一種環形壓控振蕩器的製作方法
2023-05-09 14:17:16
專利名稱：一種環形壓控振蕩器的製作方法
技術領域：
本發明屬於集成電路設計技術領域，具體涉及一種具有溫度和工藝自補償功能的環形壓控振蕩器。
背景技術：
振蕩器是許多電子系統的主要模塊，應用範圍從微處理器中的時鐘產生到無線通信系統中的載波合成。最通用的振蕩器是石英晶體振蕩器，晶體振蕩器的性能很穩定，精度非常高，但是它不能在晶片系統內部集成。利用標準的CMOS工藝實現片上振蕩器來取代片外的晶振，對於降低系統的成本，提高系統的集成度將很有幫助。隨著半導體工藝技術的發展，晶片的集成度也越來越高，從而導致了功耗的迅速上升，功耗問題正日益成為現代大規模集成電路實現的一個重要限制因素。另外MOS電晶體的許多特性都隨溫度而變化，而且在晶片製造過程中，在不同的晶片以及不同的批次之間，電晶體的參數變化很大。因此，實現片上振蕩器主要面臨的挑戰主要表現在兩個方面 一是低功耗，振蕩器模塊的功耗應儘可能小，以降低整個晶片的功耗；二是高精度，即振蕩頻率對於電源電壓、溫度和工藝的變化保持高穩定性。現有的片上振蕩器主要有以下幾種。(1)追求電路的低功耗，而採用了結構簡單的振蕩器電路。這種振蕩器受溫度和工藝影響較大，對頻率精度要求較高的系統很難滿足要求。(2)帶有數字電路校準功能的振蕩器電路。為了得到高精度的振蕩頻率，在振蕩器中加入了數字電路校準模塊來對振蕩頻率偏差進行校準，但這種方式大大增加了設計的複雜度和電路的功耗，不適合用在對晶片的低功耗要求嚴格的系統中，例如作為物聯網節點的超高頻電子標籤。(3)基於帶隙基準的具有溫度補償效應的振蕩器。這種振蕩器採用溫度係數線性度很好的雙極性電晶體感知溫度的變化，然而這種電路結構功耗較大，而且與標準CMOS工藝兼容性不好。另外，這種結構不能對工藝變化補償，因工藝導致的頻率偏差也相當大。由於現有的片上振蕩器電路存在的上述問題，因此不能用在對低功耗、低成本、高精度和集成度均有較高要求的系統中。
發明內容
本發明的目的是為了解決現有的振蕩器電路受溫度和工藝影響較大的問題，提出了一種環形壓控振蕩器。本發明的技術方案是一種環形壓控振蕩器，包括基準電壓源、穩壓電路、補償電路和振蕩電路，所述基準電壓源輸出與所述穩壓電路的輸入端相連接；所述穩壓電路將基準電壓按比例放大，產生兩路輸出電壓，第一輸出作為振蕩電路的工作電壓，第二輸出輸入到補償電路作為補償電路的輸入電壓；所述補償電路的輸出端與振蕩電路相連，補償電路的輸出作為振蕩電路的偏置電壓，振蕩電路的輸出即為所述環形壓控振蕩器的輸出。
本發明的有益效果是本發明的環形壓控振蕩器通過產生一個隨溫度和工藝變化的偏置電壓來控制振蕩電路的振蕩頻率，實現自動補償振蕩器的輸出頻率偏差。當溫度升高導致振蕩電路的頻率升高時，補償電路產生一個隨溫度降低的偏置電壓，使得振蕩電路的頻率下降，從而達到補償頻率的目的，即補償頻率的下降；當工藝角從SS到FF變化時，振蕩電路的頻率也是升高的，補償電路產生一個隨上述工藝變化趨勢而降低的偏置電壓，使得振蕩電路的頻率下降，從而也可以達到補償頻率的目的，即補償頻率的下降。如此，則能保證輸出頻率在不同溫度和工藝條件下保持一致。
圖1是本發明的環形壓控振蕩器結構框圖。圖2是本發明實施例的基準電壓源的原理圖。圖3是本發明實施例的穩壓電路的原理圖。圖4是本發明實施例的補償電路的原理圖。圖5是本發明實施例的振蕩電路的原理圖。
