一种温度自补偿环形振荡器和一种时钟产生电路制造技术

申请公开了一种温度自补偿环形振荡器,由于将在振荡器产生振荡信号时奉献的延时与温度成反比的延时单元构成的延时模块和在振荡器产生振荡信号时奉献的延时与温度成正比的延时单元构成的延时模块首尾电连接构成环形振荡器。使得该温度自补偿环形振荡器不需要外加温度补偿电路，且具有非常好的频率温度稳定性。进而解决晶体振荡器作为时间源时，无法进行SOC设计和系统尺寸过大和成本过高的问题。

A Temperature Self-Compensating Ring Oscillator and a Clock Generation Circuit

【技术实现步骤摘要】
一种温度自补偿环形振荡器和一种时钟产生电路
本专利技术涉及模拟集成电路领域，具体涉及一种温度自补偿环形振荡器和一种时钟产生电路。
技术介绍
近年来大数据科学和物联网的发展迅速，深刻的改变了人类的生产和生活方式。从云端到移动端，不同应用场景对硬件电路的集成度体积大小、速度、功耗和精度提出了不同方面的需求。硬件电路的小型化、低功耗和高速高精度迫在眉睫。时钟源作为系统芯片中必不可少的电路模块，其频率稳定性直接影响系统芯片的性能。我们通常使用的时钟源是石英晶体振荡器。石英晶体振荡器虽然具有非常好的电源电压、温度和工艺不敏感性，但是其片上集成的不兼容性增加了系统的尺寸和制造成本。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、提高系统的集成度和实现SOC(SystemonChip，片上系统)高集成度、系统小型化、低功耗的关键。目前晶体振荡器作为时间源的最大技术难题是不能兼容COMS工艺，没办法进行SOC设计，进而带来了系统尺寸过大和成本过高的问题。其主要原因是PVT(Process、Voltage、Temperature，工艺、电压、温度)补偿电路复杂和稳定性不高。
技术实现思路
本申请提供一种温度自补偿环形振荡器和一种时钟产生电路，解决现有技术中环形振荡器的温度补偿电路复杂和稳定性不高的问题。根据第一方面，一种实施例中提供一种温度自补偿环形振荡器，包括：第一延时模块，包括一个或多个串联的第一延时单元；所述第一延时单元在所述温度自补偿环形振荡器产生振荡信号时奉献的延时与温度成反比；第二延时模块，包括一个或多个串联的第二延时单元；所述第二延时单元在所述温度自补偿环形振荡器产生振荡信号时奉献的延时与温度成正比；所述第一延时模块和第二延时模块首尾电连接。根据第二方面，一种实施例中提供一种时钟产生电路，包括第一方面所述温度自补偿环形振荡器和稳压器、偏置电流源、缓冲器；所述稳压器与所述偏置电流源、所述缓冲器和所述温度自补偿环形振荡器电连接，用于为所述偏置电流源、所述缓冲器和所述温度自补偿环形振荡器提供稳定的电压源；所述温度自补偿环形振荡器串联在所述偏置电流源与所述缓冲器之间，输出用于产生时钟频率的振荡信号；所述偏置电流源，用于对所述温度自补偿环形振荡器提供稳定的偏置电流源；所述缓冲器，用于对所述温度自补偿环形振荡器输出的振荡信号整形输出。依据上述实施例的一种温度自补偿环形振荡器和一种时钟产生电路，由于将在振荡器产生振荡信号时奉献的延时与温度成反比的延时单元构成的延时模块和在振荡器产生振荡信号时奉献的延时与温度成正比的延时单元构成的延时模块首尾电连接构成环形振荡器。。使得该温度自补偿环形振荡器不需要外加温度补偿电路，且具有非常好的频率温度稳定性。附图说明图1现有技术中带温度补偿电路的环形振荡器的原理框图；图2为一种实施例的时钟产生电路的结构示意图；图3为一种实施例中温度自补偿环形振荡器的结构示意图；图4为一种实施例的温度自补偿环形振荡器的电路示意图；图5为一种实施例中电流饥饿型VCO延时单元的简化电路；图6为另一种实施例的温度自补偿环形振荡器的电路示意图；图7为另一种实施例的温度自补偿环形振荡器的电路示意图；图8为另一种实施例的温度自补偿环形振荡器的电路示意图。具体实施方式下面通过具体实施方式结合附图对本专利技术作进一步详细说明。其中不同实施方式中类似元件采用了相关联的类似的元件标号。在以下的实施方式中，很多细节描述是为了使得本申请能被更好的理解。