TWI395087B - 與製程－電壓－溫度（ｐｖｔ）無關的電流控制振盪器 - Google Patents

與製程－電壓－溫度（ｐｖｔ）無關的電流控制振盪器 Download PDF

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與製程-電壓-溫度(PVT)無關的電流控制振盪器
本發明係有關於電流控制振盪器(current-controlled oscillator，CCO)，特別係有關於不會受到製程變動(process variation)、供應電壓變動(supply voltage variation)和溫度漂移(temperature deviation)影響的電流控制振盪器。
電流振盪器係為一種電子振盪器，其藉由控制電流而產生振盪頻率。然而，與多數電子元件類似，電流振盪器的效能通常受到多種因素的影響，例如製程變動、供應電壓變動和溫度漂移(合稱為製程-電壓-溫度，文後簡寫為PVT)。第1圖為顯示電流控制振盪器的圖示。在第1圖中，電流控制振盪器10用以產生振盪頻率Fout ，其中振盪頻率Fout 由電流源Ic 所控制。然而，雖然電流控制振盪器10具有固定的電流源Ic ，但其輸出的振盪頻率Fout 還是會受到製程電壓溫度的影響而變動。
第2圖描繪電流控制振盪器的特徵曲線。在第2圖很清楚地顯示，電流控制振盪器10輸出的振盪頻率Fout 與溫度成反比，對於理想的電流控制振盪器而言，上述現象並不樂見。
本發明之一實施例提供一種與製程-電壓-溫度(PVT)無關的電流控制振盪器，包括：製程和電壓控制器、電流控制振盪器以及溫度控制器。電流控制振盪器耦接至製程和電壓控制器，用以輸出振盪頻率。溫度控制器耦接至製程和電壓控制器和電流控制振盪器，用以提供總電流予製程和電壓控制器和電流控制振盪器一同共享，其中若電流控制振盪器因製程變動而使振盪頻率高於既定頻率時，則製程和電壓控制器藉由增加製程和電壓控制器的電流，減少電流控制振盪器的電流，並且若電流控制振盪器因製程變動而使振盪頻率低於既定頻率時，則製程和電壓控制器藉由減少控制器的電流，增加電流控制振盪器的電流，藉此動態地調整上述振盪頻率。
下述實施例用以實現本發明最佳模式。實施例用以說明本發明之一般性概念，並非用以限定本發明，本發明的範圍當視所附之申請專利範圍而定。
第3圖為本發明之一實施例，其描繪與製程電壓溫度無關的一種電流控制振盪器30。與製程電壓溫度無關的電流控制振盪器30包括溫度控制器31(文後簡寫為T-控制器31)、製程和電壓控制器32(文後簡寫為PV-控制器32)以及電流控制振盪器10。T-控制器31除了提供電壓VN1 至PV-控制器32，也提供電流IM6 給PV-控制器32和電流控制振盪器10一同共享。此外，T-控制器31用以避免電流控制振盪器10受到溫度漂移的影響，且PV-控制器32用以避免電流控制振盪器10受到製程和供應電壓變動的影響，因此使得電流控制振盪器10輸出的振盪頻率Fout 能夠不被製程變動、供應電壓變動和溫度飄移影響。
第4圖所示之電路圖係為本發明中T-控制器之一實施例。T-控制器31包括能帶隙參考電路(bandgap circuit)310、第一調節器電路312、PMOS電晶體對314以及第二調節器電路316。能帶隙參考電路310產生不被PVT影響的第一能帶隙參考電壓VN1 、反比於溫度的第二能帶隙參考電壓VN4 (溫度越高，第二能帶隙參考電壓VN4 越低)以及能帶隙參考電流IN1 。第一調節器電路312包括運算大器、PMOS電晶體M2 ，以及電阻器R1 。運算放大器具有第一輸入端、第二輸入端，以及輸出端。第一輸入端接收第二能帶隙參考電壓VN4 。第二輸入端耦接至電阻器R1 的一端和PMOS電晶體M2 的汲極。運算放大器的輸出端耦接至PMOS電晶體M2 的閘極。