CN211880376U - 环形振荡器 - Google Patents

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田伟
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Abstract

环形振荡器，包括基准源电路，所述基准源电路输出一基准电压和基准电流，所述基准电压由正温系数电压和负温系数电压组成，所述基准电流由正温系数电流和负温系数电流组成，且满足K1/K2=K3/K4，其中K1、K2分别为基准电压的正温系数和负温系数，K3、K4分别为基准电流的正温系数和负温系数；还包括压控振荡器和频率转换电路，所述压控振荡器通过频率转换电路，使压控振荡器的输出频率与基准电压成反比，与基准电流成正比。

Description

环形振荡器
技术领域
本实用新型属于集成电路技术领域，具体涉及一种环形振荡器。
背景技术
振荡器是电子系统的重要组成部分，为芯片提供准确的时钟信号。环形振荡器是一种通过自激方式使输出的信号按固定周期变化的电路，具有占有芯片面积小、结构简单的特点。现有的环形振荡器的振荡频率受电源电压或环境温度的影响，会产生较大的频率变化，使得环形振荡器无法满足高精度系统对时钟频率的要求。
实用新型内容
为克服现有技术存在的技术缺陷，本实用新型公开了一种环形振荡器。
本实用新型所述环形振荡器，包括基准源电路，所述基准源电路输出一基准电压和基准电流，所述基准电压由正温系数电压和负温系数电压组成，所述基准电流由正温系数电流和负温系数电流组成，且满足K1/K2＝K3/K4，其中K1、K2分别为基准电压的正温系数和负温系数，K3、K4分别为基准电流的正温系数和负温系数；
还包括压控振荡器和频率转换电路，所述压控振荡器通过频率转换电路，使压控振荡器的输出频率与基准电压成反比，与基准电流成正比。
优选的，所述频率转换电路包括第一运算放大器和控制端与第一运算放大器输出端连接的调整管，所述第一运算放大器的正相输入端连接所述基准源电路的基准电压输出端，反相输入端连接调整管的输出端，所述调整管的输入端连接一输出基准电流的电流源，输出端连接开关电容电路，所述开关电容电路包括开关电容和与其串联的充电管及与充电管并联的放电管，充电管和放电管均由所述压控振荡器控制，且充电管和放电管的开关控制电路使二者的开关状态相互反相。
优选的，还包括电流转换电路，所述电流转换电路包括电流输入管及与其成电流镜连接关系的第一镜像管，与第一镜像管串联的第二镜像管，及与第二镜像管成电流镜连接关系的电流输出管，所述电流输出管输出电流到所述频率转换电路,所述压控振荡器的电压控制端连接在第二NMOS管和第一PMOS管的公共端。
优选的，所述第二NMOS管和第一PMOS管的公共端与电源之间连接有补偿电容。
优选的，所述基准源电路包括带隙基准电压源，输出的基准电压为带隙基准电压，所述正温系数电流由所述带隙基准电压源产生。
优选的，所述带隙基准电压源包括第二运算放大器、第三PMOS 管、第四PMOS管、第五PMOS管、第一PNP管、第二PNP管、第一电阻、第二电阻和第三电阻，其中第二PNP管发射极面积是第一PNP管发射极面积的整数倍；
第一PNP管以二极管形式连接并依次与第三电阻、第三PMOS管串联在电源和地之间,第二PNP管以二极管形式连接并依次与第一电阻、第二电阻、第四PMOS管串联在电源和地之间；第三PMOS管与第四PMOS栅极均与所述第二运算放大器输出端连接,第二运算放大器的两个输入端分别连接第一PNP管发射极及第一电阻和第二电阻公共端；
