专利名称：一种不受工艺与偏压源影响的电压控制振荡器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种电压控制振荡器(Voltage Control Oscillator, VC0)，特别是有 关一种不受工艺与偏压源影响的电压控制振荡器。
背景技术：
请参考图l。图1为一现有技术的电压控制振荡器100的示意图。电压控制振荡 器100包含参考电流源模块110及周期信号产生模块120。参考电流源模块110用来产生 参考电流IBIAS、 L及电压VA与VB。周期信号产生模块120根据电压VA与VB产生对应频率 的周期信号CLK。 参考电流源模块110包含P型金属氧化物半导体晶体管(P-type Metal OxideSemiconductor， PM0S) QP1、 QP2及N型金属氧化物半导体晶体管(N-type MetalOxide Semiconductor, NMOS) QN1 、 QN2。晶体管QP1的源极(第一端)耦接于偏压源V。。、栅极(控制 端)耦接于晶体管QP2的栅极、漏极(第二端)耦接于晶体管QN1的漏极。晶体管QP2的源极 (第一端)耦接于偏压源V,栅极(控制端)耦接于晶体管QP1的栅极、漏极(第二端)耦 接于晶体管QN2的漏极。晶体管QN1的源极(第一端)耦接于偏压源Vss(地端)、栅极(控 制端)用以接收一参考电压V，、漏极(第二端)耦接于晶体管QP1的漏极。晶体管QN2的源 极(第一端)耦接于偏压源Vp栅极(控制端)耦接于晶体管QP2的漏极、漏极(第二端) 耦接于晶体管Qp2的漏扱。 晶体管QN1接收参考电压VKEF，并根据参考电压VKEF的大小，从晶体管QP1漏极获取 对应大小的电流IBIAS。晶体管QP2与晶体管QN2形成一电流镜，将电流IBIAS复制以产生同样 大小的电流L以及对应的控制电压VA与VB。如此一来，电压VA与VB便可驱动周期信号产 生模块120中的电流源，产生相同大小的电流，进而根据该电流的大小产生对应频率的周 期信号CLK。 然而，由于金属氧化物半导体晶体管的临界电压会因工艺的不同而有所差异。根 据N型金属氧化物半导体晶体管的电流产生公式
I = K(VGS_VTH)2. (1) 其中K表示为一常数、Vw为N型金属氧化物半导体晶体管的栅极与源极的电压差、 V^为N型金属氧化物半导体晶体管的临界电压。因此，在参考电流源模块110中的晶体管 QN1所漏取的电流Ie^，可根据上式计算得出
bIAS = K(VKEF-Vss-VTH)2... (2) 由此可知，参考电流IBIAS在参考电压VKEF固定时，仍会随着临界电压VTH与偏压源 Vss的影响而改变，进而影响到复制的电流L的大小。如此一来，所产生的电压VA与V便 会使得周期信号产生模块120中所驱动的电流也跟着改变，而影响到输出的周期信号CLK 的频率，造成使用者的不便。
发明内容
本发明提供一种不受工艺与偏压源影响的电压控制振荡器。该电压控制振荡器根
据一参考电压产生一对应频率的周期信号。该电压控制振荡器包含一参考电流源产生模
块，包含一放大器，包含一正输入端，用来接收该参考电压；一负输入端；及一输出端；一电 阻，耦接于该放大器的该负输入端与一地端之间；及一第一金属氧化物半导体晶体管，包含 一第一端，耦接于一偏压源；一控制端，耦接于该放大器的该输出端；及一第二端，该第一 金属氧化物半导体晶体管根据该参考电压，产生一参考电流；及一周期信号产生模块，用来 根据该参考电流，输出该对应频率的周期信号。
通过参照前述说明及下列附附图，本发明的技术特征及优点得以获得完全了解。
