專利名稱：一種振蕩器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種振蕩器，尤其涉及一種頻率隨溫度可調(diào)的振蕩器。

背景技術(shù)：
目前絕大部分?jǐn)?shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，時(shí)鐘是不可或缺的部分，通常采用外接有源或者無源振蕩器來提供時(shí)鐘信號(hào)。通過外接振蕩器來提供時(shí)鐘信號(hào)的優(yōu)點(diǎn)是性能穩(wěn)定，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)便，缺點(diǎn)是會(huì)增加版圖面積。在高頻設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)電路布線和加工的要求比較嚴(yán)格，因此采用外接振蕩器來提供時(shí)鐘信號(hào)，無疑會(huì)增加系統(tǒng)成本和設(shè)計(jì)難度。
當(dāng)前越來越多的設(shè)計(jì)是將振蕩器做到片內(nèi)，適合做到片內(nèi)的振蕩器一般有環(huán)形振蕩器和RC振蕩器。但是這兩種振蕩器不僅頻率和功耗受電源電壓和工藝的影響很大，而且頻率隨著振蕩器溫度的升高會(huì)變低。電阻作為一種常用器件，不僅受工藝影響波動(dòng)很大，使得振蕩器頻率不穩(wěn)定，而且要使用體積稍大的電阻，版圖面積就會(huì)加大，提高了芯片的成本。
當(dāng)需要振蕩器的頻率不隨溫度的變化而變慢，尤其是需要頻率隨溫度升高而升高時(shí)，以上兩種振蕩器就無法實(shí)現(xiàn)。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是在于需要提供一種振蕩器，其輸出信號(hào)的頻率隨溫度可調(diào)。
為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明首先提供了一種振蕩器，包括 參考電壓產(chǎn)生電路，連接電源電壓和地，輸出第一參考電壓、第二參考電壓和第三參考電壓，所述第一參考電壓大于所述第二參考電壓和第三參考電壓； 參考電流產(chǎn)生電路，與所述參考電壓產(chǎn)生電路相連，在所述第一參考電壓和第三參考電壓作用下，產(chǎn)生正比于絕對(duì)溫度的參考電流； 振蕩信號(hào)產(chǎn)生電路，與所述參考電壓產(chǎn)生電路和參考電流產(chǎn)生電路相連，在所述參考電流、第一參考電壓和第二參考電壓作用下，產(chǎn)生振蕩信號(hào)。
如上所述的振蕩器中，所述參考電壓產(chǎn)生電路，可以包括基礎(chǔ)電路和若干級(jí)參考電壓提供電路，其中 所述基礎(chǔ)電路連接電源電壓和地，輸出偏置電壓； 各級(jí)參考電壓提供電路均連接電源電壓和地，依次級(jí)聯(lián)后在所述偏置電壓的作用下提供逐級(jí)升高的參考電壓，相鄰兩級(jí)參考電壓提供電路的電壓差可調(diào)。
進(jìn)一步地，所述基礎(chǔ)電路，可以包括漏極相連的P型MOSFET管P0和N型MOSFET管N0； P0管的源極接電源電壓，柵極和漏極連接在一起，引出所述偏置電壓； N0管的襯底接地，柵極和源極提供給參考電壓提供電路的級(jí)聯(lián)。
更進(jìn)一步地，各級(jí)參考電壓提供電路均可以包括一個(gè)供電P型MOSFET管和由兩個(gè)共柵連接的N型MOSFET管組成的共柵N管對(duì)，供電P型MOSFET管Pk管所屬參考電壓提供單元中 Pk管的柵極為第一級(jí)聯(lián)點(diǎn)，連接P0管的柵極； Pk管的源極為第二級(jí)聯(lián)點(diǎn)，連接電源電壓； 組成所述共柵N管對(duì)的Nk1管和Nk2管，襯底連接在一起為第三級(jí)聯(lián)點(diǎn)，接地； Nk1管的漏極連接Pk管的漏極； Nk2管的漏極為參考電壓引出點(diǎn)和級(jí)聯(lián)引出點(diǎn)； Nk2管的源極為第四級(jí)聯(lián)點(diǎn)，第1級(jí)參考電壓提供單元的第四級(jí)聯(lián)點(diǎn)接N0管的源極，往后各級(jí)參考電壓提供電路的第四級(jí)聯(lián)點(diǎn)接前一級(jí)的級(jí)聯(lián)引出點(diǎn)。
還進(jìn)一步地，所述相鄰兩級(jí)參考電壓提供電路的電壓差，可以通過改變所述各級(jí)參考電壓提供電路中Nk1管和Nk2管的寬長(zhǎng)比的比值來調(diào)節(jié)。
如上所述的振蕩器中，所述參考電壓產(chǎn)生電路產(chǎn)生的參考電壓，可以進(jìn)一步各通過一濾波電容，輸出給所述參考電流產(chǎn)生電路和振蕩信號(hào)產(chǎn)生電路。
進(jìn)一步地，所述濾波電容可以由MOSFET管實(shí)現(xiàn)，MOSFET管的柵極為所述濾波電容的一端，源極、漏極和襯底連接在一起為所述濾波電容的另一端。
如上所述的振蕩器中，參考電流產(chǎn)生電路，可以包括電流鏡。
