CN103684354A - 一种环形振荡电路、环形振荡器及其实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种环形振荡电路、环形振荡器及其实现方法，涉及电信技术领域，解决了现有技术中环形振荡电路器件要求精度高的技术问题。其中，该电路包括：电流偏置产生电路和环形振荡器级电路；所述环形振荡器级电路包括至少一级的第一种反相器和至少一级的第二种反相器；所述电流偏置产生电路与所述第一种反相器耦合；所述第一种反相器的输出端与二种反相器的输入端连接，并且，第二种反相器的输出端与第一种反相器的输入端连接。

Description

一种环形振荡电路、环形振荡器及其实现方法

技术领域

本发明涉及电信技术领域，特别涉及一种环形振荡电路、环形振荡器及其实现方法。

背景技术

对于大多数SOC（System on a Chip，***级芯片）设计来说，振荡器是必不可少的组成部分，它能为芯片提供时钟。在各种类型的振荡器中，环形振荡器不需要外挂晶体，不需要使用电感-电容调谐电路，而只需要使用奇数个反相器串联、最后一级的输出连接到第一级的输入即可工作。考虑到其结构简单和低功耗的特性，环形振荡器在频率精度要求不高的场合得到了广泛的应用。然而，电源电压及环境温度对环形振荡器的输出频率影响较大，因此，环形振荡器无法满足在对时钟频率有更高精度要求的***。

为了达到更高频率精度，很多技术方案对环形振荡器进行了结构上的优化设计，其中，一种较为常见的结构为通过电流受限的反相器组成环形振荡器，因此振荡器的振荡频率与电流相关，通过对参考电流生成单元进行改进，从而提高了输出频率的电源电压及环境温度特性。然而这类方案最后输出频率的精度主要取决于参考电流生成单元设计是否能正好抵消相应的电压及温度系数。由于器件的温度特性与工艺的相关性很大，补偿不足或补偿过大均不能得到理想的结果，因此，对于实际设计而言，要达到较好的温度和电压特性具有较大的设计难度，当系数设计不合理，例如补偿不合理时，存在恶化温度或电压特性的可能性。因此普通的环形振荡器的输出频率随电源电压及环境温度的变化太大，无法满足对频率精度有很高要求的***需求。

并且，对于通过电流受限的反相器组成的环形振荡器方案来说，需要合理设计电流生成电路，配置合适的温度系数与后面的振荡器的温度特性进行补偿，因此最终的温度特性对电路中器件的取值较为敏感。由于设计得结果过于依赖电路设计中的器件尺寸以及其他设计技巧，在实际设计中，版图的不匹配以及工艺的偏差等等一些较难控制的因素会造成无法达到预期的补偿效果。

发明内容

为了解决现有技术环形振荡电路中为了达到温度补偿和电源电压补偿的目的，从而导致的对器件要求精度高、设计难度较大的技术问题，本发明提供了一种环形振荡电路、环形振荡器及其实现方法。

一种环形振荡电路，包括：电流偏置产生电路和环形振荡器级电路；

环形振荡器级电路包括至少一级的第一种反相器和至少一级的第二种反相器；

电流偏置产生电路与第一种反相器耦合；第一种反相器的输出端与二种反相器的输入端连接，并且，第二种反相器的输出端与第一种反相器的输入端连接；

其中，第一种反相器主要是一种电流受限反相器类型；第二种反相器由COMS反相器构成。

其中，电流偏置产生电路包括第一PMOS、第二PMOS、第一NMOS、第二NMOS和电阻R；其中，

第一PMOS和第二PMOS的栅极连接在一起构成电流镜；第二PMOS的栅极连接其漏极，第一NMOS的栅极和漏极连接在一起并与第一PMOS的漏极相连接，第二NMOS的栅极与第一NMOS的栅极连接一起，第二NMOS的漏极与第二PMOS的漏极相连接，第一NMOS的源级接地，第二NMOS的源级连接电阻R的一端，电阻R的另外一端连接到地。

