CN110932670B - 振荡器电路以及相关的振荡器装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了振荡器电路以及相关的振荡器装置。振荡器电路包含负温度系数偏压电流产生电路以及一组振荡器子区块电路，其中负温度系数偏压电流产生电路耦接于电源电压与接地电压之间，而该组振荡器子区块电路彼此耦接以形成振荡器。负温度系数偏压电流产生电路可用来产生负温度系数偏压电流。该组振荡器子区块电路中的每一振荡器子区块电路包含多个晶体管，其耦接于电源电压以及负温度系数偏压电流产生电路中的一节点之间，而负温度系数偏压电流产生电路以及所述每一振荡器子区块电路共享该多个晶体管中的至少一个晶体管。本发明的好处例如：振荡器电路不需要电容器，且对温度变化不敏感；尤其，能通过组件共享来实现电流重用。

Description

振荡器电路以及相关的振荡器装置
技术领域
本发明有关于振荡器，尤其关于一种振荡器电路以及相关的振荡器装置。
背景技术
传统的低功耗振荡器通常需要多个子模块，并且该多个子模块中的每一个子模块块单独消耗功率，这使得传统的低功耗振荡器整体消耗功率无法进一步减少。
除了上列既有的问题之外，还有某些其它问题。例如，传统的低功耗振荡器的特性对温度变化敏感(temperature sensitive)。又例如，传统的低功耗低漂移振荡器需要至少三种组件，而这三种组件包含电容器。由于电容器的变化很大，故传统振荡器的频率变化较大，就造成整体效能变差。
因此，需要一种新颖的架构，以在没有副作用或较不可能带来副作用的状况下提升电子系统的整体效能。
发明内容
本发明的一目的在于公开一种振荡器电路以及相关的振荡器装置，以解决上述问题。
本发明的另一目的在于公开一种振荡器电路以及相关的振荡器装置，以在没有副作用或较不可能带来副作用的状况下达到电子装置的优化(optimal)效能。
本发明的至少一实施例公开一种振荡器电路。该振荡器电路包含：一负温度系数偏压电流产生电路以及一组振荡器子区块电路，其中该负温度系数偏压电流产生电路耦接于一电源电压与一接地电压之间，而该组振荡器子区块电路彼此耦接以形成一振荡器。该负温度系数偏压电流产生电路可用来产生至少一负温度系数偏压电流。另外，该组振荡器子区块电路中的每一振荡器子区块电路包含多个晶体管，而该多个晶体管耦接于该电源电压以及该负温度系数偏压电流产生电路中的一节点之间，尤其，该负温度系数偏压电流产生电路以及所述每一振荡器子区块电路共享该多个晶体管中的至少一个晶体管。
本发明的至少一实施例公开一种包含上述振荡器电路的振荡器装置，该振荡器装置可还包含：一比较器，耦接于该振荡器电路的至少一输出端子(例如一或多个输出端子)，用来进行比较运作以产生一输出信号。
本发明的好处例如：该振荡器电路不需要电容器，且对温度变化不敏感(temperature insensitive)，尤其，能通过组件共享来实现电流重用(reuse)。相较于相关技术，本发明的振荡器电路能被实施成无电容器(capacitor-less,cap-less)电路，不但功能完善、且大小极为精巧。
附图说明
图1为依据本发明一实施例的一种振荡器电路的示意图。
图2绘示依据本发明一实施例的包含图1所示振荡器电路的振荡器装置。
图3绘示依据本发明另一实施例的包含图1所示振荡器电路的振荡器装置。
图4绘示图1所示振荡器电路的相关信号的例子。
其中，附图标记说明如下：
10,20 振荡器装置
100 振荡器电路
110 负温度系数偏压电流产生电路
121,122,123 振荡器子区块电路
MP11,MP12,MP13, 晶体管
MP21,MP22,MP23,
MP31,MP32,MP33,
MN0,MN11,MN21,
MN31,MP_REF
RB 电阻器
VDD 电源电压
VSS 接地电压
IBIAS 偏压电流
NA,NB,NC,NC’, 节点
N1,N2,N3,N_mir
NX,NY 输出端子
I1,I2,I3 电流
vgs_ref,vgs_mir,Vref,VS 电压
CMP 比较器
CLK,CLK1,CLK2 输出信号
具体实施方式
