CN105071803A - 一种温度和工艺补偿型环形振荡器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种温度和工艺补偿型环形振荡器，包括环形振荡器和补偿型偏置电路；环形振荡器包括若干压控延迟单元和一个门控开关，所有压控延迟单元构成环形延迟线结构，门控开关用于控制环形振荡器的起振和停振；压控延迟单元延迟时间受工艺变化和温度漂移的影响，表现为正温度特性，且与压控电压正相关；补偿型偏置电路包括偏置主体电路和补偿电路，产生具有负温度特性且与工艺变化相关的压控电压；通过补偿型偏置电路的压控电压补偿压控延迟单元由于工艺和温度引起的延迟时间的变化。相比于传统环振，该电路结构简单，功耗低，且受工艺变化和温度漂移的影响很小，可满足温度传感器和红外测距3D成像读出电路中需要稳定的时钟频率的要求。

Description

一种温度和工艺补偿型环形振荡器

技术领域

本发明涉及一种振荡器，尤其涉及一种温度和工艺补偿型环形振荡器。

背景技术

振荡器作为时钟发生器和频率产生源，已成为大部分电路***中不可或缺的一部分，其广泛应用于通信、电子、航海、航空、医学、生物等领域。振荡器能够通过自激方式输出按固定周期变化的信号，其按照频谱可分为，单频的三角波振荡器和多频谱的谐波振荡器；按照是否可集成可分为，片内可集成振荡器和片外不可集成振荡器。片内可集成振荡器按照拓扑结构可分为，迟滞型振荡器、环形振荡器和电感电容(LC)振荡器三类；而片外不可集成振荡器主要是指石英晶体振荡器，它具有频率稳定、体积小、抗噪能力强、价格便宜的优点，已被大量应用在家用电器和通信设备中。

目前，可集成振荡器在片上***中应用广泛，其中，迟滞型振荡器因输出频率较低，主要用于实现低频时钟的产生；LC振荡器的输出频率较高、具有较好的抗相位噪声能力，主要应用于射频电路中，但较大的电感面积增加了集成的难度。而环形振荡器因其结构简单、输出频率高且可调范围大、集成度高等独有优势，可广泛应用于TDC电路、时钟恢复电路以及频率综合器中。在实际的工程实际应用中，振荡器电路主要用于提供所需要的片上时钟信号，因此，时钟信号的稳定特性也间接影响着电子***的功能，例如，在大规模的SOC***中，时钟信号的抖动和偏差直接影响着数字***的性能。

解决环振频率稳定性的基本思路和策略是引入压控环振替代普通环振，压控环振不但能够调节时钟频率的宽范围变化，而且通过对压控信号的稳定控制，能够有效提高环振频率的稳定度，降低相位噪声。环振压控有两类方式，一类是由DLL电路提供压控信号的闭环控制方式，虽然控制性能优越，但电路结构复杂；另一类是由偏置电路提供压控信号的开环补偿方式，虽然控制性能相比于闭环略差，但电路结构简单，占用面积小，功耗低，且相比于普通的环振，其频率稳定性更好，适用于温度变化很大的集成电路***中，在芯片设计中有广阔的应用前景。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中环振频率受温度漂移和工艺变化影响的问题，本发明提供一种温度和工艺补偿型环形振荡器，该电路结构简单、功耗低，能够实现宽温度范围下的频率稳定，且受工艺影响很小。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种温度和工艺补偿型环形振荡器，包括环形振荡器和补偿型偏置电路；所述环形振荡器包括若干压控延迟单元和一个二选一门控开关，所有压控延迟单元构成环形延迟线结构，二选一门控开关用于控制环形振荡器的起振和停振；所述压控延迟单元延迟时间受工艺变化和温度漂移的影响，表现为正温度特性，且与压控电压正相关；所述补偿型偏置电路包括偏置主体电路和补偿电路，产生具有负温度特性且与工艺变化相关的压控电压；通过补偿型偏置电路的压控电压补偿环形振荡器中压控延迟单元由于工艺变化和温度漂移引起的延迟时间的变化，采用的补偿方法为开环补偿方法，以实现较好的工艺和温度补偿，保证环形振荡器的频率基本稳定。