如上所述的振蕩器中，所述振蕩信號(hào)產(chǎn)生電路可以包括鋸齒波產(chǎn)生電路和方波產(chǎn)生電路，其中 鋸齒波產(chǎn)生電路，與所述參考電壓產(chǎn)生電路和參考電流產(chǎn)生電路相連，在所述第一參考電壓、參考電流和電源電壓作用下，產(chǎn)生鋸齒波； 方波產(chǎn)生電路，與所述參考電壓產(chǎn)生電路和鋸齒波產(chǎn)生電路相連，在所述第二參考電壓作用下，產(chǎn)生與所述鋸齒波同頻率的方波。
進(jìn)一步地，所述鋸齒波產(chǎn)生電路可以包括電流源、比較器、充電電容、N型MOSFET管MN1和緩沖器，其中 所述參考電流輸入到連接電源電壓的所述電流源，所述電流源還連接MN1管的漏極；MN1管的源極接地；充電電容一端連接電源電壓，另一端通過連接點(diǎn)S同時(shí)連接MN1管的漏極和所述比較器的同相輸入端；所述比較器的反相輸入端輸入所述第一參考電壓，輸出端經(jīng)所述緩沖器連接MN1管的柵極； 所述比較器輸出為低電平時(shí)MN1關(guān)閉，在參考電流作用下所述電源電壓通過所述充電電容對(duì)S點(diǎn)充電；S點(diǎn)電壓達(dá)到所述第一參考電壓時(shí)，所述比較器翻轉(zhuǎn)輸出為高電平，開啟MN1，S點(diǎn)迅速放電到電壓為零，所述比較器再翻轉(zhuǎn)輸出為低電平，關(guān)閉MN1，形成一個(gè)鋸齒波并經(jīng)S點(diǎn)輸出。
以及，所述方波產(chǎn)生電路可以包括比較器和緩沖器，所述比較器的同相輸入端接入所述鋸齒波，反相輸入端接入所述第二參考電壓，輸出端連接所述緩沖器；在所述鋸齒波和第二參考電壓作用下，所述比較器的輸出端經(jīng)所述緩沖器，產(chǎn)生與所述鋸齒波同頻率的方波。
更進(jìn)一步地，所述充電電容可以由MOSFET管實(shí)現(xiàn)，MOSFET管的柵極為所述充電電容的一端，源極、漏極和襯底連接在一起為所述充電電容的另一端。
本發(fā)明還提出了一種參考電壓產(chǎn)生電路，包括基礎(chǔ)電路和若干級(jí)參考電壓提供電路，其中 所述參考電壓產(chǎn)生電路，包括基礎(chǔ)電路和若干級(jí)參考電壓提供電路，其中 所述基礎(chǔ)電路連接電源電壓和地，輸出偏置電壓； 各級(jí)參考電壓提供電路均連接電源電壓和地，依次級(jí)聯(lián)后在所述偏置電壓的作用下提供逐級(jí)升高的參考電壓，相鄰兩級(jí)參考電壓提供電路的電壓差可調(diào)。
如上所述的參考電壓產(chǎn)生電路中，所述基礎(chǔ)電路，可以包括漏極相連的P型MOSFET管P0和N型MOSFET管N0； P0管的源極接電源電壓，柵極和漏極連接在一起，引出所述偏置電壓； N0管的襯底接地，柵極和源極提供給參考電壓提供電路的級(jí)聯(lián)。
如上所述的參考電壓產(chǎn)生電路中，各級(jí)參考電壓提供電路均可以包括一個(gè)供電P型MOSFET管和由兩個(gè)共柵連接的N型MOSFET管組成的共柵N管對(duì)，供電P型MOSFET管Pk管所屬參考電壓提供單元中 Pk管的柵極為第一級(jí)聯(lián)點(diǎn)，連接P0管的柵極； Pk管的源極為第二級(jí)聯(lián)點(diǎn)，連接電源電壓； 組成所述共柵N管對(duì)的Nk1管和Nk2管，襯底連接在一起為第三級(jí)聯(lián)點(diǎn)，接地； Nk1管的漏極連接Pk管的漏極； Nk2管的漏極為參考電壓引出點(diǎn)和級(jí)聯(lián)引出點(diǎn)； Nk2管的源極為第四級(jí)聯(lián)點(diǎn)，第1級(jí)參考電壓提供單元的第四級(jí)聯(lián)點(diǎn)接N0管的源極，往后各級(jí)參考電壓提供電路的第四級(jí)聯(lián)點(diǎn)接前一級(jí)的級(jí)聯(lián)引出點(diǎn)。
進(jìn)一步地，所述相鄰兩級(jí)參考電壓提供電路的電壓差，可以通過改變所述各級(jí)參考電壓提供電路中Nk1管和Nk2管的寬長(zhǎng)比的比值來調(diào)節(jié)。
更進(jìn)一步地，所述參考電壓產(chǎn)生電路可以進(jìn)一步包括若干個(gè)濾波電容，所述參考電壓經(jīng)所述濾波電容濾波后輸出。
還進(jìn)一步地，所述濾波電容可以由MOSFET管實(shí)現(xiàn)，MOSFET管的柵極為所述濾波電容的一端，源極、漏極和襯底連接在一起為所述濾波電容的另一端。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn) (1)低功耗，整個(gè)振蕩器上的全部電流只有幾微安； (2)面積小，整個(gè)振蕩器電路板上一共只有幾十個(gè)晶體管； (3)振蕩器輸出信號(hào)的頻率不受電源電壓和工藝的影響； (4)振蕩器輸出信號(hào)的頻率可跟隨溫度的變化而調(diào)節(jié)； (5)整個(gè)電路沒有使用電阻。



