專利名稱：利用四層二極管的cmos等價物以減小復雜性的張弛振蕩器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及張弛振蕩器，更具體地，涉及互補金屬氧化物半導體(CMOS)集成電路，用于實行減小復雜性的電流控制振蕩器。這樣的電流控制振蕩器的一個應用是把由微音器檢測的音頻信號變換成調頻信號，用于通過射頻發(fā)射機發(fā)射。
背景技術：
和概要張弛振蕩器是其中一個或多個電壓或電流在每個周期期間至少突然變化一次的振蕩器。振蕩器電路被做成在每個周期期間能量被存儲到電抗元件例如電容或電感，然后再從電抗元件放電。充電和放電過程占用不同的時間間隔。這樣的張弛振蕩器具有的波形不是正弦波形，而是非對稱波形，例如鋸齒形波形。通常的張弛振蕩器類型包括多諧振蕩器和單結型晶體管振蕩器。
最老的張弛振蕩器之一使用

圖1所示的氖泡。電源10的電流流過電阻14，給電容18充電。當電容18達到氖泡16的起火電壓Vs時，氖泡突然開始導通，在這個過程中使電容18放電。當電容放電到氖泡16的保持電壓Vh時，氖泡16停止導通。結果，電容18重新開始充電。最后的結果是在Vs和Vh之間振蕩的鋸齒型波形。
基于雙結型晶體管的張弛振蕩器可通過使用雙結型晶體管而不是氖泡被構成。PNP雙結型晶體管20可與NPN雙結型晶體管22“背靠背”地連接。更具體地，晶體管20的基極被連接到晶體管22的集電極，及晶體管22的基極被連接到晶體管20的集電極。優(yōu)選地，這些晶體管20和22之一的集電極到基極的結具有嚴格定義的反向擊穿電壓，例如，由齊納(Zener)二極管所呈現(xiàn)的。在齊納擊穿電壓以下，集電極到基極的結是反向偏置的，所以并不導通。在齊納擊穿電壓以上，集電極到基極的結是正向偏置的，并支持相對較高的電流。然而，齊納二極管單獨不能產(chǎn)生張弛振蕩，因為它不呈現(xiàn)滯后。
無論如何，圖2的電路確實呈現(xiàn)某種滯后。在PNP晶體管的集電極--基極結上的電壓可以由本質的齊納二極管24來代表。當該集電極-基極結電壓小于正向偏置電壓時，晶體管20基本上不導通只呈現(xiàn)從PNP晶體管20的集電極到NPN晶體管22的基極的很小的泄漏電流。同樣地，NPN晶體管22只流過到很小的集電極泄漏電流。在低電流下，晶體管20和22的增益小于1，這樣泄漏電流并不被放大?；旧?，晶體管可被看作為非常高的阻抗，例如，幾乎不導電。當晶體管上的電壓V隨著電容18從電源12通過電阻14充電而增加時，泄漏電流在齊納或擊穿電壓達到時相當急劇地增加。在這樣的較高的電流下，晶體管增益大于1。因此，流入晶體管20基極的晶體管22的集電極電流被放大，由此，增加了晶體管20的驅動，導致集電極電流大于晶體管22的集電極電流。更大的集電極電流流入晶體管22基極，并且又被放大，最終更多地驅動晶體管22。那些增加的電流基本上像“滾雪球”，這樣，相當大的電流流過晶體管，使電容12快速地放電。這個電流通過開動齊納擊穿而起始，并在放電期間通過電流放大而被保持，它們一起造成很大的滯后。
當電容12被充分放電(即，V值降低)，到達這一點時，這時流過晶體管20和22的電流回到它們各自的增益小于1的電平，滾雪球效應停止。晶體管回到幾乎不導通，低泄漏電流狀態(tài)允許電容18再充電。充電、放電、和再充電的循環(huán)產(chǎn)生振蕩電壓輸出V。