图1为依据本发明一实施例的一种振荡器电路100的示意图。振荡器电路100包含负温度系数偏压电流产生电路(bias current generation circuit)110以及一组振荡器子区块电路{121,122,123}，其中负温度系数偏压电流产生电路110耦接于电源电压VDD与接地电压VSS之间，而该组振荡器子区块电路{121,122,123}彼此耦接以形成振荡器。负温度系数偏压电流产生电路110可用来产生至少一负温度系数偏压电流(bias current)。另外，该组振荡器子区块电路{121,122,123}中的每一振荡器子区块电路(诸如振荡器子区块电路121、122或123)包含多个晶体管，而该多个晶体管耦接于电源电压VDD以及负温度系数偏压电流产生电路110中的节点N_mir之间，尤其，负温度系数偏压电流产生电路110以及上述每一振荡器子区块电路(诸如振荡器子区块电路121、122或123)共享该多个晶体管中的至少一个晶体管(例如：一或多个晶体管，诸如该组振荡器子区块电路{121,122,123}中的任何一个振荡器子区块电路的最下方的晶体管，也就是晶体管MN11、MN21或MN31)。图1所示架构中采用了某些类型的金属氧化物半导体场效晶体管(Metal Oxide SemiconductorField Effect Transistor，可简称为「MOSFET」)，诸如P型(P-type)与N型(N-type)MOSFET，但本发明不限于此。
如图1所示，负温度系数偏压电流产生电路110可包含耦接至电源电压VDD且产生偏压电流IBIAS的电流源(绘示于图1左上角且标示了其偏压电流IBIAS)，且可包含耦接于这个电流源与接地电压VSS之间的一组晶体管{MN0,MP_REF}、耦接至晶体管MN0的晶体管MN11、MN21与MN31(其可作为上述至少一个晶体管的例子)、以及耦接于节点N_mir以及接地电压VSS之间的电阻器RB，其中晶体管MN11、MN21与MN31各自的控制端子诸如栅极(gate)端子耦接至该组晶体管{MN0,MP_REF}中的晶体管MN0的二个端子诸如栅极端子与漏极(drain)端子。于本实施例中，该组晶体管{MN0,MP_REF}中的每一晶体管的二个端子诸如栅极端子与漏极端子彼此耦接，使上述每一晶体管(诸如晶体管MN0或MP_REF)被组态成二极管连接的(diode-connected)晶体管。举例来说，该组晶体管{MN0,MP_REF}可依据偏压电流IBIAS产生至少一参考电压(例如：一或多个参考电压，诸如电压vgs_ref)，以供进行负温度系数控制，但本发明不限于此。
另外，上述每一振荡器子区块电路(诸如振荡器子区块电路121、122或123)中的该多个晶体管可包含耦接于电源电压VDD与另一节点(诸如节点N1、N2或N3)之间的多个晶体管，且包含耦接于该另一节点(诸如节点N1、N2或N3)与节点N_mir之间的上述至少一个晶体管(例如晶体管MN11、MN21或MN31)。如图1所示，振荡器子区块电路121包含耦接于电源电压VDD与节点N1之间的晶体管MP11、MP12与MP13以及耦接于节点N1与N_mir之间的晶体管MN11，振荡器子区块电路122包含耦接于电源电压VDD与节点N2之间的晶体管MP21、MP22与MP23以及耦接于节点N2与N_mir之间的晶体管MN21，且振荡器子区块电路123包含耦接于电源电压VDD与节点N3之间的晶体管MP31、MP32与MP33以及耦接于节点N3与N_mir之间的晶体管MN31。振荡器子区块电路121、122与123彼此串联，尤其，它们当中的每一个振荡器子区块电路(诸如振荡器子区块电路122、123或121)可被前一个振荡器子区块电路(诸如振荡器子区块电路121、122或123)所产生的电压(诸如节点NA、NB或NC上的电压)所控制。例如，振荡器子区块电路122中的晶体管MP21的控制端子诸如栅极端子耦接至节点NA、且耦接至振荡器子区块电路121中的节点N1，振荡器子区块电路123中的晶体管MP31的控制端子诸如栅极端子耦接至节点NB、且耦接至振荡器子区块电路122中的节点N2，并且振荡器子区块电路121中的晶体管MP11的控制端子诸如栅极端子耦接至节点NC’与NC、且耦接至振荡器子区块电路123中的节点N3。于本实施例中，晶体管MP12、MP13、MP22、MP23、MP32与MP33中的每一个晶体管的多个端子中的二个端子彼此耦接。例如，晶体管MP12、MP22与MP32中的每一个晶体管的多个端子中的二个端子诸如栅极端子与漏极端子彼此耦接，使这个晶体管被组态成二极管连接的晶体管。又例如，晶体管MP13、MP23与MP33中的每一个晶体管的多个端子中的二个端子诸如源极(source)端子与漏极端子彼此耦接，使这个晶体管被组态成具有电容器特性，以供被使用作为电容器，诸如负载电容器，但本发明不限于此。
