一種環(huán)形振蕩器電路的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實(shí)用新型設(shè)及一種時(shí)鐘振蕩器，尤其設(shè)及一種可W實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償W穩(wěn)定頻率的 環(huán)形振蕩器電路。
【背景技術(shù)】
[0002] 利用標(biāo)準(zhǔn)的CMOS工藝實(shí)現(xiàn)片上的時(shí)鐘振蕩器來取代片外的晶振，對(duì)于降低系統(tǒng) 的成本，提高系統(tǒng)的集成度有極大的幫助。實(shí)現(xiàn)片上時(shí)鐘振蕩器主要面臨的挑戰(zhàn)是如何保 證時(shí)鐘頻率的穩(wěn)定性，使振蕩頻率不隨溫度和電源電壓的變化而改變。傳統(tǒng)環(huán)形振蕩器的 振蕩頻率受電源電壓變化的影響很大，當(dāng)電源電壓降低50%時(shí)，頻率降低50%W上。
[000引圖1所示為傳統(tǒng)CMOS環(huán)形振蕩電路的示意圖。如圖1所示，傳統(tǒng)的CMOS環(huán)形振 蕩器，其中假定CMOS反相器中的上拉PM0S管在對(duì)電容C充電的過程中一直處于飽和狀態(tài)， 下拉NM0S管在放電過程中也一直處于飽和狀態(tài)，且設(shè)上升時(shí)間等于下降時(shí)間，根據(jù)分析， 振蕩頻率為f= 1/T，振蕩周期為：
[0004]
，Kn，p是與材料、工藝有關(guān)的參 數(shù)，Vt是M0S管的闊值電壓，N為反相器的級(jí)數(shù)。
[0005] 可見，當(dāng)闊值電壓一定時(shí)，隨電源電壓的減小，充放電電流減小，上升沿、下降沿時(shí) 間增大，從而導(dǎo)致振蕩頻率大大降低。當(dāng)環(huán)境溫度發(fā)生變化時(shí)，晶體管的參數(shù)會(huì)隨之發(fā)生變 化，從而引起振蕩器的輸出頻率變化，電子遷移率yn，空穴遷移率yp，闊值電壓Vthp，Vth。 都會(huì)隨溫度而變化，其中：
[0006] yPT_2' 2
[0007] yn°^T-2'2
[000引 VTHn=VnM)(l-knT)
[000引 Vthp=VTHp0(l-kpT)
[0010] 式中，kn和kp都大于0,Vthp。和V分別為PMOS管和NMOS管在溫度300K時(shí)的 闊值電壓，可W得出振蕩器的輸出隨著溫度的升高頻率也會(huì)升高。
[0011] 可得出該結(jié)構(gòu)的環(huán)形振蕩器受溫度和電源W及工藝偏差等影響很大，當(dāng)溫度 在-40°c+85°C范圍變化，工作電壓在3V-6V變化時(shí)，振蕩器的頻率波動(dòng)范圍一般在30%W 上，其頻率精度無法滿足很多應(yīng)用場(chǎng)合的要求。
[0012] 為了解決該技術(shù)問題，現(xiàn)有技術(shù)中提出了一些解決方案。如文獻(xiàn)《一種頻率穩(wěn)定的 改進(jìn)型CMOS環(huán)形振蕩器》載于《微電子學(xué)》第29卷第5期、文獻(xiàn)《一種頻率穩(wěn)定的改進(jìn)型 CMOS環(huán)形振蕩器》載于《機(jī)電工程》第28卷第2期，W及文獻(xiàn)《一種頻率穩(wěn)定的集成CMOS環(huán) 形振蕩器》載于《微電子學(xué)》第33卷第3期。如圖2所示，上述現(xiàn)有文獻(xiàn)中所提出的改進(jìn)型 的CMOS環(huán)形振蕩器主要是充放電通路上通過電阻限流，使主要的延遲由電阻通路產(chǎn)生，雖 然頻率有較大改善（當(dāng)電源電壓變化50%時(shí)，輸出頻率變化20% )，但它采用了集成電阻。 該不僅增大了巧片面積，而且集成電阻阻值在工藝制造中的離散性很大（高達(dá)±20% )，還 會(huì)進(jìn)一步增大環(huán)振輸出頻率的不穩(wěn)定性。
[0013]有鑒于此，本實(shí)用新型的目的在于提供一種可W實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償W穩(wěn)定頻率的環(huán)形 振蕩器電路。 【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0014]為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺陷，本實(shí)用新型提供一種可W實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償W穩(wěn)定 頻率的環(huán)形振蕩器電路。