基准电压从第二电阻与第四PMOS管公共端输出,正温系数电流从与所述第四PMOS管共栅共源连接的第五PMOS管漏级输出。
优选的，所述基准源电路的负温系数电流由负温电流电路产生, 所述负温电流电路包括第三运算放大器、第六PMOS管、第八PMOS管、第六NMOS管、第三PNP管和第四电阻；
二极管形式连接的第三PNP管与第八PMOS管串联在地和电源之间,第四电阻、第六NMOS管和第六PMOS管依序串联在地和电源之间, 所述第三运算放大器输出端连接第六NMOS管栅极,正、反相输入端分别连接第三PNP管发射极和第四电阻未接地的另一端,第八PMOS管栅极连接一外置偏置电压,所述第六PMOS管输出负温系数电流。
优选的，正温系数电流和负温系数电流的相加通过两个并联的 PMOS管实现,所述两个并联的PMOS管分别作为一电流镜的输出管复制所述正温系数电流和负温系数电流。
优选的，所述压控振荡器包括偏置电压电路和串联的S个互补 MOS管对；所述S为大于1的奇数；
所述偏置电压电路包括串联在电源和地之间的P偏置管和N偏置管，所述N偏置管为二极管形式连接，所述P偏置管的栅极作为所述压控振荡器的控制电压输入端；
每一互补MOS管对包括串联在电源和地之间的多个器件，从电源到地依次为电流调整PMOS管，反向PMOS管，反向NMOS管和电流调整NMOS管，反向PMOS管和反向NMOS管栅极相连作为该互补MOS管对的输入端，反向PMOS管和反向NMOS管漏极相连作为该互补MOS管对的输出端，所述电流调整PMOS管和电流调整NMOS管的栅极分别连接所述P偏置管和N偏置管的栅极；
所述互补MOS管对最后一级的输出端连接第一级的输入端。
本实用新型所述环形振荡器，通过组合正负温度系数电压和电流得到基准电压和基准电流，消除频率的理论温漂，得到的输出频率不仅不随电源电压变化，且不随温度变化。
附图说明
图1为本实用新型所述环形振荡器的一种具体实施方式示意图。
图2为本实用新型所述基准源电路的一种具体实施方式示意图；
图3为本实用新型所述压控振荡器的一种具体实施方式示意图；
图中附图标记名称为：C1-开关电容，C2-补偿电容，INV-反相器， OP1-第一运算放大器，OP2-第二运算放大器，OP3-第三运算放大器， N1-第一NMOS管，N2-第二NMOS管，N3-调整管，N4-充电管，N5-放电管，N6-第六NMOS管，N9-电流调整NMOS管，N10-反向NMOS管， N11-电流调整NMOS管，P1-第一PMOS管、P2-第二PMOS管,P3-第三 PMOS管、P4-第四PMOS管,P5-第五PMOS管、P6-第六PMOS管,P7-第七PMOS管、P8-第八PMOS管,P9-电流调整PMOS管，P10-反向PMOS 管，P11-电流调整PMOS管，Vctrl-控制电压，Q1-第一三极管、Q2- 第二三极管,Q3-第三三极管,R1-第一电阻，R2-第二电阻，R3-第三电阻，VREF-基准电压，IREF-基准电流，CLK-时钟信号。
具体实施方式
下面结合附图，对本实用新型的具体实施方式作进一步的详细说明。
本实用新型主要为解决环形振荡器振荡频率随温度变化发生漂移的问题,现有技术中,振荡器的频率通常由电容,充电电流和翻转电压共同决定,集成电容的温度漂移一般很小,而充电电流和翻转电压一般是由一个基准电压源产生,虽然基准电压源产生的基准电压和电流可能具有较好的温度系数,但多是在常温附近,且随着温度上升,二次系数造成的温度漂移不可忽略,特别是基准电压和电流的温度变化曲线通常不一致,造成频率最终随温度变化而变化。
