專利名稱：高精準環(huán)形振蕩器的制作方法
技術(shù)領域：
本實用新型涉及一種環(huán)形振蕩器，特別是涉及—種高精準的環(huán)形振蕩器。
技術(shù)背景
當前較大規(guī)模集成片上的系統(tǒng)都需要一個較精準的時鐘，作為數(shù)字模 塊的時鐘或作為同步或作為定時用。出于功耗和成本的考慮，片內(nèi)環(huán)形振 蕩器是一個較好的選擇。這種振蕩器不需要片外的晶體或電感電容等調(diào)諧 器件，僅需奇數(shù)個反相器串聯(lián)并首尾相接。
若千個反相器首尾相接的環(huán)形振蕩器的輸出信號頻率受電源電壓、溫 度、工藝漂移等因素影響很大，無法達到高精準的應用要求。
發(fā)明內(nèi)容
本實用新型的目的是針對上述存在的問題，提供一種能抑制電源電壓 的變化，具有溫度和工藝補償功能的環(huán)形振蕩器。
本實用新型為了達到上述的目的，所采取的技術(shù)方案是提供一種高精 準的環(huán)形振蕩器，它包括至少一個環(huán)形振蕩器級和與其電連接的供電電 源；所述的環(huán)形振蕩器級包括兩種不同導電類型的MOS場效應管構(gòu)成的 反相器以及與其電連接的MOS場效應管；所述的供電電源是包括閾值電 壓VTH與環(huán)形振蕩器級中的MOS場效應管的閾值電壓VTH相互補償?shù)?MOS場效應管和可調(diào)電阻的自偏置電流源。
如上述本實用新型的環(huán)形振蕩器，它包括一個以MOS.場效應管的閾值電壓VTH和可調(diào)電阻為基準的自偏置電流源以及至少--個環(huán)形振蕩器 級。它是利用自偏置電流源中的MOS場效應管的閾值電壓VTH和環(huán)形振 蕩器級的MOS場效應管的閾值電壓VTH相互補償，消除由MOS場效應 管工藝漂移和溫度系數(shù)引起的環(huán)形振蕩器輸出頻率不穩(wěn)的現(xiàn)象。利用可調(diào) 電阻的溫度系數(shù)和MOS場效應管的寄生參數(shù)的溫度系數(shù)的相互補償，減 小環(huán)形振蕩器輸出頻率的溫度系數(shù)。通過對可調(diào)電阻進行內(nèi)部微調(diào)，可對 輸出信號頻率進行微調(diào)，使之達到高精準的要求。還可通過調(diào)整電流源到 環(huán)形振蕩器級的電流比例，達到輸出信號頻率高精準的要求。
所述的MOS場效應管的閾值電壓VTH適用于NMOS和PMOS兩種 類型的場效應管的閾值電壓VTH。
由于本實用新型的環(huán)形振蕩器采用上述的結(jié)構(gòu)，輸出信號頻率與電源 電壓無關(guān)，帶有溫度、工藝補償和校準功能。所以本實用新型可實現(xiàn)在一 定的溫度、電源電壓、工藝漂移范圍內(nèi)的高精準頻率的應用。


圖1是本實用新型環(huán)形振蕩器的結(jié)構(gòu)示意圖2是本實用新型的自偏置電流源一實施例的結(jié)構(gòu)示意圖3是本實用新型的環(huán)形振蕩器級一實施例的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施方式
以下結(jié)合附圖和實施例對本實用新型的結(jié)構(gòu)進行進一步地說明。 圖1是本實用新型的環(huán)形振蕩器的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖1所示，本實用 新型的環(huán)形振蕩器包括自偏置電流源1和包含N級(N為奇數(shù))反相器首 尾相接的環(huán)形振蕩器級2，圖1中Fout端為信號輸出端。 圖2是圖1中自偏置電流源1一實施例的結(jié)構(gòu)示意圖。 