具體實施例方式下面結合附圖及實施例對本發明做詳細說明。本發明提出的環形壓控振蕩器結構框圖如圖1所示，具體包括基準電壓源、穩壓電路、補償電路和振蕩電路。所述基準電壓源輸出與所述穩壓電路的輸入端相連接；所述穩壓電路將基準電壓按比例放大，產生兩路輸出電壓，第一輸出作為振蕩電路的工作電壓， 第二輸出輸入到補償電路作為補償電路的輸入電壓；所述補償電路的輸出端與振蕩電路相連，補償電路的輸出作為振蕩電路的偏置電壓，振蕩電路的輸出即為所述環形壓控振蕩器的輸出。其中，基準電壓源路產生一個與電源電壓和溫度無關，而隨工藝變化的基準電壓 Vref ；穩壓電路將基準電壓Vref按比例放大，產生兩路輸出電壓，一路Vdd作為振蕩電路的工作電壓，另一路Vp輸入到補償電路；補償電路產生一個偏置電壓v。tel控制振蕩電路的輸出頻率，偏置電壓與振蕩頻率是正相關關係，當溫度升高導致振蕩頻率升高時，補償電路產生一個隨溫度降低的偏置電壓，從而補償頻率的下降；當工藝角從SS到FF變化時，振蕩頻率也是升高的，補償電路產生一個隨上述工藝變化趨勢而降低的偏置電壓，從而補償頻率的下降。如此，則能保證輸出頻率在不同溫度和工藝條件下保持一致。圖2是基準電壓源實施的一種方式。由於傳統的帶隙基準源中含有雙極型器件， 輸出基準電壓高(在1. 25V左右)，功耗大，因此不適合用在低壓低功耗的CMOS集成電路中，因此本發明採用CMOS基準源電路，包括啟動電路，基準電流產生電路、基準電壓產生電路，啟動電路的輸入端為CMOS基準源的輸出Vref，啟動電路的輸出端接至基準電流產生電路的輸入端，基準電流產生電路的輸出端接基準電壓產生電路的輸入端，通過電流鏡將基準電流Itl鏡像到基準電壓產生電路，基準電壓產生電路輸出與電源電壓V。。和溫度無關的基準電壓VMf。圖2中所有PMOS管襯底均接外部電源V。。，所有NMOS管襯底均接地。啟動電路包括PMOS管MP1、MP2和匪OS管MN1、MN2，其中，PMOS管MPl的源極和 NMOS管麗2的漏極接外部電源V。。，PM0S管MPl的柵極和漏極相連並與PMOS管MP2的源極相連，PMOS管MP2的柵極和NMOS管麗1的柵極相連作為啟動電路的輸入端，PMOS管MP2的漏極和NMOS管麗1的漏極相連並接至NMOS管麗2的柵極，NMOS管麗2的源極作為啟動電路的輸出端。由於基準電流源電路中存在兩個穩定狀態，一個是零電流狀態，一個是希望的工作狀態，啟動電路的功能在於使電路擺脫零狀態進入到希望的工作狀態。當處於零電流狀態時，輸出基準電壓V,ef為低電壓，通過PMOS管MP2和NMOS管麗1構成的反相器後，產生高電壓輸入到NMOS管麗2的柵極，使NMOS管麗2導通，輸出高電壓到基準電流產生電路， 使電路上電工作。基準電流產生電路包括PMOS管MP3、MP4、匪OS管MN3、MN4、MN5和運放0PA1，其中，PMOS管MP3和MP4的柵極相連作為基準電流產生電路的輸出端，與運放OPAl的輸出端連接在一起，PMOS管MP3和MP4的源極與外部電源V。。相連，PMOS管MP3的漏極和匪OS管 MN3的漏極相連作為基準電流產生電路的輸入端，並連接至運放OPAl的負輸入端，PMOS管 MP4的漏極和匪OS管麗4的漏極相連並接至運放OPAl的正輸入端，匪OS管麗3和麗4的柵極相連，NMOS管麗3的柵極和漏極相連，源極接地，NMOS管MN4的源極接至NMOS管麗5 的漏極，MNOS管麗5的柵極接至基準電壓V&，源極接地。運放OPAl強制使PMOS管MP3和MP4的漏極電壓相等，從而基準電壓產生電路中兩條支路的電流相等，設為Io。NMOS管麗3和ΜΝ4工作於亞閾值區，NMOS管麗5工作於深線性區，等效於一個電阻，設為禮。如此，得到一個基準電流