为改善频率随温度漂移的问题，本实用新型所述环形振荡器，包括基准源电路，所述基准源电路输出一基准电压和基准电流，所述基准电压由正温系数电压和负温系数电压组成，所述基准电流由正温系数电流和负温系数电流组成，且满足K1/K2＝K3/K4，其中K1、K2分别为基准电压的正温系数和负温系数，K3、K4分别为基准电流的正温系数和负温系数；
还包括压控振荡器和频率转换电路，所述压控振荡器通过频率转换电路，使压控振荡器的输出频率与基准电压成反比，与基准电流成正比。
所述基准源电路的基准电压可以由带隙基准电压源生成，如图2 所示，图2左半部分为一个典型的带隙基准电压源，所述带隙基准电压源包括第二运算放大器、第三PMOS管、第四PMOS管、第五PMOS 管、第一PNP管、第二PNP管、第一电阻、第二电阻和第三电阻，其中第二PNP管发射极面积是第一PNP管发射极面积的整数倍；
第一PNP管以二极管形式连接并依次与第三电阻、第三PMOS管串联在电源和地之间,第二PNP管以二极管形式连接并依次与第一电阻、第二电阻、第四PMOS管串联在电源和地之间；第三PMOS管与第四PMOS栅极均与所述第二运算放大器输出端连接,第二运算放大器的两个输入端分别连接第一PNP管发射极及第一电阻和第二电阻公共端；
基准电压从第二电阻与第四PMOS管公共端输出,正温系数电流从与所述第四PMOS管共栅共源连接的第五PMOS管漏级输出。
根据带隙基准源原理，输出的基准电压
Figure DEST_PATH_GDA0002666068280000061
其中，ΔVBE＝VBE1-VBE2，VBE是PNP管的基极-发射极电压，下标分别对应第一PNP管和第二PNP管。
流过第四PMOS管P4的电流
Figure DEST_PATH_GDA0002666068280000062
第五PMOS管P5的尺寸是第四PMOS管P4的M倍，则得到流过 P5的电流
Figure DEST_PATH_GDA0002666068280000063
由于ΔVBE是正温度系数值，由于第一电阻R1通常为多晶电阻，阻值不随温度变化，因此IP5是正温度系数电流。
图2所示的基准源电路中，右半部分为产生负温系数电路的负温电流电路,所述负温电流电路包括第三运算放大器、第六PMOS管、第七PMOS管、第八PMOS管、第六NMOS管、第三PNP管和第四电阻；
二极管形式连接的第三PNP管与第八PMOS管串联在地和电源之间,第四电阻、第六NMOS管和第六PMOS管依序串联在地和电源之间, 所述第三运算放大器输出端连接第六NMOS管栅极,正、反相输入端分别连接第三PNP管发射极和第四电阻未接地的另一端,第八PMOS管栅极连接一外置偏置电压,所述第六PMOS管输出负温系数电流。
图1所示的具体实施方式中，第八PMOS管栅极可以直接连接从基准源电路得到的偏置电压，即连接第三或第四PMOS管栅极即可。
第三运算放大器OP3、第六NMOS管N6和第四电阻R4构成负反馈环路，根据运放正负输入端电压虚短的原理，第三PNP管的基极- 发射极电压
VBE3＝R4*IR4 (式4)
如第三PNP管Q3和第二PNP管Q2的发射极尺寸相同，则 VBE3＝VBE2＝VBE。
流过第六PMOS管P6的电流和流过第四电阻R4的电流相等，通过图2所示的电流相加电路，正温系数电流和负温系数电流的相加通过两个并联的PMOS管实现,所述两个并联的PMOS管分别作为一电流镜的输出管复制所述正温系数电流和负温系数电流。具体在图2中，镜像连接的第六PMOS管P6和第七PMOS管P7实现电流的倍数复制，取第七PMOS管P7的尺寸是第六PMOS管P6的N倍，因此流过第七PMOS管P7的电流
Figure DEST_PATH_GDA0002666068280000081
该电路即为负温系数电流。
