環形振蕩電路的製作方法
2023-04-30 21:21:46
專利名稱：環形振蕩電路的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種環形振蕩電路，且特別涉及一種低功耗高精度且振蕩頻率 不隨電源電壓變化有關的環形振蕩電路。
背景技術：
眾所周知，在集成電路中經常用到RC環形振蕩電路結構產生周期性脈衝， 該結構由奇數個反相器首尾相連形成一個環。 圖1所示為環形振蕩電路的基本形式。
5個反相器INV1 INV5首尾相連，形成一個環。VDD為該環形振蕩電路的 電源電壓。
由於電路沒有穩定的工作點，因此形成振蕩。反相器的傳輸延時為tp，輸出
由低到高的傳輸延遲為tpLH,輸出由高到低的傳輸延遲為tpHL,上升時間為tr， 下降時間為tf。振蕩成立的條件是2Nt,〉tr+tf,若此條件不能滿足，前一波形將
與緊接著的後一波形相重疊，最終衰減振蕩。
振蕩周期由信號穿過整個環路的傳輸延時決定，振蕩周期為T = 2xtp><N， 其中N為環路內反相器的個數。反相器的傳輸延時tp可以表示為 tp 1/2 x (tpLH+tpHL)=CL/VDD x (l/kp+l/kn); (式1)
其中
tPLH CL/(kpVDD); tpLH CL/(knVDD);
kn- " nC。xWn/Ln，
p，
VoD為電源電壓，Pn、 ILlp為栽流子遷移率，C。x為柵氧電容，WVU為反相
器的NMOS寬長比，Wp/Lp為反相器的PMOS寬長比，C^為反相器的負載電容， 包括反相器本身的寄生電容，連線電容和扇出負栽電容。振蕩頻率可以通過改變反相器的個數和反相器延遲時間的大小來控制。從 式l可知，調節Cp VDD、 kn和kp都可以改變延遲時間，因此，要振蕩器的振
蕩頻率不隨電源電壓VDD變化的，這種結構是無法達到的。
圖2所示為先前技術中利用電源穩壓模塊實現振蕩頻率不隨電源電壓變化 的振蕩器。要實現振蕩器的振蕩頻率不隨電源電壓VDD變化，簡單的方法是增 加電源穩壓模塊201。電源穩壓模塊201連接至電源電壓VDD,電源穩壓模塊 201內部包括穩壓電路。電源穩壓模塊201輸出穩壓電源V:N驅動圖1所示的振 蕩器結構。
然而，由於增加電源穩壓模塊，雖然達到了振蕩頻率不隨電源電壓VDD變 化的目的，但帶來多餘的功耗，因此，此種結構不適合應用於低功耗要求較高 的產品。
發明內容
本發明提出一種環形振蕩電路，具有高精度，低功耗，而且振蕩頻率不隨 電源電壓VDD變化的特點。
為了達到上述目的，本發明提出一種環形振蕩電路，包括奇數個反相器、 電容和第一電容放電電路。奇數個反相器串聯，上述這些反相器均耦接電源電 壓。電容的第一端耦接上述這些反相器的首尾，第二端接地。第一電容放電電 路耦接上述電容的上述第一端，用以控制上述電容的力文電時間。 可選的，其中上述第一電容放電電路包括耗盡型MOS管。 可選的，其中上述耗盡型MOS管為耗盡型PMOS管或者耗盡型NMOS管。 可選的，其中上述第一電容放電電路還包括正溫度係數的電阻，其一端耦 合上述耗盡型MOS管，另一端接地，用於控制上述電容的放電電流的穩定。 可選的，環形振蕩電路還包括第二電容放電電路，其耦接上述電容和接地端。
可選的，其中第二電容放電電路包括耗盡型MOS管。 可選的，其中上述耗盡型MOS管為耗盡型PMOS管或者耗盡型NMOS管。 可選的，環形振落電路還包括電容充電電路，其耦接上述電源電壓、上述 電容和上述這些反相器的一端，用以控制上述電容的充電時間。可選的，其中電容充電電路包括增強型MOS管。
可選的，其中上述增強型MOS管為增強型PMOS管或者增強型NMOS管。 可選的，環形振蕩電路還包括增強型MOS管耦接上述電源電壓、上述電容 的上述第一端和上述反相器的一端。
可選的，其中上述增強型MOS管為增強型PMOS管或者增強型NMOS管。 本發明提出的環形振蕩電路，使用耗盡型MOS管控制電容的放電時間不受 電源電壓的影響，進而控制整個振蕩電路的延遲時間，從而使得振蕩頻率不受 電源電壓的影響。本發明的環形振蕩電路中還包括正溫度係數的電阻，使耗盡 型MOS管的電流不隨溫度變化，整個環形振蕩電路具有良好的溫度特性。通過 減少環形振蕩電路中的MOS管電流，即可減小整個環形振蕩電路的功耗。本發 明提出的環形振蕩電路還具有結構簡單、面積小的特點，能夠很好地應用在集 成電路生產中。
