CN1264961A - 利用晶体管阈值电压控制的压控振荡器 - Google Patents
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Abstract
一种能在低压操作并提供可变周期输出的环形压控振荡器(VCRO)。多个晶体管形成环形振荡器,所选择的晶体管具有通过施加到晶体管本体的电压控制的阈值电压。控制输入连接到晶体管本体,由此晶体管的本体通过控制输入充电。充电本体改变了晶体管的阈值电压,由此控制了振荡器的振荡频率。
Description
本发明一般涉及压控振荡器(VCO)，特别涉及改变金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)的阈值电压控制振荡器工作频率的方法和系统。此外，本发明还特别涉及改变MOSFET本体电压以控制VCO的工作频率的方法和系统。
可变振荡器已设计在过去利用晶体振荡器、直接模拟频率合成、数值控制及其它方法中。每种形式的振荡器有至少一个特性限制了它在较高频率范围内的应用。例如，要形成利用晶体的可变振荡器，需要多个晶体，但很难或不可能得到多个沟道之间的相相干性，这些大量沟道的频率准确性存在高成本的问题。
数字锁相环已用于提供高频可变振荡器。然而，数字锁相环需要超大片外电感器。需要制造具有压控振荡器的锁相环，完全由互补金属氧化物半导体(CMOS)场效应晶体管(FET)构成，不利用如电感器和电容器等的片外元件。
CMOS电路广泛的制造能力提供了较便宜的基本调谐器件，用于如无线电话等利用千兆赫频率范围的产品。可以得到利用一个或多个反相器环的各种形式的无电感CMOS基环形振荡器设计，并且目前正在制造。
代表性的振荡器介绍在U.S.专利No.5,331,295中，1994年7月19日申请，由Jules J.Jelinek等人发明，U.S.专利No.5,172,076中，1992年12月15日申请，由Anthony K.D.Brown等人发明。
然而，现已发现利用体CMOS技术实现的环形振荡器具有重要的局限，包括随着频率增加振幅减小，和随着频率增加相位噪声增加。现已认识到环形振荡器的相位噪声与电压过渡斜率和节点电容值成反比。要减小相位噪声，需要大节点电容。大电容需要电容器“片外”设置，远离其上制造有振荡器的集成电路，或在集成电路上增加的硅区域上制作。
参考图1，示出了典型的环形振荡器100。第一反相器102、第二反相器104和第三反相器106串联连接。第三反相器的输出连接到第一反相器102的输入。
环形反相器通常由环形连接的奇数个反相器组成。图1示出了控制输入108、通常为电压，它也需要用于驱动环形振荡器100，由此以受控的频率振荡。因此，得到术语压控振荡器(VCO)。
为了操作由CMOS反相器环形成的环形振荡器，必须驱动CMOS反相器的环使振荡器以需要的频率振荡。如图1所示，大多数的VCO设计通过改变环形振荡器100的地参考电位来控制振荡频率。根据晶体管110的状态，控制输入108升高和降低第一反相器102的地参考电位。虽然图1示出了控制输入108借助晶体管110仅施加到第一反相器102，但环形振荡器100的其它设计可以在所有三个反相器102、104和106的地参考电位之间提供平行连接。改变地参考电位使环振荡器易受噪声影响。由于干线与干线的电压差减小，因此改变地参考电位的方法也限制了振荡的信号摆幅。例如，如果反相器106的地参考电位连接到节点112，那么它的输出波形(为振荡器的输出)在某种程度上振幅减小。
现代电路具有比前几代集成电路更低的操作电压。现有技术集成电路的电路标准为1.8伏。由此通过升高将地参考电压升高到高电压控制VCO通常将允许的信号摆幅降低到小于一伏。
因此希望能控制压控振荡器的振荡频率，同时将干线与干线的电压差保持在振荡器输出。此外，需要提供一压控振荡器，具有较小的寄生电容，由此压控振荡器可以较高的频率操作。
因此本发明的一个目的是提供一种压控振荡器(VCO)。
本发明的另一目的是提供一种改变金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)的阈值电压以控制振荡器操作频率的方法和系统。
本发明的再一目的是提供一种改变MOSFET本体电压以控制VCO的操作频率的方法和系统。
现在介绍以上目的的获得。公开一种能在低压操作并提供可变周期输出的环形压控振荡器(VCRO)。多个晶体管形成环形振荡器，选择的晶体管具有通过施加到晶体管本体的电压控制的阈值电压。控制输入连接到晶体管本体，由此晶体管的本体通过控制输入充电。充电本体改变了晶体管的阈值电压，由此控制了振荡器的振荡频率。