图1为一现有技术的电压控制振荡器的示意图；图2为本发明的电压控制振荡器的示意图；图3为说明本发明的带隙参考电压电路的示意图；图4为说明本发明的温升电流产生电路的示意图。其中，附图标记100、200电压控制振荡器110、210参考电流源产生模块120、220周期信号产生模块vDD、vss偏压源参考电压vA、vB电压IbIAS、 II、工2、 H IT+、 IT— 电流
QP1、 QP2、 QP3、 QP4、 QP51、 QP52、 Qp5m、 晶体管Q肌、Qn2、 QnI3、 、 Q财2 、 Qmiii、 Qf3 QlG& 、 Rx、 Rref电阻电容丽p丽2、丽迈反相器AMPi、AMP2放大器211带隙参考电压电路2111温升电流产生电路2112温降电流产生电路400温升带隙参考电压电路sw丄开关sc控制信号CLK周期信号
具体实施例方式
请参考图2。图2为本发明的电压控制振荡器200的示意图。电压控制振荡器200
7包含参考电流源模块210及周期信号产生模块220。参考电流源模块210用来产生参考电 流IBIAS、 I2及电压VA与VB。周期信号产生模块220根据电压VA与VB产生对应频率的周期 信号CLK。 参考电流源模块210包含P型金属氧化物半导体晶体管QP3、 QP4、 N型金属氧化物 半导体晶体管QN3、电阻^、带隙参考电压(band-gap voltage reference)电路211以及放 大器AMP"晶体管QP3的源极(第一端)耦接于偏压源V。。、栅极(控制端)耦接于放大器 AMP工的输出端、漏极(第二端)耦接于放大器AM^的负输入端与电阻Rp电阻Rj禹接于放 大器AMP工的负输入端与偏压源V^之间。放大器AMP工的正输入端耦接于带隙参考电压电路 211，用以接收参考电压V，；放大器AMP工的负输入端耦接于电阻&与晶体管Qp3的漏极之 间；放大器AMP工的输出端耦接于晶体管QP3的栅极。晶体管QP4的源极(第一端)耦接于偏 压源V。。、栅极(控制端)耦接于晶体管QP3的栅极、漏极(第二端)耦接于晶体管QN3的漏 极。晶体管QN3的源极(第一端)耦接于偏压源、5、栅极(控制端)耦接于晶体管QP4的漏 极、漏极(第二端)耦接于晶体管QP4的漏极。 放大器AMP工的正输入端耦接于带隙参考电压电路211用以接收参考电压V，。因 此，放大器AMP工的负输入端亦同样会被钳制在电压VKEF。由图2可知，流经电阻&的电流便 会变成(V，/R》。因此，参考电流Ie^便会被限制在(V，/R》而不会被偏压源、临界电压的 改变所影响。如此一来，晶体管QP4与晶体管QN3所形成的电流镜产生的电流12也同样能与 参考电流IBIAS —样不受到偏压源、临界电压的变异而有所改变。因此，电压VA与VB所控制 周期信号产生模块220中的电流源亦不会受到偏压源与临界电压的影响而改变。如此，所 输出的周期信号CLK，将能准确地根据参考电压VKEF的大小，而输出对应的频率。
请继续参考图2。周期信号产生模块220包含m个反相器模块221 22m。周期 信号产生模块220中的反相器模块的个数需为奇数，如此方可产生出周期信号(偶数的话 则不会产生出周期信号)。每个反相器模块皆包含一反相器、一 N型金属氧化物半导体晶 体管、一P型金属氧化物半导体晶体管及一电容。每一个反相器模块中的反相器皆用以接 收前一级反相器模块所输出的信号，并将其反相后输出至下一级反相器模块。而第m级反 相器模块所输出的信号即作为最后输出的周期信号CLK并且同时输入第1级反相器模块的 反相器。举例来说，第一级反相器模块221包含反相器INVp晶体管Q,、晶体管QP51及电容 Q。晶体管QP51与晶体管QN41同样形成电流镜复制晶体管QP4与晶体管QN3所形成的电流镜 产生的电流12。晶体管Q^的源极耦接于偏压源V,栅极用来接收电压Vp漏极用来输出 电流12。晶体管QN41的源极耦接于偏压源Vp栅极用来接收电压Ve、漏极用来漏取电流I2。