PMOS電晶體M2 的源極耦接至電源供應端。電阻器R1 的另一端耦接至接地端。PMOS電晶體對314具有PMOS電晶體M4 和PMOS電晶體M3 。PMOS電晶體M4 具有閘極耦接至能帶隙參考電路310之PMOS電晶體M1 的閘極，PMOS電晶體M4 的源極耦接至電源供應端，以及汲極。PMOS電晶體M3 具有閘極耦接至第一調節器電路312之PMOS電晶體M2 的閘極，PMOS電晶體M3 的源極耦接至電源供應端，以及汲極耦接至PMOS電晶體M4 的汲極。第二調節器電路316包括電阻器R2 、運算放大器、PMOS電晶體M5 、PMOS電晶體M6 ，以及外部的電阻器Rext 。電阻器R2 具有第一端耦接至PMOS電晶體對314，以及第二端耦接至接地端。運算放大器具有第一輸入端耦接至電阻器R2 的第一端、第二輸入端，以及輸出端。PMOS電晶體M5 具有閘極耦接至運算放大器的輸出端、源極耦接至電源供應端，以及汲極耦接至運算放大器的第二輸入端。PMOS電晶體M6 具有閘極耦接至PMOS電晶體M5 的閘極、源極耦接至電源供應端，以及汲極耦接至電流控制振盪器10和PV-控制器32。高精度之外部的電阻器Rext 耦接於PMOS電晶體M5 的汲極和接地端之間。
在能帶隙參考電路310中，若電壓VN2 等於第二能帶隙參考電壓VN4 ，則應滿足下列方程式：
IMA ‧RA +VEB1 =VEB2
因此，
IMA ‧RA =VEB1 -VEB2
其中，
所以，
IMA ‧RA =VT ln(n)。
根據上述推導，若三個MOS電晶體MA 、MB 和M1 均相同，則：
其中，能帶隙參考電流IN1 為(VT ln(n)/RA )，且與溫度成正比。因為PMOS電晶體M1 的閘極連接於PMOS電晶體M4 的閘極，且PMOS電晶體M1 的源極連接於PMOS電晶體M4 的源極，所以PMOS電晶體M4 上的電流IM4 是能帶隙參考電流IN1 之鏡射電流。鏡射的電流IM4 不一定等於能帶隙參考電流IN1 ，需視PMOS電晶體M1 和M4 的寬長比(length-to-width ratio)而定。在此處，因為能帶隙參考電流IN1 與溫度成正比，所以電流IM4 亦與溫度成正比。此外，第一調節器電路312接收第二能帶隙參考電壓VN4 並產生調節器電流IR1 ，其中調節器電流IR1 等於第二能帶隙參考電壓VN4 除以電阻器R1 (即VN4 /R1 )。因為PMOS電晶體M2 的閘極連接於PMOS電晶體M3 的閘極，且PMOS電晶體M2 的源極亦連接於PMOS電晶體M3 的源極，所以PMOS電晶體M3 上的電流IM3 是調節器電流IR1 的鏡射電流。鏡射的電流IM3 不一定等於調節器電流IR1 ，需視PMOS電晶體M2 和M3 的寬長比而定。在此處，因為第二能帶隙參考電壓VN4 與溫度成反比，所以電流IM3 亦與溫度成反比。電流IM3 和IM4 形成一暫時總電流Itemp 。暫時總電流Itemp 用以補償電流控制振盪器10之非理想的溫度效應。舉例而言，藉由合適地選擇電阻器R1 的數值，當電流控制振盪器10的振盪頻率隨著溫度增加而減少時(如第2圖所示)，暫時總電流Itemp 會隨之增加，因此能夠提供更大的電流IM6 至電流控制振盪器10(原因如後詳述)。因為提供了更大的電流，所以電流控制振盪器10的振盪頻率也更高，溫度飄移造成的共振頻率的降低藉此得到補償。
然而，由於電阻器的公差(tolerance)(電阻器的公差可能高達20%)，暫時總電流Itemp 可能隨之變動。有鑒於此，故在第二調節器電路316中使用高精度的外部的電阻器Rext ，如下所述。
