TW502491B - Oscillator having reduced sensitivity to supply voltage changes - Google Patents

Description

案號 9011〇Sf^ 五、發明說明（1) 本發明係有關於電子電 器。 路項域，且特別是有關於振虞 許多積體電路電子奘晋你 脈信號。事實上，作為二個1使用振盪器以提供定時或時 無所不在。雖然振盪器二體子電路，振盪器之使用係 能終究係相同地。一^而+ Q多電路手段達成，但基本功 輪出於兩電壓之間（例又如·· ^ ’振盪器係以特定頻率交替其 號。大部分振盪器的一個;^地點），藉以提供時脈信 之頻率極度敏感於操作 ^歡迎的特性係，其輪出信號 說，當供應電壓變化增加時，化及製程參數變化。舉例來 處-便可能無法接受。在弁多應用中之复麗主所造 大部分振盪器之另一個特 ^ 電流參考值。這類參考值可以’係，其需要精確之電壓或 一獨立電路。另外，在僅有小二法取得或必須昂貴地建於 這類參考值亦可能十分困難：s供應電流之應用中，實施 部分習知技藝之振盪器電 對輸出頻率提供額外控制。舉夾二=振盪态，藉以 用於振盪裔電路中，猎以兩倍其輸出頻率 之一個例子係揭露於美國專中，、、⑽ 所提出之專利"Differential Pair， push 〜Pushle meyer O^niator"，其包含兩個振盪器，其產生信^之頻率相 等但相位相反1 8 0 〇 〇 之輪出接產生一 頻率兩倍於單一振盪器之輸出信號。該發明之目的係利用 形成[成訊號(而非兩偽造信號之總和）以提供更释定之輪

第5頁 502491 ----案號90110866_年月 日 你η： 五、發明說明（2) ~----- 出信號。然而，這類振盪器之輸出頻率仍然會受到供廉電 壓變化或其他製程數變化之影響。 〜 本發明係包括一種振盪器，其具有一第一錯齿波形產 生裝置，用以產生一第一鋸齒波形，其具有一選擇性啟始 之傾斜部（Ramp portion)，一第二鑛齒波形產生裝置，用 以產生一第二鋸齒波形，其具有一選擇性啟始之傾斜部， 以及一控制器，用以交替控制該第一及第二鋸齒波形產生 裝置，二鑛齒波形傾钭部之一二變遷之某虛，兔^取決于另— 盒形傾斜部到逵一跳脫點（t r i β po i n t)，該控制器亦大體 獨立於一供應電壓地設定該跳脫點，藉以使該振盪器得以 降低對供應電壓變化之靈敏度。 本發明亦包括一種產生一振盪信號之方法，其具有產 生一具有一選擇性啟始傾斜部（Ramp portion)之第一鋸齒 波形，產生具有一選擇性啟始傾斜部之一第二鋸齒波形， 以及變遷至一蘇齒波形傾_斜部之某礎，係取決于另一波开多 傾斜部到達一跳脫點（tr iU^ln t)，藉以產生該振盪信 號，其具有大體獨立於一供應電壓地設定該跳脫點，且設 定該跳脫點係包括產生至少一相對於該供應電壓之偏壓電 流，該跳脫點係於其中設定於相鄰該等傾斜部之一相對 端。 本發明之一目的係提供一具遵:低供龐雷壓變化靈敏唐 之振盪器。 尤有益者，本發明係提供一種振盪器，其具有一第一 蘇齒波形產生裝置’用以產生一弟一鑛齒波形’其具有一