[0015]為了實(shí)現(xiàn)上述實(shí)用新型目的，本實(shí)用新型公開一種環(huán)形振蕩器電路，用于實(shí)現(xiàn)溫 度補(bǔ)償W穩(wěn)定時(shí)鐘頻率，其特征在于，包括：一基準(zhǔn)帶隙單元，用于接收一電源電壓并輸出 一與溫度成反比的負(fù)溫度系數(shù)電壓W及一偏置電壓；一線性穩(wěn)壓?jiǎn)卧?，用于接收該?fù)溫度 系數(shù)電壓W及該偏置電壓，輸出一放大后的負(fù)溫度系數(shù)電壓；一環(huán)形振蕩單元，該環(huán)形振蕩 單元接收該放大后的負(fù)溫度系數(shù)電壓作為工作電壓，并輸出穩(wěn)定的該時(shí)鐘頻率；一電平轉(zhuǎn) 換單元，該電平轉(zhuǎn)換單元接收該偏置電壓用于將該環(huán)形振蕩單元的工作電壓由該放大后的 負(fù)溫度系數(shù)電壓轉(zhuǎn)換為該電源電壓。
[0016]更進(jìn)一步地，該環(huán)形振蕩器電路進(jìn)一步包括；一校準(zhǔn)單元，該校準(zhǔn)單元與該線性穩(wěn) 壓?jiǎn)卧c該環(huán)形振蕩單元連接，用于校準(zhǔn)該放大后的負(fù)溫度系數(shù)電壓W及該時(shí)鐘頻率。
[0017]更進(jìn)一步地，該基準(zhǔn)帶隙單元包括一帶隙基準(zhǔn)電路，用于產(chǎn)生一與絕對(duì)溫度呈正 比的電流；一基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生電路，用于產(chǎn)生該負(fù)溫度系數(shù)電壓；W及一偏置電路，用于產(chǎn)生 該偏置電壓。
[0018]更進(jìn)一步地，該帶隙基準(zhǔn)電路包括一呈鏡像關(guān)系的第一、第二PM0S管，一運(yùn)算放 大器，W及一呈鏡像關(guān)系的第一、第二=極管，該運(yùn)算放大器的正極與該第一=極管之間包 括一第一電阻。
[0019]更進(jìn)一步地，該基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生電路包括一第=PM0S管、一溫度系統(tǒng)修調(diào)模塊、一 第二電阻W及一第S晶體管。
[0020]更進(jìn)一步地，該偏置電路包括呈鏡像關(guān)系的第四、第五PM0S管，
[0021]W及呈鏡像關(guān)系的第二、第SNM0S管。
[0022] 更進(jìn)一步地，該基準(zhǔn)帶隙單元包括一第一電阻和一第二電阻，通過調(diào)節(jié)該第一、第 二電阻的阻值比W獲得該負(fù)溫度系數(shù)電壓。
[0023]更進(jìn)一步地，該溫度系統(tǒng)修調(diào)模塊用于對(duì)工藝偏差產(chǎn)生的誤差進(jìn)行修調(diào)。
[0024]更進(jìn)一步地，該線性穩(wěn)壓?jiǎn)卧ㄒ徊罘址糯箅娐?，該差分放大電路的?fù)反饋電 壓等于該負(fù)溫度系數(shù)電壓。
[00巧]更進(jìn)一步地，該線性穩(wěn)壓?jiǎn)卧€包括一反饋網(wǎng)絡(luò)，該反饋網(wǎng)絡(luò)通過調(diào)節(jié)反饋因子 可產(chǎn)生正比于該負(fù)溫度系數(shù)電壓的該放大后的負(fù)溫度系數(shù)電壓。
[0026]更進(jìn)一步地，該反饋網(wǎng)絡(luò)包括一校準(zhǔn)電路，用于校準(zhǔn)該放大后的負(fù)溫度系數(shù)電壓。
[0027]更進(jìn)一步地，該環(huán)形振蕩單元還包括一校準(zhǔn)電路，用于校準(zhǔn)因工藝偏差造成的頻 率誤差。
[0028]更進(jìn)一步地，該電平轉(zhuǎn)換單元將該時(shí)鐘頻率作為控制信號(hào)，控制一反相器輸入端 的充電或放電，W實(shí)現(xiàn)將該放大后的負(fù)溫度系數(shù)電壓轉(zhuǎn)換為該電源電壓。
[0029]更進(jìn)一步地，該充電電流等于該放電電流。
[0030] 與現(xiàn)有技術(shù)相比較，本實(shí)用新型所提供的環(huán)形振蕩器電路傳統(tǒng)環(huán)形振蕩器的基礎(chǔ) 上增加了基準(zhǔn)帶隙電路，由于產(chǎn)生的穩(wěn)定電壓不隨電源電壓變化，因此可W屏蔽掉電源電 壓的影響，同時(shí)穩(wěn)定電壓會(huì)隨溫度產(chǎn)生變化，當(dāng)環(huán)形振蕩電路的輸出頻率隨溫度產(chǎn)生變化 時(shí)，穩(wěn)定電壓會(huì)向相反的方向變化，會(huì)抵消掉溫度的影響，因此可W產(chǎn)生一個(gè)與溫度和電源 電壓無關(guān)的穩(wěn)定頻率。
