CN112003611B - 一种环形振荡器及电路实现方法 - Google Patents

一种环形振荡器及电路实现方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种环形振荡器，包括电流源电路、放大电路、频率修调器以及由反相器连接而成的环形振荡器电路；所述电流源电路的输出端连接所述放大电路的输入端；所述放大电路包括第一N型MOS管、第二N型MOS管、第三N型MOS管；所述第一N型MOS管的栅极、所述第一N型MOS管的漏极与所述第二N型MOS管的栅极并联；所述第二N型MOS管的漏极与所述第三N型MOS管的栅极并联；所述第二N型MOS管的源极与所述频率修调器串联；所述第一N型MOS管的源极、所述第三N型MOS管的源极均连接所述环形振荡器电路的输入端。本发明提供了一种环形振荡器及电路实现方法，能够使环形振荡器的输出频率不受电源电压的影响。

Description

一种环形振荡器及电路实现方法
技术领域
本发明涉及集成电路技术领域，尤其是涉及一种环形振荡器及电路实现方法。
背景技术
环形振荡器是集成电路中最常见的电路模块之一。因为具有结构简单、易于集成、低成本等优点而被广泛应用于微控制器芯片中。
传统环形振荡器电路是由奇数个数的反相器级联且首尾相接而成。传统环形振荡器的电路结构简单，但是其缺点也是显而易见的。因为传统环形振荡器的振荡频率与金属氧化物场效应晶体管的导通阻抗、寄生电容、电源电压有关，而这些变量受环境温度、电源电压、工艺参数的影响比较大，所以振荡频率通常具有精度低，随温度漂移大的缺点。由于传统环形振荡器具有以上缺点，使得在一些需要高精度时钟的场合不得不采用片外晶体振荡器替代。
发明内容
针对上述技术问题，本发明提供了一种环形振荡器及电路实现方法，能够使环形振荡器的输出频率不受电源电压的影响。所述技术方案如下：
本发明实施例提供了一种环形振荡器，包括电流源电路、放大电路、频率修调器以及由反相器连接而成的环形振荡器电路；
所述电流源电路的输出端连接所述放大电路的输入端；
所述放大电路包括第一N型MOS管、第二N型MOS管、第三N型MOS管；
所述第一N型MOS管的栅极、所述第一N型MOS管的漏极与所述第二N型MOS管的栅极并联；
所述第二N型MOS管的漏极与所述第三N型MOS管的栅极并联；
所述第二N型MOS管的源极与所述频率修调器串联；
所述第一N型MOS管的源极、所述第三N型MOS管的源极均连接所述环形振荡器电路的输入端。
作为优选方案，所述电流源电路包括偏置电流源以及电流镜；所述偏置电流源连接所述电流镜并提供偏置电流。
作为优选方案，所述电流镜包括第一P型MOS管、第二P型MOS管、第三P型MOS管、第四P型MOS管；
所述第一P型MOS管、所述第二P型MOS管、所述第三P型MOS管、所述第四P型MOS管的源极均与电源连接；
所述第一P型MOS管、所述第二P型MOS管、所述第三P型MOS管、所述第四P型MOS管的栅极均与所述偏置电流源的正极连接；
所述第一P型MOS管的漏极与所述偏置电流源的正极连接；
所述第二P型MOS管、所述第三P型MOS管、所述第四P型MOS管的漏极均与所述放大电路的输入端连接。
作为优选方案，所述放大电路的输出端连接所述环形振荡器电路的输入端，具体为：
所述环形振荡器电路由奇数个反向器首尾相连而成；
所述环形振荡器电路的输入端与所述第一N型MOS管的源极、所述第三N型MOS管的源极并联连接。
作为优选方案，所述的环形振荡器，还包括输出缓冲器；所述输出缓冲器的输入端与所述环形振荡器电路的输出端连接。
作为优选方案，所述频率修调器为低温度系数的电阻。
作为优选方案，所述频率修调器由正温度系数电阻与负温度系数电阻组合而成。
作为优选方案，所述频率修调器为场效应管。
作为优选方案，所述第一N型MOS管、所述第二N型MOS管、所述第三N型MOS管的宽长比的比例等于所述第二P型MOS管、所述第三P型MOS管、所述第四P型MOS管的宽长比的比例。
为了解决相同的技术问题，本发明实施例提供了一种环形振荡器电路实现方法，包括：
输入电源电压，并通过电流源电路向第一反馈电路提供与所述电源电压无关的偏置电流；
