CN204928774U - 低温漂频率稳定时钟产生电路 - Google Patents

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Abstract

本实用新型公开了一种低温漂频率稳定时钟产生电路，其包括带隙参考电压调节器、与带隙参考电压调节器输出相连的温度和工艺补偿电路、与温度和工艺补偿电路相连的负反馈偏置电路、与负反馈偏置电路相连的差分缓冲延迟环形振荡器、与差分缓冲延迟环形振荡器输出相连并与带隙参考电压调节器输出相连的电压比较器。本实用新型在分析了振荡器温度和工艺的变化的基础上，通过引入一个自适应偏置电路来提供控制电压，且该振荡器随温度和工艺变化也能保持恒定的频率，确保了可以通过取控制电压随工艺更大的变化而取得更好的补偿，从而获得了精确的时钟产生电路。

Description

低温漂频率稳定时钟产生电路
技术领域
本实用新型涉及一种低温漂频率稳定时钟产生电路。
背景技术
近些年来，随着半导体技术的飞速发展，集成电路的应用领域越来越广泛。集成电路上的时钟频率已达GHz以上。高性能电路特别是高度、低功耗芯片已成为集成电路发展的热点。这对于驱动整个电路工作的时钟信号提出了更高的要求。因此，精准的时钟产生电路的设计是十分重要的。
为了实现可编程增益放大器和高性能传感器芯片斩波时钟降低失调电压和闪烁噪声的温漂，需要设计一种低温漂频率稳定的4MHz主频时钟源。许多研究人员提出了一些技术以实现一个稳定的时钟，有些是使用外部参考源，例如非专利文献1和非专利文献2中介绍的，这与全集成的解决方案有冲突的。而有效的方法是工艺补偿，通过对多个工艺角的仿真以预测最坏情况下的系统性能。工艺角的定义通常是基于氧化层厚度、阈值电压、晶体管的宽度和长度的偏差(dWD和dLD)等变化。然而，这种方法不能解释为对在线参数的调整(如氧化层厚度和掺杂浓度)，以确保一定的线下参数(如线端固定阈值电压)的固化，这意味着多个工艺角的仿真结果可能是不准确。
非专利文献1：“FrequencytuningloopforVCOs”(B.L.Barranco，A.R.Vazquez，E.S.Sinencio，andJ.L.Huertas，SympoisumonCircuitsandSystems，1991：2617-2620.
非专利文献2：“A2GHzVCOwithprocessandtemperaturecompensation”(H.Chen，E.Lee，andR.Geiger，SympoisumonCircuitsandSystems，1999：569-572.)
实用新型内容
本实用新型目的是：提供一种低温漂频率稳定时钟产生电路，采用阈值电压敏感电路，在基本工艺和温度补偿偏置电路的基础上，通过改进现有级中的两个级联实现增强的补偿电路，确保了可以通过取控制电压随工艺更大的变化而取得更好的补偿。
本实用新型的技术方案是：一种低温漂频率稳定时钟产生电路，其包括：带隙参考电压调节器、与带隙参考电压调节器输出相连的温度和工艺补偿电路、与温度和工艺补偿电路相连的负反馈偏置电路、与负反馈偏置电路相连的差分缓冲延迟环形振荡器、与差分缓冲延迟环形振荡器输出相连并与带隙参考电压调节器输出相连的电压比较器。
在上述技术方案的基础上，进一步包括如下附属技术方案：
所述温度和工艺补偿电路采用阈值电压敏感电路，并包括被设计成在多个工艺角下能满足控制电压的电阻和晶体管。
所述温度和工艺补偿电路包括自偏置基准电路、运算放大器缓冲级和控制电压产生器，其中自偏置基准电路提供了一个与温度无关的电流源，仅受限于电阻的匹配；运算放大器缓冲级提高参考电平VTREF，并对阈值电压漂移敏感，控制电压产生器采用一个二极管连接的PNP晶体管，提供一个负温度系数。
上述的低温漂频率稳定时钟产生电路，通过对工艺和温度变化的同时补偿，采用了阈值电压敏感电路，在基本工艺和温度补偿偏置电路的基础上，通过改进现有级中的两个级联实现增强的补偿电路，其中，电阻R1与R2和晶体管M2与M3是被设计成在多个工艺角下能满足控制电压VCTRL的表达式。
上述的增强的补偿电路，增强的补偿电路通过适当选择M2和R1的尺寸，Vx可以调整以适应所需的各种温度和工艺条件的斜率。
上述的增强的补偿电路，控制电压VCTRL在M3和R2有两个额外的控制参数。对比一个简单的方案，增强的补偿方案具有四个参数去适应所需VCTRL的温度特性。
