CN117691969A - 一种带负反馈的环形振荡器电路及其负反馈调节方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带负反馈的环形振荡器电路及其负反馈调节方法，该环形振荡器电路包括：电流源、环形振荡器和电流控制器，电流源的输出端与环形振荡器的电源端连接，环形振荡器的输出端与电流控制器的输入端连接，电流控制器的输出端与电流源连接；根据环形振荡器的输出控制电流控制器中的第一电容C1和第二电容C2为第三电容C3交替充电，调节电流源的电流，负反馈调节环形振荡器。本发明通过引入负反馈的思想，控制电流调节环形振荡器的电流，来减小电源电压、温度和工艺对频率的影响，使环形振荡器产生高精度的时钟，从而满足系统级芯片的需求。

Description

一种带负反馈的环形振荡器电路及其负反馈调节方法

技术领域

本发明属于半导体集成电路技术领域，具体地，涉及一种带负反馈的环形振荡器电路及其负反馈调节方法。

背景技术

振荡器在大多数系统级芯片(System on Chip，SOC)的设计中是不可或缺的组成部分，其作用是为芯片提供精准的时钟。在各种类型的振荡器中，环形振荡器具有结构简单且低功耗的优点，其结构为奇数个反相器串联、最后一级的输出连接到第一级的输入。但是其缺点同样明显，电源电压及环境温度对环形振荡器的输出频率影响较大，因此，环形振荡器的输出频率精度较差，无法满足芯片系统对高精度时钟的需求。

为了实现更高精度，环形振荡器的常见结构优化设计为通过电流受限的反相器组成，由于振荡器的振荡频率与电流相关，通过更精准的控制电流，从而达到更高精度。然而这类方案最后输出频率的精度主要取决于控制电流是否可以抵消电源电压、温度和工艺对频率的影响，如何实现合理的补偿，是亟待解决的技术问题。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供了一种带负反馈的环形振荡器电路及其负反馈调节方法，通过引入负反馈的思想，控制电流调节环形振荡器的电流，来减小电源电压、温度和工艺对频率的影响，使环形振荡器产生高精度的时钟，从而满足系统级芯片的需求。

为实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案：一种带负反馈的环形振荡器电路，包括：电流源、环形振荡器和电流控制器，所述电流源的输出端与环形振荡器的电源端连接，所述环形振荡器的输出端与电流控制器的输入端连接，所述电流控制器的输出端与电流源连接；根据环形振荡器的输出控制电流控制器中的第一电容C1和第二电容C2为第三电容C3交替充电，调节电流源的电流，负反馈调节环形振荡器。

进一步地，所述电流源由第二MOS管M2和第三MOS管M3组成，所述第二MOS管M2的栅极分别与第二MOS管M2的漏极、第三MOS管M3的栅极连接，所述第二MOS管M2的源极、第三MOS管M3的源极均与电源VDD连接，所述第二MOS管M2的漏极与电流控制器的输出端连接，所述第三MOS管M3的漏极与环形振荡器的电源连接。

进一步地，所述电流控制器包括：第一开关SW1、第二开关SW2、第三开关SW3、第四开关SW4、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第四电容C4、第一电阻R1、第二电阻R2、比较器Comp1、第一MOS管M1、D触发器DFF1和第四反相器INV4，所述第一开关SW1的一端与电源VDD连接，所述第一开关SW1的另一端分别与第二开关SW2的一端、第一电容C1的一端连接，所述第一电容C1的另一端接地；所述第二开关SW2的另一端分别与第四开关SW4的一端、第三电容C3的一端、第一电阻R1的一端、比较器Comp1的负输入端连接；所述第四开关SW4的另一端分别与第三开关SW3的一端、第二电容C2的一端连接，所述第三开关SW3的另一端与电源VDD连接，所述第二电容C2的另一端接地；所述第三电容C3的另一端接地，第一电阻R1的另一端接地；所述比较器Comp1的正输入端与参考电压Vref连接，所述比较器Comp1的输出端分别与第四电容C4的一端、第一MOS管M1的栅极连接，所述第四电容C4的另一端接地；所述第一MOS管M1的源极与第二电阻R2的一端连接，第二电阻R2的另一端接地；

