具有工藝及溫度補償的環形振蕩器的製作方法

2023-05-25 17:37:16 1

本發明屬于振蕩器領域。
背景技術：
：振蕩器簡單的說就是一個頻率源，不需要外接信號激勵、自身就可以將直流電能轉化為交流電能。振蕩器自其誕生至今一直在通信、電子、航海航空、醫學裝備以及儀器儀表領域扮演著重要角色。振蕩器按其振蕩方式可分為自激振蕩器和它激振蕩器；按其輸出波形的種類可以分為正弦波、方波、鋸齒波等振蕩器；按照其拓撲結構分為三種類型：環形振蕩器、遲滯振蕩器和LC振蕩器。近年以來，對於採用CMOS工藝的振蕩器的研究主要集中在LC振蕩器和環形振蕩器，其中LC振蕩器的噪聲性能要優於環形振蕩器而主要用於射頻電路中，但是對於普通的集成電路設計來說大面積的電感增大了集成的難度。環形振蕩器的結構相對簡單更有利於集成，通過調整環形振蕩器的級數可以有效的獲得一系列不同相位信號的輸出而應用於許多集成電路晶片的設計。但是，環形振蕩器的振蕩頻率受工藝參數和溫度的影響很大，對電路的穩定性造成了很大的影響。技術實現要素：本發明目的是為了解決現有技術中環形振蕩器的環振頻率受工藝參數以及溫度變化影響的問題。提供了一種具有工藝及溫度補償的環形振蕩器。本發明所述具有工藝及溫度補償的環形振蕩器，包括延遲單元、溫度補償模塊和工藝補償模塊；所述的延遲單元包括奇數個以電容作負載的反相器；所述的溫度補償模塊的主體電路為二階溫度補償的帶隙基準電流源，產生基本與溫度無關的供電電流I_pow提供給延遲單元，使得其振蕩頻率基本不受溫度變化的影響；所述的工藝補償模塊採用二極體連接的MOS管產生與工藝同步變化的電壓通過LDO將其反映到延遲單元的供電電壓ULdo_out上，來進行工藝補償。溫度補償模塊的優選方案如圖3所示，溫度補償模塊包括運放AMP2、PMOS管M10、NMOS管M11、PMOS管M12、PMOS管M13、PMOS管M14、PMOS管M15、PNP三極體P0、PNP三極體P1、PNP三極體P2、電阻R0、電阻R1、電阻R2、電阻R3、電阻R4和電解電容C6；供電電壓ULdo_out同時連接運放AMP2的供電端子、PMOS管M10的源極、PMOS管M12的源極、PMOS管M13的源極、PMOS管M14的源極和PMOS管M15的源極；運放AMP2的同相輸入端接入的V2和反相輸入端接入的V1的電壓相等；運放AMP2的輸出端Vc1連接NMOS管M11的柵極，NMOS管M11的漏極同時連接PMOS管M10的漏極及其柵極；NMOS管M11的源極接地；PMOS管M12的柵極同時連接PMOS管M13的柵極、PMOS管M14的柵極和PMOS管M15的柵極；PMOS管M12的漏極同時連接電阻R0的一端、電阻R1的一端和電阻R4的一端；PMOS管M13的漏極同時連接電阻R3的一端、電阻R2的一端和PNP三極體P1的發射極；電阻R0的另一端連接PNP三極體P0的發射極，電阻R1的另一端同時連接PNP三極體P0的集電極、PNP三極體P1的集電極和電阻R2的另一端，PNP三極體P0的基極連接PNP三極體P1的基極，並接地；PMOS管M14的漏極同時連接電阻R3的另一端、電阻R4的另一端和PNP三極體P2的發射極，PNP三極體P2的基極及其集電極同時連接電解電容C6的負極，並接地；PMOS管M15的漏極和電解電容C6的正極連接，其連接點引出線作為供電電流I_pow的引出端。其中：電阻R1和電阻R2的阻值相等；電阻R3和電阻R4的阻值相等。其中：PNP三極體P0和PNP三極體P2的發射極面積相等，PNP三極體P0的發射極面積為PNP三極體P1的發射極面積的8倍。