一种环形振荡器电路制造技术

本发明专利技术公开一种环形振荡器电路，用于实现温度补偿以稳定时钟频率，其特征在于，包括：一基准带隙单元，用于接收一电源电压并输出一与温度成反比的负温度系数电压以及一偏置电压；一线性稳压单元，用于接收该负温度系数电压以及该偏置电压，输出一放大后的负温度系数电压；一环形振荡单元，该环形振荡单元接收该大后的负温度系数电压作为工作电压，并输出稳定的该时钟频率；一电平转换单元，该电平转换单元接收该偏置电压用于将该环形振荡单元的工作电压由该放大后的负温度系数电压转换为该电源电压。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种时钟振荡器，尤其涉及一种可以实现温度补偿以稳定频率的环形 振荡器电路。
技术介绍
利用标准的CMOS工艺实现片上的时钟振荡器来取代片外的晶振，对于降低系统 的成本，提高系统的集成度有极大的帮助。实现片上时钟振荡器主要面临的挑战是如何保 证时钟频率的稳定性，使振荡频率不随温度和电源电压的变化而改变。传统环形振荡器的 振荡频率受电源电压变化的影响很大，当电源电压降低50%时，频率降低50%以上。 图1所示为传统CMOS环形振荡电路的示意图。如图1所示，传统的CMOS环形振 荡器，其中假定CMOS反相器中的上拉PMOS管在对电容C充电的过程中一直处于饱和状态， 下拉NMOS管在放电过程中也一直处于饱和状态，且设上升时间等于下降时间，根据分析， 振荡频率为f = 1/T，振荡周期为：;式中，Kn，p是与材料、工艺有关的参 数，Vt是MOS管的阈值电压，N为反相器的级数。 可见，当阈值电压一定时，随电源电压的减小，充放电电流减小，上升沿、下降沿时 间增大，从而导致振荡频率大大降低。当环境温度发生变化时，晶体管的参数会随之发生变 化，从而引起振荡器的输出频率变化，电子迀移率μ η，空穴迀移率μ ρ，阈值电压VTHp，VTHn都会随温度而变化，其中： μ p oc T 2·2 μ η T 2 2 V1Hn= V THnO (I-kn T) Vthp= V THp0(l-kp Τ) 式中，kn和kp都大于0, VT_和V ΤΗη。分别为PMOS管和NMOS管在温度300Κ时的 阈值电压，可以得出振荡器的输出随着温度的升高频率也会升高。 可得出该结构的环形振荡器受温度和电源以及工艺偏差等影响很大，当温度 在-40 °C +85 °C范围变化，工作电压在3V-6V变化时，振荡器的频率波动范围一般在30 %以 上，其频率精度无法满足很多应用场合的要求。 为了解决该技术问题，现有技术中提出了一些解决方案。如文献《一种频率稳定的 改进型CMOS环形振荡器》载于《微电子学》第29卷第5期、文献《一种频率稳定的改进型 CMOS环形振荡器》载于《机电工程》第28卷第2期，以及文献《一种频率稳定的集成CMOS环 形振荡器》载于《微电子学》第33卷第3期。如图2所示，上述现有文献中所提出的改进型 的CMOS环形振荡器主要是充放电通路上通过电阻限流，使主要的延迟由电阻通路产生，虽 然频率有较大改善（当电源电压变化50%时，输出频率变化20% )，但它采用了集成电阻。 这不仅增大了芯片面积，而且集成电阻阻值在工艺制造中的离散性很大（高达± 20 % )，还 会进一步增大环振输出频率的不稳定性。 有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种可以实现温度补偿以稳定频率的环形振荡 器电路。
技术实现思路
为了克服现有技术中存在的缺陷，本专利技术提供一种可以实现温度补偿以稳定频率 的环形振荡器电路。 为了实现上述专利技术目的，本专利技术公开一种环形振荡器电路，用于实现温度补偿以 稳定时钟频率，其特征在于，包括：一基准带隙单元，用于接收一电源电压并输出一与温度 成反比的负温度系数电压以及一偏置电压；一线性稳压单元，用于接收该负温度系数电压 以及该偏置电压，输出一放大后的负温度系数电压；一环形振荡单元，该环形振荡单元接收 该大后的负温度系数电压作为工作电压，并输出稳定的该时钟频率；一电平转换单元，该电 平转换单元接收该偏置电压用于将该环形振荡单元的工作电压由该放大后的负温度系数 电压转换为该电源电压。 更进一步地，该环形振荡器电路进一步包括：一校准单元，该校准单元与该线性稳 压单元与该环形振荡单元连接，用于校准该放大后的负温度系数电压以及该时钟频率。 