CN212850425U - 一种具有温度及工艺补偿的环形振荡器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种具有温度及工艺补偿的环形振荡器，包括偏置电路、环形振荡器、镜像电流源；环形振荡器包括反相器单元和缓冲器；偏置电路产生两路电流，一路电流i_n镜像到镜像电流源I_n，另一路电流i_p镜像到镜像电流源I_p，两路镜像电流源相加构成镜像电流源；镜像电流源给反相器单元供电，反相器单元的输出连接缓冲器，缓冲器输出时钟信号。本实用新型的偏置电路可以产生和MOS管迁移率和阈值电压相关的电流，正好可以补偿反相器中MOS的迁移率和频率变化，从而使环形振荡器的频率稳定；结构简单，面积小，功耗低。

Description

一种具有温度及工艺补偿的环形振荡器

技术领域

本实用新型涉及一种环形振荡器，尤其涉及一种具有温度及工艺补偿的环形振荡器。

背景技术

在很多低成本，低功耗的便携式电子设备中，芯片都需要时钟信号作为时序控制。环形振荡器因不需要大面积的电感，也不需要片外晶振作为参考时钟源，具有结构简单，面积小，功耗低等优点，被广泛应用。但是由于环形振荡器的频率随温度漂移，芯片工艺变化和电源变化很大，无法满足于高精度的要求。所以环形振荡器中均采用偏置补偿电路，来补偿频率漂移。现有的基于BJT温度特性的偏置补偿电路不仅复杂，面积大，功耗高，而且也无法精确补偿反相器中MOS的温度和工艺变化。

实用新型内容

发明目的：针对以上问题，本实用新型提出一种具有温度及工艺补偿的环形振荡器，提供一种抑制电源变化和具有温度和工艺补偿的环形振荡器。

技术方案：为实现上述设计目的，本实用新型所采用的技术方案是：一种具有温度及工艺补偿的环形振荡器，包括偏置电路、环形振荡器、镜像电流源；环形振荡器包括反相器单元和缓冲器；偏置电路产生两路电流，一路电流i_n镜像到镜像电流源I_n，另一路电流i_p镜像到镜像电流源I_p，两路镜像电流源相加构成镜像电流源；镜像电流源给反相器单元供电，反相器单元的输出连接缓冲器，缓冲器输出时钟信号。

进一步地，反相器单元由奇数个反相器构成，每个反相器的输入和输出串连构成环形，反相器包括一对NMOS管和PMOS管。

进一步地，缓冲器有两对NMOS管和PMOS管。

进一步地，电流i_n的产生电路包括第一PMOS管和第二PMOS管，第一NMOS管和第二NMOS管，第三NMOS管，第一电感；第一PMOS管源极连接工作电压VDD，栅极连接至第一节点，漏极连接至第二节点；第二PMOS管源极连接工作电压VDD，栅极连接至第一节点，漏极连接至第一节点；第一NMOS管栅极连接至第二节点，漏极连接至第一节点，源极连接第一电感，第一电感接地；第二NMOS管栅极连接至第二节点，漏极连接至第二节点，源极连接第三节点；第三NMOS管栅极和漏极连接至第三节点，源极接地。

电流i_p的产生电路包括第四NMOS管和第五NMOS管，第三PMOS管和第四PMOS管，第五PMOS管，第二电感，第六NMOS管和第六PMOS管；第五PMOS管源极连接工作电压VDD，栅极和漏极连接至第四节点；第二电感连接工作电压VDD，另一端连接第四PMOS管源极；第三PMOS管源极连接第四节点，栅极和漏极连接至第五节点；第四PMOS管源极连接至第二电感，栅极连接至第五节点，漏极连接至第六节点；第四NMOS管漏极连接至第五节点，栅极连接至第六节点，源极接地；第五NMOS管的栅极和漏极连接至第六节点，源极接地；第六NMOS管栅极连接至第六节点，源极接地，漏极连接至第七节点；第六PMOS管源极连接工作电压VDD，栅极和漏极连接至第七节点。

进一步地，镜像电流源包括第七PMOS管和第八PMOS管，一路电流i_n经过第二PMOS管镜像到第七PMOS管，另外一路电流i_p经过第六NMOS管和第六PMOS管镜像到第八PMOS管。

进一步地，第一PMOS管和第二PMOS管的尺寸相同，第一NMOS管的尺寸是第二NMOS管的K倍；第四NMOS管和第五NMOS管的尺寸相同，第三PMOS管的尺寸是第四PMOS管的K倍；第三NMOS管和第五PMOS管和反相器中NMOS管和PMOS管的尺寸相同。

进一步地，偏置电路产生两路电流分别用于补偿反相器的NMOS管和PMOS管的阈值电压和迁移率变化。

有益效果：本实用新型的偏置电路，可以产生和MOS管迁移率和阈值电压相关的电流，正好可以补偿反相器中MOS的迁移率和频率变化，从而使环形振荡器的频率稳定；结构简单，面积小，功耗低，抑制电源变化和具有温度和工艺补偿。

