CN1585269A - 形成频率可变的振荡器的方法及其结构 - Google Patents

Abstract

本发明所提出的频率可变的振荡器(10)做成使振荡器的内部延迟与振荡器频率的改变成反比地改变。

Description

形成频率可变的振荡器的方法及其结构

技术领域

本发明与电子技术有关，具体地说，与形成半导体器件的方法和结构有关。

背景技术

过去，半导体工业用了各种方法和结构来生产频率可变的振荡器。一种称为锯齿波振荡器的特殊振荡器用于各种应用。锯齿波振荡器通常用电流源对一个电容器充电，而将电容器两端的电压作为输出信号或者说振荡信号。可变频率的锯齿波振荡器的一个问题是振荡信号的频率由于频率控制信号改变而改变的线性。这种关系以下称为控制线性。锯齿波振荡器通常具有影响振荡频率的周期的内部延迟。在低频下，在振荡器内的这种延迟只占振荡周期的一小部分。在频率高时，这种延迟就成为周期的更为显著的部分，从而导致较差的控制线性。

因此，所希望的是能开发出一种在整个振荡器频率范围内控制线性更恒定的振荡器。

附图简要说明

图1示意性地例示了按照本发明设计的振荡器的一部分的实施例；

图2为示出按照本发明设计的图1所示振荡器的工作情况的图形；以及

图3示意性地例示了包括按照本发明设计的图1所示振荡器的半导体器件的放大平面图。

为了简明起见，图中的元件不必按比例示出，在不同的图中同样的参考标号所标的是同样的元件。此外，为了简化说明，省略了对一些众所周知的步骤和元件的详细情况的说明。在这里，所谓的“载流电极”是指一个器件的传载通过器件的电流的元件，诸如MOS晶体管的源极或漏极，或者双级性晶体管的发射极或集电极，而所谓的“控制电极”是指器件的控制流过器件的电流的元件，诸如MOS晶体管的栅极或双级性晶体管的基极。虽然这些器件在这里作为一定的P沟道和N沟道器件予以说明，但通常熟悉本技术领域的人员可以理解，按照本发明用互补器件也是可行的。

具体实施方式

图1示意性地例示了一种与振荡器10的频率的改变成反比地改变振荡器10内部延迟的频率可变的振荡器10的实施例一部分。振荡器10在振荡器输出端18上形成一个输出信号或者说振荡信号。振荡器10通过交替地对一个连接在输出端18和信号返回端19之间的电容器66充电和放电形成振荡信号。振荡信号的频率由加到控制输入端29上的控制信号控制。振荡器10得到加在电压输入端16和电压返回端17之间的电源的供电。通常，返回端17与返回端19相连接。振荡器10包括放电电流源31、充电电流源32、上门限比较器12、下门限比较器11、电压基准14、开关或开关晶体管28和存储元件或锁存器13。添加的虚线框除了用来突出电流源31和32外还用来突出比较器11和12。

放电电流源31用来使电容器66放电，放电速度由流过源31的放电电流44控制。在晶体管28导通时，充电电流源32提供有助于对电容器66充电的电流45。电流44和45各用箭头示出。电流45大于电流44，因此，在晶体管28导通时，电流45的一部分流过源31，而剩余的一部分流过电容器66，作为对电容器66充电的充电电流。因此，充电电流为电流45与44之差。锁存器13和比较器11、12用来控制晶体管28的导通和截止，在输出端18上产生振荡信号。比较器11和12将振荡信号的电压与基准14和电阻21、23、25和27提供的基准电压相比较。在节点22处形成一个控制基准电压，在节点24处形成一个上门限电压，而在节点26处形成一个下门限电压。在电流源32将电容器66充电到等于或高于上门限电压时，比较器12的输出端成为高电平，使锁存器13置位，从而使晶体管28截止。这使电流源31对电容器66放电，放电速度由电流44控制。在电流源31使电容器66放电到等于或低于下门限电压时，比较器11的输出端成为高电平，从而使锁存器13复位。这使晶体管28导通，从而再次使电流源32开始对电容器66充电。对电容器66的充电和放电以由电流45和44确定的充电和放电速度继续进行，从而在输出端18上形成振荡信号。比较器11和12与锁存器13和晶体管28一起形成了一个从输出端18的反馈通路，这个反馈通路影响到振荡器10的工作，情况将在下面说明。应指出的是，可用一个分压器来将输出端18上的振荡信号的电压与门限电压之间的关系调整为不同于振荡器10所用的直接1∶1比例的关系。