然而，本领域技术人员可以毫不费力的认识到，其中部分特征在不同情况下是可以省略的，或者可以由其他元件、材料、方法所替代。在某些情况下，本申请相关的一些操作并没有在说明书中显示或者描述，这是为了避免本申请的核心部分被过多的描述所淹没，而对于本领域技术人员而言，详细描述这些相关操作并不是必要的，他们根据说明书中的描述以及本领域的一般技术知识即可完整了解相关操作。另外，说明书中所描述的特点、操作或者特征可以以任意适当的方式结合形成各种实施方式。同时，方法描述中的各步骤或者动作也可以按照本领域技术人员所能显而易见的方式进行顺序调换或调整。因此，说明书和附图中的各种顺序只是为了清楚描述某一个实施例，并不意味着是必须的顺序，除非另有说明其中某个顺序是必须遵循的。本文中为部件所编序号本身，例如“第一”、“第二”等，仅用于区分所描述的对象，不具有任何顺序或技术含义。而本申请所说“连接”、“联接”，如无特别说明，均包括直接和间接连接(联接)。环形振荡器结构比较简单，由多级电路组成，并且将最后一级的输出与第一级的输入相连形成环路。如图1所示，现有技术中带温度补偿电路的环形振荡器的原理框图，包括延时电路1和温度补偿电路2。延时电路1由大于1的奇数个反相器组成，每一个反相器称为一个延时单元，其振荡频率受到温度漂移的影响，并且与其温度补偿电路2的供电电流正相关或负相关。温度补偿模块2是与温度无关的电流产生电路，产生与温度无关的电流使延时电路1在宽温度范围内的振荡频率保持稳定。下面先对本申请所涉及到的一些术语作一个说明。本申请中的晶体管可以是任何结构的晶体管，比如双极型晶体管(BJT)或者场效应晶体管(FET)。当晶体管为双极型晶体管时，其控制极是指双极型晶体管的栅极，第一极可以为双极型晶体管的集电极或发射极，对应的第二极可以为双极型晶体管的发射极或集电极，在实际应用过程中，“发射极”和“集电极”可以依据信号流向而互换；当晶体管为场效应晶体管时，其控制极是指场效应晶体管的栅极，第一极可以为场效应晶体管的漏极或源极，对应的第二极可以为场效应晶体管的源极或漏极，在实际应用过程中，“源极”和“漏极”可以依据信号流向而互换。在本专利技术实施例中，将在振荡器产生振荡信号时奉献的延时与温度成反比的延时单元构成的延时模块和在振荡器产生振荡信号时奉献的延时与温度成正比的延时单元构成的延时模块首尾电连接构成环形振荡器。使环形振荡器实现温度自补偿，提高环形振荡器的频率温度稳定性。实施例一：请参考图2，为一种实施例的时钟产生电路的结构示意图，温度自补偿环形振荡器21、稳压器24、偏置电流源22和缓冲器23。稳压器24与偏置电流源22、缓冲器23和温度自补偿环形振荡器21电连接，用于为偏置电流源22、缓冲器23和温度自补偿环形振荡器21提供稳定的电压源，稳压器24可以采用线性低压差稳压器(LDO)用于提高片上时钟的频率电压稳定性。温度自补偿环形振荡器21串联在偏置电流源22与缓冲器23之间，输出用于产生时钟频率的振荡信号。偏置电流源22为温度自补偿环形振荡器21提供稳定的电压和电流偏置，偏置电流源22可采用带隙基准(Bandgapvoltagereference)或电流基准源。缓冲器23用于对温度自补偿环形振荡器21输出的振荡信号整形输出，还用于缓冲和增大时钟信号输出的驱动能力。缓冲器(Buffer)具体可由两级反相器级构成的缓冲器电路用于对振荡信号整形，产生一个满摆幅的占空比为1：1的方波信号。如该时钟产生电路还连接分频器等电路，可以适当增大反相器尺寸，以增大电路的驱动能力。如图3所示，为一种实施例中温度自补偿环形振荡器的结构示意图，温度自补偿环形振荡器21包括第一延时模块和第二延时模块，第一延时模块本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种温度自补偿环形振荡器,其特征在于，包括：第一延时模块，包括一个或多个串联的第一延时单元；所述第一延时单元在所述温度自补偿环形振荡器产生振荡信号时奉献的延时与温度成反比；第二延时模块，包括一个或多个串联的第二延时单元；所述第二延时单元在所述温度自补偿环形振荡器产生振荡信号时奉献的延时与温度成正比；所述第一延时模块和第二延时模块首尾电连接。