圖3顯示了PNP雙結型晶體管和NPN雙結型晶體管當每個晶體管的集電極被連接到另一個晶體管的基極以形成四層PNPN二極管時是如何被合并。這樣的四層結構常常是在制做CMOS集成電路時偶而地形成的，并被認為是不想要的，因為它們導致所謂的“基片封鎖”問題。結果，在CMOS制造過程中常常采取步驟，來避免偶而的四層二極管的形成。與這樣的四層器件有關的另一個重大的問題是控制其特性的困難。換句話說，四層二極管導通的擊穿電壓很大地依賴于獨立的難以控制的變量，例如溫度和難以一致性地產(chǎn)生的半導體材料的摻雜含量。所以，很難預料和控制使用這類PNPN二極管結構的振蕩器的輸出特性。
因此，本發(fā)明的一個目的是提供四層PNPN二極管器件的一個等價物，它可容易地以CMOS型結構被控制。具體地，本發(fā)明的目的是構建這樣的能用作為簡單的電流控制振蕩器的器件。
本發(fā)明提供減少復雜性的電子振蕩器，它也適用于構建在硅集成電路上。運行在增強模式的P溝道場效應晶體管(FET)包括源極、漏極、和柵極。運行在增強模式的N溝道場效應晶體管(FET)被連接到在互補金屬氧化物半導體(CMOS)電路以互補方式的P溝道場效應晶體管(FET)。更具體地，P溝道FET的漏極被連接到N溝道FET的柵極，以及N溝道FET的漏極被連接到P溝道FET的柵極。第一電容被跨接在P溝道和N溝道FET，這樣，電容器響應于由電流源產(chǎn)生的電流被重復地通過CMOS電路充電與放電。
由電流源產(chǎn)生的電流把電容器充電到起火電壓，這時，P溝道和N溝道FET導通電流，使電容器放電到保持電壓，這時，P溝道和N溝道FET停止導通電流。實質上，由電流源產(chǎn)生的電流控制了振蕩器產(chǎn)生的輸出信號的頻率。
一個電阻被連接在P溝道和N溝道FET的漏極之間。第二電容被連接在P溝道和N溝道FET的漏極之間，與該電阻并聯(lián)。電阻提供了在兩個FET的柵極和漏極之間的電壓降，這樣，門限電壓足以使得當電容被充電到起火電壓時互補的FET導通。相反地，電阻確保，當振蕩器輸出電壓超過其保持值時，被加到兩個晶體管的柵極的電壓小于它們各自的導通電壓。并聯(lián)的電容保持了在FET的導通和不導通之間的平滑過渡。
按照本發(fā)明的電流控制張弛振蕩器包括互補金屬氧化物半導體(CMOS)在功能上等效于具有三個P-N結的四層結型二極管。CMOS電路被連接到電壓源的正端和負端以及存儲電容器。電流源被連接到電壓源的負端和地。由電流源產(chǎn)生的電流對電容進行充電和放電，以控制取決于電流源電流的頻率，這樣，振蕩器的輸出電壓以控制的頻率在起火電壓之間振蕩。結果，本發(fā)明提供了適合于低成本的現(xiàn)實世界應用的容易制造和控制的四層結型二極管。
本發(fā)明的一個應用是無線通信。無線電包括用于檢測聲音信號的微音器、連接到微音器的減小復雜性的電流控制振蕩器，用于產(chǎn)生代表聲音信號的振蕩器輸出信號、以及射頻發(fā)射機，用于根據(jù)振蕩器輸出信號通過天線發(fā)射射頻信號。數(shù)字調頻鑒頻器，可被連接到振蕩器，用于產(chǎn)生振蕩器輸出信號的瞬時頻率的數(shù)字代表物樣本，這樣，提供了用于數(shù)字化音頻信號的簡單的技術。