振荡信号的频率是通过改变电流45和电流44的值来改变的。放大器33、晶体管34和基准晶体管36形成了一个偏置产生器，它与可变电阻67一起用来确定箭头所示的控制电流70，控制电流70用来控制电流44和45的值。因此，电流70形成了一个确定振荡器10的振荡频率的频率控制信号。此外，电流70还用来改变通过振荡器10的延迟，如下面要进一步说明的那样。在有些实施例中，振荡器10的频率可以是固定的，电阻67可以用一个固定电阻代替。放大器33和晶体管34形成了一个电压-电流变换器，帮助形成电流70。放大器33接收来自节点22的控制基准电压，驱动晶体管34的基极。放大器33和晶体管34在晶体管34的发射极和输入端29上形成一个近似等于控制基准电压的电压。这个电压加在电阻67的两端，因此电阻67的值就确定了电流70的值。改变电阻67的值于是就改变了频率控制信号的值和电流70的值。如下面将看到的那样，电流70的值用来确定振荡器10内的频率和延迟。熟悉该技术领域的人员将认识到电阻67、放大器33和晶体管34可以用一个产生电流70的电流产生电路代替。

基准晶体管36连接成接收电流70和通过与电流镜晶体管37的电流镜连接来反映电流70。由于这种电流镜配置，建立了以箭头所示的近似等于基准电流70的电流71通过晶体管37。电流71流过与形成电流源31的多个电流镜晶体管39连接成电流镜配置的基准晶体管38。由于这种电流镜配置，多个电流镜晶体管39中的每个晶体管都有近似等于电流71的电流流过。这些电流的和形成电流44。晶体管36也与形成电流源32的多个晶体管41连接成电流镜配置。由于这种电流镜配置，多个晶体管41中的每个晶体管都有近似等于电流70的电流流过。这些电流的和形成电流45。必须保证电流45大于电流44。晶体管36、37、38、39和41的容量和导电率以及电流镜的比例形成为保证振荡器10能在整个所希望的频率范围内工作，提供电流70、71、44和45之间良好的匹配和跟踪。可以用包括改变电流镜配置内的晶体管比例在内的各种其他措施使电流45比电流44大。改变电阻67的值就改变了电流70的值，因此改变了电流44和45的值。增加电流44和45的值使得对电容器66的充电和放电能在更短的时间内完成，从而提高了振荡器10的频率。相反，减小电流70的值会降低振荡器10的频率。

振荡器10还做成使通过比较器11和比较器12的反馈通路元件的延迟与振荡器10的频率的改变成反比。在这个优选实施例中，这是通过改变用来偏置比较器11和12的差动级的偏置电流来实现的。振荡器10做成使偏置电流的改变与频率的改变成正比。例如，提高频率可以增大偏置电流，从而减小延迟。比较器11包括一对差动晶体管58和59，它们连接成从偏置晶体管56接收示为一个箭头的偏置电流64。晶体管58和59还分别与构成一个有源负载电流镜的晶体管61和62连接。晶体管61和62接收来自晶体管58和59的电流，驱动输出晶体管63的栅极。晶体管63从晶体管57接收偏置电流。在加到晶体管59的栅极上的电压低于加到晶体管58的栅极上的电压时，晶体管63截止，从而晶体管57将比较器11的输出端拉到高电平。类似地，比较器12具有一对从偏置晶体管42接收偏置电流52的差动晶体管46和47。晶体管46和47与构成一个有源负载电流镜的、作用与晶体管61和62类似的晶体管48和49连接。输出晶体管51连接成接收由通过晶体管47的电流产生的电压。晶体管51从作用与晶体管57类似的偏置晶体管43接收偏置电流。在加到晶体管47的栅极上的电压大于加到晶体管46的栅极上的电压时，晶体管51截止，从而晶体管43将比较器12的输出端到高电平。偏置晶体管42、43、56和57与晶体管36连接成电流镜配置。晶体管42、43、56、57和36的容量都选择成能保证晶体管42、43、56和57提供的偏置电流与基准电流70的改变成正比、因此与电流44和45的改变成正比地改变。因此，随着为了提高或降低振荡频率相应增大或减小电流44和45，晶体管42、43、56和57提供的偏置电流也以同样的百分比相应增大或者或减小，从而相应减小或增大通过比较器11和12的延迟。由于通过比较器11和12的延迟是反馈通路中的主要延迟，因此减小比较器11和12的延迟就改善了振荡器10的控制线性。

