振荡器电路的制作方法与工艺

本发明涉及振荡器，更特别地，涉及用于抵消漂移变化的具有采样电流补偿的振荡器。

背景技术：
在很多电子电路应用中可发现振荡器电路，其通常用于产生时钟信号，以控制电路的定时或控制装置的逻辑状态。例如，振荡器电路可以与例如DC/DC转换器、音频接收机、计数器、移相器、微处理器和FM(频率调制)电路的许多电路结合使用。典型地，振荡电路提供的时钟信号的频率主要由一个或多个电容器的充电和放电决定。上述充电和放电通常由提供充电电流给电容器的恒流源或电流镜来控制，并且通过控制跨电容器耦合的晶体管来影响放电。然而，环境温度的变化和工艺制作偏移可导致这些电容器和晶体管电特性的变化，从而导致时钟信号频率改变。因此，如果振荡器电路可配置为减少由环境温度变化导致的时钟信号频率变化的影响，这将是有益的。

技术实现要素：
根据本发明的一个方面，提供一种振荡器电路，包括：信号发生器，具有补偿频率输出节点，其中，在工作时，所述信号发生器在所述补偿频率输出节点提供补偿频率信号；脉冲发生器，具有脉冲信号输出节点和耦合至所述补偿频率输出节点的脉冲发生器输入节点，其中，在工作时，所述脉冲发生器在所述脉冲信号输出节点处将所述补偿频率信号转换为一串补偿二进制脉冲，所述补偿二进制脉冲具有大致恒定的脉冲持续时间，而不管所述补偿二进制脉冲的占空比的变化；以及振荡器模块，包括至少两电容器、振荡器输出节点和耦合至所述脉冲信号输出节点的脉冲信号输入节点，其中，在工作时，所述振荡器在所述振荡器输出节点提供输出信号，所述输出信号所处在的频率取决于所述电容器的充电速率，并且其中，所述电容器的电特性漂移变化由提供至所述脉冲信号输入节点的所述补偿二进制脉冲的占空比变化所抵消，从而维持所述电容器的充电速率大致恒定。根据本发明的第二方面，提供一种振荡器模块，包括：振荡器输出节点和脉冲信号输入节点；以及至少两电容器，其中，每个电容器的第一电极通过充电电流镜的相应的充电电流镜晶体管耦合至电源电压节点；每个电容器的第二电极耦合至返回电压节点，并且其中，每个电容器的第一电极通过相应的放电晶体管耦合至返回电压节点，以及进一步通过充电电流控制晶体管耦合至返回电压节点，所述充电电流控制晶体管的栅极耦合至补偿脉冲输入节点，其中，在工作时，所述振荡器在所述振荡器输出节点提供输出信号，所述输出信号所处在的频率取决于所述电容器的充电速率，并且其中，所述电容器电子特性的漂移变化由提供至所述脉冲信号输入节点的补偿二进制脉冲的占空比变化所抵消，从而维持所述电容器的充电速率的大致恒定。附图说明通过参考下述的优选实施例的说明以及附图，可更好理解本发明以及其相关的目标和优点。在附图中：图1是根据本发明优选实施例的振荡器电路的示意电路图；图2是根据本发明实施例的图1的振荡器电路的信号发生器的示意电路图；图3是根据本发明优选实施例的图1的振荡器电路的脉冲发生器的优选实施例的示意电路图；图4是根据本发明优选实施例的图3的脉冲发生器的比较器的实现的示意电路图；图5是说明通过图1的振荡器电路产生的补偿频率信号和补偿二进制脉冲之间关系的波形图；图6是说明在图5的补偿二进制脉冲上漂移的影响的波形图；图7是根据本发明优选实施例的图1的振荡器电路的振荡器模块的示意电路图；以及图8是根据本发明优选实施例的说明在图7的振荡器模块的振荡器输出节点提供输出信号的方法的流程图。具体实施方式下述与附图有关的详细说明是作为本发明目前优选实施例的说明，并不作为代表本发明可被实现的唯一形式。应当理解，意图为被包含在本发明实质和范围内的不同的实施例可完成相同或等效的功能。