一种自带工艺偏差校准功能的张弛振荡器制造技术

本发明专利技术公开了一种自带工艺偏差校准功能的张弛振荡器，包括基准信号发生器、本征振荡器、时间数字转换器和补偿电容阵列，时间数字转换器包括比较器、开关电容电路和计数器；基准信号发生器向开关电容电路中提供第一基准电压，向比较器提供第二基准电压；本征振荡器的输出频率控制开关电容电路，开关电容电路的输出电压接比较器，比较器的输出端接计数器；计数器的输出端接补偿电容阵列，计数器的输出自动调节补偿电容阵列的电容值，相应地改变了本征振荡器的频率。本发明专利技术张弛振荡器自带片上校准功能、芯片与芯片之间误差较小，减少了制片成本，提高了芯片的精度。

【技术实现步骤摘要】
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]本专利技术涉及集成电路的时钟产生电路，是一种自带工艺偏差校准功能的张弛振荡器。[
技术介绍
]张驰振荡器已被应用于多种电子电路，其产生的时钟信号可以取代外部晶振，显著降低系统的复杂度和成本。张弛振荡器具有频率稳定性较高、控制线性度好、可调范围广的优点，经常被用于产生控制电路时序的时钟信号。例如，张驰振荡器电路可被用在DC/DC变换器、计数器、移位器、微控制器和调制电路中。文献1(X.Zou,X.Xu,L.Yao and Y.Lian,“A 1-V 450-nW Fully Integrated Programmable Biomedical Sensor Interface Chip,”IEEE Journal of Solid-State Circuits,vol.44,no.4,pp.1067-1077,APRIL 2009)涉及低功耗电路设计在生物医学上的应用，提出了一个全集成的可编程生物医学传感器接口芯片，用于不同类型的生物医学信号处理。该芯片通过采用两个放大器组成的低功率系统来优化功率效率，其结构包括一个低噪声放大器，一个可调带通滤波器，一个可编程增益级，和一个逐次逼近型模拟-数字转换器。同时，该文献还使用一种具有可调性的电阻来实现在失真和低电压操作下的高动态变化范围。为了达到低功耗和片上全集成，整个系统的片上时钟振荡器频率为30kHz，功耗为53nW。这项设计是在0.35μm标准CMOS工艺下制造完成的，通过1V的电源进行测试，结果表明，整个传感器接口芯片的功耗低至445nW，实现了低功耗的电路设计目标。文献2(K.Ueno,T.Asai,Y.Amemiya,“A 30-MHz,90ppm/℃ fully-integrated clock reference generator with frequency-locked loop,”European Solid-State(ESSCIRC),pp.392-395,2009.)提出了一个利用频率-电流转换器反馈机制来保持频率稳定的锁频环技术。目前，时钟基准电路是数字和混合信号电路以及无线系统的重要组成部分。虽然石英晶体振荡器通常被用来提供高度精准的基准时钟，但它们和标准CMOS工艺不兼容，且不能与其它电路元件单片集成，无法满足低成本大规模集成电路应用的要求。因此，为了设计出一个在不同工艺条件下时钟频率都恒定的电路，Ken Ueno等人开发出了一个全集成的时钟基准电路(即锁频环技术)。在没有校准和修正技术的情况下选取的20个样品当中，锁频环技术表现出了2.7％的工艺变化率，该变化率低于蒙特卡洛模拟仿真的结果。同时，该电路虽然不需要基准电压和电流，但能产生一个对温度和电源电压不敏感的时钟频率。它可以在不使用LC谐振电路，石英谐振器，以及MEMS振荡器的情况下实现单片工作，且在2100MHz的宽广频率范围内具有可调谐性。同时该结构较为简便，可以实现低成本和低功耗的电路设计目标。该时钟电路通过频率锁定环技术产生了时钟脉冲。