圖1是本發(fā)明振蕩器實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2是本發(fā)明實(shí)施例中參考電壓產(chǎn)生電路結(jié)構(gòu)示意圖； 圖3是本發(fā)明實(shí)施例中參考電流產(chǎn)生電路結(jié)構(gòu)示意圖； 圖4是本發(fā)明實(shí)施例中鋸齒波產(chǎn)生電路結(jié)構(gòu)示意圖； 圖5是本發(fā)明實(shí)施例中方波產(chǎn)生電路結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施例方式 以下將結(jié)合附圖及實(shí)施例來詳細(xì)說明本發(fā)明的實(shí)施方式，借此對(duì)本發(fā)明如何應(yīng)用技術(shù)手段來解決技術(shù)問題，并達(dá)成技術(shù)效果的實(shí)現(xiàn)過程能充分理解并據(jù)以實(shí)施。
本發(fā)明的基本思想是振蕩器中不使用電阻，而且采用與絕對(duì)溫度成正比的PTAT(proportional to absolute temperature，正比于絕對(duì)溫度)電流作為輸入電流，通過引入?yún)⒖茧妷簛韺?shí)現(xiàn)振蕩信號(hào)的輸出。這樣實(shí)現(xiàn)的振蕩器不僅功耗低、面積小，輸出頻率與電源電壓及工藝無關(guān)，而且振蕩器的頻率能隨著溫度的變化而調(diào)節(jié)。
圖1示出了本發(fā)明實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖，包括 參考電壓產(chǎn)生電路10，用于產(chǎn)生三個(gè)與電源電壓Vdd無關(guān)的參考電壓，其中第一參考電壓Vref1和第三參考電壓Vref3供給參考電流產(chǎn)生電路20，第二參考電壓Vref2供給方波產(chǎn)生電路40，第一參考電壓Vref1還供給鋸齒波產(chǎn)生電路30，其中第一參考電壓Vref1大于第三參考電壓Vref3； 參考電流產(chǎn)生電路20，產(chǎn)生一個(gè)參考電流Iref供給鋸齒波產(chǎn)生電路30，參考電流Iref的大小由第一參考電壓Vref1和第三參考電壓Vref3的差值決定，參考電流Iref為PTAT電流。
鋸齒波產(chǎn)生電路30，在第一參考電壓Vref1和參考電流Iref作用下，產(chǎn)生鋸齒波OUT1，并輸出給方波產(chǎn)生電路40； 方波產(chǎn)生電路40，在參考電壓產(chǎn)生電路10產(chǎn)生的第二參考電壓Vref2作用下，根據(jù)鋸齒波產(chǎn)生電路30輸出的鋸齒波OUT1，產(chǎn)生與鋸齒波OUT1同頻率的方波，作為時(shí)鐘信號(hào)clk輸出。
上述鋸齒波產(chǎn)生電路30和方波產(chǎn)生電路40，實(shí)際上是振蕩器的振蕩信號(hào)產(chǎn)生電路，在本發(fā)明實(shí)施例當(dāng)中，是以輸出占空比為50％的方波來進(jìn)行說明本發(fā)明的。在本發(fā)明的其他實(shí)施例當(dāng)中，如果需要輸出其他性質(zhì)的振蕩信號(hào)，依據(jù)本發(fā)明的基本思想，在本發(fā)明提出的參考電壓產(chǎn)生電路10和參考電流產(chǎn)生電路20基礎(chǔ)之上，完全可以選用現(xiàn)有技術(shù)中已有的其他振蕩信號(hào)產(chǎn)生電路來產(chǎn)生相應(yīng)的振蕩信號(hào)。
結(jié)合圖2所示，上述參考電壓產(chǎn)生電路10所產(chǎn)生的三個(gè)參考電壓，都各接一個(gè)濾波電容(圖中未示出)后再接入到參考電流產(chǎn)生電路20、鋸齒波產(chǎn)生電路30和方波產(chǎn)生電路40中，起到穩(wěn)定濾波的作用，濾波電容由MOSFET(金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管)實(shí)現(xiàn)，該MOSFET管的柵極為一端，源極、漏極和襯底連接在一起為另一端。本電路中MOSFET管工作在深度線性區(qū)，耗電極小。另外本電路只用了少量MOSFET管子，占用版圖面積很小。
如圖2所示，參考電壓產(chǎn)生電路10由若干級(jí)參考電壓提供電路級(jí)聯(lián)在一個(gè)基礎(chǔ)電路上。其中的基礎(chǔ)電路包括一個(gè)P型MOSFET管P0和一個(gè)N型MOSFET管N0，P0管為二極管連接方式(MOSFET管的柵極和漏極連接到一起)，源極連接電源電壓Vdd，且P0管的漏極和N0管的漏極相連，N0管的襯底接Vss(接地GND)。P0管的柵極和源極，用來提供偏置電壓給各級(jí)參考電壓提供電路。另外需要說明的是，本說明書中如未特別指明各MOSFET管襯底的連接方式，均表示各MOSFET管的襯底與源極相連。
