CN107017841A - 温度补偿振荡器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种温度补偿振荡器(100)，包括：连接在电源电压连接(104)与公共连接(105)之间的第一电容充电电路(101)；连接在所述电源电压连接(104)与所述公共连接(105)之间的第二电容充电电路(102)；以及连接在所述电源电压连接(104)与所述公共连接(105)之间的第三电容充电电路(103)。

Description

温度补偿振荡器
技术领域
本发明涉及一种温度受控振荡器。
背景技术
半导体组件的特征(例如晶体管的阈值电压)将趋于随着温度而变化。因此，将电路(例如振荡器)的操作跨预期操作温度范围维持在期望频率范围内通常将需要某种温度补偿。在传统的振荡器中，举例来说，这可通过堆叠(即串联放置)具有反向的随温度而变的阈值电压的组件来实现，该阈值电压中的一者影响与绝对温度成比例(PTAT)的振荡频率，而另一者影响与绝对温度互补(CTAT)的频率。然而，这样做必然导致两个阈值电压的最小电源电压外加一个或两个过激励电压的开销成为必需。这在可获得足够电压的应用中可能不是问题。然而，在电压供应受到限制的应用中(例如在RFID标签中)，这会导致振荡器需要比可获得的更多的功率或限制操作范围。
发明内容
根据第一方面，提供一种温度补偿振荡器，该温度补偿振荡器包括：
连接在电源电压连接与公共连接之间的第一电容充电电路，该第一电容充电电路包括第一晶体管和第一电容器，第一晶体管被布置成当第一电容器充电至高于第一晶体管的阈值电压时切换状态；
连接在电源电压连接与公共连接之间的第二电容充电电路，该第二电容充电电路包括第二晶体管和第二电容器，第二电容器被布置成当第一晶体管切换状态时开始放电，第二晶体管被布置成当第二电容器放电至低于等于电源电压连接处的电源电压减去第二晶体管的阈值电压的电压时切换状态；以及
连接在电源电压连接与公共连接之间的第三电容充电电路，该第三电容充电电路包括第三晶体管和第三电容器，第三电容器被布置成当第二晶体管切换状态时开始放电，第三晶体管被布置成当第三电容器放电至低于第三晶体管的阈值电压时切换状态。
通过布置充电电路使得每个电路被前一充电电路触发，避免了堆叠反向的温度系数阈值的需求，从而实现更低的电源电压。替代如传统温度补偿振荡器中由增加的电压阈值所产生的温度补偿，通过根据每个晶体管的阈值电压改变每个充电电路的充电时间来实现温度补偿。这使得需要这样的电源电压：该电源电压仅为一个阈值电压加上过激励电压和对于电流源足够的另一过激励电压。
温度补偿振荡器可进一步包括：
第一电流源，该第一电流源连接在电源电压连接与第一电容器之间；
第二电流源，该第二电流源连接在电源电压连接与第二电容器之间；和
第三电流源，该第三电流源连接在第三晶体管与公共连接之间。
电流源向充电电路中的电容器中的每一者提供电流或从充电电路中的电容器中的每一者提供电流，该电容器上的电荷触发随后的充电电路。
第一晶体管、第二晶体管和第三晶体管可以是场效应晶体管，例如MOSFET晶体管。
第一节点、第二节点和第三节点可限定于振荡器中，使得第一节点将第一电容器与第一晶体管的栅极连接和第三晶体管的漏极连接相连接，第二节点将第一晶体管的漏极连接与第二电容器和第三晶体管的栅极连接相连接，且第三节点将第三电容器与第二晶体管的漏极连接和第三晶体管的栅极连接相连接。
第一晶体管和第三晶体管的源极连接可连接至公共连接，且第二晶体管的源极连接可连接至电源电压连接。此布置使第二充电电路能够具有与绝对温度互补的系数。
第一晶体管和第三晶体管可以是n沟道MOSFET且第二晶体管是p沟道MOSFET。
温度补偿振荡器可另外包括具有D型触发器的时钟信号输出模块，该D型触发器具有连接至第三节点的输入端。
可将温度补偿振荡器并入至用于RFID标签的集成电路中，该集成电路可自身并入至RFID标签中。
本发明的这些以及其它方面将通过下文所描述的实施例显而易见，并且将参考下文所描述的实施例阐明本发明的这些以及其它方面。
附图说明
将参考图式仅作为例子描述实施例，图式中
图1是振荡器的示例性实施例的示意性电路图；
图2是对于图1的振荡器的各个节点在不同温度下随时间而变的电压的一系列曲线图；
图3是对于示例性振荡器实施例的随温度而变的频率和电源电压的曲线图；且
图4是对于示例性振荡器实施例的输出时钟模块的电路图。
应注意，图式是图解说明且未必按比例绘制。为在图式中清楚和方便，已在大小上放大或减小地示出这些图的各部分的相对尺寸和比例。相同的附图标记一般用于指代在修改后的且不同的实施例中相对应的或相似的特征。
具体实施方式