请注意，负温度系数偏压电流产生电路110以及该组振荡器子区块电路{121,122,123}可共享电流，以达到电流重用的目标。举例来说，通过电阻器RB的电流I可等于电流I1、I2与I3的总和。另外，电阻器RB可具有电阻值RB(采用斜体字的相同符号，以便于理解)。于是，节点N_mir上的电压vgs_mir可表示如下：
vgs_mir＝I*RB+VSS；
其中，当VSS＝0(V)，vgs_mir＝I*RB，但本发明不限于此。于某些实施例中，为了使负温度系数偏压电流产生电路110具备某些特性，可选择合适的电阻值RB，使电阻值RB符合某一预定条件。
依据本实施例，该组振荡器子区块电路{121,122,123}可实现以MOSFET作为负载电容的一个环形振荡器(ring oscillator)，其耦接至负温度系数偏压电流产生电路110且和负温度系数偏压电流产生电路110共享组件以实现电流重用，但本发明不限于实现环形振荡器，也可以实现其它类型的振荡器。另外，振荡器电路100有多重优良特性，诸如电流重用、负温度系数电流偏压振荡器(current biased oscillator)、基于低增益放大器的振荡器(low-gain amplifier based oscillator)等，而这些优良特性目前均未见于相关技术中。为了便于理解本发明，假设该组振荡器子区块电路{121,122,123}可完全相同(它们中的任何二个振荡器子区块电路可彼此相同)，且它们所形成的振荡器的振荡器频率fOSC可表示如下：
fOSC＝(1/Td_Block_1)/3；
其中Td_Block_1可代表振荡器子区块电路121的延迟。由于振荡器子区块电路121被负温度系数偏压电流(诸如电流I1)所偏压，故基于负温度系数偏压电流对振荡器子区块电路121中的与负温度成正比特性的补偿，振荡器子区块电路121对温度变化不敏感。相同的状况也发生在振荡器子区块电路122与123。由于本发明避免使用电容器，并且从制程分析的观点来看，MOSFET的栅极电容变化针对快/慢角(fast/slow corner)只有大约+/-5％，因此与其它类型的振荡器相比，振荡器频率fOSC对装置角(device corner)的敏感度较低。
基于图1所示架构，本发明提供了能避免使用电容器的振荡器电路，并且在没有引入副作用的状况下，实现了可同时具备电流重用芯片上振荡器(current reused on-chiposcillator)以及负温度系数电流偏压振荡器等多重优良特性的完整电路架构，并且达到其电路功率以及频率随温度的漂移都远远低于传统架构的目标。尤其，本发明的无电容器的振荡器电路能一并解决相关技术中的各种问题，其中，本发明所提出的新颖架构对温度变化不敏感，且能通过组件共享来实现电流重用，又能大幅地降低关于制程的某些角变化(corner variation)所引起的频率变化。相较于相关技术，本发明的振荡器电路不但功能完善、且大小极为精巧。
图2绘示依据本发明一实施例的包含图1所示振荡器电路100的振荡器装置10。振荡器装置10可还包含比较器(标示为「CMP」)，其可耦接于振荡器电路100的至少一输出端子诸如输出端子NX，且可用来进行比较运作(尤其，比较输出端子NX上的电压以及参考电压诸如电压Vref)以产生输出信号CLK1，其中输出端子NX可耦接至节点NA、NB与NC中的任何一个节点，且输出信号CLK1可用来作为频率信号，但本发明不限于此。
