CN109710015B - 一种门延时稳定电路及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种门延时稳定电路及方法，电路包括：温度传感器、模拟加法器、线性稳压器和内部逻辑电路；温度传感器、模拟加法器、线性稳压器和内部逻辑电路依次连接；所述的温度传感器，用于采集内部逻辑电路所处的环境温度，并将环境温度转化成正温度系数的电压信号VTS；所述的模拟加法器，用于将基准电压VREF和温度传感信号VTS进行数学求和，产生正温度系数的电压VCMP；所述的线性稳压器，用于以正温度系数的电压VCPM为参考，将外部电源电压Vpwr转化为正温度系数的内部电源电压VPTC，为内部逻辑电路提供电源。该门延时稳定电路很大程度上消除外部电源电压及环境温度对逻辑电路的影响，从而达到稳定门延时或时序的目的。

Description

一种门延时稳定电路及方法

技术领域

本发明涉及集成电路设计领域，具体为一种门延时稳定电路及方法。

背景技术

自第一颗集成电路(芯片)诞生以来，其作为现代电子系统的基石，对近代社会的迅速发展发挥着巨大的推动作用。一般地，集成电路可分为模拟电路和数字逻辑电路。在一颗芯片中，数字逻辑电路通常由大量的基本逻辑门(如非门、与门、或门等)组成，它们以不同的拓扑结构组合起来，完成各种运算、通信、控制等功能，犹如人类的大脑，控制着电子系统有条不紊的工作。

对于数字逻辑电路而言，各个逻辑门延时的稳定性决定其逻辑功能及时序的正确性和稳定性。通常，一个逻辑门的延时的稳定性受到电源电压、环境温度等外界因素的影响，其数学表达式如式(1)所示，具有以下两个特点：

(1).随着电源电压的升高而减小，即Kv<0；

(2).随着环境温度的升高而增大，即Kt>0；

Td＝Td0*[1+Kv*(Vpwr-Vpwr0)+Kt*(T-T0)]-------(1)

其中，Td0为常温T0、常压Vpwr0下的门延时，Kv和Kt为门延时的电压系数和温度系数。

环形振荡器是一种典型的逻辑电路，通常由N个(奇数)非门组成(如图1b所示)，可作为门延时的“传感器”来监测逻辑门及逻辑电路内部时序的稳定性。假设一个非门的延时为Td(如式(1))，则环形振荡器输出时钟的周期Tcyc如式(2)所示，结合式(1)和式(2)可得输出时钟周期与电源电压和环境温度的数学关系(如式(3))，其中Tcyc0＝2*N*Td0。

Tcyc＝2*N*Td----------------------------------(2)

Tcyc＝Tcyc0*[1+Kv*(Vpwr-Vpwr0)+Kt*(T-T0)]----(3)

如在某工艺下，取T0＝26℃,Vpwr0＝1.1V，则环形振荡器输出时钟的周期随电源电压和环境温度的趋势如图2所示；具体变化数据如下所示：

电源电压Vpwr(1V～1.2V):24％～-15.5％，Kv＝-1975ppm/mV；

环境温度(-40～125):-5.9％～7.4％，Kt＝806ppm/℃；

电源电压+环境温度:-21.2％～～30.2％。

由此可见，由各种门组成的逻辑电路的延时，受电源电压和环境温度的变化而有较大的偏差(一般可达±20％以上)；对于时序要求较高或者工作速度高的逻辑电路而言，在不同的电源电压和环境温度下，时序裕量变小很多，可能导致时序紊乱或逻辑功能失效，进而影响整个芯片的正常功能。

为了减小逻辑电路的时序受电源电压、环境温度等外界因素的影响，图3为现有技术的解决方案。此方案增加了一个线性稳压器12，以基准电压VREF为参考，将外部电源电压Vpwr转化为内部电源电压VP(Vpwr大于VP)，为逻辑电路11提供电源。由线性稳压器的特性可知，其输出电压只与参考电压有关，基本不受外部电源电压的影响；由于基准电压VREF基本不受电压和温度的影响，所以线性稳压器产生的输出电压VP也基本不受电压和温度的影响，由此我们可为逻辑电路提供一个稳定的电源；由式(1)可知，Kv＝0，即逻辑电路的门延时如式(4)所示。