利用第一反馈电路向反相器连接而成的环形振荡器电路提供放大电流；
利用第二反馈电路抑制所述第一反馈电路的电压变化，同时利用第三反馈电路抑制所述环形振荡器电路的输入电压变化。
相比于现有技术，本发明实施例具有如下有益效果：
本发明提供一种环形振荡器及电路实现方法，本方案利用第一反馈电路、第二反馈电路、第三反馈电路稳定环形振荡器电路的输入电压；当所述环形振荡器电路电压变小时，通过所述第一反馈电路增大提供给所述环形振荡器电路的电流，保证所述环形振荡器电路的电压稳定；同时，利用第二反馈电路抑制所述第一反馈电路的电压变化，同时利用第三反馈电路抑制所述环形振荡器电路的输入电压变化，从而使得输出频率与电源电压无关，而且提高所述环形振荡器的抗噪声干扰能力和电源抑制能力。
另外，本发明的具体方案利用电流源电路向放大电路提供与电源电压无关的偏置电流；所述放大电路由第一N型MOS管、第二N型MOS管、第三N型MOS管构成。在第一反馈电路中，当所述环形振荡器电路电压变小时，第一N型MOS管偏置电流不变且源极电压减小，第一N型MOS管和第二N型MOS管的栅极电压均减小，第三N型MOS管的栅极电压增大，从而使得提供给所述环形振荡器电路的电流增大，维持所述环形振荡器电路的电压稳定；而且，第二反馈电路包括第二N型MOS管和频率修调器，第三反馈电路包括第三N型MOS管和所述环形振荡器电路，三个反馈环路能够维持第一N型MOS管的源极电压、第二N型MOS管的源极电压、第三N型MOS管的源极电压、所述环形振荡器电路的输入电压都相等，从而使得输出频率与电源电压无关。
附图说明
图1是本发明实施例中的一种环形振荡器电路实现方法的流程图；
图2是本发明实施例中的一种环形振荡器的电路图；
图3是本发明实施例中的一种环形振荡器的反馈环路示意图。
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。
请参见图1，本发明还提供一种示例性实施例，一种环形振荡器电路实现方法，包括：
S101、输入电源电压，并通过电流源电路向第一反馈电路提供与所述电源电压无关的偏置电流；
S102、利用第一反馈电路向反相器连接而成的环形振荡器电路提供放大电流；
S103、利用第二反馈电路抑制所述第一反馈电路的电压变化，同时利用第三反馈电路抑制所述环形振荡器电路的输入电压变化。
在本方案中，所述利用第一反馈电路向环形振荡器电路提供放大电流，具体为：
所述第一反馈电路包括第一N型MOS管、第二N型MOS管、第三N型MOS管；
在本实施例中，第一反馈电路是提供高增益的负反馈环路；
向所述第一N型MOS管、所述第二N型MOS管、所述第三N型MOS管提供偏置电流；其中，所述第一N型MOS管和所述第二N型MOS管的栅极电压相等；
当所述环形振荡器电路的输入电压变小影响到所述第一N型MOS管和所述第二N型MOS管的栅极和源极的电压减小时，所述第三N型MOS管的栅极电压增大并通过所述第三N型MOS管的源极向所述环形振荡器电路提供放大电流。
可以理解的是，若共奇数个串联成环形振荡器电路的电源电压VDD瞬间变小，第一N型MOS管偏置电流不变，则所述第一N型MOS管的源极电压减小，第一N型MOS管和第二N型MOS管的栅极电压也减小，第三N型MOS管的栅极电压增大，提供给所述环形振荡器电路的反相器的电流增大，从而保证了反相器环的电源电压VDD稳定。
在本方案中，所述利用第二反馈电路抑制所述第一反馈电路的电压变化，具体为：
利用频率修调器抑制第二N型MOS管的源极电压；其中，所述第二反馈电路，通过所述第二N型MOS管的漏极连接第三P型MOS管的漏极、所述第二N型MOS管的源极连接频率修调器，组装而成；可以理解的是，第二反馈电路是带反馈电阻的源跟随器电路；第二N型MOS管的漏端输入阻抗很大，电源电压的变化对电阻R1的电流几乎没有影响，提高了电源抑制能力。
优选地，所述频率修调器为反馈电阻；
当受到干扰而使所述第二N型MOS管的源极电压瞬间减小时，所述第二N型MOS管的栅源电压变大，增大供给反馈电阻的电流。
同理，若反馈电阻受到干扰，正端电压瞬间减小，第二N型MOS管的栅源电压变大，提供给反馈电阻的电流增大，保证了反馈电阻正端电压恢复到稳定值，由此通过反馈调节可以提高抗噪声干扰能力。