所述D触发器DFF1的Q端与第四反相器INV4的输入端连接，所述D触发器DFF1的Qb端与D端连接。

进一步地，所述D触发器DFF1的Q端产生相位Φ1，经第四反相器INV4后产生相位Φ2。

进一步地，所述相位Φ1控制第一开关SW1和第四开关SW4的开闭，所述相位Φ2控制第二开关SW2和第三开关SW3的开闭，所述相位Φ1和相位Φ2交替控制。

进一步地，所述第一MOS管M1的漏极与第二MOS管M2的漏极连接。

进一步地，所述环形振荡器包括：第一反相器INV1、第二反相器INV2、第三反相器INV3，所述第一反相器INV1的输出端与第二反相器INV2的输入端连接，所述第二反相器INV2的输出端与第三反相器INV3的输入端连接，所述第三反相器INV3的输出端与第一反相器INV1的输入端连接；所述第一反相器INV1的接地端、第二反相器INV2的接地端、第三反相器INV3的接地端均接地。

进一步地，所述第一反相器INV1的电源端、第二反相器INV2的电源端、第三反相器INV3的电源端均与第三MOS管M3的漏极连接。

进一步地，所述第三反相器INV3的输出端与D触发器DFF1的CLK端连接。

进一步地，本发明还提供了一种所述的带负反馈的环形振荡器电路的负反馈调节方法，具体包括如下步骤：

步骤1、当环形振荡器频率增加时，由相位Φ1控制第一开关SW1闭合、第二开关SW2打开、第一电容C1充满电，且第三开关SW3打开，第四开关SW4闭合，第二电容C2通过第四开关SW4连接到第三电容C3，第二电容C2将上个相位Φ2所积累的电荷传给电容第三C3；同时，第一电阻R1提供电压V1对地的泄放通路，比较器Comp1的输出电压V2通过第一MOS管M1和第二电阻R2得到电流I1，电流I1通过第二MOS管M2和第三MOS管M3得到电流I2，由电流I2控制环形振荡器的频率；

步骤2、随后由相位Φ2控制第三开关SW3闭合、第四开关SW4打开，第二电容C2充满电，且第一开关SW1打开，第二开关SW2闭合，第一电容C1通过第二开关SW2连接到第三电容C3，第一电容C1将上个相位Φ1所积累的电荷传给第三电容C3；同时，第一电阻R1提供电压V1对地的泄放通路，比较器Comp1的输出电压V2通过第一MOS管M1和第二电阻R2得到电流I1，电流I1通过第二MOS管M2和第三MOS管M3得到电流I2，由电流I2控制环形振荡器的频率。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：本发明采用负反馈的思想来控制环形振荡器的频率，减小频率受温度和电源电压的影响，要求环形振荡器的输出被D触发器DFF1二分频得到相位Φ1和Φ2，这两个相位控制第一开关SW1、第二开关SW2、第三开关SW3、第四开关SW4交替开启，使得第一电容C1和第二电容C2为第三电容C3交替充电，若环形振荡器的输出频率增大，则交替充电的频率增大，从而使电压V1上升，而比较器Comp1的输出电压V2降低，使得电流I1减小，从而电流I2减小，减小环形振荡器的输出的频率，实现负反馈，本发明通过电流源调节第一电容C1或第二电容C2对第三电容C3的充电频率，从而控制环形振荡器的电流大小而改变频率，使环形振荡器产生高精度的时钟，从而满足系统级芯片的需求。此外，当温度和电源电压变化时，通过频率负反馈V2始终可以保持在参考电压Vref附近，使得电流I2几乎不变，导致环形振荡器的输出频率维持不变。本发明通过使用开关控制电源对电容充电而不是常在的电流源对电容充电，可以实现更低功耗，且由于电源对电容的充电速度远快于电流源对电容的充电速度，大大提升响应速度。

附图说明

图1为本发明带负反馈的环形振荡器电路的示意图；

图2为本发明带负反馈的环形振荡器电路的电路原理图；

图3为本发明带负反馈的环形振荡器电路的参考电压Vref和电压V1的关系图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步地解释说明。