其中，第一种反相器中包括第三PMOS、第三NMOS和至少一个COMS反相器；电流偏置产生电路与第一种反相器耦合，具体包括：

第三PMOS的栅极与第二PMOS的栅极相连，第三NMOS的栅极与第一NMOS的栅极相连；至少一个COMS反相器中的第一个CMOS反相器的电源和地分别连接第三PMOS的漏极和第三NMOS的漏极。

第一种反相器的输出端与二种反相器的输入端连接，并且，第二种反相器的输出端与第一种反相器的输入端连接，具体包括：

第一种和第二种反相器的各COMS反相器串联；

第一种反相器中串联后最后一个COMS反相器的输出端与第二种反相器串联后的第一个CMOS反相器的输入端相连，第二种反相器串联后的最后一个CMOS反相器的输出端连接回第一种反相器的第一个CMOS反相器的输入端。

一种环形振荡器，包括权利要上述的环形振荡电路。

一种环形振荡器的实现方法，包括：

通过电流偏置产生电路将电源的电流偏置为与电源电压无关的正温度系数的电流；

用该正温度系数的电流控制环形振荡器级电路中的第一种反相器；

第一种反相器受该正温度系数的电流控制产生正电源电压、负温度系数且延时的反相器特性；并且第二种反相器通过各COMS反相器的串联产生负电源电压、正温度系数且延时的反相器特性；

通过第一种反相器的反相器特性与第二种反相器的反相器特性的相互作用，形成了输出频率得到温度补偿和电源电压补偿的环形振荡器。

本发明提供的方案设计的简便性，由于采用了两种反相器构成振荡器，因此，不需要刻意设置温度系数即可以达到温度补偿的效果。不需要晶体管匹配等器件设计就可以达到电源电压补偿的目的。并且低功耗，电流偏置电路由于工作在亚阈值区，因此工作电流较小，镜像的电流给反相器提供电源，功耗也较小，由于电流受限的反相器通常无法直接驱动外部的模块，在现有的技术中通常在环形振荡级的后面再接反相器增大驱动，而在本设计中，后面提高驱动的反相器成为了环形振荡级的一部分，因此节省了反相器链中反相器的个数，能够达到更低的功耗。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例1提供的环形振荡电路的电路图；

图2为本发明实施例3提供的方法的流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。并且，以下各实施例均为本发明的可选方案，实施例的排列顺序及实施例的编号与其优选执行的顺序无关。

实施例1

本实施例提供一种环形振荡电路，该电路包括：电流偏置产生电路100和环形振荡器级电路200；

环形振荡器级电路200包括至少一级的第一种反相器210和至少一级的第二种反相器211；其中，第一种反相器210从功能上来说用于限制电流，属于是一种电流受限反相器；第二种反相器211包括COMS反相器。

电流偏置产生电路100与第一种反相器210耦合；第一种反相器210的输出端与二种反相器211的输入端连接，并且，第二种反相器211的输出端与第一种反相器210的输入端连接。

其中，为了给第一种反相器210提供大小与电源电压无关，且带正温度系数的电流，本实施例中提供的电流偏置产生电路100包括第一PMOS103、第二PMOS104、第一NMOS102、第二NMOS101和电阻R105；如图1所示，

第一PMOS103和第二PMOS104的栅极连接在一起构成电流镜；第二PMOS104的栅极连接第二PMOS104的漏极，第一NMOS102的栅极和漏极连接在一起并与第一PMOS103的漏极相连接，第二NMOS101的栅极与第一NMOS102的栅极连接一起，第二NMOS101的漏极与第二PMOS104的漏极相连接，第一NMOS102的源级接地，第二NMOS101的源级连接电阻R105的一端，电阻R105的另外一端接地。

具体而言，第一种反相器中210包括第三PMOS204、第三NMOS205和至少一个COMS201反相器；电流偏置产生电路100与第一种反相器210耦合，具体包括：