參考電壓產(chǎn)生電路10的每一級(jí)參考電壓提供電路，均包括一個(gè)供電P型MOSFET管Pk(k為大于等于1的正整數(shù)，用來表示某一級(jí)參考電壓提供電路的級(jí)數(shù))和一個(gè)共柵N管對(duì)，其中的共柵N管對(duì)為兩個(gè)柵極連接在一起的N型MOSFET管，分別稱之為Nk1和Nk2。圖2共示出了從第1至第m共m級(jí)參考電壓提供電路，其中m＝n+1。圖中所示的m級(jí)參考電壓提供電路除了第1級(jí)之外，其余各級(jí)均采用同樣的級(jí)聯(lián)方式連接到前一級(jí)參考電壓提供電路上。以下分別敘述第1、2級(jí)參考電壓提供電路的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和連接方式，以清楚說明各級(jí)參考電壓提供電路是如何級(jí)聯(lián)到基礎(chǔ)電路上，并如何產(chǎn)生三個(gè)與電源電壓Vdd無關(guān)的參考電壓的。
首先說明第1級(jí)參考電壓提供電路的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和連接方式。第1級(jí)參考電壓提供電路中的供電P型MOSFET管P1，其柵極作為第1級(jí)參考電壓提供電路的第一級(jí)聯(lián)點(diǎn)連接到P0管的柵極，源極作為第1級(jí)參考電壓提供電路的第二級(jí)聯(lián)點(diǎn)連接到P0管的源極，漏極接到第1級(jí)參考電壓提供電路中的共柵N管對(duì)的兩個(gè)N型MOSFET管的柵極上。共柵N管對(duì)包括N型MOSFET管N11和N12，N11管也以二極管連接方式連接，且N11管和N12管的襯底連接在一起，作為第1級(jí)參考電壓提供電路的第三級(jí)聯(lián)點(diǎn)連接Vss，N11管的源極連接N12管的漏極，N12管的漏極還連接基礎(chǔ)電路中的N0管的柵極，N12管的源極作為第1級(jí)參考電壓提供電路的第四級(jí)聯(lián)點(diǎn)連接到N0管的源極。N12在第1級(jí)參考電壓提供電路中實(shí)現(xiàn)電阻的功能。N12管的漏極為第1級(jí)參考電壓提供電路的級(jí)聯(lián)引出點(diǎn)，同時(shí)也是參考電壓的引出點(diǎn)，如果需要從第1級(jí)參考電壓提供電路中引出參考電壓，則從N12管的漏極也即共柵N管對(duì)的源漏極相接處引出。
然后說明第2級(jí)參考電壓提供電路的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和連接方式。第2級(jí)參考電壓提供電路中的供電P型MOSFET管P2的柵極作為第2級(jí)參考電壓提供電路的第一級(jí)聯(lián)點(diǎn)連接到P0管的柵極，源極作為第2級(jí)參考電壓提供電路的第二級(jí)聯(lián)點(diǎn)連接到P0管的源極，漏極連接到第2級(jí)參考電壓提供電路中的共柵N管對(duì)的兩個(gè)N型MOSFET管N21和N22的柵極上，其中N22在第2級(jí)參考電壓提供電路中實(shí)現(xiàn)電阻的功能。N21管也以二極管連接方式連接，N21管和N22管的襯底連接在一起，作為第2級(jí)參考電壓提供電路的第三級(jí)聯(lián)點(diǎn)連接Vss，N21管的源極連接N22管的漏極，N22管的源極作為第2級(jí)參考電壓提供電路的第四級(jí)聯(lián)點(diǎn)連接到N12管的漏極。N22管的漏極或者說共柵N管對(duì)的源漏極相接處為第2級(jí)參考電壓提供電路的級(jí)聯(lián)引出點(diǎn)，提供給第3級(jí)參考電壓提供電路的第四級(jí)聯(lián)點(diǎn)完成級(jí)聯(lián)。同時(shí)，如果需要從第2級(jí)參考電壓提供電路引出參考電壓，則從第2級(jí)參考電壓提供電路共柵N管對(duì)的源漏極相接處引出。
從第3級(jí)參考電壓提供電路開始，往后各級(jí)參考電壓提供電路的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和連接方式，可以參考第2級(jí)參考電壓提供電路的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和連接方式；往后各級(jí)參考電壓提供電路是如何級(jí)聯(lián)到前一級(jí)參考電壓提供電路上，可以參考第2級(jí)參考電壓提供電路是如何級(jí)聯(lián)到第1級(jí)參考電壓提供電路上的。從第3級(jí)開始的往后各級(jí)參考電壓提供電路，其中的供電P型MOSFET管Pk的柵極作為該級(jí)參考電壓提供電路的第一級(jí)聯(lián)點(diǎn)連接到P0管的柵極，源極作為該級(jí)參考電壓提供電路的第二級(jí)聯(lián)點(diǎn)連接到P0管的源極，共柵N管對(duì)中的Nk1管和Nk2管的襯底連接在一起，作為該級(jí)參考電壓提供電路的第三級(jí)聯(lián)點(diǎn)連接Vss，Nk2管的源極作為該級(jí)參考電壓提供電路的第四級(jí)聯(lián)點(diǎn)連接到前一級(jí)參考電壓提供電路共柵N管對(duì)中源漏極相接處。Nk2管的漏極或者說共柵N管對(duì)的源漏極相接處為該級(jí)參考電壓提供電路的級(jí)聯(lián)引出點(diǎn)，提供給后一級(jí)級(jí)參考電壓提供電路的第四級(jí)聯(lián)點(diǎn)完成級(jí)聯(lián)。同時(shí)，如果需要從某一級(jí)參考電壓提供電路引出參考電壓，則從該級(jí)的源漏極相接處引出。從第3級(jí)開始的往后各級(jí)參考電壓提供電路，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和連接方式，以及如何級(jí)聯(lián)到前一級(jí)參考電壓提供電路的具體內(nèi)容，不再詳細(xì)描述。