反相器IN^包含二电流端、一输入端及一输出端。反相器IN^的二电流端分别耦 接于晶体管QP51的漏极与晶体管Q皿的漏极，用来接收/漏取电流，也就是说，流经过反相 器IN^的电流即为电流I2 ;反相器IN^的输入端耦接于反相器模块22m的反相器INVm的 输出端，用来接收周期信号CLK，反相器IN^的输出端耦接于下一级反相器模块222中的反 相器INV2的输入端以及电容Q ;电容Q耦接于反相器221的输出端与偏压源Vss之间。因 此，反相器221可根据所接收电流I2的大小，调整输出反相信号的时间(因为电容Q的关 系，电流I2的大小影响到电容Q充放电的时间)。举例来说，当反相器IN^接收到低电位 的输入信号时，若电流I2较大，则反相器IN^输出反相的高电位的输出信号的反应时间较 短；反之亦然。其他级反相器模块结构与运作原理如同上述可以类推得出，于此不再赘述。
本发明所提供的电压控制振荡器，因为具有不受工艺及偏压源影响的参考电流源 模块，所以其所产生的周期信号的频率为稳定的，可根据所输入的参考电压V，的大小作调 整，而不会因为工艺与偏压源的关系产生误差。 另外，本发明所提供的参考电流源模块210中，带隙参考电压电路211所输出的参 考电压V，，其可设计为与温度有关。比方说当温度上升时，参考电压V，亦会上升；反之， 当温度下降时，参考电压V，亦会随之下降。可以一公式描述上述关系
VKEF = VKEF皿X (1+JT) (3)或
VKEF = V腳—皿X(1-JT)…(4) 其中V，表示带隙参考电压电路211最后因为温度而调整后所输出的参考电压 值、V， INI表示带隙参考电压电路211初始所输出的参考电压值、T表示温度的变化量、J表 示一温度系数(正数)。因此，通过这样的设计，以公式(3)来说，当温度上升时，参考电压 V，亦会上升，亦即参考电流lB協(二V，/R》也会上升、电流12也会上升。而周期信号产生 模块220中的反相器模块亦会由于电流上升而加快反应速度，使得周期信号CLK的频率上 升；当温度下降时，参考电压V，亦会下降，亦即参考电流I皿(二V，/R》也会下降、电流12 也会下降。而周期信号产生模块220中的反相器模块亦会由于电流下降而减缓反应速度， 使得周期信号CLK的频率下降。 请参考图3。图3为说明带隙参考电压电路211的示意图。如图3所示，带隙参 考电压电路211包含温升电流产生电路2111、温降电流产生电路2112，以及电阻IW。温升 电流产生电路2111用来产生一随温度上升而上升的温升电流IT+ ;温降电流产生电路2112 用来产生一随温度上升而下降的温降电流I卜。电阻R，耦接于温升电流产生电路2111以 及温降电流产生电路2112的输出端，以及偏压源Vss之间。电阻RKEF用来接收温升电流IT+ 以及温降电流I卜，而其上的跨压，即作为带隙参考电压电路211所输出的参考电压VKEF[VKEF =RREFX (IT++IT_) ] o 请参考图4。图4为说明温升电流产生电路2111的示意图。如图4所示，温升电 流产生电路2111包含温升带隙参考电压电路400、放大器AMP2、电阻Rp晶体管Q5 Q1Q以 及开关SWlt)晶体管Q5 Q1Q为P型金属氧化物半导体晶体管；而晶体管Q5 Q1Q的长宽比 (W/L)的比例分别为l : 6/4 : 5/4 : 4/4 : 3/4 : 2/4。因此，在相同的栅极电压的控制 下，晶体管Qs Qi。所产生的电流的比例亦分别为1 : 6/4 : 5/4 : 4/4 : 3/4 : 2/4。