第6頁 )U2491 —^

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…，一第二鋸齒波形產生裝置，用以產 生二第二鋸齒波形，其具有一選擇性啟始之傾斜部。該振 盈器更具有一控制器，用以交替控制該第一及第二鋸齒波 形產生裝置’ 一鋸齒波形傾斜部之一變遷之基礎，係取決 于另 波形傾斜部到達一跳脫點（t r i ρ ρ 〇 i n t)，該控制器 ί =體獨立於一供應電壓地設定該跳脫點，藉以使該振盪 &传以降低對供應電壓變化之靈敏度。 μ尤為便者，該第一及第二鋸齒波形產生裝置各包括 至亡一切換電晶體及一連接電容器，且該控制器係包括一 偏壓電路’連接該第一及第二鋸齒波形產生裝置之至少一 切換電晶體。該偏壓電路係包括一偏壓電流產生裝置，產 生至少一相對於該供應電壓之偏壓電流。 ，偏壓電路包括至少一相對偏壓電晶體，匹配於該第 二及第二鋸齒波形產生裝置之至少一切換電晶體，藉以使 该第二及第二波形變遷於該跳脫點。如此，該振盪器可於 一大範圍供應電壓内，大體降低輸入頻率之變化。另外， 該振盛器羞不需要一外部精確參考電流，藉以降低該振盪 器之複雜度。該至少一偏壓電晶體及該至少一切換電晶體 係包括一場效電晶體（FET)或雙載子電晶體⑶““訂 transistors) 〇 該控制器係設定該跳脫點於相鄰該等傾斜部之一相對 端，且该控制器係包括一磁滯電路，藉以提供切換磁滯。 尤有甚者’該控制器係包括一設定/重設正反器，其 具有一接收该第一鋸齒波形之設定輸入及一接收該第二鋸

第7頁 502491 __案號οοηοΜθ_年 月 曰 你,不 _ 五、發明說明（4) 齒波形之重設輸入，且其中係提供一關閉電路，藉以失能 該第一及第二鋸齒波形產生裝置及該控制器。 根據本發明一種產生一振盪信號之方法，其具有產生 一具有一選擇性啟始傾斜部之第一鋸齒波形，產生具有一 選擇性啟始傾斜部之一第二鋸齒波形，以及變遷至一錯齿 波形傾斜部之基礎，係取決于另一波形傾斜部刭读一跳脱 點（trip point) 〇 本發明將參考格配圖式以貫例說明如下，其圖式包 括： 第一圖係一振盪器之方塊圖； 第二圖係第一圖振盪器之更詳細電路圖；以及 第三圖係第一圖振盪器輸出波形之時序圖。 第一圖至第三圖係揭露一振盪器10，其係具有第一及 苐一鑛齒波形產生I置11、12之二相振盪器（tw〇-phase osci 1 lator)。該振盪器10具有一控制器61，藉以交替控 制該第一及二鋸齒波形產生裝置。該第一及第二鋸齒波形 產生裝置11、12係產生相對之第一及第二鋸齒波形56、 57 ’其各具有一選擇性啟始之傾斜部56a、57a，如第三圖 之時序圖所示。該第一及第二鋸齒波形產生裝置n、12各 具有一偏壓電晶體2 3、2 4，一切換電晶體1 3、1 4，及一連 接電容器1 5、1 6，如第二圖所示，藉以產生該等傾斜部 5 6a、5 7 a 〇 該控制器61可由一偏壓電路17或後述其他電路所提 供。如第二圖所示，該偏壓電路17例證地具有一偏壓電流

502491 --魅90110866_年月曰— 修正_ 五、發明說明（5) " 產生裝置，其具有一電阻性元件18連接至一供應電壓 V d d ’ 偏壓電晶體1 9以沒極連接該電阻性元件，一電晶 體3 0以閘極連接該偏壓電晶體之沒極，及一選擇性旁路電 Ul( bypass capacitor )連接於該偏壓電晶體之汲極及地 點之間。该偏壓電流係於該偏壓電晶體1 9之汲極設定一電 流映鏡參考電壓"bias —n ff (current mirror reference voltage)。這個映鏡電流係以下列等式定義·· i[bias—n]=(Vdd-bias—n)/R (1) 其中’該電壓bi as — n，其於給定電流時等於VTN，係該偏 壓電晶體1 9之臨界電壓，且R係該電阻性元件1 §之電阻 值。該電阻性元件1 8可以是單一電阻器或一電阻器網路， 亦或其可以是一線性電路裝置或這類装置之網路，如熟習 該技藝者所能察知。該電阻性元件1 8最好能定義電流及電 壓間之一線性關係。該偏壓電晶體1 9及該電晶體3 〇例證地 可如圖示之N通道場效電晶體（n-channel FET)，但它們亦 可以是P通道場效電晶體（P-channel FET)，其以相反方式 連接至供應電壓Vdd。 該第一及第二鋸齒波形產生裝置11、1 2亦分別具有一 簡早比較器，其具有該專電晶體13、28及14、29。這個比 較器在電壓bias_n具有一繼承旅行臨界值，因為該等切換 電晶體1 3、2 8及1 4、2 9係尺寸匹配該偏壓電晶體1 9，且該 電流源電晶體2 8、2 9之通過電流等於該偏壓電晶體1 9。一 正反器20係儲存該比較器輸出狀態。該正反器2 0係例證地 顯示為一設定/重設正反器，但熟習該技藝者亦可以使用

