一種環(huán)形振蕩電路、環(huán)形振蕩器及其實(shí)現(xiàn)方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種環(huán)形振蕩電路、環(huán)形振蕩器及其實(shí)現(xiàn)方法，涉及電信【技術(shù)領(lǐng)域】，解決了現(xiàn)有技術(shù)中環(huán)形振蕩電路器件要求精度高的技術(shù)問題。其中，該電路包括：電流偏置產(chǎn)生電路和環(huán)形振蕩器級電路；所述環(huán)形振蕩器級電路包括至少一級的第一種反相器和至少一級的第二種反相器；所述電流偏置產(chǎn)生電路與所述第一種反相器耦合；所述第一種反相器的輸出端與二種反相器的輸入端連接，并且，第二種反相器的輸出端與第一種反相器的輸入端連接。
【專利說明】一種環(huán)形振蕩電路、環(huán)形振蕩器及其實(shí)現(xiàn)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及電信【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及一種環(huán)形振蕩電路、環(huán)形振蕩器及其實(shí)現(xiàn)方法。
【背景技術(shù)】
[0002]對于大多數(shù)SOC (System on a Chip,系統(tǒng)級芯片)設(shè)計(jì)來說,振蕩器是必不可少的組成部分，它能為芯片提供時鐘。在各種類型的振蕩器中，環(huán)形振蕩器不需要外掛晶體，不需要使用電感-電容調(diào)諧電路，而只需要使用奇數(shù)個反相器串聯(lián)、最后一級的輸出連接到第一級的輸入即可工作。考慮到其結(jié)構(gòu)簡單和低功耗的特性，環(huán)形振蕩器在頻率精度要求不高的場合得到了廣泛的應(yīng)用。然而，電源電壓及環(huán)境溫度對環(huán)形振蕩器的輸出頻率影響較大，因此，環(huán)形振蕩器無法滿足在對時鐘頻率有更高精度要求的系統(tǒng)。
[0003]為了達(dá)到更高頻率精度，很多技術(shù)方案對環(huán)形振蕩器進(jìn)行了結(jié)構(gòu)上的優(yōu)化設(shè)計(jì)，其中，一種較為常見的結(jié)構(gòu)為通過電流受限的反相器組成環(huán)形振蕩器，因此振蕩器的振蕩頻率與電流相關(guān)，通過對參考電流生成單元進(jìn)行改進(jìn)，從而提高了輸出頻率的電源電壓及環(huán)境溫度特性。然而這類方案最后輸出頻率的精度主要取決于參考電流生成單元設(shè)計(jì)是否能正好抵消相應(yīng)的電壓及溫度系數(shù)。由于器件的溫度特性與工藝的相關(guān)性很大，補(bǔ)償不足或補(bǔ)償過大均不能得到理想的結(jié)果，因此，對于實(shí)際設(shè)計(jì)而言，要達(dá)到較好的溫度和電壓特性具有較大的設(shè)計(jì)難度，當(dāng)系數(shù)設(shè)計(jì)不合理，例如補(bǔ)償不合理時，存在惡化溫度或電壓特性的可能性。因此普通的環(huán)形振蕩器的輸出頻率隨電源電壓及環(huán)境溫度的變化太大，無法滿足對頻率精度有很高要求的系統(tǒng)需求。
[0004]并且，對于通過電流受限的反相器組成的環(huán)形振蕩器方案來說，需要合理設(shè)計(jì)電流生成電路，配置合適的溫度系數(shù)與后面的振蕩器的溫度特性進(jìn)行補(bǔ)償，因此最終的溫度特性對電路中器件的取值較為敏感。由于設(shè)計(jì)得結(jié)果過于依賴電路設(shè)計(jì)中的器件尺寸以及其他設(shè)計(jì)技巧，在實(shí)際設(shè)計(jì)中，版圖的不匹配以及工藝的偏差等等一些較難控制的因素會造成無法達(dá)到預(yù)期的補(bǔ)償效果。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為了解決現(xiàn)有技術(shù)環(huán)形振蕩電路中為了達(dá)到溫度補(bǔ)償和電源電壓補(bǔ)償?shù)哪康?，從而?dǎo)致的對器件要求精度高、設(shè)計(jì)難度較大的技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種環(huán)形振蕩電路、環(huán)形振蕩器及其實(shí)現(xiàn)方法。