温升带隙参考电压电路400用来产生温升参考电压VKEFT+。温升参考电压VKEFT+随 温度上升而上升。放大器AM6的正输入端耦接于温升带隙参考电压电路400，用来接收参 考电压VKEFT+。因此，放大器AMP2的负输入端亦同样会被钳制在电压VKEFT+。晶体管Q5 Q1Q 的源极皆耦接于偏压源VDD、栅极皆耦接于放大器AMP2的输出端。晶体管95的漏极耦接于放 大器AMP2的负输入端。由图4可知，流经电阻Rx的电流Ix为(VKEFT+/RX);因此，放大器AMP2 的输出端会控制晶体管95的栅极，以输出大小为(VKEFT+/RX)的电流Ip同样地，经放大器 AMP2的控制，晶体管Q6 Q10会输出大小分别为(6/4) Ix、 (5/4) Ix、 (4/4) Ix、 (3/4) Ix、 (2/4) Ix的电流。开关SW工包含输入端IA、 IB、 Ic、 ID与k、输出端0，以及控制端C。开关SW工的输 入端IA IE分别耦接于晶体管Q6 Q1Q的漏极，用来分别接收电流(6/4) Ix、 (5/4) Ix、 (4/4) Ix、 (3/4) Ix、 (2/4) Ix。开关SW工可根据控制端C所接收的控制信号S"将其输入端lA lE 中的一个耦接至其输出端0，以作为温升电流产生电路2111所输出的温升电流IT+。举例来说，当开关SW工将其输入端IE耦接至其输出端0时，温升电流IT+即为(2/4) Iy，亦即等于 (2/4) X (VKEFT+/RX)。开关亦可以一保险丝组来实施。换句话说，开关可包含五个保 险丝，每个保险丝的一端接对应地耦接于晶体管Q6 Q1Q的漏极，每个保险丝的另一端耦接 于开关SW1的输出端0。使用者可依需求决定将哪些保险丝烧断，哪些不烧断，以决定温升 电流产生电路2111所输出的温升电流IT+的大小。举例来说，使用者可将耦接于晶体管Q1Q 与开关的输出端O之间的保险丝保留，然后将其他的保险丝烧断，如此温升电流IT+的大小 便为(2/4) Ix。 而温降电流产生电路2112的架构与运作原理与温升电流产生电路2111类似，在
此不再赘述，唯一差异仅在于在温降电流产生电路2112中，其所使用的带隙参考电压电
路为一温降带隙参考电压电路，所产生的参考电压随温度上升而下降。 综上述，本发明不仅提供不受工艺及偏压源影响的电压控制振荡器，亦可根据温
度的变化，调整输出周期信号的频率，提供给使用者更大的便利性。 当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟 悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变 形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
10
权利要求
一种不受工艺与偏压源影响的电压控制振荡器，该电压控制振荡器根据一参考电压产生一对应频率的周期信号，其特征在于，该电压控制振荡器包含一参考电流源产生模块，包含一放大器，包含一正输入端，用来接收该参考电压；一负输入端；及一输出端；一电阻，耦接于该放大器的该负输入端与一地端之间；及一第一晶体管，包含一第一端，耦接于一偏压源；一控制端，耦接于该放大器的该输出端；及一第二端，该第一晶体管根据该参考电压，产生一参考电流；及一周期信号产生模块，用来根据该参考电流，输出该对应频率的周期信号。
2. 根据权利要求1所述的电压控制振荡器，其特征在于，该第一晶体管为一P型金属氧 化物半导体晶体管。
3. 根据权利要求1所述的电压控制振荡器，其特征在于，该参考电流源模块另包含 一第二晶体管，包含一第一端，耦接于该偏压源；一控制端，耦接于该放大器的该输出端，用来提供一第一偏压；及一第二端；及一第三晶体管，包含一第一端，耦接于该地端；一控制端，耦接于该第二晶体管的该第二端，用来提供一第二偏压；及 一第二端，耦接于该第二晶体管的该第二端；其中该第一偏压与该第二偏压提供给该周期信号产生模块以根据该参考电流产生该 对应频率的周期信号。