第二調節器電路316由PMOS電晶體對314接收暫時總電流Itemp ，並在運算放大器的輸入端產生電壓VR2 。因此，在外部的電阻器Rext 上會產生等於電壓VR2 的電壓VRext 。因為外部的電阻器Rext 為高精度的電阻器(high-precision resistor)，具有極小的誤差，所以在外部的電阻器Rext 上的電流IRext 的變動也很小。此外，因為PMOS電晶體M5 的閘極亦連接於PMOS電晶體M6 的閘極，且PMOS電晶體M5 的源極亦連接於PMOS電晶體M6 的源極，所以PMOS電晶體M6 上的電流IM6 是電流IRext 的鏡射電流。鏡射的電流IM6 不一定等於電流IRext ，需視PMOS電晶體M5 和M6 的寬長比而定。電流IM6 是最終輸出的輸出電流，並且由電流控制振盪器10與PV-控制器32一同共享。
目前為止已經說明T-控制器31如何避免受到溫度漂移的影響。接下來的實施例將說明PV-控制器32如何避免受到製程和供應電壓變動的影響。
第5A圖所示之電路圖為本發明中PV-控制器之一實施例。PV控制器32包括第三調節器電路320和調整電路322。第三調節器電路320包括運算放大器、PMOS電晶體，以及電阻器R3 。運算放大器具有第一輸入端以接收第一能帶隙參考電壓VN1 、第二輸入端，以及輸出端。PMOS電晶體具有閘極耦接至運算放大器的輸出、源極耦接至電源供應端，以及汲極耦接至運算放大器的第二輸入端。電阻器R3 耦接於PMOS電晶體的汲極與接地端間。如第5A圖所示，調整電路322包括PMOS電晶體M7 、NMOS電晶體M8 ，以及電流鏡。PMOS電晶體M7 具有源極耦接至第一能帶隙參考電壓VN1 ，以及閘極耦接至電阻器R3 。電流鏡耦接至PMOS電晶體M7 。NMOS電晶體M8 具有汲極耦接至電流IM6 流經的節點NX 、閘極耦接至電阻器R3 ，以及源極耦接至接地端。
調整電路322的元件需視電流控制振盪器10內元件的形式而定。具體而言，電流控制振盪器10可能僅包括PMOS或NMOS電晶體，或同時包括PMOS和NMOS電晶體。如第5B圖所示，若電流控制振盪器10僅包括PMOS電晶體，則調整電路322必須包括相應的PMOS電晶體M7。如第5C圖所示，若電流控制振盪器10僅包括NMOS電晶體，則調整電路322必須包括相應的NMOS電晶體M8 。如第5A圖所示，類似地，若電流控制振盪器10同時包括PMOS和NMOS電晶體，則調整電路322必須同時包括相應的PMOS和NMOS電晶體M7 和M8 。參考第5A圖，PV-控制器32接受由T-控制器31提供的第一能帶隙參考電壓VN1 。因為第一能帶隙參考電壓VN1 不會被PVT和電阻器公差所影響，所以第一能帶隙參考電壓VN1 除以電阻器R3 也不會被PVT和公差所影響。這提供了穩定的電壓差於PMOS電晶體M7 的閘極和源極間(即VSG )。因此，PMOS電晶體M7 上的電流IM7 便不會受到供應電源變動的影響(若PMOS電晶體M7 連接至作為供應電源的一個供應電壓，則PMOS電晶體M7 上的電流會受到供應電壓變動的影響)。根據相同的原理，介於NMOS電晶體M8 閘極和源極間的電壓差(即VGS )也是穩定的。
因此，上述即為PV-控制器32如何避免電流控制振盪器10受到供應電壓變動的影響。接著的實施例將說明PV-控制器32如何避免電流控制振盪器32受到製程變動的影響。考慮以下公式：
對PMOS電晶體M7 而言，
對NMOS電晶體M8 而言，
根據第5A圖的電路，PMOS和NMOS電晶體M7 和M8 的閘源電壓(VGS )不會被PVT和電阻器公差所影響。因此，電流IM7 和IM8 與其臨界電壓(VTH )有關。臨界電壓的大小與MOS電晶體的製程變動有關。當製程邊界F(corner=F)的製程變動造成電流控制振盪器10的振盪頻率高於既定頻率(頻率變動)時，電流IM7 /IM8 也會比較大。這是因為製程邊界F的製程變動代表臨界電壓VTH 比較小，而比較小的臨界電壓VTH 造成比較大的電流IM7 /IM8 ，其中電流IM7 /IM8 是由電流IM6 的分支電流。由於由電流IM6 分支出來的電流IM7 /IM8 比較大，提供至電流控制振盪器10的電流也比較小，因而降低電流控制振盪器10的振盪頻率。因為PV-控制器32和電流控制振盪器10均使用同型的MOS電晶體(P型或N型電晶體)，所以在PV-控制器32和電流控制振盪器10內電晶體的製程變動也都是在製程邊界F。上述即為PV-控制器32如何避免電流控制振盪器32受到製程變動之影響的說明。