圖1所示為環形振蕩電路的基本形式。
圖2所示為先前技術中利用電源穩壓模塊實現振蕩頻率不隨電源電壓變化 的振蕩器。
圖3為本發明較佳實施例的環形振蕩電路的原理示意圖。
具體實施例方式
為了更了解本發明的技術內容，特舉具體實施例並配合所附圖式說明如下。
圖3為本發明較佳實施例的環形振蕩電路的原理示意圖。
請參見圖3所示，這是本發明一較佳實施例的低功耗高精度，振蕩頻率不
隨電源電壓變化的環形振蕩電路的電原理圖。本實施例揭露的環形振蕩電路中
包括電容充電電路、笫一電容放電電路、第二電容放電電路、電容C1，電阻R1
以及反相器INV1、 INV2、 INV3。
本實施例中的電容充電電路包括增強型PMOS管Pl;第一電容放電電路包
括耗盡型NMOS管Dl;第二電容放電電路包括耗盡型NMOS管D2。
增強型PMOS管Pl、 P2,耗盡型NMOS管Dl、 D2,電容C1，電阻R1以及反相器INV1、 INV2、 INV3。
增強型PM0S管P1、 P2的源端和襯底連接電源電壓VDD，增強型PMOS 管Pl的漏端在VA處連接Dl的漏端、增強型PMOS管P2的柵端以及電容Cl 的正極板。耗盡型NMOS管Dl的柵端在VD處連接Dl的源端、電阻Rl的一 端。電阻R1另一端接地，電容C1的負極板接地，耗盡型NMOS管Dl的襯底 接地。增強型PMOS管P2的漏端在VB處連接耗盡型NMOS管D2的漏端、反 相器INV1輸入端。耗盡型NMOS管D2的柵端、源端、襯底接地。
反相器INV1輸出端在VE處接反相器INV2的輸入端。反相器INV2輸出 端在OSCOUT處接反相器INV3輸入端。反相器INV3輸出端在VC處接Pl的
柳端o
本發明的工作原理為
既然振蕩結構是環形振蕩電路，振蕩頻率由反相器的個數和反相器延遲時 間決定。當反相器的個數一定，那麼振蕩頻率必然跟環路的延遲時間有關係。 如果電容充放電的時間遠遠大於環路的延遲時間，振蕩頻率就可以近似的認為 只與電容充;^文電時的時間有關。
由以上分析，才艮據電容充放電公式
Q=I x dt=C x dv (式2 )
其中Q為電容電荷量，I為電容充放電電流，dt為充電時間，C為電容值， dv為電容電壓值， 有式2易知
T=(C/I) x av (式3) 其中T為充電放電時間，AV為電容電壓變化量，如果C、 I以及AV均不 變，T也不變。
實現振蕩頻率不隨電源電壓VDD變化，就必須保證C、 I以及AV為定值。
如圖3中，電容C1是可以確定的，設定電容C1充放電時間遠遠大於環路 延遲時，電路的振蕩頻率由電容C1的充放電的時間決定。
電容C1的放電時間是由耗盡型NMOS管Dl與電阻R1決定，此時耗盡型 NMOS管Dl工作在飽和區，耗盡型NMOS管Dl的電流
Idl=l/2 ju nCox(W/L)dl(Vgsdl-Vthdl)2=l/2 unCox(W/L)dl(Vthdl)2 式4其中，1^為載流子遷移率，Cox為柵氧電容，(W/L)dl為Dl管寬長比，Vthdl 為Dl管閾值電壓，其值為負電壓值。如果工藝確定，即耗儘管Dl的閾值Vthdl 確定，Idl電流不隨電源電壓VDD變化。如果電阻R1為零，放電電流完全由 Idl決定，故得電容C1的放電電流不隨電源電壓VDD變化。但是，(Vthdlf隨 溫度呈正溫度特性，即溫度越高，(Vthdlf越大，導致Idl隨溫度升高而變大， 從而電容》文電時間變快。
電阻R1接在D1管的源端，造成D1管的源端電壓為正電壓值，即源端與 襯底端電壓VsB為正電壓值，起到減小(Vthdlf目的，若電阻R1是正溫度係數， 則溫度越高，Vsb越大，(Vthdl)M目應減小，所以選擇適當的電阻Rl,能夠得到 (Vthdlf不隨溫度變化，從而Idl也不隨溫度變化，故得電容C1的放電電流不 隨溫度變4匕。
電容Cl的充電時間是由增強型PMOS管Pl決定，如果增強型PMOS管 Pl的寬長比較大，導通電阻較小，那麼充電電流很大，電容C1的充電時間4艮 短，相對電容C1的i文電時間，充電時間可以忽略。