优选的，所述补偿型偏置电路中的补偿电路包括电阻自偏置共源共栅(cascode)电流镜、倒宽长比PMOS管和负温度系数电阻，其中倒宽长比PMOS管栅端和cascode电流镜的NMOS管漏端相连，负温度系数电阻连接在cascode电流镜的NMOS管漏端和倒宽长比PMOS管漏端之间，倒宽长比PMOS管源端接电源电压，倒宽长比PMOS管漏端接压控电压Vctrl。

优选的，所述补偿型偏置电路中的偏置主体电路采用带启动电路的基本ΔV_BE/R型两路偏置结构，基本ΔV_BE/R型两路偏置结构中的电流镜采用电阻自偏置共源共栅结构为补偿电路提供稳定的偏置电压。

优选的，所述环形振荡器中的压控延迟单元采用压控MOS管控制电容负载的反相器，且环形振荡器采用具有确定初相的环形延迟线结构，即环形振荡器中所有压控延迟单元构成确定初相的环形延迟线结构。

优选的，所述环形振荡器中的二选一门控开关与第一级压控延迟单元充当一级反相延时，反向延时与各同相延迟单元延时匹配，实现相位节点的均匀分布。

有益效果：本发明提供的温度和工艺补偿型环形振荡器，与现有技术相比，具有如下技术效果：

1、本发明温度和工艺补偿型环形振荡器，其中补偿型偏置电路通过调节压控电压，补偿环形振荡器中压控延迟单元的延迟时间由于温度和工艺漂移引起的变化，这种开环补偿的方法，大大降低了环振对温度和工艺的敏感特性，保证环振频率的稳定；

2、本发明温度和工艺补偿型环形振荡器，通过门控开关控制环振的开启和关断，可以大大降低功耗且确定环振电路的初相；环振各延迟单元受压控电压调控，各节点相位均匀分布，可应用于高精度两段式时间数字转换电路(TDC)；

3、本发明温度和工艺补偿型环形振荡器，结构简单，相比于采用延迟锁相环(DLL)的闭环补偿方式来控制延迟单元的结构，大大节约了面积。

附图说明

图1为温度和工艺补偿型环形振荡器的结构框图；

图2为压控延迟单元的电路示意图；

图3为补偿型偏置电路的电路示意图；

图4为温度和工艺补偿型环形振荡器的输出频率仿真波形图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1所示为一种温度和工艺补偿型环形振荡器的结构框图，包括环形振荡器和补偿型偏置电路；所述环形振荡器包括若干压控延迟单元和一个二选一门控开关，所有压控延迟单元构成环形延迟线结构，二选一门控开关用于控制环形振荡器的起振和停振；所述压控延迟单元延迟时间受工艺变化和温度漂移的影响，表现为正温度特性，且与压控电压正相关；所述补偿型偏置电路包括偏置主体电路和补偿电路，产生具有负温度特性且与工艺变化相关的压控电压；通过补偿型偏置电路的压控电压补偿环形振荡器中压控延迟单元由于工艺变化和温度漂移引起的延迟时间的变化，采用的补偿方法为开环补偿方法，以实现较好的工艺和温度补偿，保证环形振荡器的频率基本稳定。

在图1中，E_N为环形振荡器的门控信号，用于控制环形振荡器的起振和停振；当E_N为高电平时，整个环振开始工作。环形振荡器中的压控延迟单元为压控型，通过补偿型偏置电路的压控电压V_ctrl控制压控延迟单元的延时。由于压控延迟单元的延时易受工艺变化和温度漂移的影响，若温度或工艺发生变化，延时随之发生变化，此时补偿型偏置电路会自动调节压控电压V_ctrl的大小，进而补偿压控延时单元延时的变化，使得压控延时单元的延时保持不变。由于环形振荡器的频率主要取决于压控延迟单元的数量和延时，因此可以保证整个环形振荡器工作频率的稳定。