如图1为本发明带负反馈的环形振荡器电路的示意图，该环形振荡器电路包括：电流源、环形振荡器和电流控制器，电流源的输出端与环形振荡器的电源端连接，环形振荡器的输出端与电流控制器的输入端连接，电流控制器的输出端与电流源连接；根据环形振荡器的输出控制电流控制器中的第一电容C1和第二电容C2为第三电容C3交替充电，调节电流源的电流，负反馈调节环形振荡器。本发明带负反馈的环形振荡器电路通过引入负反馈的思想，控制电流调节环形振荡器的电流，来减小电源电压、温度和工艺对频率的影响，使环形振荡器产生高精度的时钟，从而满足系统级芯片的需求。

如图2，本发明中电流源由第二MOS管M2和第三MOS管M3组成，第二MOS管M2的栅极分别与第二MOS管M2的漏极、第三MOS管M3的栅极连接，第二MOS管M2的源极、第三MOS管M3的源极均与电源VDD连接，第二MOS管M2的漏极与电流控制器的输出端连接，第三MOS管M3的漏极与环形振荡器的电源连接。第二MOS管M2、第三MOS管M3的栅极电压和源极电压相同，且第二MOS管M2和第三MOS管M3工作在饱和区，使得第二MOS管M2电流I1和第三MOS管M3的电流I2基本相同，因此，该电流源具有电路简单，复制电流较为精准的特点。

本发明中电流控制器包括：第一开关SW1、第二开关SW2、第三开关SW3、第四开关SW4、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第四电容C4、第一电阻R1、第二电阻R2、比较器Comp1、第一MOS管M1、D触发器DFF1和第四反相器INV4，第一开关SW1的一端与电源VDD连接，第一开关SW1的另一端分别与第二开关SW2的一端、第一电容C1的一端连接，第一电容C1的另一端接地；第二开关SW2的另一端分别与第四开关SW4的一端、第三电容C3的一端、第一电阻R1的一端、比较器Comp1的负输入端连接；第四开关SW4的另一端分别与第三开关SW3的一端、第二电容C2的一端连接，第三开关SW3的另一端与电源VDD连接，第二电容C2的另一端接地；第三电容C3的另一端接地，第一电阻R1的另一端接地；比较器Comp1的正输入端与参考电压Vref连接，比较器Comp1的输出端分别与第四电容C4的一端、第一MOS管M1的栅极连接，第四电容C4的另一端接地；第一MOS管M1的源极与第二电阻R2的一端连接，第二电阻R2的另一端接地，第一MOS管M1的漏极与第二MOS管M2的漏极连接；D触发器DFF1的Q端与第四反相器INV4的输入端连接，D触发器DFF1的Qb端与D端连接。D触发器DFF1的Q端产生相位Φ1，经第四反相器INV4后产生相位Φ2，相位Φ1控制第一开关SW1和第四开关SW4的开闭，相位Φ2控制第二开关SW2和第三开关SW3的开闭，且相位Φ1和相位Φ2交替控制。本发明通过开关控制电源对电容充电而不是常在的电流源对电容充电，可以实现更低功耗和更快的充电速度。

环形振荡器的频率由电流源的输出电流I2控制，该环形振荡器的频率通过D触发器DFF1二分频之后，产生相位Φ1和Φ2，分别用以控制第一电容C1、第二电容C2对第三电容C3的充电频率，电压V1由第一电容C1、第二电容C2对第三电容C3的充电和通过第一电阻R1持续对地放电组成，通过电压V1与参考电压Vref进行比较得到比较器Comp1的输出电压V2，输出电压V2通过第一MOS管M1和第二电阻R2得到电流I1，即I1＝V2-Vth/R2，其中，Vth表示第一MOS管M1的电压，电流I1通过电流镜的第二MOS管M2和第三MOS管M3，得到电流I2，再由电流I2控制环形振荡器的频率，通过电流来控制环形振荡器的频率可以减小电源电压、温度和工艺变化对环形振荡器频率的影响。

本发明中环形振荡器包括：第一反相器INV1、第二反相器INV2、第三反相器INV3，第一反相器INV1的输出端与第二反相器INV2的输入端连接，第二反相器INV2的输出端与第三反相器INV3的输入端连接，第三反相器INV3的输出端与第一反相器INV1的输入端连接；第一反相器INV1的接地端、第二反相器INV2的接地端、第三反相器INV3的接地端均接地。第一反相器INV1的电源端、第二反相器INV2的电源端、第三反相器INV3的电源端均与第三MOS管M3的漏极连接，第三反相器INV3的输出端与D触发器DFF1的CLK端连接。该环形振荡器具有高频、低功耗和结构简单的优点。