工藝補償模塊的優選方案如圖4所示，工藝補償模塊包括帶隙基準源電路、運放AMP1、PMOS管M21、電阻R6、電阻R7、電阻R8和電解電容Cc；帶隙基準源電路輸出的帶隙基準電壓VREF接入運放AMP1的反相輸入端，運放AMP1的輸出端連接PMOS管M21的柵極，PMOS管M21的源極連接直流電源VDD；運放AMP1的同相輸入端同時連接電阻R6的一端和電阻R7的一端；電阻R7的另一端連接電阻R8的一端，並接地；電阻R8的另一端連接電解電容Cc的負極；PMOS管M21的漏極同時連接電阻R6的另一端和電解電容Cc的正極，並作為供電電壓ULdo_out的引出端。帶隙基準源電路的優選方案：帶隙基準源電路包括NMOS管M16、NMOS管M17、PMOS管M18、PMOS管M19、PMOS管M20、PMOS管MP、NMOS管MN和電阻R5；直流電源VDD同時連接PMOS管M18的源極、PMOS管M19的源極和PMOS管M20的源極；PMOS管M18的柵極及其漏極同時連接PMOS管M19的柵極、PMOS管M20的柵極和NMOS管M16的漏極；NMOS管M16的柵極同時連接NMOS管M17的柵極及其漏極；NMOS管M16的源極連接電阻R5的一端；NMOS管M17的源極同時連接電阻R5的另一端和NMOS管MN的源極，並接地；NMOS管MN的柵極及其漏極連接PMOS管MP的柵極及其漏極；PMOS管MP的源極連接PMOS管M20的漏極，二者的連接引出線同時作為帶隙基準源電路輸出的帶隙基準電壓VREF輸出端。本發明的優點：本發明所述的具有工藝和溫度補償的環形振蕩器包括延遲單元、工藝補償模塊以及溫度補償模塊。通過工藝補償模塊產生與工藝變化相關的電壓給延遲單元作為電源電壓來補償延遲單元由於工藝變化而導致的振蕩頻率的變化；通過溫度補償模塊來產生與溫度無關的電流使延遲單元在寬溫度範圍內的振蕩頻率保持穩定。本發明環形振蕩器能夠實現在寬溫度範圍內頻率保持穩定，受工藝變化的影響很小。附圖說明圖1是本發明所述具有工藝及溫度補償的環形振蕩器的原理框圖；圖2是延遲單元的電路示意圖；圖3是溫度補償模塊的電路示意圖；圖4是工藝補償模塊的電路示意圖；圖5是環形振蕩器的振蕩頻率隨工藝角變化的仿真圖；圖6是環形振蕩器的振蕩頻率隨溫度變化的仿真圖(工藝為ff)；圖7是環形振蕩器的振蕩頻率隨溫度變化的仿真圖(工藝為tt)；圖8是環形振蕩器的振蕩頻率隨溫度變化的仿真圖(工藝為ss)。具體實施方式具體實施方式一：下面結合圖1至圖8說明本實施方式，本實施方式所述具有工藝及溫度補償的環形振蕩器。圖1為環形振蕩器的整體原理框圖，環形振蕩器包括延遲單元1、工藝補償模塊3以及溫度補償模塊2。所述的延遲單元1由奇數個反向器組成，其振蕩頻率受到工藝變化和溫度漂移的影響，並且與其供電電壓正相關；所述的工藝補償模塊3包括補償電路和LDO電源電壓產生電路，產生與工藝變化相關的供電電壓；所述的溫度補償模塊2即與溫度無關的電流產生電路。通過工藝補償模塊3產生與工藝變化相關的電壓給延遲單元1作為電源電壓來補償延遲單元1由於工藝變化而導致的振蕩頻率的變化；通過溫度補償模塊2來產生與溫度無關的電流使延遲單元1在寬溫度範圍內的振蕩頻率保持穩定。所述的延遲單元1的每一級採用電容做負載的反相器，其振蕩頻率可以通過調節電容的大小來調節。其次延遲單元1由溫度補償模塊2提供的電流I_pow來工作。所述的溫度補償模塊2由工藝補償模塊3產生的ULdo_out作為電源電壓，溫度補償的主體電路採用二階補償的帶隙基準電流源，為延遲單元1提供與溫度基本無關的I_pow，使得其振蕩頻率在寬溫度範圍內可以保持穩定。所述的工藝補償模塊3採用典型的LDO結構，LDO的基準電壓由電流源流過兩個二極體連接的PMOS管MP和NMOS管MN來提供，電流源採用基本的ΔVGS/R結構。在圖2中，I_pow為延遲單元1的供電電流，I_pow保持穩定那麼環形振蕩器的振蕩頻率就會保持穩定，當然也可以通過改變延遲單元1的負載電容的大小來調節振蕩頻率。在負載電容值一定的情況下，當工藝變化時延遲單元1的供電電壓隨工藝變化，當溫度變化時I_pow基本保持不變，使得延遲單元1的延遲時間保持不變。