4. 根据权利要求3所述的电压控制振荡器，其特征在于，该第二晶体管为一P型金属氧 化物半导体晶体管；该第三晶体管为一 N型金属氧化物半导体晶体管。
5. 根据权利要求3所述的电压控制振荡器，其特征在于，该电压控制振荡器模块包含N 个反相器模块，其中N为一正整数。
6. 根据权利要求5所述的电压控制振荡器，其特征在于，该N个反相器模块中的第一个 反相器模块包含一第四晶体管，包含 一第一端，耦接于该偏压源；一控制端，耦接于该第二晶体管的该控制端，用来接收该第一偏压；及 一第二端，用来根据该第一偏压以输出该参考电流； 一第五晶体管，包含 一第一端，耦接于该地端；一控制端，耦接于该第三晶体管的该控制端，用来接收该第二偏压；及一第二端，用来根据该第二偏压以漏取该参考电流； 一反相器，包含一第一电流端，耦接于第四晶体管的该第二端，用来接收该参考电流； 一第二电流端，耦接于第五晶体管的该第二端，用来输出该参考电流； 一输入端，用来接收一输入信号；及一输出端，耦接于第二个反相器模块的反相器的输入端，用来输出该第一个反相器模 块的反相器所接收的输入信号的反相信号；及 一电容，耦接于该反相器的输出端。
7. 根据权利要求6所述的电压控制振荡器，其特征在于，该第四晶体管为一P型金属氧 化物半导体晶体管；该第五晶体管为一 N型金属氧化物半导体晶体管。
8. 根据权利要求5所述的电压控制振荡器，其特征在于，该N个反相器模块中的第K个 反相器模块包含一第四晶体管，包含 一第一端，耦接于该偏压源；一控制端，耦接于该第二晶体管的该控制端，用来接收该第一偏压；及 一第二端，用来根据该第一偏压以输出该参考电流； 一第五晶体管，包含 一第一端，耦接于该地端；一控制端，耦接于该第三晶体管的该控制端，用来接收该第二偏压；及 一第二端，用来根据该第二偏压以漏取该参考电流； 一反相器，包含一第一电流端，耦接于第四晶体管的该第二端，用来接收该参考电流； 一第二电流端，耦接于第五晶体管的该第二端，用来输出该参考电流； 一输入端，耦接于第(K-l)个反相器模块的反相器的输出端；及一输出端，耦接于第(K+l)个反相器模块的反相器的输入端，用来输出该第K个反相器 模块的反相器所接收的输入信号的反相信号；及 一电容，耦接于该反相器的输出端； 其中1 〈K〈N，且K为一正整数。
9. 根据权利要求8所述的电压控制振荡器，其特征在于，该第四晶体管为一P型金属氧 化物半导体晶体管；该第五晶体管为一 N型金属氧化物半导体晶体管。
10. 根据权利要求5所述的电压控制振荡器，其特征在于，该N个反相器模块中的第N 个反相器模块包含一第四晶体管，包含 一第一端，耦接于该偏压源；一控制端，耦接于该第二晶体管的该控制端，用来接收该第一偏压；及 一第二端，用来根据该第一偏压以输出该参考电流； 一第五晶体管，包含 一第一端，耦接于该地端；一控制端，耦接于该第三晶体管的该控制端，用来接收该第二偏压；及一第二端，用来根据该第二偏压以漏取该参考电流； 一反相器，包含一第一电流端，耦接于第四晶体管的该第二端，用来接收该参考电流； 一第二电流端，耦接于第五晶体管的该第二端，用来输出该参考电流； 一输入端，耦接于第(N-l)个反相器模块的反相器的输出端；及一输出端，耦接于第一个反相器模块的反相器的输入端，用来输出该第N个反相器模 块的反相器所接收的输入信号的反相信号至该第一个反相器模块的反相器并输出以作为 该参考电流所对应频率的周期信号；及一电容，耦接于该反相器的输出端，其中N为一正整数，且N〉 1。
11. 根据权利要求10所述的电压控制振荡器，其特征在于，该第四晶体管为一P型金属 氧化物半导体晶体管；该第五晶体管为一 N型金属氧化物半导体晶体管。
12. 根据权利要求l所述的电压控制振荡器，其特征在于，另包含一带隙参考电压电 路，耦接于该放大器的该正输入端，用以提供该参考电压。