图2所示为压控延迟单元的电路示意图，该电路由4个基本的压控延迟模块组成。基本的压控延迟模块采用压控MOS管控制电容负载的反相器，通过调节NMOS管压控电阻和与其串联的NMOS电容，达到调节延时的目的。负载压控电阻和电容并联在反相器INV的输出端，压控电压V_ctrl用于控制MOS管导通电阻的大小，MOS电容的一端固定接地，电容上电压V_c的变化范围受V_ctrl限制，近似为V_c,max＝V_ctrl-V_TN，其中V_TN为NMOS的阈值电压。当V_ctrl比MOS开启电压V_TN低时，压控R+C支路始终断开不起作用，上升和下降延迟均为INV的本征充放电延迟，为固定延迟。当V_ctrl>V_TN后，压控R+C支路导通并起作用，V_ctrl电压越大，MOS电容上电压的变化范围也越大，且等效MOS电容也越大，最终导致压控延迟单元的延迟时间随V_ctrl的增加而单调增加。

压控延迟单元的延时不仅与V_ctrl有关，而且受温度的影响。由于MOS管开启电压V_TH为负温度系数，载流子迁移率μ为负温度系数，然而INV在充放电过程中大部分在线性电阻区域，V_GS>>V_TN，开启电压的影响相对较弱，所以载流子迁移率起主导作用时，温度升高，INV的电流减小，延时变大，压控延迟单元的延时表现为正温度特性。

同时，不同的工艺对压控延迟单元的延时影响不同，这里以TSMC0.35mm工艺为例。当工艺角从ss→tt→ff依次变化，阈值电压依次减小。此时INV的电流增大，延迟单元的延时变小。

图3为发明采用的补偿型偏置电路，为压控延迟单元提供压控电压，来控制其延时进而控制整个环振的频率。该补偿型偏置电路包括偏置主体电路和补偿电路，偏置主体电路采用带启动电路的基本ΔV_BE/R型两路偏置结构。电路启动阶段，起初M1、M2、Q1和Q2均未导通，Q1和Q2在反馈中占主导地位，启动电路给M1和M2的栅端电容充电，抬高栅端电位，当Q1和Q2导通后，Q1和Q2的基极和发射极之间的电压V_BE基本保持不变，此时电流镜M1和M2在反馈中起主导作用，负反馈稳定静态工作点。所以将2:1和1:8的对角线位置对调(其他结构不变)，电路的反馈特性完全改变，电路无法正常启动和工作。V_BE导通电压为0.7V，M1开启电压大约为0.6V，因此启动电路必须快速将M1栅端电压提升到1.3V左右，电路才会正常启动，如果不加启动电路，只通过电路自身的振荡，Q1和Q2的发射极电压都会变化缓慢，相对的正反馈作用较弱，电路无法工作。

补偿型偏置电路中的补偿电路包括cascode电流镜、倒宽长比PMOS管MP1和负温度系数电阻R，如图3所示，cascode电流镜用于精确复制电流，MP1和R用于产生与压控延迟单元温度和工艺特性相匹配的压控电压V_ctrl，并且压控电压V_ctrl的大小可由式(1)计算得到。

$V_{ctrl}\left(T\right)=V_{DD}-(V_{TP}+{\mathrm{\Δ}}_p)+IR=V_{DD}-V_{TP}\left(T\right)-\sqrt{\frac{2I}{k_{p,MP1}}}+RI---\left(1\right)$

