CN1713513A - 具有几乎恒定延迟时间的低电压运算环形振荡器 - Google Patents

具有几乎恒定延迟时间的低电压运算环形振荡器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于链式环形振荡器而仅需要低电压运算的方法和电路，该链式环形振荡器在温度和半导体制程的变化当中具有一恒定的延迟时间。一系统电流源包括一恒定电压电路以经由一电阻组件而产生一恒定电压，并因而产生一恒定电流。该恒定电压电路的主要部分为一运算放大器和一带隙参考电路。利用一系列的电流镜，该恒定电流被镜射至包含于每一链式环形振荡器的n个级反相器的电流源。

Description

具有几乎恒定延迟时间的低电压运算环形振荡器
技术领域
本发明涉及一种环形振荡器电路，尤其是涉及一种即使运算电压骤降也具有几乎一恒定的延迟时间的环形振荡器电路。
背景技术
环形振荡器用来做各种不同的用途。通常环形振荡器用来做为内部产生的内部产生的时钟源(internally generated clocking source)或是在一更为复杂的系统：诸如一电压控制振荡器(voltage controlled oscillator，VCO)或一锁相回路(phase locked loop，PLL)中做为一级(stage)。它们经常用来为像是动态随机存取内存(DRAM)的记忆装置下达一更新的指令。
例如对内存电路设计的应用来说，具有恒定延迟的电路是十分重要的。
图1为已知的一具有五级CMOS(互补式金属氧化物半导体)反相器的链式环形振荡器的电路图。通常级数为奇数(3、5、7、等)且具有级联式回馈至反相器链的输入的输出(with the output of the cascade fed back to theinput of the inverter chain)。一振荡器可在不须输入信号的一特定频率下提供一输出。
所有这些IN1至IN5的5级均有相同的电路图。第1级IN1设置有一CMOS反相器INV1，而此CMOS反相器INV1包含一PMOS晶体管PI1和一NMOS晶体管NI1。而一PMOS晶体管PN1和一NMOS晶体管NN1可为此反相器级IN1提供一电流源。准此，其余四级IN2至IN5的设置均相同。
最后一级IN5的输出为第一反相器INV1的输入INP1。此输入INP1连接至CMOS晶体管PI1和NI1的栅极。第一反相器INV1的输出OUT1连接至PMOS晶体管PI1的漏极、NMOS晶体管NI1的漏极、以及第二变换器级IN2的输入。
PMOS晶体管PI1以其源极经由PMOS晶体管PN1连接至运算电压(operating voltage)VCC。而NMOS晶体管NI1以其源极经由NMOS晶体管NN1连接至VSS电压。
由电压VCC至VSS经PMOS晶体管P1、电阻器R1、以及NMOS晶体管N1的电流I1遵行以下公式：
I1＝(VP-VN)/R1
其中VP为晶体管P1在漏极处的电压，而VN为晶体管N1在漏极处的电压。电流I1经由电流镜P1/PN1和N1/NN1镜射至第一变换器级。因而，电流I1也镜射至其它变换器级。如果运算电压VCC骤降，电压差VP-VN会变成很小。特别是针对新的半导体技术(大多数晶圆厂为因应最先进的IC已由.18进入.13微米)，用来将晶体管扭转至接通和断开(on and off)的典型运算电压已经降低，例如由2.5伏特降至1.8伏特，而且在制程中的变化或温度改变的情况下，这些电路变得更敏感。纵使所有的装置都符合制造规范，如果阈值电压(threshold voltage)低于正常值，PMOS装置也会有比正常状况较高的速率；反之，如果阈值电压高于正常值，PMOS装置也会有比正常状况较低的速率。
这就是说，如果PMOS或NMOS装置的阈值电压高于正常值，电压VP和VN的差值就会小一点。反之，如果PMOS或NMOS装置的阈值电压低于正常值，则电压VP和VN的差值就会大一点。更且，半导体装置和电阻器R1的性能会随着温度而改变。因此，电流I1，且藉由镜射，流经反相器级IN1至IN5的电流不会是恒定而是依温度及制程的变化而改变。因此，已知的环形振荡器，其延迟时间将会随着不同的温度及不同的制程参数而改变，即使这些参数在规格的范围内，且即使运算电压VCC被调整过。
因为电压VP＞VN且电压VP等于VP＝VCC-|VTHP1|，
其中，|VTHP1|为P1的阈值电压，且电压 VN ≅ VTHN 1 ,
其中，|VTHN1|为N1的阈值电压，以下公式成立
VCC＝|VTHP1|+VTHN1+I1×R1.