图1是振荡器100的示例性实施例的示意电路图。振荡器100包括第一充电电路101、第二充电电路102和第三充电电路103，这些充电电路被布置成使得每个充电电路通过前一充电电路触发。第一充电电路101的充电触发第二充电电路102的充电中的变化，该变化触发第三充电电路103的充电中的变化，该变化随后触发第一充电电路101的充电中的变化，从而对电压供应连接104上所提供的电压供应VDD产生振荡反应。
图2是示出对于图1的电路100中的第一节点116、第二节点117和第三节点118随时间而变的电压的一系列曲线图。电压迹线201、202、203分别对应于在低温下第一节点116、第二节点117和第三节点118，而电压迹线204、205、206分别对应于在高温下第一节点116、第二节点117和第三节点118。
每个充电电路101、102、103包括晶体管106、109、111和电容器107、110、112。每个电容器107、110、112通过相关电流源113、114、115来充电或放电。第一电容器107连接在第一电流源113与公共连接105(在一些实施例中公共连接105可替代地被称为接地连接)之间，且通过流经第一电流源113的电流充电。第二电容器110连接在第二电流源114与公共连接105之间，且被布置成通过流经第二电流源114的电流充电。第三电容器112连接在公共连接105与第三电流源115之间，该第三电流源115被布置成在第二晶体管109不传导时将第三电容器112放电。
每个晶体管106、109、111被布置成根据相关电容器107、110、112的充电状态(即跨越这些电容器的电压)来改变状态，即接通或断开。如果第一节点116处的电压(该电压等于跨越第一电容器107的电压)高于第一晶体管106的阈值电压，那么在示出的实施例中是n沟道MOSFET的第一晶体管106接通，即传导。如果第二节点117处的电压(该电压等于跨越第二电容器110的电压)高于等于电源电压VDD减去第二晶体管109的阈值电压的电压，那么在示出的实施例中是p沟道MOSFET的第二晶体管109断开，即不传导。当第三节点118处的电压(该电压等于跨越第三电容器112的电压)高于第三晶体管111的阈值电压时，在示出的实施例中是n沟道MOSFET的第三晶体管111接通，即传导。这些阈值电压中的每一者将随着温度而变化。
每个电路中的电容器被布置成在来自前一充电电路的晶体管切换状态时充电或放电。为示出振荡器100的作用，可考虑从第一充电电路101开始循环。第一电容器107在从第一电流源113供应电流时开始充电。第一节点116处的电压(图2中的电压迹线201、204)随第一电容器107充电而上升，直至电压达到第一晶体管106的阈值电压。第一晶体管106随后切换状态，即开始传导。当第一电容器107充电时，第二电容器110也充电，因为第二电容器110通过第二电流源114供电。一旦第一晶体管106切换状态并开始传导，第二电容器110就开始放电。一旦跨越第二电容器110的电压(图2中的电压迹线202、205)下降至低于等于电源电压VDD减去第二晶体管109的阈值电压的电平，第二晶体管109就切换状态，即开始传导。这随后使得第三电容器112快速充电，将第三节点118处的电压(电压迹线203、206)升高至高于第三晶体管111的阈值电压，使得第一电容器107放电，且当此电压保持较高时保持放电。作为第一电容器107放电的结果，第一晶体管106断开且第二电容器110开始再次充电。一旦跨越第二电容器110的电压上升至高于等于电源电压减去第二晶体管109的阈值电压的电平，第二晶体管109就切换状态，即停止传导，使得跨越第三电容器112的电荷经由第三电流源115被吸引到公共连接。一旦跨越第三电容器112的电压下降至低于第三晶体管111的阈值电压，第三晶体管111就停止传导，且随着第一电容器107开始充电，循环再次开始。
振荡器100的行为将随着温度变化而改变。随着温度升高，第一晶体管106和第三晶体管111的阈值电压降低，从而减少晶体管切换状态所花费的时间，趋于提高振荡的频率。然而，第二晶体管109的阈值电压也随着升高的温度而降低，这导致第二电容器110充满电直至第二晶体管切换状态至关闭所花费的时间更长，趋于降低振荡的频率。因此，可(例如)通过选择电容器107、110、112的适当值和由电流源113、114、115供应的电流来选择不同充电电路的相对加权以补偿温度。选择合适的值可由此在限定温度范围中将振荡器100操作的频率维持在限定范围内。如在图2中可见，每个振荡的时间段在高温和低温下大致相同，表明针对振荡器对温度进行了补偿。
图3是对于示例性实施例的随时间而变的频率和电源电压的曲线图，其中进行补偿以考虑阈值电压和随温度升高而降低的电源电压VDD中的变化。振荡频率f在-50℃至100℃的温度范围中维持在1.24MHz至1.32MHz的范围内且变化较小，在-25℃与50℃之间的预期操作温度范围中维持在约1.3MHz至1.32MHz内。如在此曲线图中可见，振荡器的振荡频率在-25℃至50℃的温度范围中变化少于2％，而此范围中的电源电压小于700mV。