在本方案中，利用第三反馈电路抑制所述环形振荡器电路的输入电压变化，具体为：
利用第三N型MOS管增大所述第三反馈电路的输入阻抗。可以理解的是，第三反馈电路是带反馈电阻的源跟随器电路；当电源电压变化时，因为第三N型MOS管的漏极输入阻抗很大，反相器环的电源变化很小，提高了电源抑制能力。
当反相器环的电源减小时，第三N型MOS管的栅源电压增大，提供给反相器环的电流增大，使得反相器环的电源电压维持不变。
本发明提供一种示例性实施例，一种环形振荡器，包括电流源电路、放大电路、频率修调器以及由反相器连接而成的环形振荡器电路；
所述电流源电路的输出端连接所述放大电路的输入端；可以理解的是，所述电流源电路还向所述放大电路提供偏置电流。
所述放大电路的调节端与所述频率修调器串联后接地，同时所述放大电路的输出端连接所述环形振荡器电路的输入端。
本方案提供的第一种优选实施方案是，所述频率修调器为低温度系数的电阻。
本方案提供的第二种优选实施方案是，所述频率修调器由正温度系数电阻与负温度系数电阻组合而成。
本方案提供的第三种优选实施方案是，所述频率修调器为场效应管。
本发明提供一种具体实施方式，所述电流源电路包括偏置电流源以及电流镜；所述偏置电流源连接所述电流镜并提供偏置电流。
具体地，所述电流镜包括第一P型MOS管、第二P型MOS管、第三P型MOS管、第四P型MOS管；
所述第一P型MOS管、所述第二P型MOS管、所述第三P型MOS管、所述第四P型MOS管的源极均与电源连接；可以理解的是，此处的电源指的是正电压电源VCC。
所述第一P型MOS管、所述第二P型MOS管、所述第三P型MOS管、所述第四P型MOS管的栅极均与所述偏置电流源的正极连接；
所述第一P型MOS管的漏极与所述偏置电流源的正极连接；
所述第二P型MOS管、所述第三P型MOS管、所述第四P型MOS管的漏极接入所述放大电路的输入端。
本发明提供二种具体实施方式，所述放大电路至少包括用于稳定所述频率修调器的电压的第一跟随器电路，以及用于稳定所述环形振荡器电路的输入电压的第二跟随器电路。
具体地，所述放大电路包括第一N型MOS管、第二N型MOS管、第三N型MOS管；
所述第一N型MOS管的栅极、所述第一N型MOS管的漏极与所述第二N型MOS管的栅极并联；
所述第二N型MOS管的漏极与所述第三N型MOS管的栅极并联；
所述第二N型MOS管的源极与所述频率修调器串联。
可以理解的是，所述第一N型MOS管和第三N型MOS管的源极为所述放大电路的输出端。
相应地，所述第二P型MOS管、所述第三P型MOS管、所述第四P型MOS管的漏极接入所述放大电路的输入端，具体为：
所述第二P型MOS管的漏极，与所述第一N型MOS管的栅极、所述第一N型MOS管的漏极、所述第二N型MOS管的栅极并联；
所述第三P型MOS管的漏极，与所述第二N型MOS管的漏极、所述第三N型MOS管的栅极并联；
所述第四P型MOS管的漏极与所述第三N型MOS管的漏极相连。
本发明提供三种具体实施方式，所述放大电路的输出端连接所述环形振荡器电路的输入端，具体为：
所述环形振荡器电路由奇数个反向器首尾相连而成；
所述环形振荡器电路的输入端与所述第一N型MOS管的源极、所述第三N型MOS管的源极并联连接。
本发明还提供一种优选实施例，所述环形振荡器，还包括输出缓冲器；所述输出缓冲器的输入端与所述环形振荡器电路的输出端连接。
输出缓冲器，加缓冲器的门电路，抗干扰性能提高10％电源电压。此外，带缓冲器的门电路还有输出波形对称、交流电压增益大、带宽窄、输入电容比较小等优点。
需要说明的是，上述偏置电流源只提供电流偏置，不会影响振荡频率；因此，上述偏置电流源的精度和温度特性要求不高，可以是正温度系数的电流、负温度系数电流或者零温度系数的电流。
请参加图2，本发明提供一种具体实施例，一种环形振荡器，包括四个P型MOS管、三个N型MOS管、一个电阻、一个输出缓冲器、奇数个反相器；所述奇数个反相器首尾连接成振荡环。
第一P型MOS管、第二P型MOS管、第三P型MOS管、第四P型MOS管的源极与电源VCC相连；第一P型MOS管、第二P型MOS管、第三P型MOS管、第四P型MOS管的栅极，与第一P型MOS管的漏极和偏置电流源I1的正极相连，形成电流源电路；