雖然本發明以較佳實施例揭露如上，但並非用以限制本發明。相對地，習知技藝者應能知悉能夠將本發明的概念延伸推廣至多種變型與相似的設置。因此，申請專利範圍的範疇應以本發明之多種變型與相似的設置為考量依據。
10‧‧‧電流控制振盪器
Fout ‧‧‧振盪頻率
VDD ‧‧‧供應電壓
Ic ‧‧‧電流源
30‧‧‧電流控制振盪器
31‧‧‧T-控制器
32‧‧‧PV-控制器
NX ‧‧‧節點
VN1 、VN2 、VN4 、VR2 、VRext ‧‧‧電壓
IM6 、IMA 、IN1 、IM3 、IM4 、IR1 、IM6 、IM7 、IM8 、IRext ‧‧‧電流
RA 、RB 、R1 、R2 、R3 、Rext ‧‧‧電阻器
310‧‧‧能帶隙參考電路
312‧‧‧第一調節器電路
314‧‧‧PMOS對
316‧‧‧第二調節器電路
320‧‧‧第三調節器電路
322‧‧‧調整電路
Q1 、Q2 、Q3 、MA 、MB 、M1 -M8 ‧‧‧電晶體
本發明能夠以實施例伴隨所附圖式而被理解，其中：第1圖為電流控制振盪器的圖示；第2圖為電流控制振盪器的特徵曲線；第3圖為本發明實施例之與製程-電壓-溫度(PVT)無關的電流控制振盪器；第4圖為本發明實施例之溫度控制器(T-控制器)的電路圖；第5A圖為本發明實施例之製程和電壓控制器(PV-控制器)的完整電路圖；第5B圖為本發明實施例部份之PV-控制器的部份電路圖；第5C圖為本發明另一實施例部份之PV-控制器的部份電路圖。
10．．．電流控制振盪器
Fout ．．．振盪頻率
30．．．電流控制振盪器
31．．．T-控制器
32．．．PV-控制器
VN1 ．．．電壓
IM6 ．．．電流

Claims (9)

  1. 一種與製程-電壓-溫度(PVT)無關的電流控制振盪器，包括：一製程和電壓控制器，根據製程以及電壓而改變流經上述製程和電壓控制器的電流；一電流控制振盪器，耦接至上述製程和電壓控制器，用以輸出一振盪頻率；以及一溫度控制器，耦接至上述製程和電壓控制器和上述電流控制振盪器，用以提供一總電流予上述製程和電壓控制器和上述電流控制振盪器一同共享，並且根據溫度而改變流經上述溫度控制器的電流，其中若上述電流控制振盪器因一製程變動而使上述振盪頻率高於一既定頻率時，則上述製程和電壓控制器藉由增加上述製程和電壓控制器的電流，減少上述電流控制振盪器的電流，並且若上述電流控制振盪器因上述製程變動而使上述振盪頻率低於上述既定頻率時，則上述製程和電壓控制器藉由減少上述製程和電壓控制器的電流，增加上述電流控制振盪器的電流，藉此動態地調整上述振盪頻率。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之與製程-電壓-溫度(PVT)無關的電流控制振盪器，其中上述溫度控制器包括：一能帶隙參考電路，用以產生一第一能帶隙參考電壓、一第二能帶隙參考電壓以及一能帶隙參考電流，其中上述第一能帶隙參考電壓用以產生上述能帶隙參考電流；一第一調節器電路，用以根據上述第二能帶隙參考電 壓而產生一調節器電流；一PMOS電晶體對，用以根據上述調節器電流和上述能帶隙參考電流而產生一暫時總電流；以及一第二調節器電路，用以根據上述暫時總電流而產生上述總電流。