第9頁 502491 ___案號 90110866_年 月_Θ__修正___ 五、發明說明（6) 其他種類正反器。反相器2 1、2 2係緩衝正反器2 0輸出並產 生第二圖所示之方波時脈信號6 2、6 3，如熟習該技藝者所 知悉。該等時脈信號62、63係交替控制該第一及第二綠齒 波形產生裝置。亦即，當時脈信號6 2、6 3升至高電位時， 該電壓Vdd係分別施加於該等電容1 5、1 6，允許其相對快 速地改變至Vdd。在這段時間内，相對鋸齒波形5 6、57之 平坦部56b、57b(flat portion)大體上等於Vdd，如第二 圖所示。當該等時脈信號6 2、6 3降至低電位時，該等電容 器1 5、1 6係與V d d中斷，且該等電容器隨後分別透過該等 偏壓電晶體23、24放電，藉以產生該等傾斜部56a、57a。 在這個實施例中，該偏壓電晶體1 9及該等切換電晶體 13、14係顯示為N通道場效電晶體（n-channel FET)，但熟 習該技藝者亦可能應用其他結構，如將這些裝置更換成如 P通道場效電晶體（p-channel FET)及雙載子電晶體 (Bipolar transistor)。因此，該跳脫點係相鄰鋸齒波形 5 6、5 7之傾斜部5 6 a、5 7 a之一相對端。藉此方式設定該跳 脫點60，用以設定電壓bias — n之該製程參數，VTN，亦稱 為臨界值電壓，可大體上由等式（1)降低，如先前所述。 二鋸齒浊形傾斜部之一變遷之基礎，係取決于另一波 11^」頃斜部到達一跳脫點60。由於產生bias_n之電流會隨 Vdd-bi as —η這項直接變化且傾斜電壓旅行（v〇lt age excursion)之振幅等於Vdd-biasj這項，這兩項可以刪 去。在電容器中，可套用相對電流與電壓之等式， i=C* (dv)/(dt) (2)

第10頁 观491 Ά , 90110866 ^ Ά y u r lT ^ 负年f 月知卞 五、發明說明（7) — 一 "~、11匕一~^ 八中，i等於抓入電谷之電流，c等於電容值，dv等於電壓 變化，且dt等於時間變化，或y頻率。 上式可重新排列成： dt=C* (dv)/I (3) 由於dv 等於Vdd-bias —η，且i 等於（Vdd一bias —n)/R， 上式可簡化為： dt=C*R (4) 、換句話說，隨著增加之Vdd，傾斜高度增加，但斜率 亦增加相同程度，使傾斜期間dt保持不變。因此，輸出頻 率在一大範圍之供應電壓内，大體上維持常數，如熟習該 技藝者所知悉。再者，藉由根據該跳脫點6 〇而選擇性地切 換於兩鋸齒波形產生裝置n、12間，該等時脈信號62、63 =體上不會文到延遲及更新該等切換電容丨5、丨6所需倒轉 時間（turn-around time)之影響。 θ該偏壓電路17係具有一電晶體27，藉以分別提供一偏 壓電流bias —ρ至該等鋸齒波形產生裝置u、12之電晶體 28、29之閘極。該偏壓電流bias_p係偏壓該等電晶體28、 29，使具有該等電晶體13、28及14、29之比較器具有電壓 b i a s —η之跳脫點。在例證實施例之該等電晶體2 7、2 8、2 9 係Ρ通道場效電晶體（p_channel FET)，雖然其他實施例亦 為可能。舉例來說，該等電晶體27、28、29可以是N通道 場效電晶體（n-channel FET)。或以gasc卫一步加強偏 壓電流bias —η及bias —ρ，如熟習該技藝者所知悉。更者， 雙载子電晶體（bip〇iar transistor)可用 ΙΗΠΗ 第 11 頁 "~~ 502491 _ 案號90110866_年月日 修正_ 五、發明說明（8)