上述的增强的补偿电路，增强方案通过引入一个附加的工艺依赖项VT2，从而使补偿技术更加有效。这里使用的补偿技术可以在任何的CMOS工艺中实现，且其电阻都是有效的。在补偿方案中，衬底PNP晶体管可以由一个简单的PN结二极管取代。
上述的低温漂频率稳定时钟产生电路，工艺和温度变化的同时补偿，采用了阈值电压敏感电路，并通过检测工艺角为温度补偿电路生成工艺相关的参考电压源信息。完整的补偿电路，包括自偏置基准电路、运算放大器缓冲级和控制电压产生器。其中，自偏置基准电路提供了一个与温度无关的电流源，仅受限于电阻的匹配；运算放大器缓冲级提高了这个参考电平VTREF，但对M6的阈值电压漂移很敏感。控制电压产生器VCTRL是使用一个二极管连接的PNP晶体管Q3，提供了一个负温度系数，VCTRL的温度斜率可以通过调节M9的W/L比例。
本实用新型优点是：
本实用新型通过对工艺和温度变化的同时补偿，采用了阈值电压敏感电路，并通过检测工艺角为温度补偿电路生成工艺相关的参考电压源信息。在基本工艺和温度补偿偏置电路的基础上，通过改进现有级中的两个级联实现增强的补偿电路，确保了可以通过取控制电压随工艺更大的变化而取得更好的补偿，从而获得了精确的时钟产生电路。
附图说明
下面结合附图及实施例对本实用新型作进一步描述：
图1是本实用新型的电路结构图；
图2是本实用新型中三级环形振荡器的原理图；
图3是本实用新型中对称负载延迟级的电路图；
图4是本实用新型中镜像偏置电路的原理图；
图5是本实用新型中工艺和温度补偿的电路原理图；
图6是本实用新型中增强的补偿电路的原理图；
图7是本实用新型中室温条件时钟电路测试结果图；
图8是本实用新型中时钟电路的输出频率随温度的变化情况图。
具体实施方式
实施例：在以下描述中，为了说明的目的，对特定细节进行了阐述，以方便提供本发明的理解。然而，本领域技术人员应该明白的是，可以在没有这些细节的情况下实施本发明。本领域技术人员应认识到以所述的本发明的实施方案可以以各种方式并且使用各种装置来执行。
另外，附图中的部件之间的连接并不限于通过直接的方式器作用的连接，在不脱离本发明知道的情况下，附图中图示说明的部件之间的连接可以被修改或者通过添加或者减少其中的中间部件而改变。
以下将结合图1～图8对本实用新型专利的低温漂频率稳定时钟产生电路作进一步的详细描述，其包括带隙参考电压调节器、与带隙参考电压调节器输出相连的温度和工艺补偿电路、与温度和工艺补偿电路相连的负反馈偏置电路、与负反馈偏置电路相连的差分缓冲延迟环形振荡器、与差分缓冲延迟环形振荡器输出相连并与带隙参考电压调节器输出相连的电压比较器。
参见图1，带隙参考电压调节器是用来产生与电源和温度无关的基准电压VREF，为温度和工艺补偿电路、负反馈偏置电路、差分缓冲延迟环形振荡器和电压比较器提供一个温度稳定且独立的电源电压。该系统使用一个电压控制的差分缓冲延迟环形振荡器来产生一个参考频率。在温度和工艺补偿电路中，阈值电压感测电路产生与工艺相关的参考电压VREF，并提供给温度补偿电路。温度和工艺补偿电路的输出是一个控制电压VCTRL，可通过调节参考电流IREF使得振荡频率稳定。差分缓冲延迟环形振荡器的输出通过一个与工艺无关的电压比较器被转换成一个全摆幅轨对轨时钟信号，以使得它与标准CMOS工艺匹配，并增其强抗噪声能力。同时，电压比较器比较器还确保时钟占空比保持在50％。
温度和工艺补偿电路通过对工艺和温度变化的同时补偿，采用了阈值电压敏感电路，并通过检测工艺角为温度补偿电路生成工艺相关的参考电压源信息。在基本工艺和温度补偿偏置电路的基础上，通过改进现有级中的两个级联实现增强的补偿电路，确保了可以通过取控制电压随工艺更大的变化而取得更好的补偿(为获得多个工艺角下更好的曲线拟合)。
其中，参考频率是由具有三级差分延迟的环形振荡器产生的，参见图2。因为要求轨对轨输出，最后一级的输出端包含了一个比较器。同时使用了缓冲和虚拟的延迟级来消除由比较器引起的延迟端非对称负载。独立的延迟级包含一个源极耦合对和对称负载。
差分缓冲延迟环形振荡器的偏置产生电路是镜像反馈电流源偏置电路，参见图4。电路通过调节VREF来改变更低的轨电压，从而在所有条件下保持正确的延迟时间。