在附图中，相同的数字自始至终用于指示相同的元件。此外，词语“包含”，“包括”或其他任何由此的变形，是用于表明覆盖了一种非排除式的包含，例如包含的一系列元件的模块、电路、装置组件、方法步骤和结构，不是只有那些所列的元件，而是还可能包含其他没有明确列出来的元件或那些模块、电路、步骤或装置组件所固有的元件。如果没有更多的限制，通过“包含”描述的元件或步骤，不排除存在包括元件或步骤的另外的相同的元件或步骤。此外，在本说明书中，术语栅极、源极和漏极可分别与术语基极、发射极和集电极互换。在一个实施例中，本发明提供了一种振荡器电路，其包括具有补偿频率输出节点的信号发生器，其中在工作时，信号发生器在补偿频率输出节点提供补偿频率信号。具有脉冲信号输出节点和脉冲发生器输入节点的脉冲发生器耦合到补偿频率输出节点。脉冲发生器在脉冲信号输出节点将补偿频率信号转换为一串补偿二进制脉冲，补偿二进制脉冲具有大致恒定的脉冲持续时间而不管补偿二进制脉冲的占空比变化。振荡器电路还具有振荡器模块，其包括至少两个电容器、振荡器输出节点和耦合至脉冲信号输出节点的脉冲信号输入节点。振荡器模块在振荡器输出节点提供输出信号，输出信号所处在的频率取决于电容器的充电速率。电容器电特性的漂移变化通过提供给脉冲信号输入节点的补偿二进制脉冲的占空比变化所抵消，从而维持电容器充电速率的大致恒定。在另一个实施例中，本发明提供了一种振荡器模块，其包括振荡器输出节点和脉冲信号输入节点。提供了至少两个电容器，其中每个电容器的第一电极通过充电电流镜的相应的充电电流镜晶体管耦合到电源电压节点。每个电容器的第二电极耦合至返回电压节点，而且每个电容器的第一电极通过相应的放电晶体管而耦合至返回电压节点。每个电容器的第一电极进一步通过充电电流控制晶体管而耦合至返回电压节点，充电电流控制晶体管具有耦合至补偿脉冲输入节点的栅极。振荡器模块在振荡器输出节点提供输出信号；输出信号所处在的频率取决于电容器的充电速率。电容器电特性的漂移变化通过提供给脉冲信号输入节点的补偿二进制脉冲的占空比变化所抵消，从而维持电容器充电速率的大致恒定。在另一个实施例中，本发明提供了一种方法，用于在振荡器模块的输出端产生输出信号。该方法包括提供补偿频率信号并将补偿频率信号转换成补偿二进制脉冲，补偿二进制脉冲具有大致恒定的脉冲持续时间而不管补偿二进制脉冲的占空比变化。该方法进一步包括通过将部分充电电流转移通过受补偿二进制脉冲控制的充电电流控制晶体管来改变振荡器模块的置位(set)和复位电容器的充电电流。在该方法中还包括在振荡器输出端提供输出信号的步骤。输出信号所处在的频率取决于置位和复位电容器的充电速率。置位和复位电容器的电特性的漂移变化被补偿二进制脉冲的占空比变化抵消，从而维持了电容器大致恒定的充电速率。对本领域技术人员将是显而易见的，本发明对于提供不会被环境温度的变化而导致的漂移轻易影响的恒定频率信号是特别有用的。现在参见图1，显示了根据本发明优选实施例的振荡器电路100的电路图。振荡器电路100具有信号发生器101，信号发生器101具有补偿频率输出节点102。在工作时，信号发生器101在补偿频率输出节点102提供频率为Fcs的补偿频率信号Sf。振荡器电路100具有脉冲发生器103，脉冲发生器103具有脉冲信号输出节点104和耦合至补偿频率输出节点102的脉冲发生器输入节点105。在工作时，脉冲发生器103在脉冲信号输出节点104处将补偿频率信号Sf转换成一串补偿二进制脉冲Cp。脉冲发生器103被设计为进行运行，以使得补偿二进制脉冲Cp具有大致恒定的脉冲持续时间D而不管补偿二进制脉冲Cp的占空比变化。