更进一步地，该基准带隙单元包括一带隙基准电路，用于产生一与绝对温度呈正 比的电流；一基准电压产生电路，用于产生该负温度系数电压；以及一偏置电路，用于产生 该偏置电压。 更进一步地，该带隙基准电路包括一呈镜像关系的第一第二PMOS管，一运算放大 器，以及一呈镜像关系的第一第二三极管，该运算放大器的正极与该第一三极管之间包括 一第一电阻。 更进一步地，该基准电压产生电路包括一第三PMOS管、一温度系统修调模块、一 第二电阻以及一第三晶体管。 更进一步地，该偏置电路包括呈镜像关系的第四、第五PMOS管，以及呈镜像关系 的第二第三NMOS管。 更进一步地，该基准带隙单元包括一第一电阻和一第二电阻，通过调节该第一第 二电阻的阻值比以获得该负温度系数电压。 更进一步地，该温度系统修调模块用于对工艺偏差产生的误差进行修调。 更进一步地，该线性稳压单元包括一差分放大电路，该差分放大电路的负反馈电 压等于该负温度系数电压。 更进一步地，该线性稳压单元还包括一反馈网络，该反馈网络通过调节反馈因子 可产生正比于该负温度系数电压的该放大后的负温度系数电压。 更进一步地，该反馈网络包括一校准电路，用于校准该放大后的负温度系数电压。 更进一步地，该环形振荡单元还包括一校准电路，用于校准因工艺偏差造成的频 率误差。 更进一步地，该电平转换单元将该时钟频率作为控制信号，控制一反相器输入端 的充电或放电，以实现将该放大后的负温度系数电压转换为该电源电压。 更进一步地，该充电电流等于该放电电流。 与现有技术相比较，本专利技术所提供的环形振荡器电路传统环形振荡器的基础上增 加了基准带隙电路，由于产生的稳定电压不随电源电压变化，因此可以屏蔽掉电源电压的 影响，同时稳定电压会随温度产生变化，当环形振荡电路的输出频率随温度产生变化时，稳 定电压会向相反的方向变化，会抵消掉温度的影响，因此可以产生一个与温度和电源电压 无关的稳定频率。【附图说明】 关于本专利技术的优点与精神可以通过以下的专利技术详述及所附图式得到进一步的了 解。 图1是传统CMOS环形振荡电路的示意图； 图2是现有技术中所使用的CMOS环形振荡电路的示意图； 图3是本专利技术所涉及的高精度环形振荡器的结构示意图； 图4是本专利技术所涉及的环形振荡器的带隙基准电压单元的详细电路图； 图5是本专利技术所涉及的环形振荡器的线性稳压单元的详细电路图； 图6是本专利技术所涉及的环形振荡器的环形振荡单元的详细电路图； 图7是本专利技术所涉及的环形振荡器的电平振荡单元的详细电路图。【具体实施方式】 下面结合附图详细说明本专利技术的具体实施例。 图3是本专利技术所涉及的高精度环形振荡器的结构示意图。如图3所示，本专利技术所 提供的环形振荡器电路，包括：带隙基准单元101、线性稳压单元102、环形振荡单元104、校 准单元103和电平转换单元105。 其中，带隙基准电压单元101的工作电压为电源电压VDD，并受到振荡器使能信号 ENB控制，其输出电压Vref不受电源电压变化影响并对温度成反比，提供给线性稳压电路 作为输入参考电平Vout，该带隙基准电压单元101还用于产生BIAS_P作为线性稳压电路的 误差放大器的偏置电压和电平转换单元105的偏置电压。 线性稳压电路102的工作电压仍然为电源电压VDD，其偏置电压为前级带隙基准 电压单元101产生的偏置电偏置电压BIAS_P，并受到振荡器使能信号ENB控制；通过比较 输入参考电平Vref和输出电平的比例反馈，在其内部放大器的负反馈控制下，产生恒定的 输出工作电压Vout，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种环形振荡器电路，用于实现温度补偿以稳定时钟频率，其特征在于，包括：一基准带隙单元，用于接收一电源电压并输出一与温度成反比的负温度系数电压以及一偏置电压；一线性稳压单元，用于接收所述负温度系数电压以及所述偏置电压，输出一放大后的负温度系数电压；一环形振荡单元，所述环形振荡单元接收所述大后的负温度系数电压作为工作电压，并输出稳定的所述时钟频率；一电平转换单元，所述电平转换单元接收所述偏置电压用于将所述环形振荡单元的工作电压由所述放大后的负温度系数电压转换为所述电源电压。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：严伟，王鹏，张文荣，陆健，杨维，王成，罗鹏，徐学良，
申请(专利权)人：上海晟矽微电子股份有限公司，北京大学软件与微电子学院无锡产学研合作教育基地，
类型：发明
国别省市：上海;31