如圖2所示，本實用新型的自偏置電流源1包括至少2個MOS場效應管的柵極連接在一起構(gòu)成的第一條電流鏡，在本實施例中，是3個PMOS 場效應管(以下簡稱PMOS管)Mpbl 、 Mpb2、 Mpb3 ， 3個PMOS管Mpbl 、 Mpb2、 Mpb3的柵極接在一起，構(gòu)成第一條電流鏡的結(jié)構(gòu)；與第一條電流 鏡并聯(lián)的至少2個MOS場效應管的柵極連接在一起構(gòu)成的第二條電流鏡， 在本實施例中，是2個NMOS場效應管(以下簡稱NMOS管)Mnb2和 Mnb3， NMOS管Mnb2和Mnb3的柵極接在一起，構(gòu)成第二條電流鏡的結(jié) 構(gòu)；第一條電流鏡一端的MOS場效應管的漏極連接一可調(diào)電阻，如圖2 所示，在本實施例中，在第一條電流鏡一端的PMOS管Mpbl的漏極接于 可調(diào)電阻(分電阻R1)的一端；第二條電流鏡通過一MOS場效應管與這 一可調(diào)電阻相連接，如圖2所示，在本實施例中，通過一NMOS管Mnbl 的柵極與可調(diào)電阻(分電阻R1)的一端相連，NMOS管Mnbl的源極接地， 漏極與NMOS管Mnb2的柵極和漏極相連，PMOS管Mpb3的柵極和漏極 接在一起，NMOS管Mnb2的柵極和漏極接在一起。
如圖2所示，可調(diào)電阻包括至少2個串聯(lián)的分電阻以及每個分電阻并 聯(lián)的MOS場效應管。在本實施例中，可調(diào)電阻包括分電阻R1、 R2……Rn 串聯(lián)，和與R1并聯(lián)的NMOS管Mnsl，與R2并聯(lián)的NMOS管Mns2，與 Rn并聯(lián)的NMOS管Mnsn; NMOS管Mnsl、 Mns2、 Mnsn的柵極控制信 號為ctrll、 ctrl2、……ctrln，該信號來自數(shù)字電路的寄存器或者存儲器。 圖2中顯示的電流Il為流過分電阻R1、 R2……Rn的電流，電流I2為流 過NMOS管Mnbl的電流。
如圖2所示，以MOS場效應管的閾值電壓VTH為基準的自偏置電流 源，可通過電流鏡相的結(jié)構(gòu)保證11=12 = 1，因此
<formula>formula see original document page 5</formula>
其中I為電流源產(chǎn)生的電流，1,和I2分別為電流源中左右兩路的電流，VTH為NMOS管M^的閾值電壓，；9為NMOS管M^的跨導系數(shù)，R為 可調(diào)電阻的阻值，即為串聯(lián)的分電阻R。 R2......RJ且值的和。
<formula>formula see original document page 6</formula>
將R設計為較大值，可減小A的影響，并且降 低電流I的大小。
圖3是本實用新型的環(huán)形振蕩器級一實施例的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖3所 示，本實用新型的環(huán)形振蕩器級包括兩種不同導電類型的MOS場效應管 構(gòu)成的反相器以及與其連接的MOS場效應管。在本實施例的圖3中環(huán)形 振蕩器級只畫出三級，實際上還可以是五級或是七級或是其他奇數(shù)級。圖 3中Bias的接口接圖2中的bias端口。 PMOS管Mpb4、 Mpb5、 Mpb6的 柵極接bias端口構(gòu)成電流鏡結(jié)構(gòu)；NMOS管Mnl和PMOS管Mpl的柵 極和漏極接在一起，構(gòu)成反相器結(jié)構(gòu)，同樣的，Mn2和Mp2以及Mn3和 Mp3也構(gòu)成反相器結(jié)構(gòu)，三個反相器串聯(lián)并首尾相接，構(gòu)成環(huán)振環(huán)路。電 容器C1、 C2、 C3的上極板分別接至反相器的輸出端，下極板接地。反相 器的電流由Mpb4、Mpb5、Mpb6構(gòu)成的鏡相結(jié)構(gòu)提供，用MXI表示。Fout 為環(huán)形振蕩器的輸出端。
如圖3所示，PMOS管Mpb4、 Mpb5、 Mpb6為圖2中電流源的鏡相， 比例為M,因此每路電流大小為MXI。 NMOS管Mnl、 Mn2、 Mn3的類 型需和圖2中的NMOS管Mnbl相同，通常設計為較大寬長比，使反相器 的翻轉(zhuǎn)閾值近似為NMOS管的閾值電壓VTH。電容器C1、 C2、 C3的電 容C設計為遠大于開關(guān)管Mnl、 Mn2、 Mn3和放電管Mpl、 Mp2、 Mp3