【技术特征摘要】
1.一种温度自补偿环形振荡器,其特征在于，包括：第一延时模块，包括一个或多个串联的第一延时单元；所述第一延时单元在所述温度自补偿环形振荡器产生振荡信号时奉献的延时与温度成反比；第二延时模块，包括一个或多个串联的第二延时单元；所述第二延时单元在所述温度自补偿环形振荡器产生振荡信号时奉献的延时与温度成正比；所述第一延时模块和第二延时模块首尾电连接。2.如权利要求1所述的温度自补偿环形振荡器，其特征在于，每个第一延时单元输出端都连接有一个接地的电容CP，每个第二延时单元输出端都连接有一个接地的电容Cn，并满足下列关系：其中，m是第一延时单元的数量，n是第二延时单元的数量，m和n是自然数，且m与n之和是大于1的奇数；Rp/n是常数。3.如权利要求1所述的温度自补偿环形振荡器，其特征在于，所述第二延时单元包括第八晶体管和第九晶体管、电容Cn；所述第八晶体管的第一极接电源电压；所述第九晶体管的第一极接地；所述第八晶体管的控制极和所述第九晶体管的控制极连接，并作为该第二延时单元的输入端；所述第八晶体管的第二极和所述第九晶体管的第二极连接，并作为该第二延时单元的输出端，所述第八晶体管的第二极还与所述电容Cn的一端连接，所述电容Cn的另一端接地。4.如权利要求1所述的温度自补偿环形振荡器，其特征在于，所述第一延时模块还包括偏置电流源电路，所述偏置电流源电路包括第一晶体管、第二晶体管和第三晶体管；所述第一晶体管的第一极和所述第二晶体管的第一极接电源电压；所述第一晶体管控制极和所述第二晶体管的控制极相连，并作为该偏置电流源电路的第一输出端；所述第一晶体管的控制极与第二极短接，并作为所述温度自补偿环形振荡器的偏置电流的输入端；所述第二晶体管的第二极与所述第三晶体管的第二极相连；所述第三晶体管的第一极接地，所述第三晶体管的第二极与控制极短接，并作为该偏置电流源电路的第二输出端。5.如权利要求4所述的温度自补偿环形振荡器，其特征在于，所述第一晶体管和第二晶体管是PMOS晶体管；所述第三晶体管是NMOS晶体管。6.如...

【专利技术属性】
技术研发人员：肖康林，汪波，王新安，林笑琦，邱常沛，陈红英，何春舅，
申请(专利权)人：北京大学深圳研究生院，
类型：发明
国别省市：广东,44