Td＝Td0*[1+Kt*(T-T0)]-----------------------(4)

Tcyc＝Tcyc0*[1+Kt*(T-T0)]----------------------(5)

同样地，我们以环形振荡器为例，其输出时钟周期的表达式如式(5)所示。例如在某工艺下，取T0＝26℃,VP＝1.1V,则环形振荡器输出时钟的周期随电源电压和环境温度变化的趋势如图4所示，具体变化数据如下所示：

外部电源电压Vpwr:0％～～0％，Kv＝0(此处Kv为外部电源电压系数)；

环境温度T(-40～～125):-5.9％～～7.4％，Kt＝806ppm/℃；

外部电源电压+环境温度:-5.9％～～7.4％。

以上分析及实例表明，现有技术方案可将外界电源电压的影响消除掉，但门延时或者振荡器输出时钟周期仍然随环境温度的变化而有较大的变化(可达±7％)。

发明内容

针对现有技术存在的问题，在其基础上，本发明提出了一种门延时稳定电路及方法，该门延时稳定电路很大程度上消除外部电源电压及环境温度对逻辑电路的影响，从而达到稳定门延时或时序的目的。

为实现上述目的，本发明采用以下技术手段：

一种门延时稳定电路，包括：温度传感器、模拟加法器、线性稳压器和内部逻辑电路；温度传感器、模拟加法器、线性稳压器和内部逻辑电路依次连接；

所述的温度传感器，用于采集内部逻辑电路所处的环境温度，并将环境温度转化成正温度系数的电压信号VTS；

所述的模拟加法器，用于将基准电压VREF和电压信号VTS进行数学求和，产生正温度系数的电压VCMP；

所述的线性稳压器，用于以正温度系数的电压VCPM为参考，将外部电源电压Vpwr转化为正温度系数的内部电源电压VPTC，为内部逻辑电路提供电源；

所述的内部逻辑电路，以电压VPTC为其电源进行工作。

作为本发明的进一步改进，所述的温度传感器包括原始温度传感器及缓冲器，原始温度传感器包括第一三极管、第二三极管、第一电阻、第二电阻、第一MOS管、第二MOS管、第三MOS管和第一放大器；

其中，第一三极管、第二三极管的基极和集电极相连并接地，第一三极管的发射极与第一MOS管的漏极和第一放大器的负相输入端相连；第二三极管经过第一电阻与第二MOS管的漏极和第一放大器的正相输入端相连；第一放大器的输出端接第一MOS管、第二MOS管及第三MOS管的栅极，同时第一MOS管、第二MOS管、第三MOS管的源极和背栅极均连接至外部电源Vpwr；第三MOS管的漏极经过第二电阻接地，其公共端为原始温度传感器的输出电压VTX；

缓冲器包括输出端与负相输入端相连接的运算放大器，运算放大器的正相输入端接VTX，其输出端为温度传感器的电压信号VTS。

作为本发明的进一步改进，所述的第二三极管由m个第三三极管并联而成，m为正整数。

作为本发明的进一步改进，m＞3。

作为本发明的进一步改进，所述的模拟加法器包括第三电阻、第四电阻和第五电阻；其中：第三电阻一端接基准电压VREF，另一端与第四电阻、第五电阻相连，形成公共端VCMP；第四电阻另一端接温度传感器的电压信号VTS；第五电阻另一端接地。

作为本发明的进一步改进，所述的线性稳压器包括第二放大器、第六电阻和第七电阻；其中：第六电阻和第七电阻串联，一端接第二放大器的输出端VPTC，另一端接地，其公共连接端接第二放大器的反相输入端，形成一个负反馈回路；第二放大器的正相输入端接模拟加法器的输出VCMP，其电源端接外部电源Vpwr，用于把外部电源转化成为逻辑电路供电的内部电源VPTC。