本发明带负反馈的环形振荡器电路的负反馈调节方法，具体包括如下步骤：

步骤1、当环形振荡器频率增加时，由相位Φ1控制第一开关SW1闭合、第二开关SW2打开、第一电容C1充满电，且第三开关SW3打开，第四开关SW4闭合，第二电容C2通过第四开关SW4连接到第三电容C3，第二电容C2将上个相位Φ2所积累的电荷传给电容第三C3；同时，第一电阻R1提供电压V1对地的泄放通路，比较器Comp1的输出电压V2通过第一MOS管M1和第二电阻R2得到电流I1，电流I1通过第二MOS管M2和第三MOS管M3得到电流I2，由电流I2控制环形振荡器的频率；

步骤2、随后由相位Φ2控制第三开关SW3闭合、第四开关SW4打开，第二电容C2充满电，且第一开关SW1打开，第二开关SW2闭合，第一电容C1通过第二开关SW2连接到第三电容C3，第一电容C1将上个相位Φ1所积累的电荷传给第三电容C3；同时，第一电阻R1提供电压V1对地的泄放通路，比较器Comp1的输出电压V2通过第一MOS管M1和第二电阻R2得到电流I1，电流I1通过第二MOS管M2和第三MOS管M3得到电流I2，由电流I2控制环形振荡器的频率。

在相位Φ1和相位Φ2交替时，第二电容C2、第一电容C1交替为第三电容C3充电，如图3中的电压V1和参考电压Vref的关系图更直白地展示了该带负反馈的环形振荡器电路达到稳定之后的充放电过程，从A到E为一个相位的电压变化，令A到E为相位Φ1，则在A时刻第一开关SW1闭合，第二开关SW2打开，第三开关SW3打开，第四开关SW4闭合，第二电容C2通过第四开关SW4连接到第三电容C3，并将上个相位Φ2所积累的电荷传给第三电容C3，在C时刻第二电容C2和第三电容C3上的电压相同，不再发生电荷转移，C到E时刻看到的放电的曲线是由第一电阻R1提供对地的泄放通路，实际上在A到E的整个相位中由第一电阻R1到地的泄放通路一直存在。从E时刻开始，进行相位Φ2控制下的电压变化。

当环形振荡器的频率增加时，相位Φ1和Φ2切换更频繁，使得电压V1升高，因此电压V2降低，使得电流I1减小，从而电流I2减小，从而减小环形振荡器的频率输出。本发明本发明通过使用开关控制电源对电容充电，可以实现低功耗、快速充电、快速响应的目的；同时，无论温度和工艺导致频率变大或变小，该负反馈调节机制始终可以减小这个变化，并使其频率最终趋向于参考电压Vref减去第一MOS管M1的阈值电压后除以R2得到的电流所控制的环形振荡器的频率。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施方式，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种带负反馈的环形振荡器电路，其特征在于，包括：电流源、环形振荡器和电流控制器，所述电流源的输出端与环形振荡器的电源端连接，所述环形振荡器的输出端与电流控制器的输入端连接，所述电流控制器的输出端与电流源连接；根据环形振荡器的输出控制电流控制器中的第一电容C1和第二电容C2为第三电容C3交替充电，调节电流源的电流，负反馈调节环形振荡器。

2.根据权利要求1所述的一种带负反馈的环形振荡器电路，其特征在于，所述电流源由第二MOS管M2和第三MOS管M3组成，所述第二MOS管M2的栅极分别与第二MOS管M2的漏极、第三MOS管M3的栅极连接，所述第二MOS管M2的源极、第三MOS管M3的源极均与电源VDD连接，所述第二MOS管M2的漏极与电流控制器的输出端连接，所述第三MOS管M3的漏极与环形振荡器的电源连接。