如图1所示，该电路包含一个偏置电路，一个电流比较器，一个压控振荡器(VCO)，以及一个基于频率-电流转换机制的D/A转换器，且这些电路元件形成了反馈回路。其中，电流比较器能感应到偏置电流Ibias和频率-电流转换器的输出电流Iout两者间的大小差异，并且产生了与这个差异成比例的输出电压Vout。同时，压控振荡器在接收输出电压Vout后，产生了取决于Vout的振荡脉冲，频率值为fout。频率-电流转换器接收了振荡器脉冲，并且产生了与fout成比例的输出电流Iout。随即，电流比较器再比较偏置电流Ibias和Iout，从而产生一个被重调的Vout。这种反馈机制不断地被重复，以确保Iout和Ibias接近，最终使得时钟频率fout与温度和电源电压无关。文献3(F.Sebastiano,L.J.Breems,K.A.A.Makinwa,S.Drago,D.M.W.Leenaerts,Bram Nauta,“Low-Voltage Mobility-Based Frequency Reference for Crystal-Less ULP Radios”IEEE Journal of Solid-State Circuits,vol.44,no.7,pp.2002-2009,JULY 2009.)提出了一个以电子迁移率作为设计参考的全集成振荡器，该振荡器是一个基于电流源控制的振荡器，其内部通过的电流大小和电子迁移率成正比。目前，工艺偏差对电子迁移率的影响，与其它参数相比较为不敏感，比如多晶硅电阻或者MIM电容。同时，电子迁移率的标准偏差在室温条件下不超过2％。虽然电子迁移率对温度的依赖性较大(大约为T-1.5)，但可以通过温度补偿的方法来消除温度产生的影响。鉴于此，文献【3】提出基于电子迁移率的全集成基准频率概念。它的频率误差，主要分别取决于温度、电源波动和工艺偏差，从-22℃到85℃，频率变化小于1.1％，而0.27V的电压变化导致小于0.1％的频率误差。但是，只要采用适当的温度补偿方案，电子迁移率便可以被用来产生对无线传感器网络(WSN)应用足够精准的基准频率，同时该设计达到了低电压和低功率的电路设计要求。以上文献公开的振荡器不具备通过片上校准来消除工艺偏差的功能，所以受工艺偏差的影响较大，或者虽有工艺偏差补偿，但代价是功耗非常大。[
技术实现思路
]本专利技术要解决的技术问题是提供一种具有片上校准功能且芯片与芯片之间误差小的低功耗张弛振荡器。为了解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案是，一种自带工艺偏差校准功能的张弛振荡器，包括基准信号发生器、本征振荡器、时间数字转换器和补偿电容阵列。其中时间数字转换器包括比较器、开关电容电路和计数器；基准信号发生器向开关电容电路中提供第一基准电压，向比较器提供第二基准电压；本征振荡器的输出频率注入到开关电容电路，开关电容电路的输出电压接比较器，比较器的输出端接计数器；计数器的输出端接补偿电容阵列，计数器的输出自动调节补偿电容阵列的电容值，相应地改变了本征振荡器的频率。以上所述的张弛振荡器，基准信号发生器包括11个MOS管和三个电阻，第一MOS管、第二MOS管和第五MOS管为NMOS管，其它的MOS管为PMOS管；第九MOS管的源极接第八MOS管的漏极，第十一MOS管的源极接第十MOS管的漏极，其余PMOS管的源极接电源；第五MOS管的漏极接第六MOS管的漏极，源极接地；第一MOS管的漏极接第三MOS管的漏极，源极接地；第二MOS管的漏极接第四MOS管的漏极，源极通过第一电阻接地；第九MOS管的漏极通过第二电阻接地，第十一MOS管的漏极通过第三电阻接地；第七MOS管的漏极接第三MOS管的漏极，栅极接第六MOS管的漏极；第一MOS管的栅极、第二MOS管的栅极、第九MOS管的栅极和第十一MOS管的栅极接第七MOS管的漏极，第三MOS管的栅极、第四MOS管的栅极、第五MOS管的栅极、第六MOS管的栅极、第八MOS管的栅极和第十MOS管的栅极接第四MOS管的漏极；第九MOS管的漏极是第一基准电压的输出端，第十一MOS管的漏极是第二基准电压的输出端。