一种门延时稳定电路的稳定方法，包括以下步骤：

温度传感器采集内部逻辑电路所处的环境温度，并将环境温度转化成正温度系数的电压信号VTS；

模拟加法器将基准电压VREF和电压信号VTS进行数学求和，产生正温度系数的电压VCMP；同时，通过调整VREF来矫正由于工艺角偏差所引起的门延时及逻辑电路时序；

线性稳压器以正温度系数的电压VCPM为参考，将外部电源电压Vpwr转化为正温度系数的内部电源电压VPTC，为内部逻辑电路提供电源。

作为本发明的进一步改进，具体计算步骤包括：

1)通过仿真得到门延时Td随电源电压变化的电压系数Kv；

2)通过仿真得到门延时Td随环境温度变化的温度系数Kt；

3)根据Ktvptc*VPTC0＝|Kt/Kv|确定参考电压VPTC的温度系数Ktvptc的值；

4)根据温度系数Ktvptc的值，调整温度传感器为温度系数等于Ktvptc时的电压信号VTS；

5)根据VPTC0＝VCMP0*gain及VCMP0＝VTS0+VREF，分配参考电压VREF的值和VTS在常温T0下的值VTS0和线性稳压器的增益gain；其中，VPTC0为VPTC常温T0下的值；VCMP0为VCMP常温T0下的输出电压值。

作为本发明的进一步改进，内部电源电压VPTC是通过配置温度传感器、模拟加法器及线性稳压器中电阻的阻值及基准电压VREF得到。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明通过增加温度传感器感受逻辑电路所处的环境温度，并将环境温度转化成具有一定正温度系数的电压信号VTS；模拟加法器将基准电压VREF和电压信号VTS进行数学求和，产生具有一定正温度系数的电压VCMP；线性稳压器以VCPM为参考，将外部电源电压Vpwr转化为具有一定正温度系数的内部电源电压VPTC为内部逻辑电路提供电源。很大程度上消除外部电源电压及环境温度对逻辑电路的影响，从而达到稳定门延时或时序的目的。

本发明的方法通过采集环境温度，并将环境温度转化成具有一定正温度系数的电压信号VTS；将基准电压VREF和电压信号VTS进行数学求和，产生具有一定正温度系数的电压VCMP；将外部电源电压Vpwr转化为具有一定正温度系数的内部电源电压VPTC为内部逻辑电路提供电源。当温度升高时，门延时随着温度的升高而增大；同时，其电源电压VPTC也随着温度的升高而升高，从而使得门延时又随着VPTC的升高而减小，这样的一对矛盾因素，就形成了对门延时的温度补偿，从很大程度上消除了环境温度对门延时的影响。

本发明还可通过调整VREF来矫正由于工艺角偏差所引起的门延时及逻辑电路时序的变化。

附图说明

图1a为逻辑电路示意图；

图1b为环形振荡器原理图；

图2为环形振荡器输出时钟周期随电源电压和环境温度变化的趋势图。

图3为传统方案的原理图；

图4为传统方案下环形振荡器输出时钟周期随电源电压和环境温度变化的趋势图；

图5为本发明方案的原理图；

图6为本发明方案下环形振荡器输出时钟周期随电源电压和环境温度变化的趋势图；

图7为本发明一种门延时稳定电路的具体实现电路。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和实施例对本发明的具体实施情况做进一步的说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

本发明提出了一种门延时稳定电路，包括温度传感器14、模拟加法器13、线性稳压器12及应用的逻辑电路11。如图5所示。

温度传感器14感受逻辑电路所处的环境温度，并将环境温度转化成具有一定正温度系数的电压信号VTS；模拟加法器13将基准电压VREF和电压信号VTS进行数学求和，产生具有一定正温度系数的电压VCMP；线性稳压器12以VCPM为参考，将外部电源电压Vpwr转化为具有一定正温度系数的内部电源电压VPTC(Vpwr大于VPTC)，为内部逻辑电路11提供电源。