图3绘示依据本发明另一实施例的包含图1所示振荡器电路100的振荡器装置20。振荡器装置20可另包含该比较器(标示为「CMP」)，其可耦接于振荡器电路100的至少一输出端子诸如输出端子NX与NY，且可用来进行比较运作(尤其，比较输出端子NX上的电压以及输出端子NY上的电压)以产生输出信号CLK2，其中输出端子NX与NY可分别耦接至节点NA、NB与NC中的任何二个节点，且输出信号CLK2可用来作为频率信号，但本发明不限于此。
图4绘示图1所示振荡器电路100的相关信号的例子。信号CLK可代表该组振荡器子区块电路{121,122,123}中的任何一个振荡器子区块电路所产生的振荡信号，其中这个振荡信号例如：振荡器子区块电路121所产生于节点NA上的电压信号、振荡器子区块电路121所产生于节点NB上的电压信号、以及振荡器子区块电路121所产生于节点NC上的电压信号。依据本实施例，于节点NA、NB与NC上的这些电压信号可分别等同于节点N1、N2与N3上的电压信号，且可分别在电源电压VDD与电压VS之间振荡。例如，电压VS可表示如下：
VS＝VDD-Vgs；
其中Vgs可代表某一个晶体管(例如晶体管MP12、MP22与MP32中的任何一个晶体管，其被组态成二极管连接的晶体管)所产生的参考电压，诸如这个晶体管的栅极-源极电压(栅极与源极之间的电压差)的大小。于某些实施例中，VDD、VSS、Vgs与VS可分别等于3(V)、0(V)、0.7(V)与2.3(V)，但本发明不限于此。
本发明的振荡器电路(例如振荡器电路100)与振荡器装置(例如振荡器装置10与20)可应用于各种不同的产品的相关设计，例如需要产生频率的模拟知识产权模块(analogIntellectual Property module,analog IP module)，诸如振荡器(OSC)、锁相回路(PLL)等设计。相较于相关技术，本发明的振荡器电路极为省电，且不需要电容器，并且对温度变化不敏感；尤其，能通过组件共享来实现电流重用。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种振荡器电路，其特征在于，包含：
一负温度系数偏压电流产生电路，耦接于一电源电压与一接地电压之间，用来产生至少一负温度系数偏压电流，其中该负温度系数偏压电流产生电路包含：
一电流源，耦接至该电源电压，用来产生一偏压电流；
一组晶体管，耦接于该电流源与该接地电压之间，用来依据该偏压电流产生至少一参考电压，以供进行负温度系数控制；以及
一电阻器，耦接于该负温度系数偏压电流产生电路中的一节点以及该接地电压之间；以及
一组振荡器子区块电路，彼此耦接以形成一振荡器，其中该组振荡器子区块电路中的每一振荡器子区块电路包含：
多个晶体管，耦接于该电源电压以及该节点之间，其中该负温度系数偏压电流产生电路以及所述每一振荡器子区块电路共享该多个晶体管中的至少一个晶体管，以及该负温度系数偏压电流产生电路还包含所述至少一个晶体管。
2.如权利要求1所述的振荡器电路，其特征在于，所述至少一个晶体管的一控制端子耦接至该组晶体管中的一晶体管的二个端子。
3.如权利要求1所述的振荡器电路，其特征在于，该组晶体管中的每一晶体管的二个端子彼此耦接，使所述每一晶体管被组态成二极管连接的晶体管。
4.如权利要求1所述的振荡器电路，其特征在于，该多个晶体管包含：
一第一晶体管，耦接于该电源电压以及另一节点之间；
一第二晶体管，耦接于该电源电压以及该另一节点之间；
一第三晶体管，耦接于该电源电压以及该另一节点之间；以及
所述至少一个晶体管，耦接于该另一节点以及该节点之间。
5.如权利要求4所述的振荡器电路，其特征在于，该第一晶体管的一控制端子耦接至该组振荡器子区块电路中的另一振荡器子区块电路的该另一节点。
6.如权利要求4所述的振荡器电路，其特征在于，该第二晶体管的多个端子中的二个端子彼此耦接，使该第二晶体管被组态成二极管连接的晶体管。
7.如权利要求4所述的振荡器电路，其特征在于，该第三晶体管的多个端子中的二个端子彼此耦接，使该第三晶体管被组态成具有电容器特性，以供被使用作为电容器。
8.一种包含如权利要求1所述的振荡器电路的振荡器装置，其特征在于，还包含：
一比较器，耦接于该振荡器电路的至少一输出端子，用来进行比较运作以产生一输出信号。
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