附图说明

图1是本实用新型所述的具有温度及工艺补偿的环形振荡器示意图；

图2是反相器示意图；

图3是缓冲器示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型的技术方案作进一步的说明。

如图1所示，本实用新型所述的具有温度及工艺补偿的环形振荡器，包括偏置电路(200)、环形振荡器(100)、镜像电流源。环形振荡器(100)包括反相器单元(110)和缓冲器(120)；镜像电流源给反相器单元提供供电电流IBIAS，反相器单元的输出连接缓冲器，缓冲器输出时钟信号。

反相器单元(110)由奇数个反相器构成，每个反相器的输入和输出串连构成环形。如图2所示，反相器包括一对NMOS管N1和PMOS管P1，P1源极连接电压VOSC，N1源极接地，NMOS管N1和PMOS管P1栅极相连连接VIN，漏极相连为VOUT。

反相器单元的震荡频率由供电电流IBIAS和MOS管的迁移率和阈值电压决定。MOS管的迁移率越大，阈值电压越低，震荡频率越高；迁移率越小，阈值电压越高，震荡频率越低。反相器的供电电流越大，震荡频率越高；反相器的供电电流越小，震荡频率越低。其中，MOS管的迁移率和阈值电压随温度和工艺变化很大。

偏置电路，可以产生和MOS管迁移率和阈值电压相关的电流，正好可以补偿反相器中MOS管的迁移率和阈值电压变化，从而使环形振荡器的频率稳定。偏置电路(200)产生两路电流，一路电流i_n镜像到镜像电流源P12，另一路电流i_p镜像到镜像电流源P22，两路镜像电流源相加构成镜像电流源，提供供电电流IBIAS。偏置电路(220)产生两路电流分别用于补偿反相器的NMOS管和PMOS管的阈值电压和迁移率变化。

最后一级反相器的输出连接缓冲器(120)，输出标准电压的时钟信号。如图3所示，缓冲器包括两对NMOS管和PMOS管，串联连接，每对NMOS管和PMOS管连接方式与反相器相同。缓冲器(120)工作电压是VDD，环形振荡器的震荡频率为：

其中，IBIAS是反相器的偏置电流，C是反相器的寄生电容，N是反向器的级数，Vp是振荡器的幅值，V_thn和V_thp是反相器中NMOS和PMOS的阈值电压(随温度变化)，u_n·和u_p是反相器中NMOS和PMOS的迁移率(随温度变化)。

从式(1)可以看到，如果IBIAS是固定值，那么f_osc会随阈值电压和迁移率变化；迁移率越高，阈值电压越低，震荡频率越高；迁移率越小，阈值电压越大，震荡频率越低。

如图1所示，电流i_n的产生电路包括第一PMOS管P10和第二PMOS管P11，第一NMOS管N11和第二NMOS管N10，第三NMOS管N1，第一电感R_n。第一PMOS管P10源极连接工作电压VDD，栅极连接至第一节点D1，漏极连接至第二节点D2；第二PMOS管P11源极连接工作电压VDD，栅极连接至第一节点D1，漏极连接至第一节点D1。第一NMOS管N11栅极连接至第二节点D2，漏极连接至第一节点D1，源极连接第一电感R_n，第一电感R_n接地；第二NMOS管N10栅极连接至第二节点D2，漏极连接至第二节点D2，源极连接第三节点D3；第三NMOS管N1栅极和漏极连接至第三节点D3，源极接地。

电流i_p的产生电路包括第四NMOS管N20和第五NMOS管N21，第三PMOS管P20和第四PMOS管P21，第五PMOS管P1，第二电感R_p，第六NMOS管N22和第六PMOS管P23。第五PMOS管P1源极连接工作电压VDD，栅极和漏极连接至第四节点D4；第二电感R_p连接工作电压VDD，另一端连接第四PMOS管P21源极。第三PMOS管P20源极连接第四节点D4，栅极和漏极连接至第五节点D5；第四PMOS管P21源极连接至第二电感R_p，栅极连接至第五节点D5，漏极连接至第六节点D6。第四NMOS管N20漏极连接至第五节点D5，栅极连接至第六节点D6，源极接地；第五NMOS管N21的栅极和漏极连接至第六节点D6，源极接地。第六NMOS管N22栅极连接至第六节点D6，源极接地，漏极连接至第七节点D7；第六PMOS管P23源极连接工作电压VDD，栅极和漏极连接至第七节点D7。

镜像电流源包括第七PMOS管P12和第八PMOS管P22。一路电流i_n经过第二PMOS管P11镜像到第七PMOS管P12，另外一路电流i_p经过第六NMOS管N22和第六PMOS管P23镜像到第八PMOS管P22。