根据线性稳压器的特性和门延时的两个特点可知：

(1)内部电源电压VPTC基本不受外部电源电压Vpwr变化的影响；

(2)当温度升高时，门延时随着温度的升高而增大；同时，其内部电源电压VPTC也随着温度的升高而升高，从而使得门延时又随着内部电源电压VPTC的升高而减小，这样的一对矛盾因素，就形成了对门延时的温度补偿，从很大程度上消除了环境温度对门延时的影响。其数学原理如下：

门延时的数学表达式如式(6)所示，其中VPTC0为VPTC常温T0下的值；Ktvptc为参考电压VPTC的温度系，即Ktvptc>0；式(6)对温度T求导如式(7)所示，当Ktvptc*VPTC0＝|Kt/Kv|时，可得到门延时的温度系数为0。

Td＝Td0*{1+Kv*[Ktvptc*VPTC0*(T-T0)]+Kt*(T-T0)}----(6)

Tcyc＝Tcyc0*{1+Kv*[Ktvptc*VPTC0*(T-T0)]+Kt*(T-T0)}-(8)

同样地，本发明以环形振荡器为例，其输出时钟周期的表达式如式(8)所示。如在某工艺下，取T0＝26℃,VPTC0＝1.1V，则环形振荡器输出时钟的周期随电源电压和环境温度的趋势如图6所示，具体变化数据如下所示：

外部电源电压Vpwr:0％～～0％，Kv＝0(此处Kv为外部电源电压系数)；

环境温度T(-40～～125):0％～～0.14％，Kt＝15ppm/℃；

外部电源电压+环境温度:0％～～0.14％。

综合上述，本发明可很大程度上消除外部电源电压及环境温度对逻辑电路的影响，从而达到稳定门延时或时序的目的。此外，本发明还可通过调整VREF来矫正由于工艺角偏差所引起的门延时及逻辑电路时序的变化。

本发明提供的稳定门延时或逻辑电路时序的方法及步骤如下：

(1)通过仿真得到门延时Td随电源电压变化的电压系数Kv；

(2)通过仿真得到门延时Td随环境温度变化的温度系数Kt；

(3)根据Ktvptc*VPTC0＝|Kt/Kv|确定Ktvptc的值；

(4)根据Ktvptc的值，调整温度传感器14得到温度系数等于Ktvptc的电压信号VTS；

(5)根据VPTC0＝VCMP0*gain及VCMP0＝VTS0+VREF，合理分配参考电压VREF的值和VTS在常温T0下的值VTS0和线性稳压器的增益gain；其中，VPTC0为VPTC常温T0下的值；VCMP0为VCMP常温T0下的输出电压值。

实施例

图7所示为本发明方案的具体实现电路，包括温度传感器14、模拟加法器13、线性稳压器12及应用的逻辑电路11。其中，VTX为温度传感器输出的原始正温度系数的电压，VTS为VTX经过缓冲器149后的输出电压，以增强其驱动能力；VCMP为参考电压VREF和温度传感电压VTS经过模拟加法器13的输出电压；VCMP作为线性稳压器12的参考电压，将外部电源电压Vpwr转化成具有正温度系数的内部电源电压VPTC，为应用的逻辑电路11提供电源。

温度传感器14由原始温度传感器及缓冲器149组成。原始温度传感器由第一三极管141(基极和发射极压差为VBE1)、第二三极管142(基极和发射极压差VBE0)、第一电阻143(电阻值为R0)、第二电阻148(电阻值为R1)、第一MOS管145、第二MOS管146和第三MOS管147、第一放大器144组成；其中，第二三极管142由m个(一般情况下m＞3，本发明选择m＝8)与第一三极管141相同的三极管并联而成，第一三极管141、第二三极管142的基极和集电极相连并接地，第一三极管141的发射极与第一MOS管145的漏极和第一放大器144的负相输入端相连；第二三极管142经过第一电阻143与第二MOS管146的漏极和第一放大器144的正相输入端相连；第一放大器144的输出端接第一MOS管145、第二MOS管146及第三MOS管147的栅极，同时第一MOS管145、第二MOS管146、第三MOS管147的源极和背栅极均连接至外部电源Vpwr；第三MOS管147的漏极经过第二电阻148接地，其公共端为原始温度传感器的输出电压VTX。