於該偏壓電路1 7中，藉以提供偏壓電流b i a s „ η及/或 bias — p。該控制器可進一步具有一磁滯電路，其具有電晶 體31、33、34、37、39、40，藉以於切換鋸齒波形56、57 間’在該等跳脫點6 0 a、6 0 b後馬上提供磁滯。該振盪器1 〇 亦可具有一關閉電路45，利用施加關閉信號of f，of fb之 一至各該等電晶體36、38、41、46、47、48、49，藉以失 能該等鋸齒波形產生裝置11、1 2，該正反器2 0，及該偏壓 電路17。該關閉電路45具有反相器50、51，其輸入分別連 接至信號Sd、stop，且一NAND閘52之輸入連接至反相器 5〇、51之輸出。該NAND閘52之輸出係連接至一N AND閘53之 一輸入，其另一輸入連接至時脈信號63。該關閉信號of fb 係提供於該NAND閘53之一輸出，其依次連接一反相器54之 輸入，藉以於其輸出提供該關閉信號of f。

一種利用該振盪器1 0產生一振盪信號之方法係具有， 產生具有一傾斜部56a之一第一鋸齒波形，產生具有一傾 斜部57a之一第二鋸齒波形，以及變遷至一鑛齒波形傾斜 iL之基礎，係取決于另一波形傾斜部到遠一跳脫點6 0 〇本 方法更具有大體獨立於一供應電壓（如Vdd)地設定該跳脫 點6 0，其可以設定該跳脫點6 〇相鄰該等傾斜部5 6a、5 7a之 一相對端，或產生至少一相對於該供應電壓之偏壓電流。 更者，本方法可具有，於切換該等第一及第二錄齒波形 5 6、5 7之間提供磁滯。 一種振盪器，其具有一第一鋸齒波形產生裝置，用以 產生一第一鋸齒波形，其具有一選擇性啟始之傾斜部，一

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502491 案號90110866 年月日 修正 圖式簡單說明 10 :振盪器 11 :第一鋸齒波形產生裝置 1 2 :第二鋸齒波形產生裝置 13、14 :切換電晶體 15、16 :電容器 17 :偏壓電路 1 8 :電阻性元件 1 9、2 3、2 4 :偏壓電晶體 2 0 :正反器 21、22、50、51、54:反相器 27 ^ 28、29、30、31 〜33、34、36、37 '38、39、40 ' 41 、 46 、 47 、 48 、 49 :電晶體 4 5 :關閉電路 52 、 53 : NAND 閘 5 6 :第一鋸齒波形 5 7 :第二鋸齒波形 5 6 a、5 7 a :傾斜部 56b、57b :平坦部 6 0、6 0 a、6 0 b :跳脫點 61 :控制器 6 2、6 3 ··時脈信號

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Claims (1)