因此，如图1所示，已知的环形振荡器只能在电压差I1×R1远大于阈值电压|VTHP1|+VTHN1之和的情况下才能精确运作。
以下列举若干用来控制环形振荡器延迟时间的已知专利：
美国专利U.S.Patent(6,813,210 to Okamoto)et al.教导一半导体记忆装置，其包含一用来决定一自行更新运算的更新循环的更新定时器(refreshtimer)。该更新定时器包含一电压调节器(voltage regulator)、一环形振荡器、和一计数器。电压调节器会产生一具有正温度特性的偏压。环形振荡器会依照该偏压来改变一脉冲信号的振荡循环。而计数器会将一脉冲信号的指定数目加以计数，并产生一用来执行更新运算的更新信号。于是，该半导体记忆装置依照一温度的改变来改变该更新循环，并以一适当的更新循环来执行更新运算。
美国专利U.S.Patent(6,188,293 to Miyagi et al.)公开一低电力消耗的积体环形振荡器，能够在一宽广电压范围内稳定运算，而不需进行大的频率改变。该积体环形振荡器包含一具有一加强型P-MOS晶体管和一减弱型N-MOS晶体管的第一恒定电压产生电路；和一具有一减弱型P-MOS晶体管和一加强型N-MOS晶体管的第二恒定电压产生电路。一由第一恒定电压电路所产生的第一恒定电压应用于传输栅极的一P-MOS晶体管的一栅极，而该传输栅极连接于环形振荡器的各个串接式反相器(cascaded inverter)之间。一由第二恒定电压产生电路所产生的第二恒定电压连接至传输栅极的一N-MOS晶体管的一栅极。藉此架构可使减低电流消耗，并增长电池寿命。此用来写入和抹除电可抹除可程序只读存储器(EEPROM，electrically erasableprogrammable read-only memory)的助推电路(boosting circuit)可与该低功率环形振荡器(low power ring oscillator)一起成形。
美国专利U.S.Patent(5,898,343 to Morgan)公开一记忆装置的一更新电路，其包含一具有一频率稳定电路的一环形振荡器。该频率稳定电路能产生补偿电压信号以资响应，来改变供应电压和温度以修正该频率稳定电路中的场效应晶体管(field-effect transistor)的电导，俾补偿来自环形振荡器的一电容的放电电流的电导路径(conductive path)以便稳定该振荡频率。
发明内容
本发明的主要目的在提供一具有恒定延迟时间且需要低运算电压的环形振荡器。
根据本发明的目的，本发明已完成一需要低运算电压的环形振荡器的恒定延迟时间。该方法包含：提供一链式环形振荡器、一系统电压供应器VCC、和n个级。其中，该链式环形振荡器包含一系统电流源电路，而此系统电流源电路包含三个分支，其第一分支包含一恒定电压电路和一电阻组件，而该第二和第三分支包含两个晶体管。又，其中每一该环形振荡器的每一级具有一第一、一第二电流源、和一反相器电路。以下本发明的步骤是使用该恒定电压电路在该第一分支处产生一第一恒定电流，其是由该恒定电压电路和该电阻组件所产生的电压所界定，并将其镜射至该系统电流源电路的该第二分支的第一晶体管，用来产生一第二恒定电流，并将其镜射至该第三分支的一第二晶体管，用来产生一第三恒定电流和该环形振荡器的每一该级的该第二恒定电流。最后一个步骤是将该第三恒定电流镜射至该环形振荡器的每一该级的每一该第一恒定电流源。
根据本发明的目的，本发明已完成一具有一恒定延迟时间且需要低运算电压的链式环形振荡器。该链式环形振荡器包含：n个相同的串接式级的反相器，其中每一级包含一第一和一第二级电流源，其中每一该级电流源接受来自一系统电流源的电流和一变换器电路。更且，该电路包含一系统供应电压，而该系统电流源对所有该n个反相器级的每一该两个电流源产生一恒定电流，其中，该系统电流源包含一恒定电压电路。
以上所述和其它目的、实施样态、以及优点，在经过本发明参考以下图解以提供一较佳实施例的详细解说后当更能明了。
附图说明
图1为知的一链式环形振荡器的一电路图；
图2为本发明一链式环形振荡器的一较佳实施例的一电路图；
图3为本发明一达成具有低运算电压的一环形振荡器的方法的流程图。