以上所述的张弛振荡器，基准信号发生器包括第十二本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种自带工艺偏差校准功能的张弛振荡器，其特征在于，包括基准信号发生器、本征振荡器、时间数字转换器和补偿电容阵列，其中时间数字转换器包括比较器、开关电容电路和计数器；基准信号发生器向开关电容电路提供第一基准电压，向比较器提供第二基准电压；本征振荡器的输出频率控制开关电容电路，开关电容电路的输出电压接比较器，比较器的输出端接计数器；计数器的输出端接补偿电容阵列，计数器的输出自动调节补偿电容阵列的电容值，相应地改变了本征振荡器的频率。

【技术特征摘要】
1.一种自带工艺偏差校准功能的张弛振荡器，其特征在于，包括基准信号发生器、本征振荡器、时间数字转换器和补偿电容阵列，其中时间数字转换器包括比较器、开关电容电路和计数器；基准信号发生器向开关电容电路提供第一基准电压，向比较器提供第二基准电压；本征振荡器的输出频率控制开关电容电路，开关电容电路的输出电压接比较器，比较器的输出端接计数器；计数器的输出端接补偿电容阵列，计数器的输出自动调节补偿电容阵列的电容值，相应地改变了本征振荡器的频率。2.根据权利要求1所述的张弛振荡器，其特征在于，基准信号发生器包括11个MOS管和三个电阻，第一MOS管、第二MOS管和第五MOS管为NMOS管，其它的MOS管为PMOS管；第九MOS管的源极接第八MOS管的漏极，第十一MOS管的源极接第十MOS管的漏极，其余PMOS管的源极接电源；第五MOS管的漏极接第六MOS管的漏极，源极接地；第一MOS管的漏极接第三MOS管的漏极，源极接地；第二MOS管的漏极接第四MOS管的漏极，源极通过第一电阻接地；第九MOS管的漏极通过第二电阻接地，第十一MOS管的漏极通过第三电阻接地；第七MOS管的漏极接第三MOS管的漏极，栅极接第六MOS管的漏极；第一MOS管的栅极、第二MOS管的栅极、第九MOS管的栅极和第十一MOS管的栅极接第七MOS管的漏极，第三MOS管的栅极、第四MOS管的栅极、第五MOS管的栅极、第六MOS管的栅极、第八MOS管的栅极和第十MOS管的栅极接第四MOS管的漏极；第九MOS管的漏极是第一基准电压的输出端，第十一MOS管的漏极是第二基准电压的输出端。3.根据权利要求2所述的张弛振荡器，其特征在于，基准信号发生器包括第十二MOS管和第十三MOS管，第十二MOS管和第十三MOS管是PMOS管；第十二MOS管和第十三MOS管的源极接电源，栅极接第四MOS管的漏极，第十二MOS管的漏极是偏置电流的输出端，接本征振荡器；第十三MOS管的漏极是比较器工作电流的输出端。4.根据权利要求1所述的张弛振荡器，其特征在于，本征振荡器包括施密特触发器、反相器、电容器、PMOS开关管和NMOS开关管，所述补偿电容阵列的第一端通过PMOS开关管接电源，通过NMOS开关管接地；补偿电容阵列的第二端接地，电容器与补偿电容阵列并联；施密特触发器的输入端接补偿电容阵列的第一端，施密特触发器的输出端接反相器的输入端，反相器的输出端作为本征振荡器的输出端接PMOS开关管的栅极和NMOS开关管的栅极。5.根据权利要求4所述的张弛振荡器，其特征在于，施密特触发器包括第十四M...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵晓锦，卢欣，郑平伟，
申请(专利权)人：深圳大学，
类型：发明
国别省市：广东;44