图2为例示在第一频率振荡的振荡信号的一个周期部分波形75和例示在高于第一频率的第二频率振荡的振荡信号的一个周期部分波形76的波形图。横坐标表示时间，而纵坐标表示电压。电压78表示节点26处的下门限电压，电压77表示节点24处的上门限电压。为了使说明清晰起见，将参考图1和图2进行说明。比较器11和12与锁存器13和晶体管28一起形成了一个从输出端18反馈的反馈通路，这个反馈通路影响到振荡器10的工作。反馈通路的延迟将影响振荡器10形成的振荡信号的周期。来看波形75，在时间80，充电电流开始对电容器66充电。充电电流在时间81将电容器66充到输出端18上的电压达到电压77。由于反馈通路内的延迟，晶体管28直到稍后的时间82才截止，此时充电电流将电容器66充到了一个高于电压77的电压。电流44于是开始使电容器66放电，使电压从这个较高的电压在时间83降到电压77，而后继续使电容器66放电，直到在时间84振荡信号达到电压78。由于反馈通路内的延迟，晶体管28直到时间85才导通，因此电容器66放电放到一个低于电压78的电压。充电电流开始对电容器66充电，使电压从这个较低的电压在时间86升高到电压78，而后继续对电容器66充电，在时间81充到电压77。时间81与82之间和时间84与85之间的振荡器10的反馈通路内的延迟延长了振荡信号的周期。此外，时间82与83之间和时间85与86之间的附加恢复时间也使周期增长。

在改变振荡器10的频率时，为了提高振荡器10的控制线性，振荡器10还与频率改变成反比地改变延迟，保持延迟时间基本上占振荡周期的同样百分比。改变延迟时间也改变了恢复时间，使它们也保持振荡周期的同样百分比，以提高振荡器10的控制线性。改变延迟和恢复时间也使控制线性在振荡器10的整个工作频率范围内保持更为恒定。这个情况如波形76所示。为了提高振荡信号的频率，增大电流70，相应也就增大电流44和45。电流70的增大也增大了偏置电流52和64，从而减小了振荡器10的反馈通路内的延迟。电流52和64增大的百分比与电流44和45增大的百分比相同。例如，如果电流44和45加倍，电流52和64也加倍，从而将延迟和恢复时间减小了一半(1/2)。在时间80，充电电流开始对电容器66充电，在时间91充到振荡信号达到电压77。由于反馈通路内的延迟，晶体管28直到稍后的时间92才截止，此时电容器66上的电压已经充到一个高于电压77的电压。从时间91到时间92的延迟增加振荡信号周期。然而，时间91与92之间的这部分时间小于时间81与82之间的那部分时间。电流44使电容器66放电到在时间93达到电压77，然后继续放电直到时间95。注意，由于图2所例示的比例，时间93示为与时间82重合。同样，由于反馈通路内的延迟，晶体管28在振荡信号在时间94达到电压78时没有导通。充电电流在时间96再次将电容器66充电充到电压78，再继续充电，一直充到在时间91达到电压77之后。如前面在波形75中那样，振荡信号的周期由于时间91与92之间和时间94与95之间的延迟时间以及时间92与93之间和时间95与96之间的恢复时间而受到延长。可以证明，延迟时间和恢复时间都与频率改变成反比地改变。例如，如果频率加倍，使延迟时间和恢复时间都近似减半。

在振荡器10的一个实例中，电阻67从22k到330k欧可变，而所得到的振荡信号在20k赫到330k赫范围内改变。在整个这个范围内，控制线性的变化小于1.5％。

如果频率提高而不改变延迟时间和恢复时间，延迟时间和恢复时间对于所有频率将是恒定的，因此，控制线性就会降低，而且在整个工作频率范围内变化很大。在上面这个实例中，如果频率提高而不改变延迟时间和恢复时间，控制线性变化就会大于15％。