附图标号说明：20-运算放大器；30-步骤30；31-步骤31；32-步骤32；33-步骤33；34-步骤34；12-电流；MP1至MP3-PMOS晶体管；MN1、MN2-NMOS晶体管；MP1/MP2-电流镜；MN1/MN2-电流镜；N1-节点；NN1至NN5-级第一电流源；PN1至PN5-级第二电流源；R2-电阻器；S1至S5-五级变换器；VCC-运算电压；Vbgref-带隙参考电压；VP、VN-节点；VPN和VNN-统调节点(tracking nodes)。
(步骤30)：提供一链式环形振荡器、一系统电压供应器VCC、和n个级。其中，该链式环形振荡器包含一系统电流源电路，而此系统电流源电路包含三个分支，其第一分支包含一恒定电压电路和一电阻组件，而该第二和第三分支包含两个晶体管。又，其中每一该环形振荡器的每一级具有一第一、一第二电流源、和一反相器电路。
(步骤31)：使用该恒定电压电路在该第一分支处产生一第一恒定电流，其是由该恒定电压电路和该电阻组件所产生的电压所界定。
(步骤32)：将该第一恒定电流镜射至该系统电流源电路的该第二分支的第一电晶体，用来产生一第二恒定电流。
(步骤33)：将该第二恒定电流镜射至该第三分支的一第二晶体管，用来产生一第三恒定电流和该环形振荡器的每一该级的该第二恒定电流。
(步骤34)：将该第三恒定电流镜射至该环形振荡器的每一该级的每一该第一恒定电流源。
具体实施方式
该等较佳实施例公开用于一具有在温度和半导体制程的变化当中具有一恒定的延迟时间的互补式金属氧化物半导体(CMOS)的方法和电路。
图2显示本发明一链式环形振荡器的一较佳实施例的一电路图。
此较佳实施例显示一具有S1至S5的五级反相器的一环形振荡器。我们可以明显地看出来，图2中的环形振荡器为无限定的一例。本发明支持任何具有奇数(3、5、7、等)级反相器的环形振荡器。
本发明的特征为：在不同的温度和不同的制程中具有一恒定的系统电流源。在图2中所示的较佳实施例中，利用一恒定电压电路而设置有一恒定系统电流源。此恒定电压电路是立基于一半导体的带隙值Vbgref，此为一众所熟知的物理值。
该恒定电压电路包括一具有一正和一负输入端(a positive and a negativeinput port)的运算放大器(20)(operational amplifier)。该由一带隙参考电路(bandgap reference circuit)所产生的带隙参考电压(第2图中未显示)为运算放大器(20)的负输入(negative input)，而位于节点N1的电压则为运算放大器(20)的正输入端(positive input port)。运算放大器(20)的输出连接至PMOS晶体管MP1的栅极。PMOS电晶体MP1的源极连接至运算电压VCC，而MP1的漏极连接至节点N1，因而也连接至运算放大器(20)的正输入。运算放大器将节点N1处的电压控制在带隙参考电压Vbgref的位准。因此，流经PMOS晶体管MP1的电流(12)遵行以下公式：
12＝N1/R2＝Vbgref/R2
电流(12)在晶体管阈值电压值(Transistor threshold voltage values)的变化和在温度的变化当中为恒定值，这是因为电阻器R2和带隙参考电压Vbgref为恒定值的缘故。电阻器R2在温度的变化当中必须要有恒定电阻值。在本发明的一较佳实施例中，已为R2选了一个珪铝电阻器(salicide resistor)。
流经PMOS晶体管MP1的电流被镜射至PMOS晶体管MP2。
在较佳实施例中所述的晶体管MP2其大小与晶体管MP1相同；亦即MP1的通道宽度(channel width)除以MP1的通道长度等于MP2的通道宽度除以MP2的通道长度。通常这两个晶体管MP1和MP2的大小是相同。因此，在图2所示的较佳实施例中，流经PMOS电晶体MP2和NMOS晶体管MN1的电流(I2)也流经PMOS的晶体管MP1和电阻器R2。
必须了解到的是；除了电流镜比(current mirror ratio)1∶1以外，也可用于电流镜MP1/MP2和电流镜MN1/MN2。而且，镜射到电晶体PN1的电流也不一定要等于镜射到晶体管NN1的电流。但是，即使这些电流可能不相同，它们均为恒定电流。
流经晶体管MP2和MN1的电流从晶体管MN1镜射到MN2再镜射到NMOS晶体管NN1至NN5。在此所阐述的较佳实施例其电流镜比又是1∶1，亦即MN1、MN2以及NN1到NN5等的大小均相同。必须了解到的是；MN2以及NN1到NN5等的大小与MN1可有所不同。