3.根据权利要求2所述的一种带负反馈的环形振荡器电路，其特征在于，所述电流控制器包括：第一开关SW1、第二开关SW2、第三开关SW3、第四开关SW4、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第四电容C4、第一电阻R1、第二电阻R2、比较器Comp1、第一MOS管M1、D触发器DFF1和第四反相器INV4，所述第一开关SW1的一端与电源VDD连接，所述第一开关SW1的另一端分别与第二开关SW2的一端、第一电容C1的一端连接，所述第一电容C1的另一端接地；所述第二开关SW2的另一端分别与第四开关SW4的一端、第三电容C3的一端、第一电阻R1的一端、比较器Comp1的负输入端连接；所述第四开关SW4的另一端分别与第三开关SW3的一端、第二电容C2的一端连接，所述第三开关SW3的另一端与电源VDD连接，所述第二电容C2的另一端接地；所述第三电容C3的另一端接地，第一电阻R1的另一端接地；所述比较器Comp1的正输入端与参考电压Vref连接，所述比较器Comp1的输出端分别与第四电容C4的一端、第一MOS管M1的栅极连接，所述第四电容C4的另一端接地；所述第一MOS管M1的源极与第二电阻R2的一端连接，第二电阻R2的另一端接地；

所述D触发器DFF1的Q端与第四反相器INV4的输入端连接，所述D触发器DFF1的Qb端与D端连接。

4.根据权利要求3所述的一种带负反馈的环形振荡器电路，其特征在于，所述D触发器DFF1的Q端产生相位Φ1，经第四反相器INV4后产生相位Φ2。

5.根据权利要求4所述的一种带负反馈的环形振荡器电路，其特征在于，所述相位Φ1控制第一开关SW1和第四开关SW4的开闭，所述相位Φ2控制第二开关SW2和第三开关SW3的开闭，所述相位Φ1和相位Φ2交替控制。

6.根据权利要求3所述的一种带负反馈的环形振荡器电路，其特征在于，所述第一MOS管M1的漏极与第二MOS管M2的漏极连接。

7.根据权利要求3所述的一种带负反馈的环形振荡器电路，其特征在于，所述环形振荡器包括：第一反相器INV1、第二反相器INV2、第三反相器INV3，所述第一反相器INV1的输出端与第二反相器INV2的输入端连接，所述第二反相器INV2的输出端与第三反相器INV3的输入端连接，所述第三反相器INV3的输出端与第一反相器INV1的输入端连接；所述第一反相器INV1的接地端、第二反相器INV2的接地端、第三反相器INV3的接地端均接地。

8.根据权利要求7所述的一种带负反馈的环形振荡器电路，其特征在于，所述第一反相器INV1的电源端、第二反相器INV2的电源端、第三反相器INV3的电源端均与第三MOS管M3的漏极连接。

9.根据权利要求7所述的一种带负反馈的环形振荡器电路，其特征在于，所述第三反相器INV3的输出端与D触发器DFF1的CLK端连接。

10.一种权利要求1-9任一项所述的带负反馈的环形振荡器电路的负反馈调节方法，其特征在于，具体包括如下步骤：

步骤1、当环形振荡器频率增加时，由相位Φ1控制第一开关SW1闭合、第二开关SW2打开、第一电容C1充满电，且第三开关SW3打开，第四开关SW4闭合，第二电容C2通过第四开关SW4连接到第三电容C3，第二电容C2将上个相位Φ2所积累的电荷传给电容第三C3；同时，第一电阻R1提供电压V1对地的泄放通路，比较器Comp1的输出电压V2通过第一MOS管M1和第二电阻R2得到电流I1，电流I1通过第二MOS管M2和第三MOS管M3得到电流I2，由电流I2控制环形振荡器的频率；

步骤2、随后由相位Φ2控制第三开关SW3闭合、第四开关SW4打开，第二电容C2充满电，且第一开关SW1打开，第二开关SW2闭合，第一电容C1通过第二开关SW2连接到第三电容C3，第一电容C1将上个相位Φ1所积累的电荷传给第三电容C3；同时，第一电阻R1提供电压V1对地的泄放通路，比较器Comp1的输出电压V2通过第一MOS管M1和第二电阻R2得到电流I1，电流I1通过第二MOS管M2和第三MOS管M3得到电流I2，由电流I2控制环形振荡器的频率。