在下面详细的文字说明中，本发明的以上及附加的目的、特点及优点将变得很显然。
本发明的新颖结构得到的特性陈述在附带的权利要求书中。然而，当结合附图参考以下示例性实施例的详细说明，将更好地理解本发明自身、使用的优选模式、其它的目的及优点，其中：
图1示意性地示出了现有技术的压控振荡器；
图2示出了根据本发明具有体电压控制的压控振荡器；
图3A示出了沿在本发明的优选实施例中使用的体接触的绝缘体上硅(SOI)MOSFET的体和栅接触的剖面图；
图3B示出了沿体接触的SOI MOSFET的源和漏接触的剖面图；
图4示出了图3A和3B中示出的体接触的SOI MOSFET的俯视图；
图5A为根据本发明的环形压控振荡器的输出频率响应的图形表示；以及
图5B示出了振荡器输出信号与没有受输出控制电压影响的干线与干线输出振幅的关系曲线。
现在参考附图具体参考图2，示出了完全由CMOS元件形成的环形压控振荡器(VCRO)200。振荡器由一系列CMOS反相器组成，其中一对互补MOSFET形成每个反相器，即输入反相器202、中间反相器204、以及输出反相器206。
图2示出了本发明的优选实施例，其中VCRO200由三个反相器组成。然而，应该指出可以修改实施例，在VCRO200中可以使用不同数量的反相器，并且不脱离本发明的范围。然而，本质上构成VCO的反相器数量为奇数，并且超过二个。与基本的环形振荡器的构成一致，输出反相器206的输出连接到输入反相器202的输入。根据本发明精神实现VCRO200的一个例子是使外部时钟与芯片的内部时钟同步的锁相环(PLL)。
如VCRO200等的环形振荡器的振荡频率可以几种方式控制，但所有的方式都基于控制级联的反相器的上升和下降时间。加速或减速反相器操作的所述方法也称做相移。
对VCRO200而言，相移实质上必然改变通过反相器202、204和206的有效电阻。
对输出频率提供可变控制所需的相移的一个实现方法是改变或调节形成环形振荡器中反相器的一个或多个晶体管的阈值电压(Vt)。现代的半导体制造工艺允许MOSFET具有在几百毫伏数量级的开关阈值。阈值电压为电路的关键属性。具体地，通过保持电源电压和地参考电位同时改变晶体管的阈值电压，可以优良控制压控振荡器。
本发明通过利用称做“体效应”的晶体管性能特性以特别适合于CMOS MOSFET器件设计的方式控制阈值电压。体效应是一种与MOSFET晶体管相关的现象，其中源和晶体管的体之间的电压差改变了晶体管的阈值电压。所述变化的阈值电压改变了晶体管由源到漏的导电性。体效应在集成电路技术领域中是公知的，在这里引入作为参考。
再参考图2，根据本发明的优选实施例，VCRO200的频率控制开始于施加到NMOSFET 212、214和216的体上的控制输入208。控制输入208的来源没有示出，但可以由通常用在通常实现VCO的锁相环(PLL)中的反馈电路构成。在图2示出的例子中，控制输入208为当施加到N-MOSFET 212、214和216的体时控制每个N-MOSFET的源和体之间电压差的电压。所述差别在体CMOS技术中称为“衬底偏置”(Vbs)，所得效应称做“衬底偏置效应”或“体效应”。
在MOSFET器件的领域中公知阈值电压(Vt)(有时在数字应用中称做“开关电压”)为Vbs的辅助功能。因此，随着控制输入208改变每个N-MOSFET 212、214和216的体电压，每个N-MOSFET的Vt改变，进而导致通过每个N-MOSFET或多或少的相移。由此所述相移的增加或减小直接控制VCRO200将振荡的频率。在N-MOSFET中，例如N-MOSFET 212，Vt随体电压反方向改变。因此，随着控制输入208施加的电压增加，N-MOSFET的Vt减小，由此导致开关速度更快、穿过反相器202的相移减小以及VCRO200的工作频率更高。
目前正开发新类型的集成电路。所述新类型的集成电路为绝缘体上硅(SOI)设计。本发明的方法和系统的优选实施例通过利用SOI CMOS MOSFET的浮体特性实现Vt控制。因此本发明的优选实施例利用SOI技术实现。SOI技术将载流子传输层设置在基片上的绝缘层上。
载流子传输层和晶体管本体由基片相互电隔离。因此，在SOI实现中，晶体管本体相对于地和电源浮动。然后电源连接到晶体管本体，由此晶体管本体的电压相对于电压和地改变。晶体管的阈值电压与本体电压成反比。
现在参考图3A和3B，示出了根据本发明的优选实施例利用体接触N-MOS SOI MOSFET 300的简化示例性剖面图。示于图3A中沿栅接触304和体接触302的简化的剖面图最佳地示出了在本发明的优选实施例中有利地使用的N-MOS MOSFET 300的特殊物理特性。