13. 根据权利要求12所述的电压控制振荡器，其特征在于，该带隙参考电压电路所输出的参考电压与温度正相关。
14. 根据权利要求13所述的电压控制振荡器，其特征在于，该带隙参考电压电路所输 出的参考电压与温度的关系为根据下式V2 = V1X (1+JT);其中V2为该带隙参考电压电路所输出的参考电压、VI为该带隙参考电压电路预设的 参考电压、T为温度的变化量、J为一温度系数且为一正数。
15. 根据权利要求12所述的电压控制振荡器，其特征在于，该带隙参考电压电路所输 出的参考电压与温度负相关。
16. 根据权利要求15所述的电压控制振荡器，其特征在于，该带隙参考电压电路所输 出的参考电压与温度的关系为根据下式V2 = V1X (l-JT);其中V2为该带隙参考电压电路所输出的参考电压、VI为该带隙参考电压电路预设的 参考电压、T为温度的变化量、J为一温度系数且为一负数。
17. 根据权利要求12所述的电压控制振荡器，其特征在于，该带隙参考电压电路包含 一温升电流产生电路，用来产生随温度上升而上升的一温升电流；以及 一电阻，耦接于该温升电流产生电路的输出端，用来接收该温升电流； 其中该带隙参考电压电路所输出的该参考电压根据该电阻与该温升电流所产生。
18. 根据权利要求17所述的电压控制振荡器，其特征在于，该温升电流产生电路包含 一温升带隙参考电压电路，用来产生随温度上升而上升的一温升参考电压； 一放大器，包含一正输入端，耦接于该温升带隙参考电压电路，用来接收该温升参考电压；一负输入端；以及一输出端；一第一晶体管，包含 一第一端，耦接于该偏压源； 一第二端，耦接于该放大器的该负输入端；以及 一控制端，耦接于该放大器的该输出端；一电阻，耦接于该放大器的该负输入端与该地端之间； 多个第二晶体管，每个第二晶体管皆包含 一第一端，耦接于该偏压源； 一第二端；以及一控制端，耦接于该放大器的该输出端； 一开关，包含多个输入端，每个输入端对应地耦接于该多个第二晶体管的该第二端； 一输出端，用来输出该温升电流；以及一控制端，用来接收一控制信号，以将该开关的该多个输入端的一耦接于该开关的该 输出端。
19. 根据权利要求18所述的电压控制振荡器，其特征在于，该多个第二晶体管的长宽 比可为不同。
20. 根据权利要求18所述的电压控制振荡器，其特征在于，该第一晶体管以及该多个 第二晶体管为P型金属氧化物半导体晶体管。
21. 根据权利要求18所述的电压控制振荡器，其特征在于，该开关可以一保险丝组来 实施。
22. 根据权利要求21所述的电压控制振荡器，其特征在于，该保险丝组包含 多个保险丝，每个保险丝皆对应地耦接于该多个第二晶体管的该第二端以及该温升电流产生电路的该输出端之间；其中该多个保险丝可根据该控制信号选择性地烧断。
23. 根据权利要求17所述的电压控制振荡器，其特征在于，另包含一温降电流产生电路，耦接于该电阻，用来产生随温度上升而下降的一温降电流。
24. 根据权利要求5所述的电压控制振荡器，其特征在于，N为奇数。
全文摘要
本发明公开一种不受工艺与偏压源影响的电压控制振荡器。该电压控制振荡器包含一参考电流源模块与一周期信号产生模块。该参考电流源模块根据一参考电压，产生对应大小的参考电流。该周期信号产生模块根据该参考电流源模块所产生的参考电流大小，对应地产生相对频率的周期信号。该参考电流源模块利用放大器的负反馈机制以使得所输出的参考电流能维持预定的大小而不受工艺与偏压源的影响。
文档编号H03K19/094GK101714850SQ20091020644
公开日2010年5月26日 申请日期2009年11月13日 优先权日2009年11月13日
发明者夏濬, 张正男, 赖祐生 申请人:钰创科技股份有限公司