如上文所描述的振荡器电路的示例电流值对于电流源113、114、115分别为25nA、12.5nA、和50nA。电容值中的每一者将通常在fF范围中，且归因于互连而大部分可由晶体管的本征电容和相关附加组件来测定。然而，电容器中的一个或多个可通过并入电容性元件来测定。在示例性实施例中可具有约2.15fF的电容的电容器110可由单独电容性元件来测定。
图4为用于连接至图1的振荡器的示例时钟信号输出模块400的电路图。模块400连接至节点118，该节点118提供图2中示出的信号203、206。此信号用作对D型触发器或锁存器401的时钟脉冲输入CP，该D型触发器或锁存器401将该信号除以二以产生具有接近50％的工作循环的时钟信号clk、clk_n。
通过阅读本发明，技术人员将明白其它变化和修改。此类变化和修改可涉及在高频振荡器的领域中已经知晓的等效和其它特征，且可用作本文中所描述的特征的替代或补充。
尽管所附权利要求书是针对特定特征组合，但应理解，本发明的公开内容的范围还包括本文中明确地或隐含地公开的任何新颖特征或特征的任何新颖组合或其任何一般化，而不管其是否涉及与当前在任何权利要求中主张的本发明相同的发明或其是否缓解与本发明所缓解的任一或全部技术问题相同的技术问题。
在单独实施例的上下文中描述的特征也可以组合提供于单个实施例中。相反，为了简洁起见，在单个实施例的上下文中所描述的各种特征也可以分别地提供或以任何合适的子组合形式提供。申请人特此提醒，在审查本申请案或由此衍生的任何另外的申请案期间，可根据此类特征和/或此类特征的组合而制订新的权利要求。
为了完整起见，还指出，术语“包括”并不排除其它元件或步骤，术语“一”并不排除多个，并且权利要求书中的附图标记不应被解释为限制权利要求书的范围。

Claims (10)

1.一种温度补偿振荡器，其特征在于，包括：
连接在电源电压连接与公共连接之间的第一电容充电电路，所述第一电容充电电路包括第一晶体管和第一电容器，所述第一晶体管被布置成当所述第一电容器充电至高于所述第一晶体管的阈值电压时切换状态；
连接在所述电源电压连接与所述公共连接之间的第二电容充电电路，所述第二电容充电电路包括第二晶体管和第二电容器，所述第二电容器被布置成当所述第一晶体管切换状态时开始放电，所述第二晶体管被布置成当所述第二电容器放电至低于等于所述电源电压连接处的电源电压减去所述第二晶体管的阈值电压的电压时切换状态；以及
连接在所述电源电压连接与所述公共连接之间的第三电容充电电路，所述第三电容充电电路包括第三晶体管和第三电容器，所述第三电容器被布置成当所述第二晶体管切换状态时开始放电，所述第三晶体管被布置成当所述第三电容器放电至低于所述第三晶体管的阈值电压时切换状态。
2.根据权利要求1所述的温度补偿振荡器，其特征在于，包括：
第一电流源，所述第一电流源连接在所述电源电压连接与所述第一电容器之间；
第二电流源，所述第二电流源连接在所述电源电压连接与所述第二电容器之间；以及
第三电流源，所述第三电流源连接在所述第三晶体管与所述公共连接之间。
3.根据在前的任一项权利要求所述的温度补偿振荡器，其特征在于，所述第一晶体管、所述第二晶体管和所述第三晶体管是场效应晶体管。
4.根据权利要求3所述的温度补偿振荡器，其特征在于，第一节点将所述第一电容器与所述第一晶体管的栅极连接和所述第三晶体管的漏极连接相连接，第二节点将所述第一晶体管的漏极连接与所述第二电容器和所述第三晶体管的栅极连接相连接，且第三节点将所述第三电容器与所述第二晶体管的漏极连接和所述第三晶体管的栅极连接相连接。
5.根据权利要求4所述的温度补偿振荡器，其特征在于，所述第一晶体管和所述第三晶体管的源极连接被连接至所述公共连接，且所述第二晶体管的源极连接被连接至所述电源电压连接。
6.根据权利要求5所述的温度补偿振荡器，其特征在于，所述第一晶体管和所述第三晶体管是n沟道MOSFET，且所述第二晶体管是p沟道MOSFET。
7.根据权利要求4至6中任一项所述的温度补偿振荡器，其特征在于，包括具有D型触发器的时钟信号输出模块，所述D型触发器具有连接至所述第三节点的输入端。
8.根据权利要求1所述的温度补偿振荡器，其特征在于，所述振荡器的振荡频率在小于700mV的电源电压下在-25℃与50℃之间的温度范围中变化少于2％。
9.一种RFID集成电路，其特征在于，包括根据在前的任一项述利要求所述的温度补偿振荡器。
10.一种RFID标签，其特征在于，包括根据权利要求9所述的集成电路。
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