放大电路包括三个N型MOS管；第一N型MOS管的栅极、第一N型MOS管的漏极、第二N型MOS管的栅极、第二P型MOS管的漏极相连；第二N型MOS管的漏极、第三P型MOS管的漏极、第三N型MOS管的栅极相连；第四P型MOS管的漏极、第三N型MOS管的漏极相连；第二N型MOS管的源极与第一电阻的正端相连；
奇数个反向器首尾相连而成环形振荡器电路，其电源与第一N型MOS管的源极、第三N型MOS管的源极相连，环形振荡器电路还包括对应反向器的奇数个负载电容。
偏置电流源I1的负极、第一电阻、奇数个首尾相连反相器的地、输出缓冲器的接地端、奇数个负载电容的负端都连接到地GND；奇数个负载电容的正端分别接每一级反相器的输出；输出缓冲器的电源端与电源VCC相连，输入与奇数个首尾相连方向器的输出相连。
在本实施例中，电路设计简单且电子器件不多，使得所述环形振荡器电路整体结构简单实用、易于搭建且节省成本。
进一步地，对本方案的输出时钟频率分析如下：
因为第二P型MOS管、第三P型MOS管、第四P型MOS管的电流都是从第一P型MOS管的电流镜像而来。假设第二P型MOS管、第三P型MOS管、第四P型MOS管的电流与第一P型MOS管的电流比例关系如下：
Figure BDA0002621455510000091
其中WP1、WP2、WP3、WP4分别是第一P型MOS管、第二P型MOS管、第三P型MOS管、第四P型MOS管的沟道宽度；LP1、LP2、LP3、LP4分别是第一P型MOS管、第二P型MOS管、第三P型MOS管、第四P型MOS管的沟道长度。
因为第一P型MOS管的电流等于偏置电流源I1，所以第二P型MOS管、第三P型MOS管、第四P型MOS管的电流值分别为K4*I1、K3*I1、K2*I1。
工作在饱和区的MOS管的漏极电流表达式为：
Figure BDA0002621455510000092
所以，
Figure BDA0002621455510000093
其中，ID为漏极电流，μ为载流子迁移率，Cox为栅氧化层单位电容，
Figure BDA0002621455510000094
为MOS管的宽长比，VGS为栅源电压，VTH为阈值电压。
因此，可以得到第一N型MOS管、第二N型MOS管、第三N型MOS管的栅源电压分别为：
Figure BDA0002621455510000095
Figure BDA0002621455510000096
Figure BDA0002621455510000101
只需要保证第一N型MOS管、第二N型MOS管、第三N型MOS管的宽长比满足如下比例：
Figure BDA0002621455510000102
就可以得到：
VGSN1＝VGSN2＝VGSN3
即第一N型MOS管、第二N型MOS管、第三N型MOS管的栅源电压相等。因为第一N型MOS管的栅极和第二N型MOS管的栅极连接在一起，所以第一N型MOS管的源极电压和第二N型MOS管的源极电压相等，即第一电阻R1的正端电压和振荡环的电源电压VDD相等。
因此，本方案的一种优选实施方式是，第一N型MOS管、第二N型MOS管、第三N型MOS管的宽长比的比例等于第二P型MOS管、第三P型MOS管、第四P型MOS管的宽长比的比例。
因为器件消耗的功率可以表示为：
Figure BDA0002621455510000103
其中P为功率，V为器件两端电压，I为流过器件的电流，R为器件电阻。
所以，
第一电阻R1消耗的功率为：
Figure BDA0002621455510000104
而振荡环消耗的功率为：
PRING＝VDD(K2+K4)I1＝CVDD 2f
其中，PR1是电阻R1的功耗，PRING是振荡环的功耗，VDD是振荡环的电源电压，C为振荡环每一级反相器的负载电容值，R为电阻R1的阻值，f为振荡频率。
根据上述的PR1和PRING的表达式可以可到：
Figure BDA0002621455510000111
其中，K2、K3、K4为设计中的常数。