緊接著說明參考電壓產(chǎn)生電路10是如何提供三個(gè)參考電壓的。參考電壓從第1級(jí)參考電壓提供電路開始逐級(jí)等值升高，直到第m級(jí)為最高。每一級(jí)電壓的升高幅度是一樣的，由于第1級(jí)的電壓非常低，在實(shí)際應(yīng)用中基本不會(huì)使用。三個(gè)參考電壓都是從共柵N管對(duì)中源漏極相接處引出，也即如果在第m級(jí)引出這三個(gè)參考電壓中的其中之一，那就是在Nm1管的源極和Nm2管的漏極連接處引出。不同之處在于，引出三個(gè)參考電壓的參考電壓提供電路中，引出第一參考電壓Vref1的參考電壓提供電路級(jí)數(shù)為最高，引出第二參考電壓Vref2和第三參考電壓Vref3的參考電壓提供電路的級(jí)數(shù)要小于引出第一參考電壓Vref1的參考電壓提供電路級(jí)數(shù)，也即要保證Vref2和Vref3小于Vref1。
相鄰兩級(jí)參考電壓提供電路之間的電壓差是等值的，假設(shè)為ΔV，如果Vref1與Vref3之間相差n級(jí)參考電壓提供電路，那么 (式1) 其中 k為玻爾茲曼常數(shù)； q為一個(gè)電子的電荷量； T為絕對(duì)溫度； S1為上述Nk1管的寬長(zhǎng)比 S2為上述Nk2管的寬長(zhǎng)比。
其中，每一對(duì)共柵N管對(duì)中，兩個(gè)N型MOSFET管寬長(zhǎng)比的比值S1/S2都是相等的。由式1可知，調(diào)節(jié)S1/S1，就會(huì)改變Vref1與Vref3的差值。
參考電壓產(chǎn)生電路10采用從深度線形區(qū)開始的電壓，通過各級(jí)參考電壓提供電路中共柵N管對(duì)這一電路逐級(jí)升高電壓大小，因此本發(fā)明振蕩器具有超低功耗的特點(diǎn)。
圖3示出了本發(fā)明參考電流產(chǎn)生電路示意圖，典型的可以采用不含有電阻的電流鏡結(jié)構(gòu)，節(jié)省版圖面積。在本發(fā)明的其他實(shí)施例當(dāng)中，參考電流產(chǎn)生電路20也可以通過其他現(xiàn)有技術(shù)即可實(shí)現(xiàn)的電路來代替。圖中電源電壓Vdd連接一個(gè)P型MOSFET管的Pb2的源極，以及x個(gè)P型MOSFET管的Pb1<x:0>的源極，其中的x表示的是Pb1和Na2的數(shù)量，根據(jù)具體需要可自行選擇。Pb1<x:0>的柵極和漏極相連，構(gòu)成二極管連接方式，且Pb1<x:0>的柵極還與Pb2管的柵極相連。Pb1<x:0>的漏極連接一個(gè)N型MOSFET管的Na1的漏極，Na1管的柵極接入第一參考電壓Vref1。Pb2管的漏極連接x個(gè)N型MOSFET管的Na2<x:0>的漏極，Na2<x:0>的漏極還與柵極相連，也構(gòu)成二極管連接方式，第三參考電壓Vref3從Pb2管的漏極接入。參考電流Iref從Na1管的漏極引出，Na1管的源極和Na2<x:0>的源極均接Vss。
下式為參考電流Iref與溫度的關(guān)系表達(dá)式 (式2) 其中 μn為負(fù)溫度系數(shù)，由工藝決定； Cox為柵電容； W/L為Na1管的寬長(zhǎng)比； V2＝Vref1-Vref3，為正溫度系數(shù)； m＝1/ab，其中a是Na2的寬長(zhǎng)比比上Na1的寬長(zhǎng)比的比值，b是Pb1的寬長(zhǎng)比比上Pb2的寬長(zhǎng)比的比值。
由式2可以得出，參考電流的溫度系數(shù)可以調(diào)節(jié)，其中負(fù)溫度系數(shù)μn可以通過工藝來調(diào)節(jié)，正溫度系數(shù)V2由參考電壓的級(jí)數(shù)來調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)共柵N管對(duì)中兩個(gè)N型MOSFET管寬長(zhǎng)比的比值S1/S2，就可以調(diào)節(jié)參考電流Iref與溫度的關(guān)系，并且加大比值S1/S2就可以使參考電流加大的速度隨著溫度的升高而更快，反之溫度升高，但參考電流加大速度降低(需要說明的是，參考電流仍然是加大，但是速度會(huì)慢下來)。參考電流Iref的變化會(huì)直接導(dǎo)致鋸齒波產(chǎn)生電路30產(chǎn)生的鋸齒波頻率的變化。