SOI MOSFET 300示出的剖面包括栅接触304、接触栅314、体接触302、接触体312。根据本发明优选实施例，如参考图所介绍的，控制输入可以施加到体接触302，由此改变了施加到MOSFET体312的偏置。如图3A所示，MOSFET体312通过绝缘层308与基片310电绝缘。所述体和公共基片之间的绝缘为本发明所依赖的基本特性。通过体接触302施加到MOSFET体312的电压在这里称做“体电压”。
现在参考图3B，示出了根据本发明沿体接触的SOI MOSFET300的源接触318和漏接触322的剖面图。示出的载流子传输层326与硅氧化层308相邻。MOSFET体312(体电压)和N扩散316(SOIMOSFET 300的源)之间的电压差引起以可预测的方式改变MOSFET 300的阈值电压的体效应。
通过在基片材料310中形成硅氧化层制造SOI MOSFET。广泛使用的基片材料是硅。通过各种方法可以形成硅氧化层。一个方法为本领域的技术人员称做注氧隔离(SIMOX)，用于制造SOICMOS。在典型的SOI方法中，通过控制氧原子穿入硅衬底深度的轰击技术将氧注入到单晶硅片中。硅氧化层308形成在以被氧原子穿透的薄层硅(即，载流子传输层326)下。在硅衬底材料上形成绝缘层的其它方法当然是不脱离本发明的精神或范围的可行方法。
在制造期间，在载流子传输层326内形成N扩散316和324。N扩散316和324形成SOI MOSFET 300的漏和源。在晶体管的制造中掺杂是公知的，因此这里不再介绍。多晶硅层314形成在表面氧化层320上。然后表面氧化层320形成在N阱316和324之间的载流子传输层326的顶部。
图3A和3B示出了根据本发明的可以工作的示例性结构。然而，利用其它构成方法的许多其它实施例可以提供例如SOI MOSFET300的阈值电压可调的MOSFET。例如，本发明不限于硅结构。硅锗和其它的化合物可以提供用于具有特殊要求的应用的增强性能。
当利用SOI技术实现时，本发明特别有用。然而，本发明也可以利用可以控制晶体管本体的任何技术。根据本发明，在环形振荡器结构中至少一个晶体管本体被充电，当晶体管本体被充电时，晶体管的开关阈值减小。晶体管阈值电压中的微小变化导致振荡频率显著变化。
再参考图2，在本发明的优选实施例中，每个反相器由P-MOSFET 210(即，在图3B中，漏324和源316为p型材料)组成，它的源-漏电路与N-MOSFET 212的源-漏电路串联连接。P-MOSFET210和N-MOSFET 212的栅连接在一起形成到每个反相器的输入。P-MOSFET 210的源连接到提供正电压的干线电压，输入反相器202的N-MOSFET 212的源连接到地。
根据本发明，通过控制输入208提供电压控制。控制输入208连接到输入反相器202、中间反相器204和输出反相器206的N-MOSFET本体。
在示例性实施例中，控制电压借助控制输入208提供到每个反相器的N-MOS FET本体。然而，通过将控制输入提供到每个反相器内任何数量(一个或多个)的晶体管本体得到对振荡频率的控制。在另一实施例中，控制输入连接到一个或多个P-MOS FET晶体管的本体。在又一实施例中，适当极性的控制电压连接到所有晶体管的本体(即，一个控制电压施加到所有的P-MOS FET，另一个施加到所有的N-MOS FET)。通过改变本体电压不改变参考电压(即，电源和公共极)，低电压可用于功率VCRO 200，并且不限制本发明中的信号漂移。此外，本发明和现有技术的环形振荡器相比对噪声不太敏感，是由于改变了地或电源参考的电源电压，它们可以将噪声耦合到环形振荡器内，产生小于理想操作。
由输出反相器206的FET的公共节点提供环的输出信号。施加到输出反相器202、中间反相器204和输出反相器206本体的控制电压必须保持充分低于电源电压，以使噪声和其它干扰不影响反相器MOSFET的状态。借助控制输入208施加的电压的典型范围从-1.5伏到+0.6伏。
当到输入反相器202的输入为高逻辑电平(高)时，输出反相器202的输出为低。由此，在每个反相器输出处存在恒定反转的逻辑电平。所得振荡频率与三个反相器的传播延迟成反比。
由于延迟正比于反相器的输出电容，因此，最大频率由使用的特定技术限制。在SOI CMOS技术中，每个晶体管的寄生电容远低于常规体技术CMOS VCO。反相器的寄生电容主要包括反相器中的FET的栅电容。
每个反相器的传播延迟基于将输出电压由Vdd(正电压干线电压)改变到接下来的反相器的开关电压(即，阈值电压)所需的时间。在所述区域中，FET饱和，达到第一级近似值。由此通过降低驱动FET的阈值电压，可以增加VCRO的振荡频率。