[0006]一種環(huán)形振蕩電路，包括:電流偏置產(chǎn)生電路和環(huán)形振蕩器級電路；
[0007]環(huán)形振蕩器級電路包括至少一級的第一種反相器和至少一級的第二種反相器；
[0008]電流偏置產(chǎn)生電路與第一種反相器耦合；第一種反相器的輸出端與二種反相器的輸入端連接，并且，第二種反相器的輸出端與第一種反相器的輸入端連接；
[0009]其中，第一種反相器主要是一種電流受限反相器類型；第二種反相器由COMS反相器構(gòu)成。[0010]其中，電流偏置產(chǎn)生電路包括第一 PM0S、第二 PM0S、第一 NM0S、第二 NMOS和電阻R;其中，
[0011]第一 PMOS和第二 PMOS的柵極連接在一起構(gòu)成電流鏡；第二 PMOS的柵極連接其漏極，第一 NMOS的柵極和漏極連接在一起并與第一 PMOS的漏極相連接，第二 NMOS的柵極與第一 NMOS的柵極連接一起，第二 NMOS的漏極與第二 PMOS的漏極相連接，第一 NMOS的源級接地，第二 NMOS的源級連接電阻R的一端，電阻R的另外一端連接到地。
[0012]其中，第一種反相器中包括第三PM0S、第三NMOS和至少一個COMS反相器；電流偏置產(chǎn)生電路與第一種反相器耦合，具體包括:
[0013]第三PMOS的柵極與第二 PMOS的柵極相連，第三NMOS的柵極與第一 NMOS的柵極相連；至少一個COMS反相器中的第一個CMOS反相器的電源和地分別連接第三PMOS的漏極和第三NMOS的漏極。
[0014]第一種反相器的輸出端與二種反相器的輸入端連接，并且，第二種反相器的輸出端與第一種反相器的輸入端連接，具體包括:
[0015]第一種和第二種反相器的各COMS反相器串聯(lián)；
[0016]第一種反相器中串聯(lián)后最后一個COMS反相器的輸出端與第二種反相器串聯(lián)后的第一個CMOS反相器的輸入端相連,第二種反相器串聯(lián)后的最后一個CMOS反相器的輸出端連接回第一種反相器的第一個CMOS反相器的輸入端。
[0017]一種環(huán)形振蕩器，包括權(quán)利要上述的環(huán)形振蕩電路。
[0018]一種環(huán)形振蕩器的實(shí)現(xiàn)方法，包括:
[0019]通過電流偏置產(chǎn)生電路將電源的電流偏置為與電源電壓無關(guān)的正溫度系數(shù)的電流；
[0020]用該正溫度系數(shù)的電流控制環(huán)形振蕩器級電路中的第一種反相器；
[0021]第一種反相器受該正溫度系數(shù)的電流控制產(chǎn)生正電源電壓、負(fù)溫度系數(shù)且延時的反相器特性；并且第二種反相器通過各COMS反相器的串聯(lián)產(chǎn)生負(fù)電源電壓、正溫度系數(shù)且延時的反相器特性；
[0022]通過第一種反相器的反相器特性與第二種反相器的反相器特性的相互作用，形成了輸出頻率得到溫度補(bǔ)償和電源電壓補(bǔ)償?shù)沫h(huán)形振蕩器。
[0023]本發(fā)明提供的方案設(shè)計(jì)的簡便性，由于采用了兩種反相器構(gòu)成振蕩器，因此，不需要刻意設(shè)置溫度系數(shù)即可以達(dá)到溫度補(bǔ)償?shù)男Ч?。不需要晶體管匹配等器件設(shè)計(jì)就可以達(dá)到電源電壓補(bǔ)償?shù)哪康摹２⑶业凸?，電流偏置電路由于工作在亞閾值區(qū)，因此工作電流較小，鏡像的電流給反相器提供電源，功耗也較小，由于電流受限的反相器通常無法直接驅(qū)動外部的模塊，在現(xiàn)有的技術(shù)中通常在環(huán)形振蕩級的后面再接反相器增大驅(qū)動，而在本設(shè)計(jì)中，后面提高驅(qū)動的反相器成為了環(huán)形振蕩級的一部分，因此節(jié)省了反相器鏈中反相器的個數(shù)，能夠達(dá)到更低的功耗。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0024]附圖用來提供對本發(fā)明的進(jìn)一步理解，并且構(gòu)成說明書的一部分，與本發(fā)明的實(shí)施例一起用于解釋本發(fā)明，并不構(gòu)成對本發(fā)明的限制。在附圖中:
