TWI488426B - 具製程及溫度補償之振盪器及其補償元件 - Google Patents

Description

具製程及溫度補償之振盪器及其補償元件

　　本發明是有關於一種振盪器，特別是一種具製程及溫度補償之振盪器。

　　習知振盪器包含：第一設定模組、第二設定模組以及正反器模組。第一設定模組包含：根據第一振盪訊號產生第一開關訊號之第一開關裝置、N型金氧半電晶體以及反相器。N型金氧半電晶體包含用以接收第一充電電流之汲極以及用以接收第一開關訊號之閘極，其中汲極根據第一開關訊號決定被充電或放電。反相器連接汲極以產生第一設定訊號。第二設定模組包含：根據第二振盪訊號產生第二開關訊號之第二開關裝置以及根據第二開關訊號以及參考電壓產生第二設定訊號之比較器。正反器模組根據第一及第二設定訊號產生第一及第二振盪訊號。習知振盪器中並無製程補償或是溫度補償之設計，因此該振盪器所輸出訊號頻率會受到製程及溫度變化的影響，而無法提供一頻率穩定之振盪訊號。

　　本發明的主要目的在於提供一種具製程及溫度補償之振盪器，藉由補償元件提供一隨製程及溫度變化而改變的補償電壓，可使振盪元件輸出一頻率不受製程及溫度影響的振盪訊號，以使該振盪器的使用可以更廣泛。
　　本發明之一種具製程及溫度補償之振盪器，其包含一補償元件、一複製電路及一振盪元件，該補償元件提供一隨製程及溫度改變之補償電壓，該複製電路電性連接該補償元件，且該複製電路接收該補償電壓，該複製電路提供一控制電壓及一電流源偏壓，其中該控制電壓等於該補償電壓，該振盪元件電性連接該複製電路並接收該控制電壓及該電流源偏壓，使該振盪元件可提供一頻率不受製程及溫度影響的振盪訊號。本發明藉由該補償元件提供之隨製程及溫度變化而改變的補償電壓至該複製電路，再由該複製電路輸出該控制電壓及該電流源電壓至該振盪元件作為電壓補償，以調整該振盪元件輸出之振盪訊號的頻率，使得該振盪元件可輸出頻率不受製程及溫度影響之振盪訊號。

　　請參閱第1圖，一種具製程及溫度補償之振盪器A包含一補償元件100、一複製電路200、一振盪元件300、一穩壓器400及一轉換器500，該穩壓器400電性連接該補償元件100、該複製電路200及該振盪元件300，請參閱第1及5圖，該穩壓器400用以提供一參考電壓V_ref 作為該補償元件100、該複製電路200及該振盪元件300的輸入電源，在本實施例中，該參考電壓V_ref 為一雜訊極低的2.2 V電壓訊號，可減少該補償元件100、該複製電路200及該振盪元件300對於輸入電源的敏感度，請參閱第1圖，該複製電路200電性連接該補償元件100，該振盪元件300電性連接該複製電路200，該轉換器500電性連接該振盪元件300，請參閱第2圖，該補償單元100提供一隨製程及溫度改變之補償電壓V_COMP ，請參閱第3、4A及4B圖，該複製電路200接收該補償電壓V_COMP ，且該複製電路200提供一控制電壓V_CTRL 及一電流源偏壓V_cs 至該振盪元件300，其中該控制電壓V_CTRL 等於該補償電壓V_COMP ，以使該振盪元件300在各種製程或溫度下皆可輸出一頻率不受製程及溫度影響的振盪訊號V_op /V_on ，請參閱第6圖，該轉換器500接收該振盪訊號V_op /V_on ，且該轉換器500將該振盪訊號V_op /V_on 轉換為一時脈訊號V_OUT 。

請參閱第1及2圖，該補償元件100具有一偵測單元110、一放大單元120及一補償單元130，該放大單元120電性連接該偵測單元110，該補償元件130電性連接該放大單元120，請參閱第2圖，該偵測單元110具有一第一負載111、一電流鏡112及一第一電晶體113，該第一電晶體113為P型電晶體，該電流鏡112電性連接該第一負載111及該第一電晶體113，且該電流鏡112具有一第一電流鏡電晶體112a及一第二電流鏡電晶體112b，該第一電流鏡電晶體112a電性連接該第一負載111，該第二電流鏡電晶體112b電性連接該第一電流鏡電晶體112a及該第一電晶體113，以使流經該第一負載111之電流與流經該第一電晶體113之電流相同，該第一負載111包含至少一第一負載電晶體111a，該第一負載電晶體111a之閘極端111b電性連接該第一負載電晶體111a之汲極端111c，且該第一負載電晶體111a之汲極端111c電性連接該電流鏡112，該第一負載111是用來限制流經該電流鏡112的電流大小，以降低該偵測元件110所消耗之功率，該第一電晶體113之閘極端113a電性連接該第一電晶體113之汲極端113b，且該第一電晶體113之汲極端113b電性連接該電流鏡112及該放大單元120，該第一電晶體113之門檻 電壓(threshold voltage)會隨著製程及溫度而改變，進而影響由該第一電晶體113之該汲極端113b所輸出的一偵測電壓V_CP 的大小。