其中，Δ_p为MP1的过驱动电压，Δ_p＝V_GS-V_TP，I为流经补偿电路的电流，k_p,MP1为MP1的工艺因子，V_GS为栅源电压，V_TP为PMOS的阈值电压。由式(1)可以知道，压控电压V_ctrl的温度系数，主要由阈值电压V_TP、电阻R和电流I决定，而V_TP的温度系数约为-2.3mV/℃，电流I具有较小的正温度系数，考虑到具体的设计要求V_ctrl的温度系数为-3.5mV/℃，因此V_ctrl的负温度系数不足，补偿电阻R需要有负温度系数，才能够满足温度补偿要求。

TSMC0.35mm工艺角从ss→tt→ff依次变化，阈值电压V_TP依次减小。V_ctrl大小如公式(1)所示，以tt工艺角作为参考，ss工艺角下，MP1支路电流变小，MP1栅端电压增大，电流I变小使压降RI变小，但由于电阻较大，其作用效果更为显著，因此ss工艺下V_ctr1下降，导致压控延迟单元延时降低；而tt工艺角变为ss工艺角时，由于阈值电压V_TP变大，压控延迟单元的延时会增加，从而达到工艺补偿的目的；同理，ff工艺下，V_ctr1上升，同时阈值电压V_TP变小，也会抑制延时的变化，最终满足所需的工艺补偿要求。

实际的补偿型环型振荡器在不同工艺角下输出频率随温度变化特性曲线如图4所示。主要仿真温度和工艺对环振输出频率的影响，工艺角选择tt、ss和ff，温度选择-40℃-40℃，具体数值可参见表1。

表1环振前仿输出频率(单位：MHz)

从表1中数据可以看出，在同一工艺角下，温度补偿效果基本良好，-40℃-40℃之间，输出频率最大偏差不超过6MHz，输出频率偏移小于4％，当工艺和温度共同作用时，环振的输出频率变化较大，最大变化在6％左右。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种温度和工艺补偿型环形振荡器，其特征在于：包括环形振荡器和补偿型偏置电路；所述环形振荡器包括若干压控延迟单元和一个二选一门控开关，所有压控延迟单元构成环形延迟线结构，二选一门控开关用于控制环形振荡器的起振和停振；所述压控延迟单元延迟时间受工艺变化和温度漂移的影响，表现为正温度特性，且与压控电压正相关；所述补偿型偏置电路包括偏置主体电路和补偿电路，产生具有负温度特性且与工艺变化相关的压控电压；通过补偿型偏置电路的压控电压补偿环形振荡器中压控延迟单元由于工艺变化和温度漂移引起的延迟时间的变化，采用的补偿方法为开环补偿方法。

2.根据权利要求1所述的温度和工艺补偿型环形振荡器，其特征在于：所述补偿型偏置电路中的补偿电路包括电阻自偏置共源共栅电流镜、倒宽长比PMOS管和负温度系数电阻，其中倒宽长比PMOS管栅端和电阻自偏置共源共栅电流镜的NMOS管漏端相连，负温度系数电阻连接在电阻自偏置共源共栅电流镜的NMOS管漏端和倒宽长比PMOS管漏端之间，倒宽长比PMOS管源端接电源电压，倒宽长比PMOS管漏端接压控电压。

3.根据权利要求1所述的温度和工艺补偿型环形振荡器，其特征在于：所述补偿型偏置电路中的偏置主体电路采用带启动电路的基本△V_BE/R型两路偏置结构，基本△V_BE/R型两路偏置结构中的电流镜采用电阻自偏置共源共栅结构为补偿电路提供稳定的偏置电压。

4.根据权利要求1所述的温度和工艺补偿型环形振荡器，其特征在于：所述环形振荡器中的压控延迟单元采用压控MOS管控制电容负载的反相器，且环形振荡器采用具有确定初相的环形延迟线结构，即环形振荡器中所有压控延迟单元构成确定初相的环形延迟线结构。

5.根据权利要求1所述的温度和工艺补偿型环形振荡器，其特征在于：所述环形振荡器中的二选一门控开关与第一级压控延迟单元充当一级反相延时，反相延时与各同相延迟单元延时匹配，实现相位节点的均匀分布。