[0025]為了更清楚地說明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動性的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。
[0026]圖1為本發(fā)明實(shí)施例1提供的環(huán)形振蕩電路的電路圖；
[0027]圖2為本發(fā)明實(shí)施例3提供的方法的流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0028]下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。并且，以下各實(shí)施例均為本發(fā)明的可選方案，實(shí)施例的排列順序及實(shí)施例的編號與其優(yōu)選執(zhí)行的順序無關(guān)。
[0029]實(shí)施例1
[0030]本實(shí)施例提供一種環(huán)形振蕩電路，該電路包括:電流偏置產(chǎn)生電路100和環(huán)形振蕩器級電路200 ；
[0031 ] 環(huán)形振蕩器級電路200包括至少一級的第一種反相器210和至少一級的第二種反相器211 ;其中，第一種反相器210從功能上來說用于限制電流，屬于是一種電流受限反相器；第二種反相器211包括COMS反相器。
[0032]電流偏置產(chǎn)生電路100與第一種反相器210 f禹合；第一種反相器210的輸出端與二種反相器211的輸入端連接，并且，第二種反相器211的輸出端與第一種反相器210的輸入端連接。
[0033]其中，為了給第一種反相器210提供大小與電源電壓無關(guān)，且?guī)д郎囟认禂?shù)的電流，本實(shí)施例中提供的電流偏置產(chǎn)生電路100包括第一 PM0S103、第二 PM0S104、第一NM0S102、第二 NM0S101和電阻R105 ;如圖1所示，
[0034]第一 PM0S103和第二 PM0S104的柵極連接在一起構(gòu)成電流鏡；第二 PM0S104的柵極連接第二 PM0S104的漏極，第一 NM0S102的柵極和漏極連接在一起并與第一 PM0S103的漏極相連接，第二 NM0S101的柵極與第一 NM0S102的柵極連接一起，第二 NM0S101的漏極與第二 PM0S104的漏極相連接，第一 NM0S102的源級接地，第二 NM0S101的源級連接電阻R105的一端，電阻R105的另外一端接地。
[0035]具體而言，第一種反相器中210包括第三PM0S204、第三NM0S205和至少一個C0MS201反相器；電流偏置產(chǎn)生電路100與第一種反相器210稱合,具體包括:
[0036]第三PM0S204的柵極與第二 PM0S104的柵極相連，第三NM0S205的柵極與第一NM0S102的柵極相連；
[0037]至少一個COMS反相器201中的第一個CMOS反相器201的電源和地分別連接第三PM0S204的漏極和第三NM0S205的漏極。
[0038]優(yōu)選方案中，第一種反相器210的輸出端與二種反相器211的輸入端連接，并且，第二種反相器211的輸出端與第一種反相器210的輸入端連接，具體包括:
[0039]第一種反相器210和第二種反相器211的各COMS反相器串聯(lián)；
[0040]第一種反相器210中串聯(lián)后的最后一個COMS反相器的輸出端與第二種反相器211串聯(lián)后的第一個CMOS反相器的輸入端相連，第二種反相器211串聯(lián)后的最后一個CMOS反相器的輸出端連接回第一種反相器210的第一個CMOS反相器的輸入端。