如圖4所示，上述鋸齒波產(chǎn)生電路30包括用于輸出鋸齒波的第一比較器cmp1和用于接受電源電壓Vdd充電的充電電容C1，鋸齒波產(chǎn)生電路30的充電電流由參考電流Iref決定。參考電流Iref輸入到一連接電源電壓Vdd的電流源，該電流源連接一用于電壓翻轉(zhuǎn)時(shí)放電的N型MOSFET管MN1的漏極，MN1管的襯底和源極接地。充電電容C1由MOSFET實(shí)現(xiàn)，接入到電路中的方法也是柵極為一端，源極、漏極和襯底連接在一起為另一端。連接電源電壓Vdd的充電電容C1，另一端通過連接點(diǎn)S同時(shí)連接到MN1的漏極和第一比較器cmp1的同相輸入端。電源電壓經(jīng)充電電容C1后，輸入到第一比較器cmp1的同相輸入端，第一比較器cmp1的反相輸入端接入?yún)⒖茧妷寒a(chǎn)生電路10產(chǎn)生的第一參考電壓Vref1，第一比較器cmp1的輸出端經(jīng)第一緩沖器buffer1，輸入到MOSFET管MN1的柵極。
由于比較器都是低功耗元器件，其轉(zhuǎn)換速度(slew rate)較慢，為了得到較規(guī)則的鋸齒波，通過引入對(duì)電壓變化較敏感的緩沖器來彌補(bǔ)slew rate較慢的缺陷，也即如圖所示的由第一緩沖器buffer1來驅(qū)動(dòng)MN1。
以下結(jié)合鋸齒波產(chǎn)生電路30的工作過程，詳細(xì)說明鋸齒波產(chǎn)生電路30的工作原理。設(shè)S點(diǎn)初始電壓為零，第一比較器cmp1輸出為低電平，MN1關(guān)閉。電源電壓Vdd通過充電電容C1對(duì)S點(diǎn)進(jìn)行充電，充電電流由參考電流Iref決定。當(dāng)S點(diǎn)的電壓達(dá)到第一參考電壓Vref1時(shí)，第一比較器cmp1翻轉(zhuǎn)輸出為高電平，開啟MN1，使得S點(diǎn)迅速放電到電壓為零，第一比較器cmp1再翻轉(zhuǎn)輸出為低電平，從而關(guān)閉MN1，形成一個(gè)鋸齒波并經(jīng)S點(diǎn)輸出。S點(diǎn)電壓為零后，再次由電源電壓Vdd對(duì)其進(jìn)行充電，重復(fù)上述充放電過程，據(jù)此形成連續(xù)的鋸齒波OUT1輸出。鋸齒波OUT1的峰值為第一參考電壓Vref1。
鋸齒波的周期由第一參考電壓Vref1，充電電容C1和參考電流Iref的值決定。具體的，由電學(xué)基本原理可知 C＝Q/U(式3) 其中 C為充電電容C1的電容值； Q為充電電容C1上積聚的電荷； U為充電電容C1上的電壓值，此處為第一參考電壓Vref1的值。
再因?yàn)槌潆婋娙軨1上積聚的電荷Q等于充電電流與充電時(shí)間的乘積，結(jié)合式3可得 T＝C*U/I(式4) 其中 T為鋸齒波產(chǎn)生電路30所產(chǎn)生的鋸齒波的周期； I為所述參考電流Iref的值，此處為PTAT電流值。
由式4可以得出，隨著溫度的升高，PTAT電流值就會(huì)增大，在充電電容C1的電容值及第一參考電壓Vref1值保持不變的情況下，與PTAT電流值成反比的鋸齒波周期就會(huì)變小，因此本發(fā)明振蕩器的頻率隨溫度的變化可以調(diào)整。
由于充電電容C1由MOSFET實(shí)現(xiàn)，而且充電電容C1和第一參考電壓Vref1的值是不隨工藝和電源電壓Vdd變化的，再加上參考電流Iref是PTAT電流，所以鋸齒波的周期隨溫度升高而加快。
如圖5所示，上述方波產(chǎn)生電路40包括第二比較器cmp2和第二緩沖器buffer2。第二比較器cmp2的同相輸入端接入鋸齒波產(chǎn)生電路30輸出的鋸齒波OUT1，第二比較器cmp2的反相輸入端接入?yún)⒖茧妷寒a(chǎn)生電路10產(chǎn)生的第二參考電壓Vref2，第二參考電壓Vref2的值為第一參考電壓Vref1的一半，這是根據(jù)方波的占空比為50％而決定的。如果輸出的波形是其他占空比，則根據(jù)占空比的具體數(shù)值，來確定第二參考電壓Vref2與第一參考電壓Vref1的比例關(guān)系。第二比較器cmp2在鋸齒波OUT1和第二參考電壓Vref2的作用下，輸出與鋸齒波OUT1同頻率的方波OUT2。方波OUT2經(jīng)第二緩沖器buffer2的作用，作為時(shí)鐘信號(hào)clk輸出。引入第二緩沖器buffer2的原因，同前述鋸齒波產(chǎn)生電路30中第一緩沖器buffer1所起作用相同，用以驅(qū)動(dòng)后繼電路。
本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了一種頻率可調(diào)，與電源電壓和工藝無關(guān)的振蕩器，減小了振蕩器的靜態(tài)電流，使得振蕩器的功耗很?。煌瑫r(shí)本發(fā)明振蕩器不包含電阻僅用幾十個(gè)MOSFET實(shí)現(xiàn)，使得布線簡(jiǎn)單，版圖面積小。本發(fā)明典型地可以作為隨機(jī)存取存儲(chǔ)器電路刷新時(shí)鐘發(fā)生器應(yīng)用。隨機(jī)存儲(chǔ)器的漏電會(huì)隨著溫度的升高而加快，需要以更高的頻率來刷新，補(bǔ)償電荷損失，因此本發(fā)明振蕩器就能作為隨機(jī)存取存儲(chǔ)器電路刷新時(shí)鐘發(fā)生器應(yīng)用，同時(shí)本發(fā)明振蕩器的功耗小，減小了隨機(jī)存儲(chǔ)器的靜態(tài)電流。另外本發(fā)明振蕩器的晶體管數(shù)量少，減小了芯片面積。