流经PMOS晶体管MP3和NMOS晶体管MN2的电流I2由电晶体MP3被镜射到级电流源(stage current sources)PN1至PN5，且流经晶体管MN1的电流被各自镜射到级电流源NN1至NN5。因此，一恒定电流流经所有的反相器级(inverter stages)。
因此，藉由将节点N1处和在VCC位准处，两者的电压加以调节至恒定位准，则该所发明的电路的延迟时间在制程参数的变化当中或是在温度的变化当中几乎为恒定。
图2中显示的统调节点(tracking nodes)VPN和VNN，其电压范围较诸图1中所显示已知的节点VP和VN大很多。因此，本发明的电路可以在低运算电压的条件下准确运作。如果运算电压VCC大于VPN+VDSMIN(NMOS晶体管MN2的最低漏极-源极电压)或如果运算电压VCC大于VNN+VDSMIN(PMOS晶体管MP2的最低漏极-源极电压)的话，该所发明的电路可以准确运作。
必须了解到的是，根据本发明所提供的一恒定电压或一恒定电流可以适用于具有任何奇数级的任何链式环形振荡器。
图3说明一达成环形振荡器的一几乎恒定延迟时间的方法的流程图。步骤30说明了本发明所提供的一链式环形振荡器包含三个分支。其中第一分支包含一恒定电压电路和一电阻组件，且每一第二、第三分支包含两个晶体管、一系统电压供应器VCC、和n个级，其中该环形振荡器的每一级具有一第一、一第二电流源和一反相器电路。任一在温度变化中具有一恒定电阻的电阻组件均可用来代替一电阻器。在本发明的一较佳实施例中，此电阻组件选用一珪铝电阻器。步骤31描述使用该恒定电压电路在该第一分支处产生一第一恒定电流，其是由该恒定电压电路和该电阻组件所产生的电压所界定的。在步骤32中，将该第一恒定电流镜射至该系统电流源电路的该第二分支的第一晶体管，俾产生一第二恒定电流。在步骤33中，将该第二恒定电流镜射至该第三分支的一第二晶体管，用来产生一第三恒定电流和该环形振荡器的每一该级的该第二恒定电流。在最后的步骤34中，将该第三恒定电流镜射至该环形振荡器的每一该级的每一该第一恒定电流源。
虽然本发明已就较佳的实施例加以描述并解说，但熟知该项技术的本领域一般技术人员将会了解到对于本发明的形式与细节可做的各种变化仍不脱离本发明的精神与范围。因此，本发明所涵盖的修正均包含在以下所列举的权利要求与及其等效性构造的范围内。

Claims (17)

1.一种达成一需要低运算电压的环形振荡器的恒定延迟时间的方法，其特征在于，包括：
提供一链式环形振荡器，包含一系统电流源电路，而此系统电流源电路包含三个分支，其第一分支包含一恒定电压电路和一电阻组件，而每一该第二和第三分支包含两个晶体管、一系统电压供应器VCC、和n个级，其中每一该环形振荡器的每一级具有一第一和一第二电流源、以及一反相器电路；
使用该恒定电压电路在该第一分支处产生一第一恒定电流，其是由该恒定电压电路和该电阻组件所产生的电压所界定；
将该第一恒定电流镜射至该系统电流源电路的该第二分支的第一晶体管，俾产生一第二恒定电流；
将该第二恒定电流镜射至该第三分支的一第二晶体管，用来产生一第三恒定电流和该环形振荡器的每一该级的该第二恒定电流；以及
将该第三恒定电流镜射至该环形振荡器的每一该级的每一该第一恒定电流源。
2.如权利要求1所述的一种达成一需要低运算电压的环形振荡器的恒定延迟时间的方法，其特征在于，该系统电压供应器VCC提供一调节电压。
3.如权利要求1所述的一种达成一需要低运算电压的环形振荡器的恒定延迟时间的方法，其特征在于，将该第一恒定电流镜射至该第二分支是藉使用一电流镜比为1∶1来进行。
4.如权利要求1所述的一种达成一需要低运算电压的环形振荡器的恒定延迟时间的方法，其特征在于，将来自该第二分支的该第二恒定电流镜射至该第三分支是藉使用一电流镜比为1∶1来进行。
5.如权利要求1所述的一种达成一需要低运算电压的环形振荡器的恒定延迟时间的方法，其特征在于，将来自该第二分支的该第二恒定电流镜射至该第三分支是藉来自该第二分支的一第二电晶体来进行。
6.如权利要求1所述的一种达成一需要低运算电压的环形振荡器的恒定延迟时间的方法，其特征在于，将该第三恒定电流镜射至每一该级的该第一电流源是藉来自该第三分支的一第一晶体管来进行。
