CN201222719Y - 高精准环形振荡器 - Google Patents

Abstract

一种高精准环形振荡器，它包括一个以MOS场效应管的阈值电压和可调电阻为基准的自偏置电流源以及至少一个环形振荡器级。它是利用自偏置电流源中的MOS场效应管的阈值电压和环形振荡器级的MOS场效应管的阈值电压相互补偿，消除由MOS场效应管工艺漂移和温度系数引起的环形振荡器输出频率不稳的现象。利用可调电阻的温度系数和MOS场效应管的寄生参数的温度系数的相互补偿，减小环形振荡器输出频率的温度系数。通过对可调电阻进行内部修调，可对输出信号频率进行微调，使之达到高精准的要求。

Description

高精准环形振荡器

技术领域：

本实用新型涉及一种环形振荡器，特别是涉及一种高精准的环形振荡器。

背景技术：

当前较大规模集成片上的系统都需要一个较精准的时钟，作为数字模块的时钟或作为同步或作为定时用。出于功耗和成本的考虑，片内环形振荡器是一个较好的选择。这种振荡器不需要片外的晶体或电感电容等调谐器件，仅需奇数个反相器串联并首尾相接。

若干个反相器首尾相接的环形振荡器的输出信号频率受电源电压、温度、工艺漂移等因素影响很大，无法达到高精准的应用要求。

发明内容：

本实用新型的目的是针对上述存在的问题，提供一种能抑制电源电压的变化，具有温度和工艺补偿功能的环形振荡器。

本实用新型为了达到上述的目的，所采取的技术方案是提供一种高精准的环形振荡器，它包括至少一个环形振荡器级和与其电连接的供电电源；所述的环形振荡器级包括两种不同导电类型的MOS场效应管构成的反相器以及与其电连接的MOS场效应管；所述的供电电源是包括阈值电压VTH与环形振荡器级中的MOS场效应管的阈值电压VTH相互补偿的MOS场效应管和可调电阻的自偏置电流源。

如上述本实用新型的环形振荡器，它包括一个以MOS场效应管的阈值电压VTH和可调电阻为基准的自偏置电流源以及至少一个环形振荡器级。它是利用自偏置电流源中的MOS场效应管的阈值电压VTH和环形振荡器级的MOS场效应管的阈值电压VTH相互补偿，消除由MOS场效应管工艺漂移和温度系数引起的环形振荡器输出频率不稳的现象。利用可调电阻的温度系数和MOS场效应管的寄生参数的温度系数的相互补偿，减小环形振荡器输出频率的温度系数。通过对可调电阻进行内部微调，可对输出信号频率进行微调，使之达到高精准的要求。还可通过调整电流源到环形振荡器级的电流比例，达到输出信号频率高精准的要求。

所述的MOS场效应管的阈值电压VTH适用于NMOS和PMOS两种类型的场效应管的阈值电压VTH。

由于本实用新型的环形振荡器采用上述的结构，输出信号频率与电源电压无关，带有温度、工艺补偿和校准功能。所以本实用新型可实现在一定的温度、电源电压、工艺漂移范围内的高精准频率的应用。

附图说明

图1是本实用新型环形振荡器的结构示意图；

图2是本实用新型的自偏置电流源一实施例的结构示意图；

图3是本实用新型的环形振荡器级一实施例的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型的结构进行进一步地说明。

图1是本实用新型的环形振荡器的结构示意图。如图1所示，本实用新型的环形振荡器包括自偏置电流源1和包含N级(N为奇数)反相器首尾相接的环形振荡器级2，图1中Fout端为信号输出端。

图2是图1中自偏置电流源1一实施例的结构示意图。

如图2所示，本实用新型的自偏置电流源1包括至少2个MOS场效应管的栅极连接在一起构成的第一条电流镜，在本实施例中，是3个PMOS场效应管(以下简称PMOS管)Mpb1、Mpb2、Mpb3，3个PMOS管Mpb1、Mpb2、Mpb3的栅极接在一起，构成第一条电流镜的结构；与第一条电流镜并联的至少2个MOS场效应管的栅极连接在一起构成的第二条电流镜，在本实施例中，是2个NMOS场效应管(以下简称NMOS管)Mnb2和Mnb3，NMOS管Mnb2和Mnb3的栅极接在一起，构成第二条电流镜的结构；第一条电流镜一端的MOS场效应管的漏极连接一可调电阻，如图2所示，在本实施例中，在第一条电流镜一端的PMOS管Mpb1的漏极接于可调电阻(分电阻R1)的一端；第二条电流镜通过一MOS场效应管与这一可调电阻相连接，如图2所示，在本实施例中，通过一NMOS管Mnb1的栅极与可调电阻(分电阻R1)的一端相连，NMOS管Mnb1的源极接地，漏极与NMOS管Mnb2的栅极和漏极相连，PMOS管Mpb3的栅极和漏极接在一起，NMOS管Mnb2的栅极和漏极接在一起。

如图2所示，可调电阻包括至少2个串联的分电阻以及每个分电阻并联的MOS场效应管。在本实施例中，可调电阻包括分电阻R1、R2……Rn串联，和与R1并联的NMOS管Mns1，与R2并联的NMOS管Mns2，与Rn并联的NMOS管Mnsn；NMOS管Mns1、Mns2、Mnsn的栅极控制信号为ctrl1、ctrl2、……ctrln，该信号来自数字电路的寄存器或者存储器。图2中显示的电流I1为流过分电阻R1、R2……Rn的电流，电流I2为流过NMOS管Mnb1的电流。

