一种具有温度和工艺自补偿特性的CMOS松弛振荡器制造技术

本发明专利技术公开了一种具有温度和工艺自补偿特性的CMOS松弛振荡器，包括基准源、电容充放电电路、第一比较器、第二比较器和SR锁存器；所述基准源的基准电流与电容充放电电路连接，基准源的基准电压分别与第一比较器的同相输入端和第二比较器的同相输入端连接；第一比较器的反相输入端和第二比较器的反相输入端，分别与电容充放电电路连接；第一比较器的输出端与SR锁存器的R端连接，第二比较器的输出端与SR锁存器的S端连接。本发明专利技术所述具有温度和工艺自补偿特性的CMOS松弛振荡器，可以克服现有技术中成本高、可靠性低和工艺偏差大等缺陷，以实现成本低、可靠性高和工艺偏差小的优点。

【技术实现步骤摘要】
一种具有温度和工艺自补偿特性的CMOS松弛振荡器
本专利技术涉及集成电路设计
，具体地，涉及一种具有温度和工艺自补偿特性的CMOS松弛振荡器。
技术介绍
振荡器是许多电子系统的主要模块，应用范围从微处理器中的时钟产生到无线通信系统中的载波合成。最通用的振荡器是石英晶体振荡器，晶体振荡器的性能很稳定，精度很高，但是由于采用了石英晶体，使得它不能与标准的集成电路工艺兼容，成本较高。利用标准CMOS工艺实现的片上振荡器来取代片外的晶振，对于降低系统成本，提高系统的集成度将有很大帮助。对于标准的CMOS集成电路工艺，当环境为温度变化时，MOS晶体管的许多参数都都随之发生变化，导致振荡器的频率也随温度变化；而且在芯片加工制造过程中，批次与批次之间、芯片与芯片之间，晶体管的参数具有一定的离散性，导致了振荡器频率较大的工艺偏差。在实现本专利技术的过程中，专利技术人发现现有技术中至少存在成本高、可靠性低和工艺偏差大等缺陷。
技术实现思路
本专利技术的目的在于，针对上述问题，提出一种具有温度和工艺自补偿特性的CMOS松弛振荡器，以实现成本低、可靠性高和工艺偏差小的优点。为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：一种具有温度和工艺自补偿特性的CMOS松弛振荡器，包括基准源、电容充放电电路、第一比较器、第二比较器和SR锁存器；所述基准源的基准电流Iref与电容充放电电路连接，基准源的基准电压Vref分别与第一比较器的同相输入端和第二比较器的同相输入端连接；第一比较器的反相输入端和第二比较器的反相输入端，分别与电容充放电电路连接；第一比较器的输出端与SR锁存器的R端连接，第二比较器的输出端与SR锁存器的S端连接。进一步地，所述电容充放电电路，包括对称设置、且分别与基准源的基准电流Iref连接的第一充放电支路和第二充放电支路；所述第一充放电支路与第一比较器的反相输入端连接，第二充放电支路与第二比较器的反相输入端连接。进一步地，所述第一充放电支路，包括第一开关Q1、第二开关Q2和第一电容C1，其中：所述第一开关Q1的第一端与基准源的基准电流Iref连接，第一开关Q1的第二端分别与第二开关Q2的第一端、第一电容C1的上极板和第一比较器的反相输入端连接；第二开关Q2的第二端和第一电容C1的下极板连接、并接地。进一步地，所述第一开关Q1包括PMOS管M13，第二开关Q2包括NMOS管M15，第一电容C1由NMOS管构成；所述PMOS管M13和NMOS管M15构成反相器，反相器的输入端接SR锁存器的输出端QB，反相器的输出端接第一电容C1的上极板。需要说明的是，PMOS和NMOS是构成开关的一种形式，用其他形式构成的开关应该也在专利保护的范围之内。进一步地，所述第二充放电支路，包括第三开关Q3、第四开关Q4和第二电容C2，其中：所述第三开关Q3的第一端与基准源的基准电流Iref连接，第三开关Q3的第二端分别与第四开关Q4的第一端、第二电容C2的上极板和第二比较器的反相输入端连接；第四开关Q4的第二端和第二电容C2的下极板连接、并接地。进一步地，所述第三开关Q3包括PMOS管M14，第四开关Q4包括NMOS管M16，第二电容C2由NMOS管构成；所述PMOS管M14和NMOS管M16构成反相器，反相器的输入端接SR锁存器的输出端Q，反相器的输出端接第二电容C2的上极板。需要说明的是，PMOS和NMOS是构成开关的一种形式，用其他形式构成的开关应该也在专利保护的范围之内。进一步地，所述基准源，包括NMOS管M1-M7和PMOS管M8-M12，所有NMOS管的衬底均接地，所有PMOS管的衬底和源级连接在一起，并接至电源VDD，所有PMOS管的栅极连接在一起并与PMOS管M9的漏极相连；所述NMOS管M1、NMOS管M3、NMOS管M4、NMOS管M5和NMOS管M7的源级均接地；NMOS管M1的栅极和漏极连接在一起并与NMOS管M2的栅极和PMOS管M8的漏极相连，NMOS管M2的漏极与PMOS管M9的漏极相连，NMOS管M2的源级与NMOS管M3的漏极相连，NMOS管M4的栅极与漏极连接在一起并与NMOS管M3和NMOS管M7的栅极和PMOS管M10的漏极相连，NMOS管M5和NMOS管M6的栅极和漏极都连接在一起并与PMOS管M11的漏极相连，NMOS管M6的源级与NMOS管M7的漏极相连作为基准电压的输出端，PMOS管M12的漏极作为基准电流的输出端。进一步地，所述NMOS管M1和NMOS管M2工作在亚阈值区，NMOS管M3工作在深线性区，NMOS管M4工作在饱和区，则流过NMOS管M3的电流表示为：上式中，η为亚阈值斜率因子，k1、k2、k3、k4分别为NMOS管M1、NMOS管M2、NMOS管M3和NMOS管M4的宽长比，μ为载流子迁移率，Cox为单位面积栅氧电容，VT为热电压；上式中括号中的项目于温度与工艺均没有关系，Cox近似与温度没有关系，但是随工艺的变化较大，μ的温度系数大约为-2，VT的温度系数为1，因此上式中的基准电流近似于温度无关，而与工艺参数有关，基准电流正比于工艺参数Cox。进一步地，所述PMOS管M11将基准电流按比例放大n倍后镜像到NMOS管M5和NMOS管M6两条支路，NMOS管M7将基准电流按比例放大m倍后镜像到NMOS管M6支路，那么流过NMOS管M5的电流为(n-m)Iref，基准电压Vref为NMOS管M5与NMOS管M6的栅源电压之差，表示为：上式中，k5、k6分别为NMOS管M5和NMOS管M6的宽长比，Kth5、Kth6分别为NMOS管M5和NMOS管M6的阈值电压的温度系数，Vth50、Vth60分别为NMOS管M5和NMOS管M6的本征阈值电压；k5、k6和n，m均是可以在电路设计中自由调节的参数，通过调节k5、k6和n，m使上式中的前两项为0，从而基准电压Vref就由NMOS管M5与NMOS管M6的本征阈值电压之差决定，即：Vref=Vth50-Vth60；由于NMOS管M5与NMOS管M6同为N型MOS管，且在硅片上，两个MOS管处于非常接近的位置和环境，它们二者的工艺参数偏差是一致的，因此基准电压Vref的工艺偏差被抵消，同时本征阈值电压与温度没有关系，因此基准电压Vref既与温度无关也与工艺无关。本专利技术各实施例的具有温度和工艺自补偿特性的CMOS松弛振荡器，由于包括基准源、电容充放电电路、第一比较器、第二比较器和SR锁存器；基准源的基准电流Iref端与电容充放电电路连接，基准源的基准电压Vref端分别与第一比较器的同相输入端和第二比较器的同相输入端连接；第一比较器的反相输入端和第二比较器的反相输入端，分别与电容充放电电路连接；第一比较器的输出端与SR锁存器的R端连接，第二比较器的输出端与SR锁存器的S端连接；可以解决现有的振荡器电路受温度本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种具有温度和工艺自补偿特性的CMOS松弛振荡器，其特征在于，包括基准源、电容充放电电路、第一比较器、第二比较器和SR锁存器；所述基准源的基准电流                                               与电容充放电电路连接，基准源的基准电压分别与第一比较器的同相输入端和第二比较器的同相输入端连接；第一比较器的反相输入端和第二比较器的反相输入端，分别与电容充放电电路连接；第一比较器的输出端与SR锁存器的R端连接，第二比较器的输出端与SR锁存器的S端连接。2013106906744100001dest_path_image002.jpg,2013106906744100001dest_path_image004.jpg