附圖概述圖1是使用氖泡的張弛振蕩器電路；圖2是使用背靠背連接的雙極結型晶體管的張弛振蕩器電路；圖3顯示了在半導體工藝上NPN和PNP結型晶體管如何合并來形成四層PNPN二極管；圖4是按照本發(fā)明的使用工作在增強模式的CMOS場效應晶體管的張弛振蕩器電路；圖5是說明放電電壓和保持電壓的圖，而圖4所示的張弛振蕩器電路的輸出信號在這兩個電壓之間振蕩；圖6是作為本發(fā)明的示例性應用的、在圖4所示的電路中采用的射頻發(fā)射機的圖；以及圖7是按照本發(fā)明的使用工作在增強模式的CMOS場效應晶體管的張弛振蕩器電路的另一個替換例；優(yōu)選實施例詳細描述在以下的說明中，為了解釋而不是限制，描述了具體細節(jié)，例如具體電路、電路元件等，以便提供對本發(fā)明的透徹的了解。然而，本領域技術人員將會看到，本發(fā)明可以在其它實施例中以及以其它方式被實施，而不背離這些特定的說明性的細節(jié)。在其它情況下，對熟知方法、器件和電路的詳細說明被省略，以免得用不必要的細節(jié)來妨礙對本發(fā)明的描述。雖然本發(fā)明是參照張弛振蕩器電路來描述的，但應當明白，本發(fā)明并不被限制于這種具體應用。
圖4顯示了利用按照本發(fā)明的以功能塊25表示的四層二極管的CMOS等價物的振蕩器電路。電壓(Vcc)源12被連接到電容18，和CMOS四層二極管25，并在節(jié)點36通過電流源連接到地。在節(jié)點34處的電壓V取決于CMOS四層二極管的狀態(tài)。
在功能塊25中的CMOS四層二極管等效電路包括被連接到N型增強型場效應晶體管(FET)28的P型增強型場效應晶體管(FET)28。晶體管26的源極被連接到電容的一個端頭和到電壓源12。晶體管26的漏極被連接到晶體管28的柵極，及晶體管26的柵極被連接到晶體管28的漏極。晶體管28的源極被連接到也是電容18的另一端頭的節(jié)點34。電阻30被連接在晶體管26和28的柵極/漏極之間，并規(guī)定節(jié)點電壓V1和V2。可任選的電容32也可被連接到晶體管26和28的柵極/漏極之間，與電阻30并聯(lián)。電阻30是由CMOS電路25藉以提供電路25的振蕩條件的機構。從功能上來說，電阻30上的電壓降提供節(jié)點電壓V1和V2，其數(shù)值決定FET26和28是否導通。更具體地，電阻30確保FET26和28或者都導通或者都不導通。
電阻30的數(shù)值“R”相對于來自電流源36的電流I的最大值而被選擇，以使得，當兩個晶體管都假定為充分導通時，電壓降IR并不提供足夠的柵-漏偏置來保持晶體管26和28處在導通狀態(tài)。這樣，電路并不呈現(xiàn)電流I流過晶體管26和28以及電阻30的靜止穩(wěn)定狀態(tài)。另一方面，電路可呈現(xiàn)過渡狀態(tài)，其中大于I的電流流過晶體管26和28以及電阻30，額外的電流從電容18臨時取出，因而把電容放電。這個較高的電流造成在電阻30的IR壓降，它使晶體管足夠地偏置，以保持導通，至少直到電容18被放電然后沒有額外電流可提供為止。在這時，電流可以是不大于電流源36所提供的電流，通過如上面所解釋的適當?shù)剡x擇R，晶體管不能保持導通。這樣，晶體管26和28停止導通，現(xiàn)在電流源電流I必須流入電容18，開始再充電周期。
當電容18再充電，使得(Vcc-V)，即這對晶體管上的電壓，大于它們柵極門限電壓的和值時，晶體管導通以及放電周期重新開始。充放電循環(huán)的重復頻率由電流源電流幅度、電容18的數(shù)值，以及晶體管26和28的門限電壓決定。由元件16、18、與30組成的兩端口電路25呈現(xiàn)了“起火電壓”和“保持電流”，在“起火電壓”時導電性突然增加，而在低于“保持電流”時導電性突然降低，這樣就模擬了4-層二極管特性。在下面給出了電路工作的更詳細的描述。