如图2所示，以MOS场效应管的阈值电压VTH为基准的自偏置电流源，可通过电流镜相的结构保证I1＝I2＝I，因此：

$I=I_1=I_2=\frac{V_{\mathrm{TH}}}{R}+\frac{1}{\mathrm{\β}{R}^2}+\frac{\sqrt{\frac{{2V}_{\mathrm{TH}}}{\mathrm{\βR}}+\frac{1}{{\mathrm{\β}}^2{R}^2}}}{R}=\frac{V_{\mathrm{TH}}}{R}+\mathrm{\Δ}---\left(1\right)$

其中I为电流源产生的电流，I₁和I₂分别为电流源中左右两路的电流，V_TH为NMOS管M_nb1的阈值电压，β为NMOS管M_nb1的跨导系数，R为可调电阻的阻值，即为串联的分电阻R₁、R₂......R_n阻值的和。

$\mathrm{\Δ}=\frac{1}{\mathrm{\β}{R}^2}+\frac{\sqrt{\frac{2V_{\mathrm{TH}}}{\mathrm{\βR}}+\frac{1}{{\mathrm{\β}}^2{R}^2}}}{R},$ 将R设计为较大值，可减小Δ的影响，并且降低电流I的大小。

图3是本实用新型的环形振荡器级一实施例的结构示意图。如图3所示，本实用新型的环形振荡器级包括两种不同导电类型的MOS场效应管构成的反相器以及与其连接的MOS场效应管。在本实施例的图3中环形振荡器级只画出三级，实际上还可以是五级或是七级或是其他奇数级。图3中Bias的接口接图2中的bias端口。PMOS管Mpb4、Mpb5、Mpb6的栅极接bias端口构成电流镜结构；NMOS管Mn1和PMOS管Mp1的栅极和漏极接在一起，构成反相器结构，同样的，Mn2和Mp2以及Mn3和Mp3也构成反相器结构，三个反相器串联并首尾相接，构成环振环路。电容器C1、C2、C3的上极板分别接至反相器的输出端，下极板接地。反相器的电流由Mpb4、Mpb5、Mpb6构成的镜相结构提供，用M×I表示。Fout为环形振荡器的输出端。

如图3所示，PMOS管Mpb4、Mpb5、Mpb6为图2中电流源的镜相，比例为M，因此每路电流大小为M×I。NMOS管Mn1、Mn2、Mn3的类型需和图2中的NMOS管Mnb1相同，通常设计为较大宽长比，使反相器的翻转阈值近似为NMOS管的阈值电压VTH。电容器C1、C2、C3的电容C设计为远大于开关管Mn1、Mn2、Mn3和放电管Mp1、Mp2、Mp3的寄生电容，以尽量避免寄生电容的影响。每级反相器的延迟为：

$\mathrm{\τ}=\frac{C\×V_{\mathrm{TH}}}{M\×I}---\left(2\right)$

将电流I的公式(1)代入后，环形振荡器输出频率为：

$f=\frac{M}{N\×R\×C}+{\mathrm{\Δ}}_2---\left(3\right)$

其中N为环形振荡器中反相器的级数，通常为奇数。Δ₂为由于Δ和镜相匹配电路导致的微小误差。

可见，通过电流源和反相器阈值的匹配，消除了MOS管的电压VTH的影响。由于电路中的PMOS管仅用作电流镜相，因此环形振荡器的输出频率与NMOS管和PMOS管的工艺漂移基本无关。

设计中采用正温度系数的电阻R，电容C也为正温度系数，与Δ₂的正温度系数相补偿，可使环形振荡器的温度系数在一定温度范围内达到较小值。

本实用新型由于采用自偏置基准电流源，由式(3)可见，环形振荡器的输出频率与电源电压基本无关。

如图2所示，可通过开关信号ctrl1～ctrln配置电阻的大小，对环形振荡器的输出频率进行微调。

综上所述，本实用新型通过上述技术方案的实施，达到了本实用新型的目的，证明了本实用新型的环形振荡器能保证在一定的工艺、温度、电源电压范围内输出频率的准确、稳定性。

Claims (3)

1.一种高精准环形振荡器，包括至少一个环形振荡器级和与其电连接的供电电源，其特征在于所述的环形振荡器级包括两种不同导电类型的MOS场效应管构成的反相器以及与其连接的MOS场效应管；所述的供电电源是包括阈值电压与环形振荡器级中的MOS场效应管的阈值电压相互补偿的MOS场效应管和可调电阻的自偏置电流源。

2.根据权利要求1所述的高精准环形振荡器，其特征在于所述自偏置电流源包括至少2个MOS场效应管的栅极连接在一起构成的第一条电流镜，与第一条电流镜并联的至少2个MOS场效应管的栅极连接在一起构成的第二条电流镜，第一条电流镜一端的MOS场效应管的漏极连接一可调电阻，第二条电流镜通过一MOS场效应管与这一可调电阻相连接。

3.根据权利要求2所述的高精准环形振荡器，其特征在于所述可调电阻包括至少2个串联的分电阻以及每个分电阻并联的MOS场效应管。

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