第三PMOS204的栅极与第二PMOS104的栅极相连，第三NMOS205的栅极与第一NMOS102的栅极相连；

至少一个COMS反相器201中的第一个CMOS反相器201的电源和地分别连接第三PMOS204的漏极和第三NMOS205的漏极。

优选方案中，第一种反相器210的输出端与二种反相器211的输入端连接，并且，第二种反相器211的输出端与第一种反相器210的输入端连接，具体包括：

第一种反相器210和第二种反相器211的各COMS反相器串联；

第一种反相器210中串联后的最后一个COMS反相器的输出端与第二种反相器211串联后的第一个CMOS反相器的输入端相连，第二种反相器211串联后的最后一个CMOS反相器的输出端连接回第一种反相器210的第一个CMOS反相器的输入端。

其中，第一种反相器中包括COMS反相器；第一种反相器和第二种反相器组成的COMS反相器链的级数为奇数级。

下面以图1为例，具体描述一下本实施例提供的环形振荡电路器。包括一个电流偏置产生电路100和一个环形振荡器级200，其中，环形振荡器级200包括至少一级电流受限反相器（如图1所示第一种反相器210）及至少一级CMOS反相器（如图1所示第二种反相器211）。图1中给出了一个由一级电流受限反相器以及两级CMOS反相器组成的三级环形振荡电路的电路图。实际上由这两种反相器组成的反相器链的级数还可以是五级或七级或是其他的奇数级，即奇数级是指第一种反相器和第二种反相器的总数是奇数。

电流偏置产生电路100由第一PMOS103、第二PMOS104、第一NMOS102、第二NMOS101和R105构成，其中第一PMOS103和第二PMOS104的栅极连接在一起构成电流镜，同时第二PMOS104的栅极连接其漏极，第一NMOS102的栅极和漏极连接在一起并与第一PMOS103的漏极相连接，第二NMOS101的栅极与第一NMOS102的栅极连接一起，第二NMOS101的漏极与第二PMOS104的漏极相连接，第一NMOS102的源级接地，第二NMOS101的源级连接电阻R105的一端，电阻R105的另外一端连接到地。

环形振荡器级电路200由第三PMOS204、第三NMOS205以及三组反相器201、202、203构成，第三PMOS204的栅极与第二PMOS104的栅极相连，第三NMOS205与第一NMOS102的栅极相连，第一个CMOS反相器201的电源和地分别连接第三PMOS204和第三NMOS205的漏极，该反相器204的输出与第二个CMOS反相器202（即第二种反相器中的第一个反相器）的输入端相连，第二个CMOS反相器202的输出与第三个CMOS反相器203（即第二种反相器中各反相器串联后的最后一个COMS反相器）的输入相连，第三个CMOS反相器的输出连接回第一个CMOS反相器201（图1中的反相器201即是第一种反相器中各反相器串联后的第一个反相器，也是最后一个反相器）的输入端。

参照图1，本实施例提供的环形振荡电路的原理如下：首先电流偏置电路100通过第一NMOS102和第二NMOS101的VGS差值在R105上产生一个电流，该电流大小与电源电压无关，带有正温度系数，流过第二PMOS104/第二NMOS101支路，由于第一PMOS103和第二PMOS104的1:1的镜像关系，第一PMOS103/第一NMOS102支路上因此流过相同的电流。通过第二PMOS104管与第三PMOS204管组成的电流镜，将第二PMOS104的电流镜像到第三PMOS204的支路上。通过第一NMOS102管与第三NMOS205管组成的电流镜，将第一NMOS102的电流镜像到第三NMOS205的支路上，因此第一级反相器201的充电电流为流过第二PMOS104的电流，第一级反相器201的放电电流为流过第三NMOS204的电流，充放电电流值特性决定了这一级反相器的延时特性，第一级反相器201输出连接后面的普通COMS反相器202和203组成了一个环形振荡器链，最终的振荡频率由反相器链的总延时决定。

其中，电流偏置电路100在PMOS103/NMOS102和PMOS104/NMOS101支路上产生的电流I的值大小为NMOS102管的VGS与NMOS104管的VGS的差值比上电阻R105的阻值，如下公式（1）