7.如权利要求1所述的一种达成一需要低运算电压的环形振荡器的恒定延迟时间的方法，其特征在于，将该第三恒定电流镜射至每一该级的该第一电流源是藉使用一电流镜比为1∶1来进行。
8.如权利要求1所述的一种达成一需要低运算电压的环形振荡器的恒定延迟时间的方法，其特征在于，该恒定电压电路包括一带隙参考电路、一运算放大器、和一晶体管。
9.如权利要求1所述的一种达成一需要低运算电压的环形振荡器的恒定延迟时间的方法，其特征在于，该电阻组件为一电阻器。
10.如权利要求1所述的一种达成一需要低运算电压的环形振荡器的恒定延迟时间的方法，其特征在于，该电阻组件为一珪铝电阻器。
11.一种达成需要一低运算电压的一恒定延迟时间的链式环形振荡器，其特征在于，包括：
n个相同的反相器的串接式级，其中每一级包括一第一和一第二级电流源，其中，每一该级电流源从一系统电流源接收一电流，和一反相器电路；以及，
一系统供应电压；以及，
该系统电流源，在所有该n个反相器级的每一该两个电流源中产生一恒定电流，其中该系统电流源包括一恒定电压电路。
12.如权利要求11所述的一种达成需要一低运算电压的一恒定延迟时间的链式环形振荡器，其特征在于，该系统电流源包括：
一该系统电流源的第一分支，包括一恒定电压电路，其提供一具有一恒定电压和一经由该第一分支以镜射电流的装置(means)，和一电阻组件，其中该组件的一端连接至该节点，且另一端连接至VSS电压；
一该系统电流源的第二分支，包括一第一PMOS晶体管和一第一NMOS晶体管，其中该第一PMOS晶体管的源极连接至VCC电压，而其栅极连接至该装置，俾从该系统电流源的第一分支镜射一电流，且该第一PMOS电晶体的漏极连接至该第一NMOS晶体管的漏极和栅极，且该第一NMOS晶体管的源极连接至VSS电压，其中经由该第一分支的该电阻组件的电流镜射至第二分支的该第一PMOS晶体管，且其中经由该第一NMOS晶体管的电流镜射至一第三分支的一第二NMOS晶体管，并镜射至每一该n个反相器级的每一该第二电流源；以及，
一该系统电流源的第三分支，包括一第二PMOS晶体管和一第二NMOS晶体管，其中该第二PMOS晶体管的源极连接至VCC电压，且该第二PMOS晶体管的栅极和漏极连接至该第二NMOS晶体管的漏极，而该NMOS晶体管的源极连接至VSS电压，且该第二NMOS晶体管的栅极连接至该第一NMOS晶体管的栅极，其中流经该第二NMOS电晶体的电流镜射至每一该n个反相器级的每一该第一电流源。
13.如权利要求12所述的一种达成需要一低运算电压的一恒定延迟时间的链式环形振荡器，其特征在于，该恒定电压电路包括：
一运算放大器，其具有一输出和一负/正输入，其中该负输入为一带隙参考电压，而该正输入连接至提供一恒定电压的该节点，且该输出连接至一PMOS晶体管的栅极；
该PMOS晶体管，其源极连接至VCC电压，而其漏极连接至提供一恒定电压的该节点，且其栅极连接至该第一分支的该第一PMOS晶体管的栅极，其中PMOS晶体管用来做为经由该第一分支来镜射电流的装置；以及，
一带隙参考电路，产生连接至该运算放大器的该负输入的该带隙参考电压。
14.如权利要求12所述的一种达成需要一低运算电压的一恒定延迟时间的链式环形振荡器，其特征在于，该电阻组件为一电阻器。
15.如权利要求14所述的一种达成需要一低运算电压的一恒定延迟时间的链式环形振荡器，其特征在于，该电阻器为一珪铝电阻器。
16.如权利要求11所述的一种达成需要一低运算电压的一恒定延迟时间的链式环形振荡器，其特征在于，每一该反相器级的每一该第一级电流源为PMOS晶体管，且每一该反相器级的每一该第二电流源为NMOS晶体管。
17.如权利要求11所述的一种达成需要一低运算电压的一恒定延迟时间的链式环形振荡器，其特征在于，包含在每一反相器级的每一该反相器电路包括一PMOS晶体管和一NMOS晶体管，其中该PMOS晶体管的源极是经由该第一级电流源而连接至VCC电压，而该PMOS晶体管的漏极连接至相关的反相器级的输出，且连接至NMOS晶体管的漏极，而该PMOS晶体管和NMOS晶体管两者的栅极连接至并为其相关的反相器级的输入，且该NMOS晶体管的源极是经由该第二级电流源而连接至VSS电压。
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