振荡器电路100还具有振荡器模块106，振荡器模块106具有振荡器输出节点107和耦合至脉冲信号输出节点104的脉冲信号输入节点108。图2是信号发生器101的优选实施例的电路图。信号发生器101包括恒流源201，其耦合在一端的电源电压节点VDD与另一端的第一参考晶体管202的漏极和栅极之间。第一参考晶体管202的栅极耦合至第一镜像晶体管203的栅极，晶体管202、203两者的源极都耦合至返回电压节点(地GND)。第二参考晶体管204的源极耦合至电源电压节点VDD，第二参考晶体管204的栅极耦合至它自己的漏极以及第一镜像晶体管203的漏极和第二镜像晶体管205的栅极。第二镜像晶体管205的源极耦合至电源电压节点VDD，第二镜像晶体管205的漏极耦合至置位电容器206的第一电极。置位电容器206的第二电极耦合至地GND，置位电容器206的第一电极还耦合至置位放电晶体管207的漏极和置位比较器208的正输入端。信号发生器101进一步包括置位-复位锁存器209，置位-复位锁存器209具有耦合至置位比较器208的输出端的置位输入端S。还有第三镜像晶体管210，其源极耦合至电源电压节点VDD，栅极耦合至第二参考晶体管204的栅极，漏极耦合至复位电容器211的第一电极。复位电容器211的第二电极耦合至地GND，复位电容器211的第一电极还耦合至复位放电晶体管212的漏极和复位比较器213的正输入端。复位比较器213的输出端耦合至置位-复位锁存器209的复位输入端R，并且比较器208、213的负输入端耦合至公共阈值电压参考节点Vref。置位-复位锁存器209的输出端Qbar耦合至复位放电晶体管212的栅极，置位-复位锁存器209的输出端Q耦合至置位放电晶体管207的栅极。置位放电晶体管207和复位放电晶体管212的源极耦合至地GND，并且如所示，补偿频率输出节点102耦合至置位-复位锁存器209的输出端Q。然而，必要时，补偿频率输出节点102可以耦合至置位-复位锁存器209的输出端Qbar。向补偿频率输出节点102提供补偿频率信号Sf，且该补偿频率信号Sf的频率取决于置位和复位电容器206、211的充电速率，这对本领域技术人员而言将是显而易见的。图3是根据本发明优选实施例的脉冲发生器103的优选实施例的电路图。脉冲发生器103具有NMOS比较器301，其正输入端耦合至脉冲发生器输入节点105，输出端耦合至PMOS比较器302的正输入端。PMOS比较器302的输出端耦合至与门303的第一输入端，与门303的第二输入端直接耦合至脉冲发生器输入节点105。与门303的输出端耦合至异或门304的第一输入端，异或门304的第二输入端直接耦合至脉冲发生器输入节点105。异或门304的输出端通过毛刺(glitch)消除电路308耦合至脉冲信号输出节点104。毛刺消除电路308包括具有耦合至脉冲信号输出节点104的输出端的与门307和两个串联连接的反相器305、306。异或门304的输出端直接耦合至与门307的第一输入端以及间接地通过串联的反相器305、306而耦合至与门307的第二输入端。比较器301、302的负输入端都耦合至公共阈值电压参考节点Vref1。该公共阈值电压参考节点Vref1设置为或接近补偿频率信号Sf的最大电压(逻辑1电平)的一半。因此，参考节点Vref1的电平提供了一个从比较器301的输入端至比较器302的输出端的合适的延时，从而提供了延时信号至与门304的输入端。图4是根据本发明的优选实施例的比较器301、302的晶体管级实现400的电路图。