【附圖說明】
[0031] 關(guān)于本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)與精神可W通過W下的實(shí)用新型詳述及所附圖式得到進(jìn) 一步的了解。
[0032] 圖1是傳統(tǒng)CMOS環(huán)形振蕩電路的不意圖；
[0033] 圖2是現(xiàn)有技術(shù)中所使用的CMOS環(huán)形振蕩電路的示意圖；
[0034] 圖3是本實(shí)用新型所設(shè)及的高精度環(huán)形振蕩器的結(jié)構(gòu)示意圖；
[00巧]圖4是本實(shí)用新型所設(shè)及的環(huán)形振蕩器的帶隙基準(zhǔn)電壓?jiǎn)卧脑敿?xì)電路圖；
[0036] 圖5是本實(shí)用新型所設(shè)及的環(huán)形振蕩器的線性穩(wěn)壓?jiǎn)卧脑敿?xì)電路圖；
[0037] 圖6是本實(shí)用新型所設(shè)及的環(huán)形振蕩器的環(huán)形振蕩單元的詳細(xì)電路圖；
[0038] 圖7是本實(shí)用新型所設(shè)及的環(huán)形振蕩器的電平振蕩單元的詳細(xì)電路圖。
【具體實(shí)施方式】
[0039] 下面結(jié)合附圖詳細(xì)說明本實(shí)用新型的具體實(shí)施例。
[0040] 圖3是本實(shí)用新型所設(shè)及的高精度環(huán)形振蕩器的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖3所示，本實(shí) 用新型所提供的環(huán)形振蕩器電路，包括；帶隙基準(zhǔn)單元101、線性穩(wěn)壓?jiǎn)卧?02、環(huán)形振蕩單 元104、校準(zhǔn)單元103和電平轉(zhuǎn)換單元105。
[0041] 其中，帶隙基準(zhǔn)電壓?jiǎn)卧?01的工作電壓為電源電壓VDD，并受到振蕩器使能信號(hào) ENB控制，其輸出電壓Vref不受電源電壓變化影響并對(duì)溫度成反比，提供給線性穩(wěn)壓電路 作為輸入?yún)⒖茧娖絍out，該帶隙基準(zhǔn)電壓?jiǎn)卧?01還用于產(chǎn)生BIAS_P作為線性穩(wěn)壓電路的 誤差放大器的偏置電壓和電平轉(zhuǎn)換單元105的偏置電壓。
[0042] 線性穩(wěn)壓電路102的工作電壓仍然為電源電壓VDD，其偏置電壓為前級(jí)帶隙基準(zhǔn) 電壓?jiǎn)卧?01產(chǎn)生的偏置電偏置電壓BIAS_P，并受到振蕩器使能信號(hào)ENB控制；通過比較 輸入?yún)⒖茧娖交痚f和輸出電平的比例反饋，在其內(nèi)部放大器的負(fù)反饋控制下，產(chǎn)生恒定的 輸出工作電壓Vout，等比于所述帶隙基準(zhǔn)電壓的穩(wěn)定電壓，并通過3位細(xì)調(diào)校準(zhǔn)位對(duì)電壓 進(jìn)行精確的修調(diào)。
[0043] 環(huán)形振蕩單元104,輸出頻率正比于溫度和線性穩(wěn)壓源產(chǎn)生的穩(wěn)定電壓；環(huán)形振 蕩單元104還包括頻率的粗調(diào)校準(zhǔn)位，可對(duì)有工藝偏差造成的頻率誤差進(jìn)行校準(zhǔn)。
[0044] 電平轉(zhuǎn)換單元105通過環(huán)形振蕩單元104產(chǎn)生的時(shí)鐘信號(hào)作為控制信號(hào)，控制反 相器的輸入端的充電或放電，實(shí)現(xiàn)電平的轉(zhuǎn)換，同時(shí)由于充電電流等于放電電流，故可W產(chǎn) 生占空比為50%的時(shí)鐘輸出。
[0045]帶隙基準(zhǔn)電壓?jiǎn)卧?01的電源電壓V孤，系統(tǒng)使能信號(hào)ENB控制，產(chǎn)生不受電源電 壓變化影響和對(duì)溫度成反比的輸出電壓Vref，同時(shí)提供偏置電壓BIAS_P給線性穩(wěn)壓?jiǎn)卧?102和偏置電壓BIAS_P給電平轉(zhuǎn)換單元105。線性穩(wěn)壓?jiǎn)卧?02的基準(zhǔn)輸入接在帶隙基準(zhǔn) 電壓?jiǎn)卧?01的輸出端，其工作電壓也是電源電壓V孤，其中的誤差放大器由帶隙基準(zhǔn)電壓 單元101輸出的偏置電壓BIAS_P提供，其誤差放大單元的負(fù)反饋控制產(chǎn)生等比于帶隙基準(zhǔn) 電壓化ef的基準(zhǔn)電壓Vout;電壓控制環(huán)形振蕩單元104在基準(zhǔn)電壓Vout下工作，輸出穩(wěn) 定的擺幅為Vout的振蕩