只要沒有電流流過電阻30，晶體管26和28的柵極/漏極處在同樣的電位，即V1=V2。如果FET晶體管26和28的柵-源電壓低于它們各自的門限電壓，則FET晶體管只通過很小的泄漏電流。為區(qū)分P-型和N-型器件的門限電壓，P-型FET 26的門限電壓以Vp表示，及N-型FET 28的門限電壓以Vn表示。只要P-型FET的源-柵結上的電壓小于其門限電壓VP，則晶體管26將不導通。同樣地，只要N-型FET的柵-源結上的電壓小于其門限電壓Vn，則晶體管28將不導通。
從數(shù)學上描述，如果Vcc-V2＜Vp(1)，則晶體管26不導通，只要V1-V＜Vn(2)，則晶體管28不導通。由于當晶體管不導通時，電流基本上是零，所以V1=V2。結果，這些方程(1)和(2)可被組合以產(chǎn)生不等式Vcc-V＜Vp+Vn(3)這規(guī)定了電路25的不導通的條件。然而，如果Vcc-V＞Vp+Vn(4)，則晶體管26和28導通，電流流過晶體管26的漏極、電阻30、和晶體管28的漏極，并到達其源極。當Vcc-V＞Vp+Vn時，電壓V1和V2不能找到滿足不等式Vcc-V2＜Vp或V1-V＜Vn的設置點。相反地，這些節(jié)點電壓V1和V2只被設置在Vcc-V2＞Vp和V1-V＞Vn是正確的情況下，這樣，允許電流自由地流過CMOS電路25。
由電流流過晶體管26和28而產(chǎn)生的在電阻30上的電壓使電壓V1增加，由此增加了差值V1-V，它具有把更大的柵極電壓加到晶體管28以便更大的電流導通通過晶體管28的效果。較小的V2增加了加到晶體管26的柵極的電壓差值Vcc-V2，造成1晶體管26更自由地導通。結果是“滾雪球效應”。當晶體管26和28更自由地導通時，更大的電流流過電阻30，這甚至引起更大的電流流過晶體管。在理想情況下，節(jié)點電壓V1變成為等于Vcc，節(jié)點電壓V2變成為等于電壓V，流過電阻30的晶體管電流是(Vcc-V)/R30。通過選擇電阻30的數(shù)值以使得流過晶體管的電流大于由電流源36產(chǎn)生的電流I，電容18被放電。
當兩個晶體管26和28之間的電壓(Vcc-V)降低到小于Vp或Vn時，晶體管26或28之一停止導通，因為其柵極一源極電壓然后小于為導通所必須的門限電壓。因此，流過電阻30的電流減小造成電壓V1減小和V2增加，這還減小了晶體管26和28的柵極-源極電壓。最終結果是流過晶體管突然停止導通，這允許電容18繼續(xù)被來自電流源36的控制電流被充電。
如圖5所示，電壓V呈現(xiàn)在起火電壓(Vcc-2VT)與熄滅電壓(Vcc-VT)之間的張弛振蕩，其中2VT是p型和n型門限電壓的總和，以及VT是p型的或n型的門限電壓。這提供了對于振蕩所需要的滯后。振蕩頻率是被控制電流I重新對電容18的充電的速度控制的。實質上，控制電流的改變調制了振蕩頻率，這樣，振蕩器電路的輸出是在節(jié)點34處的調頻信號。來自電流源36的控制電流越大，則電容18重新充電越快，所以，振蕩器輸出的頻率越高。替換地，較低的I值意味著，電容充電較慢，及振蕩器輸出信號具有較低的頻率。對振蕩器的這樣的電流控制作出簡單但有效的頻率調制器。
按照本發(fā)明的張弛振蕩器除了以上所述的優(yōu)點以外，振蕩器所需要的硅面積是很小的。而且，振蕩器只需要一個定時電容，并且它也可以非常低的電流，例如100μA進行工作。
可任選的電容32優(yōu)選地被包括來幫助保持電路25從不導通到導通的平滑過渡；否則，該過渡將由噪聲確定。具體地，如果晶體管26突然由于噪聲而試圖開始導通，則使電壓V1向Vcc增加，以及電容32確保晶體管26的柵極也立即向同一個方向移動，由此抵消了晶體管26導通的傾向。以同樣方式，電容32也阻止晶體管28的不成熟的導通。實質上，電容32起到對于由每個晶體管中的獨立的噪聲引起的瞬時變化的負反饋的作用，并確保導通發(fā)生(由于晶體管門限電壓超過)不僅僅一瞬間。