請參閱第2圖，該放大單元120具有一第二負載121、一電流鏡122及一差動對123，該電流鏡122電性連接該第二負載121及該差動對123，該差動對123之一輸入端123a為該放大單元120之一正極輸入端120a，該差動對123之另一輸入端123b為該放大單元120之一負極輸入端120b，該差動對123之一輸出端123c為該放大單元120之一輸出端120c，其中，該正極輸入端120a電性連接該偵測單元110，該負極輸入端120b及該輸出端120c電性連接該補償單元130，構成一回授路徑，因此，該輸出端120c提供之放大之偵測電壓V_CO 的大小可由該正極輸入端120a輸入之該偵測電壓V_CP 及由該負極輸入端120b輸入之一回授電壓V_FC 來決定。

請參閱第2圖，該補償單元130具有一分壓電路131、一第二電晶體132及一電阻組133，該分壓電路131電性連接該放大單元120之該輸出端120c，該第二電晶體132電性連接該分壓電路131、該放大單元120之該負極輸入端120b及該電阻組133，在本實施例中，該第二電晶體132為一P型電晶體，該第二電晶體132之源極端132c電性連接該分壓電路131，該第二電晶體132之閘極端132a電性連接該放大單元120之該負極輸入端120b，該第二電晶體132之汲極端132b電性連接該電阻組133及該第二電晶體132之閘極端132a，該分壓電路131具有一第一分壓電阻131a及一第二分壓電阻131b，該補償元件100所提供之該補償電壓V_COMP 是由該放大單元133輸出之該放大之偵測電壓V_CO 經由該分壓電路131分壓後輸出，而流經該分壓電路131之一補償電流I_CO 流經該第二電晶體132及該電阻組133後產生該回授電壓V_FC ，因此，該補償元件100所提供之該補償電壓V_COMP 的電壓-溫度特性曲線與該分壓電路131之電壓-溫度特性曲線、該第二電晶體132之長寬比及該電阻組133之電壓-溫度特性曲線有關，因此，藉由將該分壓電路131之電壓-溫度特性曲線、該第二電晶體132之長寬比及該電阻組133之電壓-溫度特性曲線調整至適當尺寸後，請參閱第1圖，可使該補償元件100所輸出之該補償電壓V_COMP 經由該複製電路200補償該振盪元件300於各種製程及不同溫度而造成之頻率變化，其中，請參閱第2圖，該第一分壓電阻131a及該第二分壓電阻131b之電壓-溫度特性曲線為負相關，該電阻組133之電壓-溫度特性曲線為正相關，以補償該振盪元件300於各種製程及不同溫度而造成之頻率變化，在本實施例中，該電阻組133包含有一第一電阻133a及一第二電阻133b，該第一電阻133a之電壓-溫度特性曲線為負相關，該第二電阻133b之電壓-溫度特性曲線為正相關，藉由該第一電阻133a該第二電阻133b的串聯，使得該電阻組133之電壓-溫度特性曲線合乎該本發明之需求，進而使得該補償電壓V_COMP 可於各種製程及溫度下補償該振盪元件300輸出訊號之頻率。
　　當製程由快變慢時，該第一電晶體113之門檻電壓(threshold voltage)會上升，而使該偵測電壓V_CP 下降，進而使得該補償元件100輸出之補償電壓V_COMP 變小，並經由將該分壓電路131、該第二電晶體132及該電阻組133提供的斜率調整，使該補償電壓V_COMP 可補償該振盪元件300因製程而變慢之振盪訊號V_op /V_on 的頻率，於其餘之各種製程(快變快、正常變正常、慢變快或慢變慢)下皆可藉由該第一電晶體113的門檻電壓(threshold voltage)改變而影響該補償電壓V_COMP ，以對該振盪元件300輸出之振盪訊號V_op /V_on 的頻率進行調整。
　　當溫度上升時，該第一電晶體113的門檻電壓(threshold voltage)會下降，而使該偵測電壓V_CP 上升，進而使得該補償元件100輸出之補償電壓V_COMP 變大，並經由將該分壓電路131、該第二電晶體132及該電阻組133提供的斜率調整，使該補償電壓V_COMP 可補償該振盪元件300因溫度而上升變快之振盪訊號V_op /V_on 的頻率，反之，當溫度下降時亦可藉由該第一電晶體113的門檻電壓改變而影響該補償電壓V_COMP ，以對該振盪元件300輸出之振盪訊號V_op /V_on 的頻率進行調整。
　　本發明藉由該補償元件100輸出該補償電壓V_COMP 至該複製電路200，再由該複製電路200輸出該控制電壓V_CTRL 及該電流源偏壓V_cs 至該振盪元件作300為電壓補償，以調整該振盪元件300輸出之振盪訊號V_op /V_on 的頻率，使得該振盪元件300可輸出頻率不受製程及溫度影響之振盪訊號V_op /V_on 。
　　本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準，任何熟知此項技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內所作之任何變化與修改，均屬於本發明之保護範圍。