[0041]其中，第一種反相器中包括COMS反相器；第一種反相器和第二種反相器組成的COMS反相器鏈的級數(shù)為奇數(shù)級。
[0042]下面以圖1為例，具體描述一下本實(shí)施例提供的環(huán)形振蕩電路器。包括一個電流偏置產(chǎn)生電路100和一個環(huán)形振蕩器級200，其中，環(huán)形振蕩器級200包括至少一級電流受限反相器(如圖1所示第一種反相器210)及至少一級CMOS反相器(如圖1所示第二種反相器211)。圖1中給出了一個由一級電流受限反相器以及兩級CMOS反相器組成的三級環(huán)形振蕩電路的電路圖。實(shí)際上由這兩種反相器組成的反相器鏈的級數(shù)還可以是五級或七級或是其他的奇數(shù)級，即奇數(shù)級是指第一種反相器和第二種反相器的總數(shù)是奇數(shù)。
[0043]電流偏置產(chǎn)生電路100由第一 PM0S103、第二 PM0S104、第一 NM0S102、第二NM0S101和R105構(gòu)成，其中第一 PM0S103和第二 PM0S104的柵極連接在一起構(gòu)成電流鏡，同時第二 PM0S104的柵極連接其漏極，第一 NM0S102的柵極和漏極連接在一起并與第
一PM0S103的漏極相連接，第二 NM0S101的柵極與第一 NM0S102的柵極連接一起，第二NM0S101的漏極與第二 PM0S104的漏極相連接，第一匪0S102的源級接地，第二 NM0S101的源級連接電阻R105的一端，電阻R105的另外一端連接到地。
[0044]環(huán)形振蕩器級電路200由第三PM0S204、第三NM0S205以及三組反相器201、202、203構(gòu)成，第三PM0S204的柵極與第二 PM0S104的柵極相連，第三NM0S205與第一 NM0S102的柵極相連，第一個CMOS反相器201的電源和地分別連接第三PM0S204和第三NM0S205的漏極，該反相器204的輸出與第二個CMOS反相器202 (即第二種反相器中的第一個反相器)的輸入端相連，第二個CMOS反相器202的輸出與第三個CMOS反相器203 (即第二種反相器中各反相器串聯(lián)后的最后一個COMS反相器)的輸入相連，第三個CMOS反相器的輸出連接回第一個CMOS反相器201(圖1中的`反相器201即是第一種反相器中各反相器串聯(lián)后的第一個反相器，也是最后一個反相器)的輸入端。
[0045]參照圖1，本實(shí)施例提供的環(huán)形振蕩電路的原理如下:首先電流偏置電路100通過第一 NM0S102和第二 NM0S101的VGS差值在R105上產(chǎn)生一個電流，該電流大小與電源電壓無關(guān)，帶有正溫度系數(shù)，流過第二 PM0S104/第二 NM0S101支路，由于第一 PM0S103和第二 PM0S104的1:1的鏡像關(guān)系，第一 PM0S103/第一 NM0S102支路上因此流過相同的電流。通過第二 PM0S104管與第三PM0S204管組成的電流鏡，將第二 PM0S104的電流鏡像到第三PM0S204的支路上。通過第一 NM0S102管與第三NM0S205管組成的電流鏡，將第一NM0S102的電流鏡像到第三NM0S205的支路上，因此第一級反相器201的充電電流為流過第
二PM0S104的電流，第一級反相器201的放電電流為流過第三NM0S204的電流，充放電電流值特性決定了這一級反相器的延時特性，第一級反相器201輸出連接后面的普通COMS反相器202和203組成了一個環(huán)形振蕩器鏈，最終的振蕩頻率由反相器鏈的總延時決定。
[0046]其中，電流偏置電路100在PM0S103/NM0S102和PM0S104/NM0S101支路上產(chǎn)生的電流I的值大小為NM0S102管的VGS與NM0S104管的VGS的差值比上電阻R105的阻值，如下公式(I)
【權(quán)利要求】