$I=\frac{V_{\mathrm{GSMN}1}-V_{\mathrm{GSMN}2}}{R}---\left(1\right)$

由于NMOS102和NMOS101工作在亚阈值区，公式（1）可以进一步写为

$I=\frac{n{V}_T\ln M}{R}---\left(2\right)$

其中，M为MN2与MN1的宽长比的比值，VT为热电压，其具有正温度系数，n为亚阈值斜率因子。当电阻采用poly电阻时，电阻为负温度系数，因此，该电流具有正温度系数。通过PMOS电流镜，第一级电流受限的反相器电流与温度成正比，该级反相器延时随温度升高而减小；该级反相器的阈值电压随电源电压升高而升高，从而使得反相器延时随电源电压升高而增大。

反相器链中的第二种反相器即为普通CMOS反相器，这种反相器的延时随温度的升高而增大，随电源电压的升高而减小。

这两种反相器的温度和电压特性正好是反相的，在振荡器环路中采用这两种反相器，可以实现温度补偿和电压补偿的作用。通过调节电流产生电路的温度系数，可以对振荡器的温度和电压特性进行有目标的补偿。因此该环形振荡电路的温度电压补偿作用对电路内部具体器件的取值并不敏感，故而在使用时可以达到温度和电压补偿的目的。

本实施例提供的环形振荡电路由于第一种反相器延时与第二种反相器延时的温度特性和电源电压特性刚好相反，因此反相器链的总延时在温度和电源电压特性上达到了补偿的目的，从而使得振荡器的输出频率达到了温度补偿和电源电压补偿目的。

实施例2

本实施例提供一种环形振荡器，该环形振荡器包括实施例1中所描述的环形振荡电路，具体环形振荡器的内容在此不赘述。

实施例3

本实施例提供一种环形振荡器的实现方法，如图2所示，包括：

步骤101，通过电流偏置产生电路将电源的电流偏置为与电源电压无关的正温度系数的电流；

步骤102，用该正温度系数的电流控制环形振荡器级电路中的第一种反相器；

步骤103，第一种反相器受该正温度系数的电流控制产生正电源电压、负温度系数且延时的反相器特性；

步骤104，在步骤103反相器特性产生的同时，第二种反相器通过各COMS反相器的串联产生负电源电压、正温度系数且延时的反相器特性；

步骤105，通过第一种反相器的反相器特性与第二种反相器的反相器特性的相互作用，形成了输出频率得到温度补偿和电源电压补偿的环形振荡器。

例如：参照图1，首先电流偏置电路100通过第一NMOS102和第二NMOS101的VGS差值在R105上产生一个电流，该电流大小与电源电压无关，带有正温度系数，流过第二PMOS104/第二NMOS101支路，由于第一PMOS103和第二PMOS104的1:1的镜像关系，第一PMOS103/第一NMOS102支路上因此流过相同的电流。通过第二PMOS104管与第三PMOS204管组成的电流镜，将第二PMOS104的电流镜像到第三PMOS204的支路上。通过第一NMOS102管与第三NMOS205管组成的电流镜，将第一NMOS102的电流镜像到第三NMOS205的支路上，因此第一级反相器201的充电电流为流过第二PMOS104的电流，第一级反相器201的放电电流为流过第三NMOS204的电流，充放电电流值特性决定了这一级反相器的延时特性，第一级反相器201输出连接后面的普通COMS反相器202和203组成了一个环形振荡器链，最终的振荡频率由反相器链的总延时决定。

具体该各步骤的实现方式请参考实施1中的环形振荡电路，在此不赘述。

本发明提供的实现方法由于采用了两种可产生相反温度和电源电压特性的反相器，因此，不需要刻意设置温度系数即可以达到温度补偿的效果。不需要晶体管匹配等器件设计就可以达到电源电压补偿、低功耗的技术效果。