雖然本發(fā)明所揭露的實(shí)施方式如上，但所述的內(nèi)容只是為了便于理解本發(fā)明而采用的實(shí)施方式，并非用以限定本發(fā)明。任何本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明所揭露的精神和范圍的前提下，可以在實(shí)施的形式上及細(xì)節(jié)上作任何的修改與變化，但本發(fā)明的專利保護(hù)范圍，仍須以所附的權(quán)利要求書所界定的范圍為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1、一種振蕩器，其特征在于，包括
參考電壓產(chǎn)生電路，連接電源電壓和地，輸出第一參考電壓、第二參考電壓和第三參考電壓，所述第一參考電壓大于所述第二參考電壓和第三參考電壓；
參考電流產(chǎn)生電路，與所述參考電壓產(chǎn)生電路相連，在所述第一參考電壓和第三參考電壓作用下，產(chǎn)生正比于絕對(duì)溫度的參考電流；
振蕩信號(hào)產(chǎn)生電路，與所述參考電壓產(chǎn)生電路和參考電流產(chǎn)生電路相連，在所述參考電流、第一參考電壓和第二參考電壓作用下，產(chǎn)生振蕩信號(hào)。
2、如權(quán)利要求1所述的振蕩器，其特征在于
所述參考電壓產(chǎn)生電路，包括基礎(chǔ)電路和若干級(jí)參考電壓提供電路，其中
所述基礎(chǔ)電路連接電源電壓和地，輸出偏置電壓；
各級(jí)參考電壓提供電路均連接電源電壓和地，依次級(jí)聯(lián)后在所述偏置電壓的作用下提供逐級(jí)升高的參考電壓，相鄰兩級(jí)參考電壓提供電路的電壓差可調(diào)。
3、如權(quán)利要求2所述的振蕩器，其特征在于
所述基礎(chǔ)電路，包括漏極相連的P型MOSFET管P0和N型MOSFET管N0；
P0管的源極接電源電壓，柵極和漏極連接在一起，引出所述偏置電壓；
N0管的襯底接地，柵極和源極提供給參考電壓提供電路的級(jí)聯(lián)。
4、如權(quán)利要求3所述的振蕩器，其特征在于
各級(jí)參考電壓提供電路均包括一個(gè)供電P型MOSFET管和由兩個(gè)共柵連接的N型MOSFET管組成的共柵N管對(duì)，供電P型MOSFET管Pk管所屬參考電壓提供單元中
Pk管的柵極為第一級(jí)聯(lián)點(diǎn)，連接P0管的柵極；
Pk管的源極為第二級(jí)聯(lián)點(diǎn)，連接電源電壓；
組成所述共柵N管對(duì)的Nk1管和Nk2管，襯底連接在一起為第三級(jí)聯(lián)點(diǎn)，接地；
Nk1管的漏極連接Pk管的漏極；
Nk2管的漏極為參考電壓引出點(diǎn)和級(jí)聯(lián)引出點(diǎn)；
Nk2管的源極為第四級(jí)聯(lián)點(diǎn)，第1級(jí)參考電壓提供單元的第四級(jí)聯(lián)點(diǎn)接N0管的源極，往后各級(jí)參考電壓提供電路的第四級(jí)聯(lián)點(diǎn)接前一級(jí)的級(jí)聯(lián)引出點(diǎn)。
5、如權(quán)利要求4所述的振蕩器，其特征在于
所述相鄰兩級(jí)參考電壓提供電路的電壓差，通過改變所述各級(jí)參考電壓提供電路中Nk1管和Nk2管的寬長(zhǎng)比的比值來調(diào)節(jié)。
6、如權(quán)利要求1所述的振蕩器，其特征在于
所述參考電壓產(chǎn)生電路產(chǎn)生的參考電壓，進(jìn)一步各通過一濾波電容，輸出給所述參考電流產(chǎn)生電路和振蕩信號(hào)產(chǎn)生電路。
7、如權(quán)利要求6所述的振蕩器，其特征在于
所述濾波電容由MOSFET管實(shí)現(xiàn)，MOSFET管的柵極為所述濾波電容的一端，源極、漏極和襯底連接在一起為所述濾波電容的另一端。
8、如權(quán)利要求1所述的振蕩器，其特征在于
參考電流產(chǎn)生電路，包括電流鏡。
9、如權(quán)利要求1所述的振蕩器，其特征在于
所述振蕩信號(hào)產(chǎn)生電路包括鋸齒波產(chǎn)生電路和方波產(chǎn)生電路，其中
鋸齒波產(chǎn)生電路，與所述參考電壓產(chǎn)生電路和參考電流產(chǎn)生電路相連，在所述第一參考電壓、參考電流和電源電壓作用下，產(chǎn)生鋸齒波；
方波產(chǎn)生電路，與所述參考電壓產(chǎn)生電路和鋸齒波產(chǎn)生電路相連，在所述第二參考電壓作用下，產(chǎn)生與所述鋸齒波同頻率的方波。
10、如權(quán)利要求9所述的振蕩器，其特征在于
所述鋸齒波產(chǎn)生電路包括電流源、比較器、充電電容、N型MOSFET管MN1和緩沖器，其中
所述參考電流輸入到連接電源電壓的所述電流源，所述電流源還連接MN1管的漏極；MN1管的源極接地；充電電容一端連接電源電壓，另一端通過連接點(diǎn)S同時(shí)連接MN1管的漏極和所述比較器的同相輸入端；所述比較器的反相輸入端輸入所述第一參考電壓，輸出端經(jīng)所述緩沖器連接MN1管的柵極；