缓冲器149由输出端与负相输入端相连接的运算放大器构成，正相输入端接VTX，其输出端为温度传感器14的电压信号VTS。

模拟加法器13由第三电阻131(电阻值为R2)、第四电阻132(电阻值为R3)、第五电阻133(电阻值为R4)构成。其中：第三电阻131一端接基准电压VREF，另一端与第四电阻132、第五电阻133相连，形成公共端VCMP；第四电阻132另一端接温度传感器14的电压信号VTS；第五电阻133另一端接地。

线性稳压器12由第二放大器121、第六电阻123(电阻值为R6)和第七电阻122(电阻值为R5)组成。其中：第六电阻123和第七电阻122串联，一端接第二放大器121的输出端VPTC，另一端接地，其公共连接端接第二放大器121的反相输入端，形成一个负反馈回路；第二放大器121的正相输入端接模拟加法器的输出VCMP，其电源端接外部电源Vpwr，从而把外部电源转化成为逻辑电路11供电的内部电源VPTC。

由图7可得到内部电源VPTC的数学表达式如式(9)、式(10)所示，其中VT＝KT/q为三极管的热电压，配置R0～R6的值及VREF的值，可得到具有一定温度系数的VPTC电压，从很大程度上补偿或消除环境温度及外部电源的影响，达到稳定门延时的目的：

在此，举一组实例具体体现本发明的显著进步。在某工艺下，逻辑电路以环形振荡器为例，取Vpwr＝1.8V,VPTC0＝1.1V，VREF＝0.96V，R0＝6.3K，R1＝31.5K，R2＝R3＝R4＝20K，R5＝20K，R6＝40K，当外部电源(Vpwr±10％)和环境温度(-40℃～125℃)变化时，环形振荡器输出时钟变化范围缩小至+-0.13％，由此可知门延时或逻辑电路时序非常稳定。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的，技术方案和有益效果进行了进一步的详细说明，所应理解的是，以上仅为本发明的具体实施例而已，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，凡在本发明的精神和原则之内，做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。

尽管以上结合附图对本发明的具体实施方案进行了描述，但本发明并不局限于上述的具体实施方案，上述的具体实施方案仅仅是示意性的、指导性的、而不是限制性的。本领域的普通技术人员在本说明书的启示下，在不脱离本发明的权利要求所保护的范围的情况下，还可以做出很多种的形式，这些均属于本发明保护之列。

Claims (2)

1.门延时稳定电路的稳定方法，其特征在于，包括以下步骤：

温度传感器(14)采集内部逻辑电路(11)所处的环境温度，并将环境温度转化成正温度系数的电压信号VTS；

模拟加法器(13)将基准电压VREF和电压信号VTS进行数学求和，产生正温度系数的电压VCMP；同时，通过调整VREF来矫正由于工艺角偏差所引起的门延时及逻辑电路时序；

线性稳压器(12)以正温度系数的电压VCPM为参考，将外部电源电压Vpwr转化为正温度系数的内部电源电压VPTC，为内部逻辑电路(11)提供电源；其中，

具体计算步骤包括：

1)通过仿真得到门延时Td随电源电压变化的电压系数Kv；

2)通过仿真得到门延时Td随环境温度变化的温度系数Kt；

3)根据Ktvptc*VPTC0＝|Kt/Kv|确定内部电源电压VPTC的温度系数Ktvptc的值；

4)根据温度系数Ktvptc的值，调整温度传感器(14)得到温度系数等于Ktvptc时的电压信号VTS；

5)根据VPTC0＝VCMP0*gain及VCMP0＝VTS0+VREF，分配参考电压VREF的值和VTS在常温T0下的值VTS0和线性稳压器的增益gain；其中，VPTC0为VPTC常温T0下的值；VCMP0为VCMP常温T0下的输出电压值。

2.根据权利要求1所述的门延时稳定电路的稳定方法，其特征在于，内部电源电压VPTC是通过配置温度传感器(14)、模拟加法器(13)及线性稳压器(12)中电阻的阻值及基准电压VREF得到。

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