从时钟振荡频率表达式可以看出，时钟频率与电源电压无关，与MOS管工艺参数无关，只与电阻R1和反相器环每一级的负载电容C有关。常温下振荡频率与电阻、电容的工艺偏差相关，可以通过修调电阻R1将振荡频率修调至精确的频率值。因为电容的温度系数很小，电阻R1可以使用低温漂电阻或者使用不同温度系数电阻组合，所以本方案可以产生温度系数很低的精确的振荡频率。
请参见图3，在本实施例中，所述第一反馈电路为，包括第一N型MOS管、第二N型MOS管与第三N型MOS管、第二P型MOS管、第三P型MOS管及其连接关系以及由第一反相器INV1～第N反相器INVN共奇数个串联而成的环形振荡器电路构成的反馈环路。
所述第二反馈电路具体为，第三P型MOS管的漏极连接第二N型MOS管的漏极，第二N型MOS管的源极连接电阻R1。
所述第三反馈电路具体为，第四P型MOS管的漏极连接第三N型MOS管的漏极，第三N型MOS管的源极连接所述环形振荡器电路的输入端(即VDD)。
以上所述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，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种环形振荡器，其特征在于，包括电流源电路、放大电路、频率修调器以及由反相器连接而成的环形振荡器电路；
所述电流源电路的输出端连接所述放大电路的输入端；
所述放大电路包括第一N型MOS管、第二N型MOS管、第三N型MOS管；
所述第一N型MOS管的栅极、所述第一N型MOS管的漏极与所述第二N型MOS管的栅极连接；
所述第二N型MOS管的漏极与所述第三N型MOS管的栅极连接；
所述第二N型MOS管的源极与所述频率修调器连接；
所述第一N型MOS管的源极、所述第三N型MOS管的源极均连接所述环形振荡器电路的输入端。
2.如权利要求1所述的环形振荡器，其特征在于，所述电流源电路包括偏置电流源以及电流镜；所述偏置电流源连接所述电流镜并提供偏置电流。
3.如权利要求2所述的环形振荡器，其特征在于，所述电流镜包括第一P型MOS管、第二P型MOS管、第三P型MOS管、第四P型MOS管；
所述第一P型MOS管、所述第二P型MOS管、所述第三P型MOS管、所述第四P型MOS管的源极均与电源连接；
所述第一P型MOS管、所述第二P型MOS管、所述第三P型MOS管、所述第四P型MOS管的栅极均与所述偏置电流源的正极连接；
所述第一P型MOS管的漏极与所述偏置电流源的正极连接；
所述第二P型MOS管的漏极，分别与所述第一N型MOS管的栅极、所述第一N型MOS管的漏极、所述第二N型MOS管的栅极连接；
所述第三P型MOS管的漏极，分别与所述第二N型MOS管的漏极、所述第三N型MOS管的栅极连接；
所述第四P型MOS管的漏极与所述第三N型MOS管的漏极连接。
4.如权利要求1所述的环形振荡器，其特征在于，所述放大电路的输出端连接所述环形振荡器电路的输入端，具体为：
所述环形振荡器电路由奇数个反向器首尾相连而成；
所述环形振荡器电路的输入端与所述第一N型MOS管的源极、所述第三N型MOS管的源极连接。
5.如权利要求1所述的环形振荡器，其特征在于，还包括输出缓冲器；所述输出缓冲器的输入端与所述环形振荡器电路的输出端连接。
6.如权利要求1所述的环形振荡器，其特征在于，所述频率修调器为低温度系数的电阻。
7.如权利要求1所述的环形振荡器，其特征在于，所述频率修调器由正温度系数电阻与负温度系数电阻组合而成。
8.如权利要求1所述的环形振荡器，其特征在于，所述频率修调器为场效应管。
9.如权利要求3所述的环形振荡器，其特征在于，所述第一N型MOS管、所述第二N型MOS管、所述第三N型MOS管的宽长比的比例等于所述第二P型MOS管、所述第三P型MOS管、所述第四P型MOS管的宽长比的比例。
10.一种环形振荡器电路实现方法，其特征在于，包括：
输入电源电压，并通过电流源电路向第一反馈电路提供与所述电源电压无关的偏置电流；
利用第一反馈电路向反相器连接而成的环形振荡器电路提供放大电流；
利用第二反馈电路抑制所述第一反馈电路的电压变化，同时利用第三反馈电路抑制所述环形振荡器电路的输入电压变化。
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