两个并联的第五PMOS管和第七PMOS管实现正温系数电流和负温系数电流的相加，得到基准源电路输出的基准电流：
Figure DEST_PATH_GDA0002666068280000082
将式1和6得到的基准电压和基准电流通过频率转换电路，对压控振荡器的输出频率进行控制，并使输出频率与基准电压成正比，与基准电流成反比，即可实现输出频率的零温漂。
实现上述压控振荡器的输出频率控制可以有多种电路实现方式，下面结合图1给出的一种具体实施方式进行说明。
图1中的频率转换电路包括第一运算放大器OP1和控制端与第一运算放大器输出端连接的调整管,即图1中的NMOS管N3，所述第一运算放大器的正相输入端连接所述基准源电路的基准电压输出端，反相输入端连接调整管的输出端，所述调整管的输入端连接一输出基准电流的电流源，输出端连接开关电容电路，所述开关电容电路包括开关电容和与其串联的充电管及与充电管并联的放电管，充电管和放电管均由所述压控振荡器控制，且充电管和放电管的开关控制电路使二者的开关状态相互反相；
基准电压VREF输入到运算放大器OP1的正相端，运算放大器OP1 和调整管N3串联并形成反馈环路，构成了单位电压增益缓冲器，使调整管N3的源极电压和运算放大器OP1正相端电压相等；
所述压控环形振荡器输出的时钟信号CLK连接到放电管N5的栅极，并通过反相器INV反向后连接到充电管N4的栅极，因此，当充电管N4截止时放电管N5导通、当充电管N4导通时放电管N5截止，所以开关电容C1正端的电压在VREF和地电压之间被反复充放电，形成了开关电容结构，其相应的电阻值为(C1*FCLK)-1，其中FCLK表示时钟信号的频率。因此，频率电流转换电路中，产生的等效电流Ie为
Ie＝VREF/(C1*FCLK)-1＝VREF*C1*FCLK (式7)
所述压控振荡器的电压控制端电压与所述基准电流为负反馈关系,在图1所示的具体实施方式中,所述负反馈关系可以由以下电流转换电路实现,既可以实现负反馈,也可以复制基准电流输出到频率转换电路。
所述电流转换电路包括电流输入管及与其成电流镜连接关系的第一镜像管，与第一镜像管串联的第二镜像管，及与第二镜像管成电流镜连接关系的电流输出管，所述电流输出管输出电流到所述频率转换电路,所述压控振荡器的电压控制端连接在第二NMOS管和第一 PMOS管的公共端。
具体的，第二NMOS管N2和第一NMOS管N1尺寸相同、并和第一 NMOS管N1组成电流镜结构，第一NMOS管N1的漏级接基准源的基准电流输出端，输出的基准电流为IREF，因此流过第二NMOS管N2的电流IN2＝IN1＝IREF；第二PMOS管P2和第一PMOS管P1尺寸相同、并和第一PMOS管P1组成电流镜结构，因此流过第二PMOS管P2的电流IP2＝IP1＝Ie。而第二NMOS管N2和第二PMOS管P2串联，流过第二NMOS 管N2和第二PMOS管P2的电流相等，即
Ie＝IREF (式8)
把式1、式6和式7代入式8，可得
Figure DEST_PATH_GDA0002666068280000101
式9中，时钟信号频率与基准电压成反比，与基准电流成正比，而所述基准电压由正温系数电压和负温系数电压组成，所述基准电流由正温系数电流和负温系数电流组成；由于开关电容C1电容值一般不随温度变化，仅VBE和ΔVBE是与温度相关的参数，只要保证分子分母中VBE和ΔVBE的系数相同，即只需要保证
K1/K2＝K3/K4 (式10)
其中K1、K2分别为基准电压的正温系数和负温系数，K3、K4分别为基准电流的正温系数和负温系数，就可以保证FCLK不随温度变化；具体的，可以简化为：K1＝1,K2＝(R1+R2)/R1，K3＝N/R4,K4＝M/R1,因此只要满足