为了有利于这样工作，电阻21的第一端接到基准14的输出端上。电阻21的第二端接到节点22和电阻23的第一端上。电阻23的第二端接到节点24和电阻25的第一端上。电阻25的第二端接到节点26和电阻27的第一端上，而电阻27的第二端接到返回端17上。晶体管56的第一载流电极接到输入端16上。晶体管56的第二载流电极接到晶体管58和59的第一载流电极上。晶体管58具有一个接到节点26上的栅极和一个接到晶体管61的第一载流电极和晶体管63的栅极上的第二载流电极。晶体管61的第二载流电极接到返回端17上。晶体管59的第二载流电极接到晶体管62的第一载流电极和晶体管61和62的栅极上。晶体管62具有一个接到返回端17的第二载流电极。晶体管63具有一个接到返回端17上的第一载流电极和一个接到比较器11的输出端、锁存器13的复位输入端和晶体管57的第一载流电极上的第二载流电极。晶体管57具有一个接到输入端16上的第二载流电极。晶体管42具有一个接到输入端16上的第一载流电极和一个接到晶体管46和47的第一载流电极上的第二载流电极。晶体管46具有一个接到节点24上的栅极和一个接到晶体管49和48的第一载流电极和晶体管49的第一载流电极上的第二载流电极。晶体管49具有一个接到返回端17的第二载流电极。晶体管48具有一个接到返回端17上的第一载流电极和一个接到晶体管51的栅极和晶体管47的第二载流电极上的第二载流电极。晶体管51具有一个接到返回端17上的第一载流电极和一个接到比较器12的输出端、锁存器13的置位输入端和晶体管43的第一载流电极上的第二载流电极。晶体管43具有一个接到输入端16上的第二载流电极。晶体管28具有一个接到锁存器13的Q输出端的栅极、一个接到每个晶体管41的第一载流电极上的第一载流电极和一个接到输出端18、晶体管47的栅极和每个晶体管39的第一载流电极上的第二载流电极。多个晶体管41各有一个接到输入端16上的第二载流电极。多个晶体管39各具有一个接到返回端17上的第二载流电极和一个接到晶体管38的栅极、晶体管38的第一载流电极和晶体管37的第一载流电极上的栅极。晶体管38的第二载流电极接到返回端17上，而晶体管37的第二载流电极接到输入端16上。放大器33具有一个接到节点22上的正输入端和一个接到输入端29和晶体管34的第一载流电极上的负输入端。晶体管34的栅极接到放大器33的输出端上，而晶体管34的第二载流电极接到晶体管36的第一载流电极、晶体管36和37的栅极、每个晶体管41的栅极和晶体管42、43、56和57上。晶体管36和37各有一个接到输入端16上的第二载流电极。通常，输出端18接到电容器66的第一端上，而电容器66的第二端接到返回端19上。输入端29通常接到电阻67的第一端上，而电阻67的第二端接到返回端19上。

图3示意性地例示了在一个半导体芯片99上形成的半导体器件98的一个实施例的一部分的放大平面图。振荡器10形成在芯片99上。芯片99还可以包括其他为了简明起见在图3中未示出的电路。

由上可见，所揭示的是一种新颖的器件和方法。除了其他特点，所包括的还有在改变振荡器频率时改变振荡器的内部延迟。与频率改变成反比地改变延迟导致在整个振荡器工作频率范围内更为线性地进行工作。

虽然以上结合具体实施例对本发明作了说明，但显然，对于熟悉半导体技术领域的人员来说许多替换和变更都是显而易见的。可以通过改变除偏置电流之外的参数来改变延迟，只要使延迟的改变与频率的改变之间保持这种成反比的关系。

Claims (10)

1.一种形成振荡器的方法，包括：

形成一个具有延迟的振荡器，包括将振荡器形成为产生一个频率；以及

将振荡器形成为产生与所述频率的改变成反比改变的延迟。

2.权利要求1的方法，其中所述将振荡器形成为产生与频率的改变成反比改变的延迟包括将振荡器形成为在振荡器的反馈通路的组成部分(11，12)内产生成反比的延迟改变。

3.权利要求2的方法，其中所述将振荡器形成为在振荡器的反馈通路的组成部分内产生成反比的延迟改变包括将振荡器形成为产生反馈通路的组成部分的偏置电流(52，64)。

4.权利要求3的方法，其中所述将振荡器形成为产生反馈通路的组成部分的偏置电流包括产生随频率的改变成正比地改变的偏置电流。

5.权利要求1的方法，其中所述将振荡器形成为产生与频率的改变成反比改变的延迟包括形成一个锯齿波振荡器以产生所述延迟。

6.权利要求1的方法，其中所述形成具有延迟的振荡器包括将一个比较器(11，12)连接在振荡器的反馈通路内，其中将该比较器的一个偏置产生器连接成产生该比较器的偏置电流，使得改变频率产生成正比的偏置电流改变。

7.一种操作振荡器的方法，包括：

在振荡器的输出端(18)产生一个具有一个频率的振荡信号；以及

产生振荡器的延迟，使得所述频率的改变产生成反比的延迟改变。

8.权利要求7的方法，其中所述产生振荡器的延迟使得频率的改变产生成反比的延迟改变包括产生振荡器的反馈通路内的组成部分的、与用来建立所述频率的偏置电流成正比的偏置电流。

9.一种振荡器，所述振荡器包括：

一个输出振荡信号的输出端(18)；

一个接收振荡信号的反馈通路(11，12)，所述反馈通路具有一个有延迟的有源部件；以及

一个连接成为有源部件提供偏置电流(52，64)和连接成接收频率控制信号并相应产生该偏置电流的偏置产生器(33，34，36)。

10.权利要求9的振荡器，其中所述接收振荡信号、具有有源部件的反馈通路包括一个连接成接收振荡信号的比较器。

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