A．．．具製程及溫度補償之振盪器

100．．．補償元件

110．．．偵測單元

111．．．第一負載

111a．．．第一負載電晶體

111b．．．閘極端

111c．．．汲極端

111d．．．源極端

112．．．電流鏡

112a．．．第一電流鏡電晶體

112b．．．第二電流鏡電晶體

113．．．第一電晶體

113a．．．閘極端

113b．．．汲極端

113c．．．源極端

120．．．放大單元

120a．．．正極輸入端

120b．．．負極輸入端

120c．．．輸出端

121．．．第二負載

122．．．電流鏡

123．．．差動對

123a．．．輸入端

123b．．．輸入端

123c．．．輸出端

130．．．補償單元

131．．．分壓電路

131a．．．第一分壓電阻

131b．．．第二分壓電阻

132．．．第二電晶體

132a．．．閘極端

132b．．．汲極端

132c．．．源極端

133．．．電阻組

133a．．．第一電阻

133b．．．第二電阻

200．．．複製電路

300．．．振盪元件

310．．．振盪單元

400．．．穩壓器

500．．．轉換器

VDD．．．輸入電壓

V_ref ．．．參考電壓

V_COMP ．．．補償電壓

V_CTRL ．．．控制電壓

V_cs ．．．電流源偏壓

V_op ．．．振盪訊號

V_on ．．．振盪訊號

V_CP ．．．偵測電壓

V_CO ．．．放大之偵測電壓

I_CO ．．．補償電流

V_FC ．．．回授電壓

reset．．．重置訊號

V_bias ．．．偏壓

V_OUT ．．．時脈訊號

第1圖：依據本發明之一實施例，一具製程及溫度補償之振盪器之方塊圖。
第2圖：依據本發明之一實施例，一複製電路之電路圖。
第3圖：依據本發明之一實施例，一補償元件之電路圖。
第4A圖：依據本發明之一實施例，一振盪元件之電路圖。
第4B圖：依據本發明之一實施例，一振盪單元之電路圖。
第5圖：依據本發明之一實施例，一穩壓器之電路圖。
第6圖：依據本發明之一實施例，一轉換器之電路圖。

A．．．具製程及溫度補償之振盪器

100．．．補償元件

200．．．複製電路

300．．．振盪元件

400．．．穩壓器

500．．．轉換器

VDD．．．輸入電壓

V_ref ．．．參考電壓

V_COMP ．．．補償電壓

V_CTRL ．．．控制電壓

V_cs ．．．電流源偏壓

V_op ．．．振盪訊號

V_on ．．．振盪訊號

V_OUT ．．．時脈訊號

Claims (18)