權利要求
1.一種環形壓控振蕩器，其特徵在於，包括基準電壓源、穩壓電路、補償電路和振蕩電路，所述基準電壓源輸出與所述穩壓電路的輸入端相連接；所述穩壓電路將基準電壓按比例放大，產生兩路輸出電壓，第一輸出作為振蕩電路的工作電壓，第二輸出輸入到補償電路作為補償電路的輸入電壓；所述補償電路的輸出端與振蕩電路相連，補償電路的輸出作為振蕩電路的偏置電壓，振蕩電路的輸出即為所述環形壓控振蕩器的輸出。
2.根據權利要求1所述的環形壓控振蕩器，其特徵在於，所述的基準電壓源包括啟動電路，基準電流產生電路和基準電壓產生電路，啟動電路的輸入端為基準電壓源的輸出，啟動電路的輸出端接至基準電流產生電路的輸入端，基準電流產生電路的輸出端接基準電壓產生電路的輸入端，基準電壓產生電路輸出即為基準電壓源的輸出，其中，所述的啟動電路包括PMOS管MP1、MP2和NMOS管MN1、MN2,其中，PMOS管MPl的源極和NMOS管麗2的漏極接外部電源，PMOS管MPl的柵極和漏極相連並與PMOS管MP2的源極相連，PMOS管MP2的柵極和NMOS管麗1的柵極相連作為啟動電路的輸入端，PMOS管MP2的漏極和NMOS管麗1的漏極相連並接至NMOS管麗2的柵極，NMOS管麗2的源極作為啟動電路的輸出端；所述的基準電流產生電路包括PMOS管MP3、MP4、NM0S管MN3、MN4、MN5和運放0PA1，其中，PMOS管MP3和MP4的柵極相連作為基準電流產生電路的輸出端，與運放OPAl的輸出端連接在一起，PMOS管MP3和MP4的源極與外部電源相連，PMOS管MP3的漏極和匪OS管麗3 的漏極相連作為基準電流產生電路的輸入端，並連接至運放OPAl的負輸入端，PMOS管MP4 的漏極和NMOS管MN4的漏極相連並接至運放OPAl的正輸入端，NMOS管麗3和MN4的柵極相連，NMOS管麗3的柵極和漏極相連，源極接地，NMOS管MN4的源極接至NMOS管麗5的漏極，MNOS管麗5的柵極接至基準電壓源的輸出，源極接地；所述的基準電壓產生電路包括PMOS管MP5、MP6、MP7、匪OS管MN6、MN7、MN8、MN9、MNlO 和電容Cl，其中，PMOS管MP5、MP6、MP7的源極均接至外部電源，柵極均連接在一起作為基準電壓產生電路的輸入端，漏極則對應與NMOS管MN6、MN8、麗10的漏極分別相連，其中PMOS 管MP7的漏極輸出基準電壓，並通過電容Cl連接到地，NMOS管MN6、麗8、麗10各自的柵極和漏極連接在一起，NMOS管MN6的源極與NMOS管麗7的漏極和NMOS管MN9的源極相連， 匪OS管麗8的源極與匪OS管麗9的漏極和匪OS管麗10的源極相連，匪OS管麗7的柵極與NMOS管MN6的柵極相連，源極接地，NMOS管MN9的柵極和NMOS管MN8的柵極相連。