【技术特征摘要】
1.一种具有温度和工艺自补偿特性的CMOS松弛振荡器，其特征在于，包括基准源、电容充放电电路、第一比较器、第二比较器和SR锁存器；所述基准源的基准电流Iref与电容充放电电路连接，基准源的基准电压Vref分别与第一比较器的同相输入端和第二比较器的同相输入端连接；第一比较器的反相输入端和第二比较器的反相输入端，分别与电容充放电电路连接；第一比较器的输出端与SR锁存器的R端连接，第二比较器的输出端与SR锁存器的S端连接；所述电容充放电电路，包括对称设置、且分别与基准源的基准电流Iref连接的第一充放电支路和第二充放电支路；所述第一充放电支路与第一比较器的反相输入端连接，第二充放电支路与第二比较器的反相输入端连接；所述第一充放电支路，包括第一开关Q1、第二开关Q2和第一电容C1，其中：所述第一开关Q1的第一端与基准源的基准电流Iref连接，第一开关Q1的第二端分别与第二开关Q2的第一端、第一电容C1的上极板和第一比较器的反相输入端连接；第二开关Q2的第二端和第一电容C1的下极板连接、并接地；所述第一电容是通过将CMOS晶体管来实现的，将CMOS晶体管的源极、漏极与衬底短接在一起，则CMOS晶体管的栅极与连接在一起的源极、漏极和衬底就形成了电容的两个极板，开关控制基准电流对第一电容的充放电，开关的打开与闭合由SR锁存器的输出状态控制；所述电容C1的电容值C可以表示为：C＝WLCox；上式中，W和L分别是MOS管沟道的宽度和长度，与工艺和温度均没有关系，Cox为单位面积栅氧电容，将基准电压Vref、基准电流Iref和电容C的公式带入振荡器频率f的表达式中，电容C中的参数Cox正好抵消了基准电流中的参数Cox，因此得到的振荡器频率与工艺参数没有关系，也近似与温度没有关系，所述基准源，包括NMOS管M1-M7和PMOS管M8-M12，所有NMOS管的衬底均接地，所有PMOS管的衬底和源级连接在一起，并接至电源VDD，所有PMOS管的栅极连接...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘佳欣，文光俊，王耀，
申请(专利权)人：电子科技大学， 无锡成电科大科技发展有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32