施方式中，所述第一场效应管M1与第四场效应管M4为P型场效应管；而所述第二场效应管M2、第三场效应管M3、第五场效应管M5及第六场效应管M6为N型场效应管。
如上所述，为了计算该延迟单元的传输延迟，设置正向输出端Vop与反向输出端Von节点处对地的电容均为Co(由于Vop和Von所处的环境相同，因此可以认为其对地电容相同),电流源S提供的电流大小为I。当正向输入端Vip输入的电压为由0到Vdd的阶跃信号，而反向输入端Vin输入的电压为由Vdd到0的阶跃信号时，第一场效应管M1与第五场效应管M5导通，第二场效应管M2与第四场效应管M4截止，电流源S提供的电流I流经第一场效应管M1并对节点Vop进行充电，充电时间为Tc＝Co*Vdd/I，节点Von处储存的电荷通过第五场效应管M5与第六场效应管M6进行放电，第六场效应管M6的导通电阻(用Rn表示)大小受外部电压信号Vcc的大小控制，其导通电阻Rn满足以下关系：
Rn＝(β*(Vcc-Vth))-1，β为由第六场效应管M6大小和特性所决定的常量，Vth为第六场效应管M6的阈值电压。
放电时间Tf为：
Tf＝Co*(β*(Vcc-Vth))-1
该延迟单元的延迟时间Td可以近似认为是Tc和Tf的平均值，因此
Figure BDA0001154898880000061
另外，为了使延迟单元正常地工作在差分状态，避免输入输出节点锁死在某一状态，因此每个所述延迟单元的正向输入端Vip与正向输出端Vop之间还连接有第七场效应管M7，每个所述延迟单元的反向输入端Vin与反向输出端Von之间还连接有第八场效应管M8。具体地，所述第七场效应管M7的栅极与外部电源Vdd连接，其漏极与当前延迟单元的正向输出端Vop连接，其源极与当前延迟单元的正向输入端Vip连接。所述第八场效应管M8的栅极与外部电源Vdd连接，其漏极与当前延迟单元的反向输入端Vin连接，其源极与当前延迟单元的反向输出端Von连接。而，当各个所述延迟单元均工作在差分工作状态时，由于流控环形振荡器的输出信号取的是Foutp与Foutn节点电压之差，使得电源和地对输出信号引入的共模干扰被抵消，从而整个流控环形振荡器具有更好的抗共模干扰特性。
当奇数个上述延迟单元顺序连接形成本发明的流控环形振荡器(如图3所示)后，所述流控环形振荡器具有两个差分输出端Foutp与Foutn，其输出信号Fout频率大小受到电流I的控制，Fout满足以下关系式：
Figure BDA0001154898880000071
其增益G满足
Figure BDA0001154898880000072
由增益G的表达式可以看出，增益的大小与电压信号Vcc的大小正相关，因此可以通过增大电压信号Vcc的方式增加增益，也可以通过减小电压信号Vcc的方式减小增益，而由于电压信号Vcc是由外部实时输入的，即可以实时进行调节改变，因此本发明的流控环形振荡器的增益也是实时可调的。
由上述可知，本发明的流控环形振荡器的输出端为差分输出端，提高了输出信号Fout抵抗电源和地共模干扰的能力；增益可以通过外接电压信号Vcc进行适时调整，扩宽了其应用范围
以上结合最佳实施例对本发明进行了描述，但本发明并不局限于以上揭示的实施例，而应当涵盖各种根据本发明的本质进行的修改、等效组合。

Claims (3)

1.一种流控环形振荡器，包括N个依次顺序连接的延迟单元，且N为大于1的奇数，第1个所述延迟单元的正向输入端与第N个所述延迟单元的反向输出端连接，第1个所述延迟单元的反向输入端与第N个所述延迟单元的正向输出端连接，第N个所述延迟单元的正向输出端与反向输出端输出差分输出信号；其特征在于，N个所述延迟单元具有完全相同的结构特征，每个所述延迟单元均包括第一场效应管、第二场效应管、第三场效应管、第四场效应管、第五场效应管、第六场效应管及电流源；所述第一场效应管的栅极与第二场效应管的栅极连接并形成当前延迟单元的反向输入端，所述第一场效应管的源极与所述电流源的一端连接，所述电流源的另一端与外部电源连接，所述第一场效应管的漏极与第二场效应管的漏极连接并形成当前延迟单元的正向输出端；所述第二场效应管的源极与所述第三场效应管的漏极连接；外部电压信号输入所述第三场效应管的栅极与所述第六场效应管的栅极，所述第三场效应管的源极与所述第六场效应管的源极均接地；所述第四场效应管的栅极与第五场效应管的栅极连接并形成当前延迟单元的正向输入端，所述第四场效应管的源极与所述电流源的一端连接，所述第四场效应管的漏极与第五场效应管的漏极连接并形成当前延迟单元的反向输出端；所述第五场效应管的源极与所述第六场效应管的漏极连接；每个所述延迟单元的正向输入端与正向输出端之间还连接有第七场效应管，每个所述延迟单元的反向输入端与反向输出端之间还连接有第八场效应管，所述第七场效应管的栅极与外部电源连接，其漏极与当前延迟单元的正向输出端连接，其源极与当前延迟单元的正向输入端连接，所述第八场效应管的栅极与外部电源连接，其漏极与当前延迟单元的反向输入端连接，其源极与当前延迟单元的反向输出端连接。
2.如权利要求1所述的流控环形振荡器，其特征在于，所述第一场效应管与第四场效应管为P型场效应管。
3.如权利要求1所述的流控环形振荡器，其特征在于，所述第二场效应管、第三场效应管、第五场效应管及第六场效应管为N型场效应管。
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