Figure DEST_PATH_GDA0002666068280000102
由式11可以得到
N＝R4,M＝R1+R2 (式12)
M和N的取值通常为以欧姆作为计量单位的电阻数值，实际上，根据以上分析，只要M和N满足式12的要求，就可以保证FCLK不随温度变化。一般电阻的阻值是KΩ级，故M、N的值会很大，但根据式10，对于稳定频率不产生温漂，真正有意义的是M和N的比值，如果把式10中的K3、K4同时除以1000倍，式10仍然成立；具体的，即把M、N取值都减小1000倍，此时式9仍然满足FCLK不随温度变化的要求，但FCLK的频率会降低1000倍。
从式9中还可以看到，FCLK与电源电压无关。
最终可以看出，本实用新型所述环形振荡器输出频率不仅与电源电压无关，而且与温度无关。
此外，可以在所述第二NMOS管和第一PMOS管的公共端与电源之间连接一个补偿电容C2，滤除压控振荡器的控制电压Vctrl信号线上的高频波动。
如图3所示给出所述压控振荡器的一个具体实施方式，所述压控振荡器包括偏置电压电路和串联的S个互补MOS管对；所述S为大于 1的奇数；图3中S＝3。
所述偏置电压电路包括串联在电源和地之间的P偏置管P9和N 偏置管N9，N9为二极管形式连接，P9的栅极作为所述压控振荡器的控制电压输入端；
每一互补MOS管对包括串联在电源和地之间的多个器件，从电源到地依次为电流调整PMOS管P11，反向PMOS管P10，反向NMOS管 N10和电流调整NMOS管N11，反向PMOS管和反向NMOS管栅极相连作为该互补MOS管对的输入端，反向PMOS管和反向NMOS管漏极相连作为该互补MOS管对的输出端，P6和N6的栅极分别连接所述P偏置管和N偏置管的栅极；
所述互补MOS管对最后一级的输出端连接第一级的输入端。
压控振荡器的电压控制端可以连接在第一PMOS管和第二NMOS管的公共端，在基准电压源启动之后，压控振荡器的输出频率稳定前，由压控振荡器的输出频率和基准电流源共同作用下使该处电压达到稳定值；控制电压Vctrl的电压值控制了压控振荡器的输出时钟频率：当控制电压Vctrl电压增大时，根据之前的电路分析，反相器的工作电流减小，时钟频率FCLK随之变小；当控制电压Vctrl电压减小时，反相器的工作电流增大，时钟频率FCLK随之变大；当控制电压Vctrl 电压稳定时，反相器的工作电流保持定值，时钟频率FCLK即保持稳定值。
前文所述的为本实用新型的各个优选实施例，各个优选实施例中的优选实施方式如果不是明显自相矛盾或以某一优选实施方式为前提，各个优选实施方式都可以任意叠加组合使用，所述实施例以及实施例中的具体参数仅是为了清楚表述实用新型人的实用新型验证过程，并非用以限制本实用新型的专利保护范围，本实用新型的专利保护范围仍然以其权利要求书为准，凡是运用本实用新型的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本实用新型的保护范围内。

Claims (9)

1.环形振荡器，其特征在于，包括基准源电路，所述基准源电路输出一基准电压和基准电流，所述基准电压由正温系数电压和负温系数电压组成，所述基准电流由正温系数电流和负温系数电流组成，且满足K1/K2=K3/K4，其中K1、K2分别为基准电压的正温系数和负温系数，K3、K4分别为基准电流的正温系数和负温系数；
还包括压控振荡器和频率转换电路，所述压控振荡器通过频率转换电路，使压控振荡器的输出频率与基准电压成反比，与基准电流成正比。