環形振蕩器的振蕩頻率由延遲單元1的數量和延遲時間決定，因此本發明可以達到溫度和工藝補償的目的。圖3所示為溫度補償模塊2的電路示意圖，該電路為基本的二階溫度補償的帶隙基準電流源。帶隙基準電流源的一階補償電路採用帶有運放鉗位的傳統帶隙基準源電路，其中AMP2採用PMOS差分輸入的兩級運放，使得V1、V2的電位基本相等，P0的發射極面積為P1的8倍。因此，P0和P1的基極-發射極電壓差ΔVBE作用在R0上產生PTAT電流，而同時在R1、R2上產生CTAT電流，兩電流按照一定的比例進行疊加產生一階補償的基準電流。由於VBE的非線性一階補償的效果並不能滿足電路的要求，因此本發明採用VBE線性化溫度補償的方式對電路進行二級補償。如圖3所示，P0和P2的基極-發射極電壓差(P0和P2的發射極面積相等)加在R3、R4上，產生一個含TlnT項的電流與一階補償的電流以一定的比例疊加在一起得到二階補償的帶隙基準電流，通過M15給延遲單元1提供與溫度無關的電流I_pow。當溫度變化時，I_pow不隨溫度變化因此延遲單元1也基本不受溫度的影響而保持振蕩頻率的穩定。與此同時，不同的工藝對環形振蕩器的振蕩頻率的影響不同。就SMIC0.18μm為例，當工藝角從ss→tt→ff依次變化時，MOS管(涉及環形振蕩器中所有的MOS管)的閾值電壓依次減小。而MOS管的閾值電壓變小意味著延遲單元1的延遲時間縮短，相應的振蕩頻率變大，如圖5所示。圖4為本發明的工藝補償模塊3的電路示意圖，為延遲單元1提供供電電壓ULdo_out，當工藝角變化時，ULdo_out隨MOS管的閾值電壓變化而變化來補償延遲單元1因工藝變化而引起的振蕩頻率的變化。當工藝角變化而引起MOS管閾值電壓變化時，MP、MN的閾值電壓同時變化，意味著LDO的基準電壓與工藝角同步變化，所以ULdo_out隨工藝角的變化而進行調整。SMIC0.18μm工藝角從ss→tt→ff依次變化，MOS管的閾值電壓依次減小，同時MN、MP的閾值電壓也依次減小，LDO的基準電壓VREF可以由(1)計算得到VREF＝VGSN+VGSP＝VTHN+VTHP+VOD(1)其中，VTHN、VTHP分別為MN和MP的閾值電壓，VOD為MN和MP的閾值電壓之和。由式(1)可以知道，當MOS管的閾值電壓減小時，VREF也隨之減小，LDO的輸出ULdo_out也隨之減小，然而當MOS管的閾值電壓減小時，延遲單元1的延遲時間減小而振蕩頻率增大，這時ULdo_out減小，延遲單元1的供電電壓減小，延遲時間增大而振蕩頻率降低，兩項結果相互疊加抵消，達到工藝補償的目的。延遲單元1的延遲時間受MOS管的閾值電壓以及供電電壓的影響，閾值電壓的減小而造成的振蕩頻率增加通過閾值電壓減小而產生的供電電壓的減小來進行補償，使得振蕩頻率在工藝變化時也能保持穩定。實際的補償性環形振蕩器在不同工藝角下輸出頻率隨溫度變化的仿真圖如圖4～圖7所示。主要仿真溫度和工藝對環形振蕩器振蕩頻率的影響。工藝角從ss→tt→ff依次變化，溫度從-40℃～125℃變化，具體數值可參見表1。表1環形振蕩器前仿振蕩頻率(單位：MHz)-40℃-20℃-10℃0℃20℃40℃80℃100℃125℃ff10.69710.67910.66110.62110.59210.58410.50010.43010.349tt9.4499.4199.4079.3929.3499.3129.2089.1499.067ss8.2608.2308.2218.2138.1178.1378.0387.9807.898從表1的數據可以看出，在同一工藝角下，溫度補償效果良好，-40℃～125℃之間，振蕩頻率的最大變化值不超過0.4MHz；在同一溫度下，工藝補償效果良好，從ss→tt→ff依次變化，振蕩頻率的最大變化值不超過0.5MHz。當前第1頁1&nbsp2&nbsp3&nbsp