如图所示，NMOS比较器301包括一对通过电流镜电路406耦合至地GND的NMOS晶体管401、402，NMOS晶体管401、402通过电流镜电路405耦合至电源电压节点VDD。PMOS比较器302包括一对通过电流镜电路408耦合至地GND的PMOS晶体管403、404，并且PMOS晶体管403、404通过电流镜电路407耦合至电源电压节点VDD。图5是说明在脉冲发生器节点105接收的补偿频率信号Sf和在脉冲信号输出节点104提供的补偿二进制脉冲Cp之间关系的波形图。如图所示，补偿二进制脉冲Cp包含在补偿频率信号Sf的上升沿的、通过脉冲发生器103产生的短时脉冲P。这些脉冲P由提供给异或门305的信号定时差来产生，由经过比较器301和302的延时引起，这些对本领域技术人员而言是显而易见的。另外，毛刺消除电路308具有足够的延时，从而在补偿频率信号Sf下降沿期间产生的任何短时脉冲或毛刺都不在脉冲信号输出节点104处形成为部分的补偿二进制脉冲Cp。图6示出了在脉冲信号输出节点104提供的补偿二进制脉冲Cp，其具有随着时间变化的占空比。在补偿二进制脉冲Cp的第一周期T1期间，短时脉冲P具有持续时间D。然而，由于随着时间的漂移，补偿频率信号Sf的频率Fcs可变化从而导致补偿二进制脉冲CP周期的变化。如图所示，补偿二进制脉冲Cp的周期增加为T1+X，但是短时脉冲P保持它的持续时间D。这是因为短时脉冲P的持续时间D通过NMOS和PMOS比较器301、302的互补特性而保持恒定，而补偿频率信号Sf的频率Fcs易受漂移变化的影响。图7是根据本发明的优选实施例的振荡器模块106的电路图。振荡器模块106包括恒流源701，其耦合在一侧的电源电压节点VDD以及另一侧的第一参考晶体管702的漏极和栅极之间。第一参考晶体管702的栅极耦合至第一镜像晶体管703的栅极，晶体管702、703的源极都耦合至返回参考节点(地GND)。第二参考晶体管704的源极耦合至电源电压节点VDD，第二参考晶体管704(其为充电电流镜中的电流参考晶体管)的栅极耦合至其自身的漏极。第二参考晶体管704的栅极还耦合至第一镜像晶体管703的漏极和充电电流镜的第一充电电流镜晶体管705的栅极。第一充电电流镜晶体管705的源极耦合至电源电压节点VDD，第一充电电流镜晶体管705的漏极耦合至置位电容器706的第一电极。置位电容器706的第二电极耦合至地GND，置位电容器706的第一电极还耦合至置位放电晶体管707的漏极和置位比较器708的正输入端。振荡器模块106进一步包括置位-复位锁存器709，置位-复位锁存器709具有耦合至置位比较器708的输出端的置位输入端S。还存在(充电电流镜的)第二充电电流镜晶体管710，其源极耦合至电源电压节点VDD，栅极耦合至第二参考晶体管704的栅极，并且漏极耦合至复位电容器711的第一电极。复位电容器711的第二电极耦合至地GND，复位电容器711的第一电极还耦合至复位放电晶体管712的漏极以及复位比较器713的正输入端。复位比较器713的输出端耦合至置位-复位锁存器709的复位输入端R，比较器708、713的负输入端都耦合至公共阈值参考电压节点Vref2。置位-复位锁存器709的输出端Qbar耦合至复位放电晶体管712的栅极，置位-复位锁存器709的输出端Q耦合至置位放电晶体管707的栅极。振荡器模块106还包括第一充电控制镜像晶体管715和第二充电控制镜像晶体管717。第一和第二充电控制镜像晶体管715、717的栅极耦合至第一参考晶体管702的栅极，其中第一参考晶体管702是充电控制电流镜的参考晶体管。置位电容器706的第一电极通过充电电流控制晶体管714耦合至返回电压节点，充电电流控制晶体管714的栅极耦合至补偿脉冲输入节点108。