2.如权利要求1所述的环形振荡器，其特征在于，所述频率转换电路包括第一运算放大器和控制端与第一运算放大器输出端连接的调整管，所述第一运算放大器的正相输入端连接所述基准源电路的基准电压输出端，反相输入端连接调整管的输出端，所述调整管的输入端连接一输出基准电流的电流源，输出端连接开关电容电路，所述开关电容电路包括开关电容和与其串联的充电管及与充电管并联的放电管，充电管和放电管均由所述压控振荡器控制，且充电管和放电管的开关控制电路使二者的开关状态相互反相。
3.如权利要求2所述的环形振荡器，其特征在于，还包括电流转换电路,所述电流转换电路包括电流输入管及与其成电流镜连接关系的第一镜像管，与第一镜像管串联的第二镜像管，及与第二镜像管成电流镜连接关系的电流输出管，所述电流输出管输出电流到所述频率转换电路,所述压控振荡器的电压控制端连接在第二NMOS管和第一PMOS管的公共端。
4.如权利要求3所述的环形振荡器，其特征在于，所述第二NMOS管和第一PMOS管的公共端与电源之间连接有补偿电容。
5.如权利要求1所述的环形振荡器，其特征在于，所述基准源电路包括带隙基准电压源，输出的基准电压为带隙基准电压，所述正温系数电流由所述带隙基准电压源产生。
6.如权利要求5所述的环形振荡器，其特征在于，所述带隙基准电压源包括第二运算放大器、第三PMOS管、第四PMOS管、第五PMOS管、第一PNP管、第二PNP管、第一电阻、第二电阻和第三电阻，其中第二PNP管发射极面积是第一PNP管发射极面积的整数倍;
第一PNP管以二极管形式连接并依次与第三电阻、第三PMOS管串联在电源和地之间,第二PNP管以二极管形式连接并依次与第一电阻、第二电阻、第四PMOS管串联在电源和地之间; 第三PMOS管与第四PMOS栅极均与所述第二运算放大器输出端连接,第二运算放大器的两个输入端分别连接第一PNP管发射极及第一电阻和第二电阻公共端;
基准电压从第二电阻与第四PMOS管公共端输出, 正温系数电流从与所述第四PMOS管共栅共源连接的第五PMOS管漏级输出。
7.如权利要求1或5或6所述的环形振荡器，其特征在于，所述基准源电路的负温系数电流由负温电流电路产生,所述负温电流电路包括第三运算放大器、第六PMOS管、第八PMOS管、第六NMOS管、第三PNP管和第四电阻;
二极管形式连接的第三PNP管与第八PMOS管串联在地和电源之间, 第四电阻、第六NMOS管和第六PMOS管依序串联在地和电源之间,所述第三运算放大器输出端连接第六NMOS管栅极,正、反相输入端分别连接第三PNP管发射极和第四电阻未接地的另一端,第八PMOS管栅极连接一外置偏置电压,所述第六PMOS管输出负温系数电流。
8.如权利要求1所述的环形振荡器，其特征在于，正温系数电流和负温系数电流的相加通过两个并联的PMOS管实现,所述两个并联的PMOS管分别作为一电流镜的输出管复制所述正温系数电流和负温系数电流。
9.如权利要求1所述的环形振荡器，其特征在于，所述压控振荡器包括偏置电压电路和串联的S个互补MOS管对；所述S为大于1的奇数；
所述偏置电压电路包括串联在电源和地之间的P偏置管和N偏置管，所述N偏置管为二极管形式连接，所述P偏置管的栅极作为所述压控振荡器的控制电压输入端；
每一互补MOS管对包括串联在电源和地之间的多个器件，从电源到地依次为电流调整PMOS管，反向PMOS管，反向NMOS管和电流调整NMOS管，反向PMOS管和反向NMOS管栅极相连作为该互补MOS管对的输入端，反向PMOS管和反向NMOS管漏极相连作为该互补MOS管对的输出端，所述电流调整PMOS管和电流调整NMOS管的栅极分别连接所述P偏置管和N偏置管的栅极；
所述互补MOS管对最后一级的输出端连接第一级的输入端。
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