第一PMOS管P10和第二PMOS管P11的尺寸相同，第一NMOS管N11的尺寸是第二NMOS管N10的K倍。第四NMOS管N20和第五NMOS管N21的尺寸相同，第三PMOS管P20的尺寸是第四PMOS管P21的K倍。第三NMOS管N1和第五PMOS管P1和反相器中NMOS管和PMOS管的尺寸相同。

其中，P10/P11/N10/N11/N20/N21/P20/P21的沟道长度较大，忽略短沟道效应，可以得出i_n和i_p的公式：

可以计算得出：

IBIAS＝in+ip (2)

其中，Gn和Gp是关于W_n,L_n,μ_n,V_thn和W_p,L_p,μ_p,V_thp的复杂表达式。

从式(2)可以看出迁移率越大，阈值越低，电流越小；迁移率越小，阈值越高，电流越大。该偏置电路可以同时补偿反相器中的NMOS和PMOS的温度变化，从而使振荡器的频率更加稳定。

对0.18um工艺CMOS分别进行固定电流和本发明偏置电流下的仿真，结果如下表1。由表1可以看出，在-40℃到125℃的范围内，本发明提出的环形振荡器的频率变化范围小于0.7％，性能更好。

表1

Claims (7)

1.一种具有温度及工艺补偿的环形振荡器，其特征在于：包括偏置电路(200)、环形振荡器(100)、镜像电流源；

环形振荡器(100)包括反相器单元(110)和缓冲器(120)；

偏置电路(200)产生两路电流，一路电流i_n镜像到镜像电流源I_n，另一路电流i_p镜像到镜像电流源I_p，两路镜像电流源相加构成镜像电流源；

镜像电流源给反相器单元供电，反相器单元的输出连接缓冲器，缓冲器输出时钟信号。

2.根据权利要求1所述的具有温度及工艺补偿的环形振荡器，其特征在于：反相器单元(110)由奇数个反相器构成，每个反相器的输入和输出串连构成环形，反相器包括一对NMOS管和PMOS管。

3.根据权利要求1所述的具有温度及工艺补偿的环形振荡器，其特征在于：缓冲器有两对NMOS管和PMOS管。

4.根据权利要求1所述的具有温度及工艺补偿的环形振荡器，其特征在于：电流i_n的产生电路包括第一PMOS管P10和第二PMOS管P11，第一NMOS管N11和第二NMOS管N10，第三NMOS管N1，第一电感R_n；

第一PMOS管P10源极连接工作电压VDD，栅极连接至第一节点D1，漏极连接至第二节点D2；第二PMOS管P11源极连接工作电压VDD，栅极连接至第一节点D1，漏极连接至第一节点D1；第一NMOS管N11栅极连接至第二节点D2，漏极连接至第一节点D1，源极连接第一电感R_n，第一电感R_n接地；第二NMOS管N10栅极连接至第二节点D2，漏极连接至第二节点D2，源极连接第三节点D3；第三NMOS管N1栅极和漏极连接至第三节点D3，源极接地；

电流i_p的产生电路包括第四NMOS管N20和第五NMOS管N21，第三PMOS管P20和第四PMOS管P21，第五PMOS管P1，第二电感R_p，第六NMOS管N22和第六PMOS管P23；

第五PMOS管P1源极连接工作电压VDD，栅极和漏极连接至第四节点D4；第二电感R_p连接工作电压VDD，另一端连接第四PMOS管P21源极；第三PMOS管P20源极连接第四节点D4，栅极和漏极连接至第五节点D5；第四PMOS管P21源极连接至第二电感R_p，栅极连接至第五节点D5，漏极连接至第六节点D6；第四NMOS管N20漏极连接至第五节点D5，栅极连接至第六节点D6，源极接地；第五NMOS管N21的栅极和漏极连接至第六节点D6，源极接地；第六NMOS管N22栅极连接至第六节点D6，源极接地，漏极连接至第七节点D7；第六PMOS管P23源极连接工作电压VDD，栅极和漏极连接至第七节点D7。

5.根据权利要求4所述的具有温度及工艺补偿的环形振荡器，其特征在于：镜像电流源包括第七PMOS管P12和第八PMOS管P22，一路电流i_n经过第二PMOS管P11镜像到第七PMOS管P12，另外一路电流i_p经过第六NMOS管N22和第六PMOS管P23镜像到第八PMOS管P22。

6.根据权利要求5所述的具有温度及工艺补偿的环形振荡器，其特征在于：第一PMOS管P10和第二PMOS管P11的尺寸相同，第一NMOS管N11的尺寸是第二NMOS管N10的K倍；第四NMOS管N20和第五NMOS管N21的尺寸相同，第三PMOS管P20的尺寸是第四PMOS管P21的K倍；第三NMOS管N1和第五PMOS管P1和反相器中NMOS管和PMOS管的尺寸相同。

7.根据权利要求2所述的具有温度及工艺补偿的环形振荡器，其特征在于：偏置电路(200)产生两路电流分别用于补偿反相器的NMOS管和PMOS管的阈值电压和迁移率变化。

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