1. 一種具製程及溫度補償之振盪器，其包含：一補償元件，其提供一隨製程及溫度改變之補償電壓，該補償元件具有一偵測單元、一放大單元及一補償單元，該放大單元電性連接該偵測單元，該補償元件電性連接該放大單元，該偵測單元提供一偵測電壓，該放大單元接收該偵測電壓，且該放大單元提供一放大之偵測電壓，該補償單元接收該放大之偵測電壓，且該補償單元輸出該補償電壓，該放大單元具有一正極輸入端、一負極輸入端及一輸出端，其中該正極輸入端電性連接該偵測單元，該負極輸入端及該輸出端電性連接該補償單元，該補償單元具有一分壓電路、一第二電晶體及一電阻組，該分壓電路電性連接該放大單元之該輸出端，該第二電晶體電性連接該分壓電路、該放大單元之該負極輸入端及該電阻組，其中該第二電晶體為一P型電晶體，該第二電晶體之源極端電性連接該分壓電路，該第二電晶體之閘極端電性連接該放大單元之該負極輸入端，該第二電晶體之汲極端電性連接該電阻組及該第二電晶體之閘極端；一複製電路，其電性連接該補償元件，該複製電路接收該補償電壓，且該複製電路提供一控制電壓及一電流源偏壓，該控制電壓等於該補償電壓；及一振盪元件，其電性連接該複製電路並接收該控制電壓及該電流源偏壓，該振盪元件提供一頻率不受製程及溫度影響的訊號。
2. 如申請專利範圍第1項所述之具製程及溫度補償之振盪器 ，其中該偵測單元具有一第一負載、一電流鏡及一第一電晶體，該電流鏡電性連接該第一負載及該第一電晶體。
3. 如申請專利範圍第2項所述之具製程及溫度補償之振盪器，其中該第一電晶體為P型電晶體。
4. 如申請專利範圍第2或3項所述之具製程及溫度補償之振盪器，其中該第一電晶體之閘極端電性連接該第一電晶體之汲極端，且該第一電晶體之汲極端電性連接該電流鏡及該放大單元。
5. 如申請專利範圍第2項所述之具製程及溫度補償之振盪器，其中該第一負載包含至少一第一負載電晶體，該第一負載電晶體之閘極端電性連接該第一負載電晶體之汲極端，且該第一負載電晶體之汲極端電性連接該電流鏡。
6. 如申請專利範圍第1項所述之具製程及溫度補償之振盪器，其中該分壓電路具有一第一分壓電阻及一第二分壓電阻，該第一分壓電阻及該第二分壓電阻之電壓-溫度特性曲線為負相關。
7. 如申請專利範圍第1或6項所述之具製程及溫度補償之振盪器，其中該電阻組之電壓-溫度特性曲線為正相關。
8. 如申請專利範圍第7項所述之具製程及溫度補償之振盪器，其中該電阻組包含有一第一電阻及一第二電阻，該第一電阻之電壓-溫度特性曲線為負相關，該第二電阻之電壓-溫度特性曲線為正相關。
9. 如申請專利範圍第1項所述之具製程及溫度補償之振盪器，其另具有一穩壓器，其用以提供一參考電壓，該穩壓器電性連接該補償元件、該複製電路及該振盪元件。
10. 如申請專利範圍第1項所述之具製程及溫度補償之振盪器 ，其另具有一轉換器，該轉換器電性連接該振盪元件，該轉換器用以提供一時脈訊號。
11. 一種補償元件，其用以提供一隨製程及溫度改變之補償電壓，該補償元件包含：一偵測單元，其提供一偵測電壓；一放大單元，其電性連接該偵測單元，該放大單元接收該偵測電壓，且該放大單元提供一放大之偵測電壓；及一補償單元，其電性連接該放大單元，該補償單元接收該放大之偵測電壓，且該補償單元輸出一補償電壓，其中該放大單元具有一正極輸入端、一負極輸入端及一輸出端，其中該正極輸入端電性連接該偵測單元，該負極輸入端及該輸出端電性連接該補償單元，該補償單元具有一分壓電路、一第二電晶體及一電阻組，該分壓電路電性連接該放大單元之該輸出端，該第二電晶體電性連接該分壓電路、該放大單元之該負極輸入端及該電阻組，該第二電晶體為一P型電晶體，該第二電晶體之源極端電性連接該分壓電路，該第二電晶體之閘極端電性連接該放大器之該輸出端，該第二電晶體之汲極端電性連接該電阻組及該第二電晶體之閘極端。
12. 如申請專利範圍第11項所述之補償元件，其中該偵測單元具有一第一負載、一電流鏡及一第一電晶體，該電流鏡電性連接該第一負載及該第一電晶體。
13. 如申請專利範圍第12項所述之補償元件，其中該第一電晶體為P型電晶體。
14. 如申請專利範圍第12或13項所述之補償元件，其中該第一電晶體之閘極端電性連接該第一電晶體之汲極端，且該 第一電晶體之汲極端電性連接該電流鏡及該放大單元。
15. 如申請專利範圍第12項所述之補償元件，其中該第一負載包含至少一第一負載電晶體，該第一負載電晶體之閘極端電性連接該第一負載電晶體之汲極端，且該第一負載電晶體之汲極端電性連接該電流鏡。
16. 如申請專利範圍第15項所述之補償元件，其中該分壓電路具有一第一分壓電阻及一第二分壓電阻，該第一分壓電阻及該第二分壓電阻之電壓-溫度特性曲線為負相關。
17. 如申請專利範圍第11或16項所述之補償元件，其中該電阻組之電壓-溫度特性曲線為正相關。
18. 如申請專利範圍第17項所述之補償元件，其中該電阻組包含有一第一電阻及一第二電阻，該第一電阻之電壓-溫度特性曲線為負相關，該第二電阻之電壓-溫度特性曲線為正相關。