電容C1兩端電壓變化量A V是由增強型PMOS管P2閾值電壓Vthp2決定， 因為當VA電壓值為VDD時，增強型PMOS管P2完全關閉，VB電壓被耗盡型 NMOS管D2下拉至零伏，經過三級反相器INV1、 INV2、 INV3。 VC為高電平， 增強型PMOS管Pl關閉，VA處電容C1通過D1、 Rl;改電，當放電至電壓VA =VDD-Vthp2時，增強型PMOS管P2開啟，VB電壓升高，VE翻轉為零。經 過兩級反相器INV2、 INV3後VC為零，增強型PMOS管Pl導通，VA處電容 Cl通過增強型PMOS管Pl充電，快速充電至VDD，將增強型PMOS管P2關 閉，從而形成振蕩。
耗盡型NMOS管Dl,增強型PMOS管Pl,耗盡型麗OS管D2，增強型 PMOS管P2支路的電流主要由耗盡型NMOS管Dl ,耗盡型NMOS管D2決定， 耗盡型NMOS管Dl，耗盡型NMOS管D2電流由其閾值電壓決定，根據式4， 選定合適的W/L，可以得到很小的耜盡型NMOS管Dl,耗盡型NMOS管D2 電流，整個電路的功耗可以控制在幾個微安，實現低功耗。
上述實施例僅說明本發明之用，而非對本發明的限制，相關技術領域的技 術人員，在不脫離本發明的精神和範圍的情況下，還可以做出各種變換或變化，比如將增強型PMOS管換成增強型NMOS管，耗盡型NMOS管換成耗盡型 PMOS管等，因此所有等同的技術方案也應該屬於本發明的範疇。
綜上所述，本發明環形振蕩電路振蕩頻率不隨電源電壓變化。振蕩頻率由 耗盡型NMOS管Dl電流及電容C1決定，振蕩頻率精度高。功耗由耗盡型NMOS 管D1、 D2的電流決定，能夠控制在幾個微安。正溫度係數電阻Rl對產生電流 的耗盡型NMOS管Dl進行溫度補償，確保溫度特性很好。結構簡單，面積小， 有利於集成電路生產。
雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明。本發明 所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作各 種的更動與潤飾。因此，本發明的保護範圍當視權利要求書所界定者為準。
權利要求
1.一種環形振蕩電路，其特徵是，包括奇數個反相器串聯，上述這些反相器均耦接電源電壓；電容，其第一端耦接上述這些反相器的首尾，第二端接地；以及第一電容放電電路，耦接上述電容的上述第一端，用以控制上述電容的放電時間。
2. 根據權利要求1所述的環形振蕩電路，其特徵是，其中上述第一電容放 電電路包括耗盡型MOS管。
3. 根據權利要求2所述的環形振蕩電路，其特徵是，其中上述耗盡型MOS 管為耗盡型PMOS管或者耗盡型NMOS管。
4. 根據權利要求2所述的環形振蕩電路，其特徵是，其中上述第一電容放 電電路還包括正溫度係數的電阻，其一端耦合上述耗盡型MOS管，另一端接地， 用於控制上述電容的放電電流的穩定。
5. 根據權利要求1所述的環形振蕩電路，其特徵是，還包括第二電容放電 電路，其耦接上述電容和接地端。
6. 根據權利要求5所述的環形振蕩電路，其特徵是，其中第二電容放電電 路包括耗盡型MOS管。
7. 根據權利要求6所述的環形振蕩電路，其特徵是，其中上述耗盡型MOS 管為耗盡型PMOS管或者耗盡型NMOS管。
8. 根據權利要求1所述的環形振蕩電路，其特徵是，還包括電容充電電路, 其耦接上述電源電壓、上述電容和上述it些反相器的一端，用以控制上述電容 的充電時間。
9. 根據權利要求8所述的環形振蕩電路，其特徵是，其中電容充電電路包 括增強型MOS管。
10. 根據權利要求1所述的環形振蕩電路，其特徵是，還包括增強型MOS 管耦接上述電源電壓、上述電容的上述第一端和上述反相器的一端。
全文摘要
本發明提出一種環形振蕩電路，包括奇數個反相器、電容和第一電容放電電路。奇數個反相器串聯，該些反相器均耦接電源電壓。電容的第一端耦接該些反相器的首尾，第二端接地。第一電容放電電路耦接該電容的該第一端，用以控制該電容的放電時間。本發明所揭露的環形振蕩電路，具有高精度、低功耗、而且振蕩頻率不隨電源電壓變化的特點。
文檔編號H03K3/03GK101409541SQ20081020289
公開日2009年4月15日 申請日期2008年11月18日 優先權日2008年11月18日
發明者宇 莊, 鵬 羅 申請人:上海貝嶺矽創微電子有限公司