的寄生電容，以盡量避免寄生電容的影響。每級反相器的延遲為
<formula>formula see original document page 6</formula>
將電流I的公式(1)代入后，環(huán)形振蕩器輸出頻率為<formula>formula see original document page 7</formula>其中N為環(huán)形振蕩器中反相器的級數(shù)，通常為奇數(shù)。^為由于A和鏡 相匹配電路導致的微小誤差。
可見，通過電流源和反相器閾值的匹配，消除了 MOS管的電壓VTH 的影響。由于電路中的PMOS管僅用作電流鏡相，因此環(huán)形振蕩器的輸出 頻率與NMOS管和PMOS管的工藝漂移基本無關(guān)。
設計中采用正溫度系數(shù)的電阻R,電容C也為正溫度系數(shù)，與^的正 溫度系數(shù)相補償，可使環(huán)形振蕩器的溫度系數(shù)在一定溫度范圍內(nèi)達到較小 值。
本實用新型由于采用自偏置基準電流源，由式(3)可見，環(huán)形振蕩 器的輸出頻率與電源電壓基本無關(guān)。
如圖2所示，可通過開關(guān)信號ctrll ctrln配置電阻的大小，對環(huán)形振 蕩器的輸出頻率進行微調(diào)。
綜上所述，本實用新型通過上述技術(shù)方案的實施，達到了本實用新型 的目的，證明了本實用新型的環(huán)形振蕩器能保證在一定的工藝、溫度、電 源電壓范圍內(nèi)輸出頻率的準確、穩(wěn)定性。
權(quán)利要求1.一種高精準環(huán)形振蕩器，包括至少一個環(huán)形振蕩器級和與其電連接的供電電源，其特征在于所述的環(huán)形振蕩器級包括兩種不同導電類型的MOS場效應管構(gòu)成的反相器以及與其連接的MOS場效應管；所述的供電電源是包括閾值電壓與環(huán)形振蕩器級中的MOS場效應管的閾值電壓相互補償?shù)腗OS場效應管和可調(diào)電阻的自偏置電流源。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的髙精準環(huán)形振蕩器，其特征在于所述自偏置 電流源包括至少2個MOS場效應管的柵極連接在一起構(gòu)成的第--條電流鏡， 與第一條電流鏡并聯(lián)的至少2個MOS場效應管的柵極連接在一起構(gòu)成的第 二條電流鏡，第一條電流鏡一端的MOS場效應管的漏極連接一可調(diào)電阻， 第二條電流鏡通過一 MOS場效應管與這一可調(diào)電阻相連接。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的髙精準環(huán)形振蕩器，其特征在于所述町調(diào)電 阻包括至少2個串聯(lián)的分電阻以及每個分電阻并聯(lián)的MOS場效應管。
專利摘要一種高精準環(huán)形振蕩器，它包括一個以MOS場效應管的閾值電壓和可調(diào)電阻為基準的自偏置電流源以及至少一個環(huán)形振蕩器級。它是利用自偏置電流源中的MOS場效應管的閾值電壓和環(huán)形振蕩器級的MOS場效應管的閾值電壓相互補償，消除由MOS場效應管工藝漂移和溫度系數(shù)引起的環(huán)形振蕩器輸出頻率不穩(wěn)的現(xiàn)象。利用可調(diào)電阻的溫度系數(shù)和MOS場效應管的寄生參數(shù)的溫度系數(shù)的相互補償，減小環(huán)形振蕩器輸出頻率的溫度系數(shù)。通過對可調(diào)電阻進行內(nèi)部修調(diào)，可對輸出信號頻率進行微調(diào)，使之達到高精準的要求。
文檔編號G05F3/26GK201222719SQ20082005901
公開日2009年4月15日 申請日期2008年5月27日 優(yōu)先權(quán)日2008年5月27日
發(fā)明者磊 王 申請人:上海復旦微電子股份有限公司