1.一種環(huán)形振蕩電路，其特征在于，包括:電流偏置產(chǎn)生電路和環(huán)形振蕩器級電路； 所述環(huán)形振蕩器級電路包括至少一級的第一種反相器和至少一級的第二種反相器； 所述電流偏置產(chǎn)生電路與所述第一種反相器耦合；所述第一種反相器的輸出端與二種反相器的輸入端連接，并且，第二種反相器的輸出端與第一種反相器的輸入端連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的環(huán)形振蕩電路，其特征在于，所述第一種反相器包括電流受限反相器；第二種反相器包括COMS反相器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的環(huán)形振蕩電路，其特征在于，所述電流偏置產(chǎn)生電路包括第一 PM0S、第二 PM0S、第一 NM0S、第二 NMOS和電阻R ;其中， 第一 PMOS和第二 PMOS的柵極連接在一起構(gòu)成電流鏡；第二 PMOS的柵極連接其漏極，第一 NMOS的柵極和漏極連接在一起并與第一 PMOS的漏極相連接，第二 NMOS的柵極與第一NMOS的柵極連接一起，第二 NMOS的漏極與第二 PMOS的漏極相連接，第一 NMOS的源級接地，第二 NMOS的源級連接電阻R的一端，電阻R的另外一端連接到地。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的環(huán)形振蕩電路，其特征在于，第一種反相器中包括第三PM0S、第三NMOS和至少一個COMS反相器；所述電流偏置產(chǎn)生電路與所述第一種反相器耦合，具體包括: 第三PMOS的柵極與第二 PMOS的柵極相連，第三NMOS的柵極與第一 NMOS的柵極相連； 至少一個COMS反相器中的第一個CMOS反相器的電源和地分別連接第三PMOS的漏極和第三NMOS的漏極。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的環(huán)形振蕩電路，其特征在于，所述第一種反相器的輸出端與二種反相器的輸入端連接，并且，第二種反相器的輸出端與第一種反相器的輸入端連接，具體包括: 第一種和第二種反相器的各COMS反相器串聯(lián)； 第一種反相器中串聯(lián)后最后一個COMS反相器的輸出端與第二種反相器串聯(lián)后的第一個CMOS反相器的輸入端相連，第二種反相器串聯(lián)后的最后一個CMOS反相器的輸出端連接回第一種反相器的第一個CMOS反相器的輸入端。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的環(huán)形振蕩電路，其特征在于，所述第一種反相器中包括COMS反相器； 所述第一種反相器和第二種反相器組成的COMS反相器鏈的級數(shù)為奇數(shù)級。
7.一種環(huán)形振蕩器，其特征在于，包括權(quán)利要求1-6中任意一項(xiàng)所述的環(huán)形振蕩電路。
8.一種環(huán)形振蕩器的實(shí)現(xiàn)方法，其特征在于，包括: 通過電流偏置產(chǎn)生電路將電源的電流偏置為與電源電壓無關(guān)的正溫度系數(shù)的電流； 用該正溫度系數(shù)的電流控制環(huán)形振蕩器級電路中的第一種反相器； 第一種反相器受該正溫度系數(shù)的電流控制產(chǎn)生正電源電壓、負(fù)溫度系數(shù)且延時的反相器特性；并且第二種反相器通過各COMS反相器的串聯(lián)產(chǎn)生負(fù)電源電壓、正溫度系數(shù)且延時的反相器特性； 通過第一種反相器的反相器特性與第二種反相器的反相器特性的相互作用，形成了輸出頻率得到溫度補(bǔ)償和電源電壓補(bǔ)償?shù)沫h(huán)形振蕩器。
【文檔編號】H03K3/011GK103684354SQ201310190432
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2013年5月21日 優(yōu)先權(quán)日:2013年5月21日
【發(fā)明者】王小曼, 原義棟, 何洋, 王于波, 唐曉柯 申請人:國家電網(wǎng)公司, 北京南瑞智芯微電子科技有限公司