1. 502491 f/朱6月3曰

   mt 9011QRRR 六、申請專利範圍 1· 一種振盪器，其具有一第一鋸齒波形產生裝置，用以 產生一第一鋸齒波形，其具有一選擇性啟始之傾斜部，一 第二銀齒波形產生裝置，用以產生一第二鋸齒波形，其具 有一選擇性啟始之傾斜部，以及一控制器，用以交替二^ 該第一及第二鋸齒波形產生裝置，一_鋸齒波形:一 取決干另一浊形傾斜部到逵一 控制器亦大體獨立於一供應電壓地設定該跳脫點，藉以^ 該振盪器得以降低對供應電壓變化之靈敏度。 g 2 ·如申請專利範圍第1項所述之振盪器，其中，該第一及 第二鋸齒波形產生裝置各包括至少一切換電晶體及—連接 電容器，且其中該控制器係包括一偏壓電路，連接該第一 及第二鋸齒波形產生裝置之至少一切換電晶體，且^偏壓 電路係包括一偏壓電流產生裝置，產生至少一相對於該$ 應電壓之偏壓電流。 、μ 〃 3 ·如申請專利範圍第2項所述之振盪器，其中，該偏壓電 路包括至少一相對偏壓電晶體，匹配於該第一及第二鑛齒 波形產生裝置之至少一切換電晶體，且該至少一偏壓電晶 體及該至少一切換電晶體係包括一場效電晶體（FΕΤ )。 4 ·如申請專利範圍第1項所述之振盪器，其中，該控制器 係設定該跳脫點於相鄰該等傾斜部之一相對端，其中，該 控制器係包括一磁滯電路，藉以提供切換磁滯。 5 ·如申請專利範圍第1項所述之振盪器，其中，該控制器 包括一設定/重設正反器，其具有一接收該第一鋸齒波形 之設定輸入及一接收該第二鋸齒波形之重設輸入，且其中

   係 骏 申請專利範圍 5供1閉電路’藉以失能該第-及第二鋸齒波形產生 置及該控制器。 ^ 一種振盪器，其具有一第〆鋸齒波形產生裝置，用以 具有一傾斜部之第/鋸齒波形，—第二鋸齒波形產 —:置，用以產生一具有〆傾斜部之第二鋸齒波形，以及 =控制器，用以交替控制該第一及第二鋸齒波形產生裝 置，二鋸H形夫于另〆j 電壓地設定該跳脫點 部到I一 AAH，真該控制器亦大體獨立於一供應 設定該跳脫St。 ' 如申請專利範圍第6項所述之振盪器，其中，該第一及 第二鋸齒波形產生裝置各包#至少一切換電晶體及一連接 電容器，且其中該控制器係包括一偏壓電路，連接該第一 及第二鋸齒波形產生裝置之|少一切換電晶體，且該偏壓 電路係包括一偏壓電流產生装置，產生至少一相續供 應電壓之偏壓電流。 ' = 8·如申請專利範圍第7項所述之振盪器，其中，該偏壓電 路包括至少一相對偏壓電晶體，匹配於該第一及第二鋸齒 波形產生裝置之至少一切換電晶體，其中，該至少；:偏壓 電晶體及該至少一切換電晶體係包括一場效電晶體 (F E T )，且3控制态係設定該跳脫點於相鄰該等傾斜部之 一相對端。 9·如申請專_利範圍第7項所述之振盪器，其中，該控制器 係包括一磁滞電路，藉以提供切換磁滯，且該控制器包括 一設定/重設正反器，其具有一接收該第一鋸齒波形之設

   502491 案號 90110866 _a. 曰 修正 六、申請專利範圍 齒波形之重設輸入，且該振盪器 失能該第一及第二鋸齒波形產生 定輸入及一接收該第二鋸 係提供一關閉電路，藉以 裝置及該控制器。 10. —種產生一振盪信號之方法，其具有產生一具有一傾 斜部之第一鋸齒波形，產 形，以及根據決定一鋸齒 過渡至另一鋸齒波形之該 變遷之基礎，係取決于另 生具有一傾斜部之一第二鋸齒波 波形之該傾斜部到達一跳脫點以 傾斜部，一锯齒波形傾斜部之一 一波形傾斜部到達一跳脫點，且 至少一相關於該供應電壓之偏壓 設定於相鄰該等傾斜部之一相對 設定該跳脫點係包括產生 電流，該跳脫點係於其中 端0

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