当VCRO 200中的所有N-MOS FET的本体连接到控制输入208时，可以改变VCRO 200的三个延迟。如果仅控制一个反相器，那么通过将控制的反相器引起的延迟填加到其它反相器延迟的和取倒数可以近似振荡频率。延迟的和总共360度。
现在参考图4，SOI MOSFET的俯视图示出了已制造MOSFET300作为如反相器202、204和206等的CMOS反相器的一部分之后可以访问的它的功能区和接触的近似布局。如图4所示，包括体接触402、栅接触404、源接触420以及漏接触418的总共四个接触通过金属导体访问。漏接触418用于保持漏422和互补MOSFET的漏(P-MOS MOSFET的漏)之间的接触。所述电接触示作图2中的节点44。源接触420用于保持源424和地或负参考电压之间的电接触。栅接触404用于保持栅414和它的互补P-MOS MOSFET之间的电连接。第四个接触，即用在本发明的优选实施例中的体接触，提供了到其它电绝缘MOSFET体412的电访问。
现在参考图5，示出了根据本发明环形压控振荡器的输出频率响应的图形表示。通过将从与VCRO200相一致构形的VCRO的输出响应收集到的数据点相连可以推导出响应曲线502。响应曲线502示出了相对线性的方式，其中振荡频率随施加在如控制输入208的控制输入处的电压成函数关系改变。
另一频率响应曲线表示在图5B中，示出了振荡输出信号510的频率随控制电压520的增加而增加。为说明的目的叠加了作为控制电压的函数的阈值电压518的变化。如图5B所示，输出信号510为基本上大于控制电压520的具有峰值到峰值振幅514的方波。通过施加远低于电源电压的控制电压，输出信号510随后不容易受电源噪声影响。此外，当控制电压520施加到环形振荡器的输出反相器级时(例如反相器级206)，输出信号510的振幅不减小，仍将保持在振幅514。
虽然参考优选实施例具体显示和介绍了本发明，但应该理解本领域的技术人员可以不脱离本发明的精神和范围对形式和细节进行各种修改。
Claims (15)
1.一种环形压控振荡器(VCRO)，能在低压操作并提供可变周期输出，包括：
多个形成环形振荡器的晶体管，其中所述多个晶体管中的至少一个晶体管具有本体和阈值电压；以及
连接到所述至少一个晶体管的控制输入，其中通过所述控制输入可以将所述至少一个晶体管的所述本体充电到改变所述至少一个晶体管的所述阈值电压，由此控制所述环形振荡器的振荡频率。
2.根据权利要求1的环形压控振荡器，其中所述环形振荡器由多于五个的MOSFET晶体管组成，每个所述MOSFET晶体管具有一个阈值电压和一个本体电压，其中所述阈值电压为所述本体电压的函数。
3.根据权利要求2的环形压控振荡器，其中所述环形振荡器由n个CMOS反相器组成，其中n为大于一的奇数，每个所述CMOS反相器具有n个N型晶体管和n个P型晶体管。
4.根据权利要求3的环形压控振荡器，其中所述控制输入连接到所有所述N型晶体管。
5.根据权利要求3的环形压控振荡器，其中所述控制输入连接到所有所述P型晶体管。
6.根据权利要求1的环形压控振荡器，其中所述多个晶体管利用绝缘上硅技术制造。
7.根据权利要求1的环形压控振荡器，还包括CMOS晶体管结构。
8.根据权利要求1的环形压控振荡器，其中所述环形压控振荡器在千兆赫频率范围内工作。
9.根据权利要求1的环形压控振荡器，其中所述控制输入为在-1.5伏到+0.6伏范围内的电压信号。
10.根据权利要求1的环形压控振荡器，其中所述环形振荡器被偏置以产生方波输出信号。
11.根据权利要求10的环形压控振荡器，其中所述控制输入包括将所述方波输出信号与外部参考信号同步的装置，由此可以使所述方波输出与所述外部的方波参考信号同步。
12.根据权利要求1的环形压控振荡器，其中所述环形振荡器被偏置以产生正弦输出信号。
13.根据权利要求12的环形压控振荡器，其中所述控制输入包括调节所述正弦输出信号的所述输出频率的装置。
14.一种提供可变控制环形振荡器的振荡频率的系统，所述环形振荡器具有从电源电压到地参考电位的输出振幅范围，所述系统包括：
多个CMOS MOSFET，形成环形振荡器，其中至少一个所述多个MOSFET具有相对于电源和地参考电位浮动的本体；以及
将控制信号连接到所述至少一个MOSFET的所述浮动本体的装置，由此所述阈值电压可以受控改变。
15.根据权利要求14的系统，其中所述控制信号为可变的电压源。
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