为了补偿温度和工艺的变化，本实用新型专利采用改变VCTRL以确保频率不变。随温度变化的关键参数是载流子迁移率和阈值电压。工艺的变化主要取决于栅极氧化层厚度和掺杂浓度的变化，从而改变了MOS晶体管的阈值电压和迁移率。因此，即使系统是随温度变化而补偿的，振荡频率也要随工艺的变化而变化。
工艺和温度变化的同时补偿，采用了阈值电压敏感电路，并通过检测工艺角为温度补偿电路生成工艺相关的参考电压源信息。完整的补偿电路的原理图，参见图5。电路的左边部分是自偏置基准电路，提供了一个与温度无关的电流源，仅受限于电阻的匹配。运算放大器缓冲级提高了这个参考电平VTREF，但对M6的阈值电压漂移很敏感。控制电压产生器是使用一个二极管连接的PNP晶体管Q3，提供了一个负温度系数。VCTRL的温度斜率可以通过调节M9的W/L比例。通过选择晶体管M9和电阻R5的尺寸，可以使得VCTRL的表达式在多个工艺角都能满足。VBE产生一负温度系数，其斜率可通过调整R5或PMOS的(W/L)9而得到改变。这个电路可以在多个工艺角通过设计(W/L)9和R5来提供所需的温度斜率，以便满足多个工艺角。为进行鲁棒优化，必须考虑温度和工艺变化所带来的电阻变化。
而补偿电路的设计，确保了可以通过取VCTRL随工艺更大的变化而取得更好的补偿(为获得多个工艺角下更好的曲线拟合)。这是通过改进现有级中的两个级联实现，则VCTRL发生器可以调整为图6。其中，电阻R1与R2和晶体管M2与M3是被设计成在多个工艺角下能满足公式(12)。
图6显示增强的补偿电路，由图可知该电路的第二部分与基本电路是相同的；除VTREF将由电压Vx代替外，现在，通过适当选择M2和R1的尺寸，Vx可以调整以适应所需的各种温度和工艺条件的斜率。VCTRL在M3和R2有两个额外的控制参数。对比一个简单的方案，增强的补偿方案具有四个参数去适应所需VCTRL的温度特性。另外，增强方案通过引入一个附加的工艺依赖项VT2，从而使补偿技术更加有效。这里使用的补偿技术可以在任何的CMOS工艺中实现，且其电阻都是有效的。在补偿方案中，衬底PNP晶体管可以由一个简单的PN结二极管取代。
通过本实用新型专利的实施，其效果体现在时钟电路的测试结果上，可参考图7，可以看出，信号摆幅几乎是轨到轨，时钟发生器的频率输出波形是4MHz。此外，上升和下降时间很小，占空比接近50％的目标值。时钟电路的输出频率随温度的变化情况，可参考图8，从测试结果分析来看，在-40℃～125℃的温度变化范围内，输出频率的误差在±2％以内，满足设计要求。
本实用新型专利的低温漂频率稳定时钟产生电路，通过对工艺和温度变化的同时补偿，采用了阈值电压敏感电路，并通过检测工艺角为温度补偿电路生成工艺相关的参考电压源信息。在基本工艺和温度补偿偏置电路的基础上，通过改进现有级中的两个级联实现增强的补偿电路，确保了可以通过取控制电压随工艺更大的变化而取得更好的补偿，从而获得了精确的时钟产生电路。
当然上述实施例只为说明本实用新型的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人能够了解本实用新型的内容并据以实施，并不能以此限制本实用新型的保护范围。凡根据本实用新型主要技术方案的精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种低温漂频率稳定时钟产生电路，其特征在于其包括：带隙参考电压调节器、与带隙参考电压调节器输出相连的温度和工艺补偿电路、与温度和工艺补偿电路相连的负反馈偏置电路、与负反馈偏置电路相连的差分缓冲延迟环形振荡器、与差分缓冲延迟环形振荡器输出相连并与带隙参考电压调节器输出相连的电压比较器。
2.如权利要求1所述的一种低温漂频率稳定时钟产生电路，其特征在于：所述温度和工艺补偿电路采用了阈值电压敏感电路，并包括被设计成在多个工艺角下能满足控制电压的电阻和晶体管。
3.如权利要求1所述的一种低温漂频率稳定时钟产生电路，其特征在于：所述温度和工艺补偿电路包括自偏置基准电路、运算放大器缓冲级和控制电压产生器，其中自偏置基准电路提供一个与温度无关的电流源，仅受限于电阻的匹配；运算放大器缓冲级提高参考电平，并对阈值电压漂移很敏感，控制电压产生器采用一个二极管连接的PNP晶体管，并提供一个负温度系数。
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