圖6顯示了圖4所示的振蕩器10的一個示例性應用。圖6說明了無線電40的發(fā)射部分。電流控制源是有源微音器36’，它包括連接到源極開路FET預放大器44的壓電微音器換能器41。大的電阻42確保了預放大器44的大的輸入阻抗。有源微音器36’被連接到振蕩器10，振蕩器10的輸出被饋送到數(shù)字鑒頻器電路46，它產(chǎn)生振蕩器瞬時頻率的采樣的數(shù)字代表物，因而是微音器信號的數(shù)字代表物。也可從鑒頻器提供AFC反饋，來把平均振蕩頻率保持在想要的范圍內。數(shù)字輸出然后可被發(fā)送到傳統(tǒng)的數(shù)字無線電發(fā)射機48，例如數(shù)字無線電(例如數(shù)字蜂窩電話)，用于通過天線50發(fā)送。
圖4的電路用連接在FET 28的源極與電源負極(地)之間的電流源36來說明。它也可用連接在FET 26的源極與電源正端(Vcc)之間的電流源36來被構建，在這種情況下電容18和FET 28源極會被連接到地，如圖7所示。當CMOS過程最好能夠制造帶有一個接地端的電容時，圖7的結構可能是優(yōu)選的，而當一個電容優(yōu)選地被連接到Vcc時，圖4的結構可能被使用。因而，本發(fā)明適用于在不同CMOS過程中有效的和靈活的制造。
本發(fā)明的另一個優(yōu)點是，振蕩器可以通過把電流源I(I是平均電流消耗)減小到所希望的低的值而使用非常少的功率來工作在低的頻率。低電流、低頻率振蕩器在許多應用中是有用的，例如在無線電話和尋呼機中規(guī)定等待周期，以延長電池壽命。當達到最終計數(shù)時，振蕩器驅動計數(shù)鏈被編程來給無線電話或尋呼機接收電路通電，包括更精確的晶體振蕩器。當通電間隔期間，本發(fā)明中的振蕩器頻率通過使用更精確的晶體振蕩器作為參考，和最終計數(shù)值被調整來提供對于下一個通電間隔的已知的延時而被精確測量。這樣，全集成振蕩器的頻率的生產(chǎn)公差或其它不確定性可被“自校正”。
雖然已結合現(xiàn)在被認為是最實際的與優(yōu)選的實施例描述了本發(fā)明，但應當明白，本發(fā)明并不是要被限制到所揭示的實施例，而是相反，打算覆蓋被包括在所附屬權利要求的精神和范圍內的各種不同修正和等價的安排。
權利要求
1．電振蕩器，包括工作在增強模式下的P-溝道場效應晶體管(FET)，包括源極、漏極、和柵極；工作在增強模式下的N-溝道場效應晶體管(FET)，包括源極、漏極、和柵極，其中P-溝道FET的漏極被連接到N-溝道FET的柵極，及N-溝道FET的漏極被連接到P-溝道FET的柵極；連接在P-溝道和N-溝道FET的漏極之間的阻抗；連接在P-溝道和N-溝道FET的漏極之間的第一電容；以及被連接來對電容充電的電流源。
2．權利要求1的振蕩器，其特征在于，其中由電流源產(chǎn)生的電流把電容器充電到起火電壓，這時，P溝道和N溝道FET導通電流，使電容器放電到保持電壓，這時，P溝道和N溝道FET停止導通電流。
3．權利要求1的振蕩器，其特征在于，其中由電流源產(chǎn)生的電流控制由振蕩器產(chǎn)生的輸出信號的頻率。
4．權利要求1的振蕩器，其特征在于，其中振蕩器被構建在硅集成電路上。
5．權利要求1的振蕩器，其特征在于，其中阻抗包括與在P-溝道和N-溝道FET的漏極之間的第二電容并聯(lián)的電阻。