本发明实施例提供的上述方法中，虽然给出了执行各步骤的先后顺序，但是该顺序仅为本发明的一个优选的实施方式。显然，本领域技术人员根据上述方法可以对该方法步骤的执行顺序进行多种多样的等效变换，也就是说本发明实施例方法中的上述各步骤或部分步骤完全可以按照其他顺序执行，或者同时执行。例如：先执行步骤104，再执行步骤103；或者同时执行步骤103和步骤104。因此上述方法描述的各步骤的执行顺序并仅限于实施例中所提供的一种方式。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明能有多种不同形式的具体实施方式，上文结合附图对本发明做举例说明，这并不意味着本发明所应用的具体实施方式只能局限在这些特定的具体实施方式中，本领域的技术人员应当了解，上文所提供的具体实施方式只是多种优选实施方式中的一些示例，任何体现本发明权利要求的具体实施方式均应在本发明权利要求所要求保护的范围之内；本领域的技术人员能够对上文各具体实施方式中所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换或者改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种环形振荡电路，其特征在于，包括：电流偏置产生电路和环形振荡器级电路；

所述环形振荡器级电路包括至少一级的第一种反相器和至少一级的第二种反相器；

所述电流偏置产生电路与所述第一种反相器耦合；所述第一种反相器的输出端与二种反相器的输入端连接，并且，第二种反相器的输出端与第一种反相器的输入端连接。

2.根据权利要求1所述的环形振荡电路，其特征在于，所述第一种反相器包括电流受限反相器；第二种反相器包括COMS反相器。

3.根据权利要求1或2所述的环形振荡电路，其特征在于，所述电流偏置产生电路包括第一PMOS、第二PMOS、第一NMOS、第二NMOS和电阻R；其中，

第一PMOS和第二PMOS的栅极连接在一起构成电流镜；第二PMOS的栅极连接其漏极，第一NMOS的栅极和漏极连接在一起并与第一PMOS的漏极相连接，第二NMOS的栅极与第一NMOS的栅极连接一起，第二NMOS的漏极与第二PMOS的漏极相连接，第一NMOS的源级接地，第二NMOS的源级连接电阻R的一端，电阻R的另外一端连接到地。

4.根据权利要求3所述的环形振荡电路，其特征在于，第一种反相器中包括第三PMOS、第三NMOS和至少一个COMS反相器；所述电流偏置产生电路与所述第一种反相器耦合，具体包括：

第三PMOS的栅极与第二PMOS的栅极相连，第三NMOS的栅极与第一NMOS的栅极相连；

至少一个COMS反相器中的第一个CMOS反相器的电源和地分别连接第三PMOS的漏极和第三NMOS的漏极。

5.根据权利要求4所述的环形振荡电路，其特征在于，所述第一种反相器的输出端与二种反相器的输入端连接，并且，第二种反相器的输出端与第一种反相器的输入端连接，具体包括：

第一种和第二种反相器的各COMS反相器串联；

第一种反相器中串联后最后一个COMS反相器的输出端与第二种反相器串联后的第一个CMOS反相器的输入端相连，第二种反相器串联后的最后一个CMOS反相器的输出端连接回第一种反相器的第一个CMOS反相器的输入端。

6.根据权利要求1或2所述的环形振荡电路，其特征在于，所述第一种反相器中包括COMS反相器；

所述第一种反相器和第二种反相器组成的COMS反相器链的级数为奇数级。

7.一种环形振荡器，其特征在于，包括权利要求1-6中任意一项所述的环形振荡电路。

8.一种环形振荡器的实现方法，其特征在于，包括：

通过电流偏置产生电路将电源的电流偏置为与电源电压无关的正温度系数的电流；

用该正温度系数的电流控制环形振荡器级电路中的第一种反相器；

第一种反相器受该正温度系数的电流控制产生正电源电压、负温度系数且延时的反相器特性；并且第二种反相器通过各COMS反相器的串联产生负电源电压、正温度系数且延时的反相器特性；

通过第一种反相器的反相器特性与第二种反相器的反相器特性的相互作用，形成了输出频率得到温度补偿和电源电压补偿的环形振荡器。

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