更具体地，充电电流控制晶体管714通过充电控制镜像晶体管715将置位电容器706的第一电极耦合至返回电压节点。类似地，复位电容器711的第一电极通过充电电流控制晶体管716耦合至返回电压节点，充电电流控制晶体管716的栅极耦合至补偿脉冲输入节点108。更具体地，充电电流控制晶体管716通过充电控制镜像晶体管717将复位电容器711的第一电极耦合至返回电压节点。置位放电晶体管707和复位放电晶体管712的源极耦合至地GND，并且如所示，振荡器输出节点107耦合至置位-复位锁存器709的输出端Q。然而，必要时，振荡器输出节点107能耦合至置位-复位锁存器709的输出端Qbar。向输出节点107提供输出信号Fout，且该输出信号Fout的频率取决于置位和复位电容器706、711的充电速率，这对本领域技术人员而言是显而易见的。理想地，信号发生器101的置位和复位电容器206、211以及置位和复位电容器706、711紧挨着在公共硅基板上形成，并且具有相同的硅布局方向。这因此减少了由于工艺容限变化和环境温度变化对输出信号Fout频率的影响的可能性。图8是在振荡器模块106的振荡器输出节点107提供输出信号的方法800的流程图。该方法在块810处，执行提供补偿频率信号Sf。在块810的提供由信号发生器101执行。接下来，在块820，脉冲发生器103执行将补偿频率信号Sf转化为补偿二进制脉冲Cp的处理。补偿二进制脉冲Cp具有大致恒定的脉冲持续时间，而不管它们的占空比变化。在块830处，振荡器模块106执行通过将部分的充电电流转移通过受补偿二进制脉冲Cp控制的充电电流控制晶体管714、716来改变置位和复位电容器706、711的充电电流。振荡器模块106在提供的块840中，在振荡器输出节点107提供输出信号Fout。这里，输出信号Fout所处在的频率取决于置位和复位电容器706、711的充电速率。置位和复位电容器706、711的电特性的漂移变化被补偿二进制脉冲Cp的占空比变化所抵消，从而维持置位和复位电容器706、711充电速率的大致恒定。分别通过置位和复位电容器的充电电流由下式决定：Icmt-K×Iref×Dcycle其中Icmt是由充电电流镜晶体管提供的电流，K×Iref是不间断电流值，其可由充电控制镜像晶体管供给，Dcycle是补偿二进制脉冲的占空比。总之，由K×Iref×Dcycle确定的电流值是补偿电流，其流过充电电流控制晶体管714、716中的任一个。该补偿电流补偿置位和复位电容器706、711的电容值变化，从而提供这些电容器706、711恒定的充电速率，而不管它们的电特性漂移变化。理想地，补偿二进制脉冲具有少于20％的占空比，优选地补偿二进制脉冲Cp的频率是振荡器输出节点107处输出信号Fout工作频率的至少4倍。有利地，本发明减少了或至少减轻了由环境温度变化导致的时钟输出信号Fout频率变化的影响。这是因为补偿二进制脉冲Cp具有大致恒定的脉冲持续时间D而不管补偿二进制脉冲Cp的占空比变化。从而，置位和复位电容器706、711的电特性漂移变化被所提供的补偿二进制脉冲Cp的占空比变化所抵消，从而用于维持电容器706、711大致恒定的充电速率。此处本发明优选实施例的说明是用于图示和说明，但并不意味着将本发明穷举或局限于所公开的形式。本领域技术人员应当理解，在不脱离本发明所具有的广泛的发明构思的前提下，可以对上述实施例做改变。从而，可以明白本发明并不限于所公开的特定实施例，而是涵盖了在如附加的权利要求所定义的本发明的实质和范围内的修改。