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之與製程-電壓-溫度(PVT)無關的電流控制振盪器，其中上述製程和電壓控制器包括：一第三調節器電路，用以接受上述第一能帶隙參考電壓，並將上述第一能帶隙參考電壓分成一分壓；以及一調整電路，耦接至上述第三調節器電路，用以接收上述總電流，並根據上述分壓而調整上述製程和電壓控制器由上述總電流所分享到的電流大小。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之與製程-電壓-溫度(PVT)無關的電流控制振盪器，其中當上述電流控制振盪器係由PMOS電晶體所構成時，上述調整電路包括：一第一PMOS電晶體，具有一源極耦接至上述第一能帶隙參考電壓，以及一閘極耦接至上述分壓；以及一電流鏡，耦接至上述第一PMOS電晶體，其中當上述第一PMOS電晶體的電流增加時，上述製程和電壓控制器由上述總電流所分享到的電流大小也增加；並且當上述第一PMOS電晶體的電流減少時，上述製程和電壓控制器由上述總電流所分享到的電流大小也減少。
  5. 如申請專利範圍第3項所述之與製程-電壓-溫度 (PVT)無關的電流控制振盪器，其中當上述電流控制振盪器係由NMOS電晶體所構成時，上述調整電路包括：一第一NMOS電晶體，具有一汲極耦接至上述總電流、一閘極耦接至上述分壓，以及一源極耦接至一接地端，其中當上述第一NMOS電晶體的電流增加時，上述製程和電壓控制器由上述總電流所分享到的電流大小也增加；並且當上述第一NMOS電晶體的電流減少時，上述製程和電壓控制器由上述總電流所分享到的電流大小也減少。
  6. 如申請專利範圍第3項所述之與製程-電壓-溫度(PVT)無關的電流控制振盪器，其中第三調節器電路包括：一運算放大器，具有一第一輸入端用以接收上述第一能帶隙參考電壓、一第二輸入端，以及一輸出端；一PMOS電晶體具有一閘極耦接至上述運算放大器的上述輸出端、一源極耦接至一電源供應端，以及一汲極耦接至上述第二輸入端；以及一電阻器耦接於上述PMOS電晶體的汲極與一接地端間。
  7. 如申請專利範圍第2項所述之與製程-電壓-溫度(PVT)無關的電流控制振盪器，其中上述第一調節器電路包括：一運算放大器，具有一第一輸入端用以接收上述第二能帶隙參考電壓、一第二輸入端，以及一輸出端；一PMOS電晶體具有一閘極耦接至上述運算放大器的 上述輸出端、一源極耦接至一電源供應端，以及一汲極耦接至上述第二輸入端；以及一電阻器耦接於上述PMOS電晶體的汲極與一接地端間，其中上述第一調節器電流的大小等於上述第二能帶隙參考電壓除以上述電阻器的電阻值。
  8. 如申請專利範圍第2項所述之與製程-電壓-溫度(PVT)無關的電流控制振盪器，其中上述PMOS電晶體對包括：一第一PMOS電晶體，具有一第一閘極耦接至上述能帶隙參考電路、一第一源極耦接至一電源供應端，以及一第一汲極；以及一第二PMOS電晶體，具有一第二閘極耦接至上述第一調節器電路、一第二源極耦接至上述電源供應端，以及一第二汲極耦接至上述第一汲極。
  9. 如申請專利範圍第2項所述之與製程-電壓-溫度(PVT)無關的電流控制振盪器，其中上述第二調節器電路包括：一電阻器，具有一第一端耦接至上述PMOS電晶體對，以及一第二端耦接至一接地端；一運算放大器，具有一第一輸入端耦接至上述電阻器的上述第一端、一第二輸入端，以及一輸出端；一第一PMOS電晶體，具有一第一閘極耦接至上述輸出端、一第一源極耦接至一電源供應端，以及一第一汲極耦接至上述第二輸入端； 一第二PMOS電晶體，用以提供上述總電流，具有一第二閘極耦接至上述第一閘極、一第二源極耦接至上述電源供應端，以及一第二汲極耦接至上述電流控制振盪器和上述製程和電壓控制器；以及一高精度的電阻器，耦接於上述第一汲極和上述接地端間。
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