所述比較器輸出為低電平時(shí)MN1關(guān)閉，在參考電流作用下所述電源電壓通過所述充電電容對(duì)S點(diǎn)充電；S點(diǎn)電壓達(dá)到所述第一參考電壓時(shí)，所述比較器翻轉(zhuǎn)輸出為高電平，開啟MN1，S點(diǎn)迅速放電到電壓為零，所述比較器再翻轉(zhuǎn)輸出為低電平，關(guān)閉MN1，形成一個(gè)鋸齒波并經(jīng)S點(diǎn)輸出。
11、如權(quán)利要求10所述的振蕩器，其特征在于
所述充電電容由MOSFET管實(shí)現(xiàn)，MOSFET管的柵極為所述充電電容的一端，源極、漏極和襯底連接在一起為所述充電電容的另一端。
12、如權(quán)利要求9所述的振蕩器，其特征在于
所述方波產(chǎn)生電路包括比較器和緩沖器，所述比較器的同相輸入端接入所述鋸齒波，反相輸入端接入所述第二參考電壓，輸出端連接所述緩沖器；在所述鋸齒波和第二參考電壓作用下，所述比較器的輸出端經(jīng)所述緩沖器，產(chǎn)生與所述鋸齒波同頻率的方波。
13、一種參考電壓產(chǎn)生電路，其特征在于，包括基礎(chǔ)電路和若干級(jí)參考電壓提供電路，其中
所述參考電壓產(chǎn)生電路，包括基礎(chǔ)電路和若干級(jí)參考電壓提供電路，其中
所述基礎(chǔ)電路連接電源電壓和地，輸出偏置電壓；
各級(jí)參考電壓提供電路均連接電源電壓和地，依次級(jí)聯(lián)后在所述偏置電壓的作用下提供逐級(jí)升高的參考電壓，相鄰兩級(jí)參考電壓提供電路的電壓差可調(diào)。
14、如權(quán)利要求13所述的參考電壓產(chǎn)生電路，其特征在于
所述基礎(chǔ)電路，包括漏極相連的P型MOSFET管P0和N型MOSFET管N0；
P0管的源極接電源電壓，柵極和漏極連接在一起，引出所述偏置電壓；
N0管的襯底接地，柵極和源極提供給參考電壓提供電路的級(jí)聯(lián)。
15、如權(quán)利要求13所述的參考電壓產(chǎn)生電路，其特征在于
各級(jí)參考電壓提供電路均包括一個(gè)供電P型MOSFET管和由兩個(gè)共柵連接的N型MOSFET管組成的共柵N管對(duì)，供電P型MOSFET管Pk管所屬參考電壓提供單元中
Pk管的柵極為第一級(jí)聯(lián)點(diǎn)，連接P0管的柵極；
Pk管的源極為第二級(jí)聯(lián)點(diǎn)，連接電源電壓；
組成所述共柵N管對(duì)的Nk1管和Nk2管，襯底連接在一起為第三級(jí)聯(lián)點(diǎn)，接地；
Nk1管的漏極連接Pk管的漏極；
Nk2管的漏極為參考電壓引出點(diǎn)和級(jí)聯(lián)引出點(diǎn)；
Nk2管的源極為第四級(jí)聯(lián)點(diǎn)，第1級(jí)參考電壓提供單元的第四級(jí)聯(lián)點(diǎn)接N0管的源極，往后各級(jí)參考電壓提供電路的第四級(jí)聯(lián)點(diǎn)接前一級(jí)的級(jí)聯(lián)引出點(diǎn)。
16、如權(quán)利要求15所述的參考電壓產(chǎn)生電路，其特征在于
所述相鄰兩級(jí)參考電壓提供電路的電壓差，通過改變所述各級(jí)參考電壓提供電路中Nk1管和Nk2管的寬長(zhǎng)比的比值來調(diào)節(jié)。
17、如權(quán)利要求13至16中任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的參考電壓產(chǎn)生電路，其特征在于
所述參考電壓產(chǎn)生電路進(jìn)一步包括若干個(gè)濾波電容，所述參考電壓經(jīng)所述濾波電容濾波后輸出。
18、如權(quán)利要求17所述的參考電壓產(chǎn)生電路，其特征在于
所述濾波電容由MOSFET管實(shí)現(xiàn)，MOSFET管的柵極為所述濾波電容的一端，源極、漏極和襯底連接在一起為所述濾波電容的另一端。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種振蕩器，其輸出信號(hào)的頻率隨溫度可調(diào)，該振蕩器包括連接電源電壓和地的參考電壓產(chǎn)生電路，輸出第一、第二和第三參考電壓，第一參考電壓大于第二、第三參考電壓；與參考電壓產(chǎn)生電路相連的參考電流產(chǎn)生電路，在第一、第三參考電壓作用下，產(chǎn)生正比于絕對(duì)溫度的參考電流；以及與參考電壓產(chǎn)生電路和參考電流產(chǎn)生電路相連的振蕩信號(hào)產(chǎn)生電路，在參考電流，第一、第二參考電壓作用下，產(chǎn)生振蕩信號(hào)。本發(fā)明振蕩器整個(gè)電路沒有使用電阻，輸出信號(hào)的頻率可跟隨溫度的變化而調(diào)節(jié)。
文檔編號(hào)H03K4/502GK101237226SQ20081005790
公開日2008年8月6日 申請(qǐng)日期2008年2月20日 優(yōu)先權(quán)日2008年2月20日
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