3.根據權利要求1或2所述的環形壓控振蕩器，其特徵在於，所述的穩壓電路包括卩] 05管1^8、]\^9、]\^10、]\^11、]\^12、]\^13、]\^14、]\^15、運放 0PA2、0PA3 和電容 C2、C3，其中運放0PA2和0PA3的負輸入端連接在一起作為穩壓電路的輸入端，運放0PA2和0PA3的正輸入端分別對應與PMOS管MP9和MP14的柵極相連，運放0PA2和0PA3的輸出端分別對應與 PMOS 管 MP8 和 MP12 的柵極相連，PMOS 管 MP8、MP9、MP10、MP11、MP12、MP13、MP14、MP15 的襯底均接至各自的源極，PMOS管MP9、MP10、MP11、MP13、MP14、MP15的各自的柵極和漏極相連構成MOS 二極體，PMOS管MP8和MP12的源極均接至外部電源，PMOS管MP8、MP9、MP10、 MP12、MP13、MP14 的漏極對應連接 PMOS 管 MP9、MP10、MP11、MP13、MP14、MP15 的源極，PMOS 管MPll和MP15的漏極接地，PMOS管MP8和MP12的漏極分別作為穩壓電路的第一輸出端和第二輸出端，並分別通過電容C2和C3連接到地。
4.根據權利要求3所述的環形壓控振蕩器，其特徵在於，所述的補償電路包括電阻Rl、電阻R2、NM0S管M11，其中，電阻Rl的一端作為補償電路的輸入端與穩壓電路的第二輸出端相連，另一端作為為補償電路的輸出端，NMOS管麗11的柵極和漏極相連並通過電阻R2接至補償電路的輸出端，NMOS管麗11的襯底與源極接地。
5.根據權利要求4所述的環形壓控振蕩器，其特徵在於，所述的振蕩電路包括偏置電流產生電路、振蕩核心電路和脈衝整形電路，其中，所述的偏置電流產生電路包括PMOS管MP16、NMOS管M12和電阻R3，NMOS管MN12的柵極與補償電路的輸出端相連，NMOS管麗12的襯底接地，源極通過電阻R3接地，漏極與 PMOS管MP16的漏極相連，PMOS管MP16的源極和襯底均接至穩壓電路的第一輸出端，PMOS 管MP16的柵極作為偏置電流產生電路的輸出端；所述的振蕩核心電路包括PMOS電晶體MP17、MP18、MP19、反相器INVl、INV2、INV3，PMOS 電晶體MP17、MP18、MP19的襯底和源極均接至穩壓電路的第一輸出端，柵極都連接在一起作為振蕩核心電路的輸入端，並與偏置電路產生電路的輸出端相連，PMOS電晶體MP17、 MP18、MP19的漏極分別對應作為反相器INV1、INV2、INV3的工作電壓，反相器INV1、INV2、 INV3首尾相連形成環狀，反相器INV3輸出振蕩波形；所述的脈衝整形電路包括反相器INV4，反相器INV4的輸入與反相器INV3的輸出相連， 反相器INV4的輸出即為所述振蕩電路的輸出。
全文摘要
本發明公開了一種環形壓控振蕩器，包括基準電壓源、穩壓電路、補償電路和振蕩電路，所述基準電壓源輸出與所述穩壓電路的輸入端相連接；所述穩壓電路產生兩路輸出電壓，第一輸出作為振蕩電路的工作電壓，第二輸出輸入到補償電路作為補償電路的輸入電壓；補償電路的輸出作為振蕩電路的偏置電壓。本發明的振蕩器通過產生一個隨溫度和工藝變化的偏置電壓來控制振蕩電路的振蕩頻率，實現自動補償振蕩器的輸出頻率偏差。當溫度升高導致振蕩電路頻率升高時，補償電路產生一個隨溫度降低的控制電壓，從而補償頻率的下降；當工藝角從SS到FF變化時，振蕩電路也是升高的，補償電路產生一個隨工藝降低的控制電壓，從而補償頻率的下降。
文檔編號H03B5/04GK102386848SQ20111028154
公開日2012年3月21日 申請日期2011年9月21日 優先權日2011年9月21日
發明者劉佳欣, 文光俊, 王耀 申請人:電子科技大學