6．權利要求1的振蕩器，其特征在于，還包括電壓源，在一端與第一電容以及和電流源相串聯(lián)到地的P-溝道和N-溝道FET相連接，在另一端連接到地。
7．權利要求1的振蕩器，其特征在于，其中電流源相應于由微音器檢測的聲音信號，以及振蕩器輸出信號按照所檢測的聲音信號被調頻。
8．用于在射頻頻道上進行通信的無線電，包括微音器，用于檢測聲音信號和產(chǎn)生相應的電流；減小復雜性的電流控制振蕩器，根據(jù)電流用于產(chǎn)生代表聲音信號的振蕩器輸出信號；以及發(fā)射機，用于通過天線發(fā)射根據(jù)振蕩器輸出信號的射頻輸出信號，其中振蕩器包括互補金屬氧化物半導體(CMOS)電路，工作在增強模式下的P-溝道場效應晶體管(FET)被連接到工作在增強模式下的N-溝道場效應晶體管(FET)，這樣，P-溝道FET的漏極被連接到N-溝道FET的柵極，和到N-溝道FET的漏極被連接到P-溝道FET的柵極，以及第一電容，連接P-溝道和N-溝道FET，以使得振蕩器根據(jù)所檢測的聲音信號通過CMOS電路重復地充電和放電。
9．權利要求8的無線電，其特征在于，還包括連接到振蕩器的數(shù)字調頻鑒頻器，用于產(chǎn)生振蕩器輸出信號的瞬時頻率的采樣的數(shù)字代表物，由此產(chǎn)生聲音信號的采樣的數(shù)字代表物。
10．權利要求8的無線電，其特征在于，還包括連接在P-溝道和N-溝道FET的漏極之間的電阻。
11．權利要求10的無線電，其特征在于，還包括連接在P-溝道和N-溝道FET的漏極之間的與電阻并聯(lián)的第二電容。
12．電流控制張弛振蕩器，包括電壓源，具有正端和負端；互補金屬氧化物半導體(CMOS)電路，具有一對端子和在所述端子上的并聯(lián)電容；以及電流源，具有一對可以流出被控制的電流的端子；其中電壓源、CMOS電路、以及電流源被串聯(lián)連接成一個環(huán)路，這樣，流過電流源的電流根據(jù)被控制的電流源電流對于在被控制端的并聯(lián)電容進行充電和放電，以使得振蕩器的電壓輸出以被控制的頻率在起火電壓和熄滅電壓之間振蕩。
13．權利要求12的張弛振蕩器，其特征在于，其中起火和保持振蕩器的電壓由對于被包括在CMOS電路中的互補MOS晶體管導通所需要的門限電壓條件來確定。
14．權利要求12的張弛振蕩器，其特征在于，其中CMOS電路包括工作在增強模式下的P-溝道場效應晶體管(FET)，包括源極、漏極、和柵極；工作在增強模式下的N-溝道場效應晶體管(FET)，包括源極、漏極、和柵極，其中P-溝道FET的漏極被連接到N-溝道FET的柵極，和N-溝道FET的漏極被連接到P-溝道FET的柵極；以及連接在P-溝道和N-溝道FET的漏極之間的電阻，用于控制流過P-溝道和N-溝道FET的電流。
全文摘要
描述了減少復雜性的張弛振蕩器,它可被構建為硅集成電路的一部分。電流控制振蕩器包括工作在增強模式下的互補場效應晶體管。FET的漏極被連接到另一個FET的柵極,反之亦然。最終得到的CMOS電路起到四層二極管的作用。一個電阻被連接在兩個晶體管的漏極之間。一個存儲電容被連接在兩個晶體管的源極之間。電流源被連接來充電存儲電容,以使得振蕩器輸出信號的頻率被由電流源產(chǎn)生的電流確定。
文檔編號H03K3/354GK1223033SQ97195754
公開日1999年7月14日 申請日期1997年6月23日 優(yōu)先權日1997年6月23日
發(fā)明者P·W·登特 申請人:艾利森公司