环形振荡器的制作方法

本发明涉及电子电路领域，更具体地，涉及一种具有温度和工艺补偿性的环形振荡器。

背景技术：

在许多电子电路应用的场合中，为了正确的操作，需要提供电路的一部分对于另一部分的准确的定时或同步。利用其频率准确到满足被定时或被同步电路的需要的本机振荡器可方便地提供这种定时。根据所要求的准确程度的不同，在频率范围可以较宽的场合，振荡器可以非常简单和廉价，而在要求较高的频率准确度(小于百分之几的误差)的场合可能相对较复杂和昂贵。因此，需要振荡器能够提供既简单和廉价又准确的频率操作。互补金属氧化物半导体(Complementary Metal Oxide Semiconductor，CMOS)制造技术已充分发展，对于许多应用，该技术是设计与实现大规模集成电路的精选技术。

特别适合于用CMOS技术来实现的一种振荡器是环形振荡器。在这种振荡器中没有在其它振荡器中被用来准确地设定操作频率的电感-电容调谐电路。环形振荡器不使用调谐电路而是使用奇数个串联的反相级，各级反相器的输出与下一级反相器的输入相连，最后一级反相器的输出与第一级反相器输入相连。

环形振荡器因其结构简单、使用方便、可调节范围大而应用在许多集成电路芯片中。但其振荡频率受温度和工艺参数的漂移的影响很大，对电路的稳定性造成很大影响。

环形振荡器的性能受到温度、工艺参数漂移的影响，主要源于MOS管的性能随温度、工艺参数而改变。当温度、工艺参数变化时，载流子的迁移率和阈值电压会随之改变，从而影响了环形振荡器的性能。因此，研究一种电路结构简单、温度漂移低以及工艺离散小的环形振荡器意义重大。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的提供一种环形振荡器，其可以实现宽温度范围下的频率稳定，且受工艺影响很小。

为了实现上述目的，本发明实施例提供了一种环形振荡器，包括：振荡模块，包括由G个反相器环形串接后形成的反馈环形回路，以及尾电流源控制单元，所述尾电流源控制单元为所述反馈环形回路提供尾电流源电流，使得所述振荡模块的振荡频率与所述尾电流源电流呈正比例关系，且所述奇数个反相器参数设置成使得振荡模块的振荡频率与温度负相关；温度补偿模块，用于利用温度敏感器件产生第一补偿电压和第二补偿电压，所述第一补偿电压和第二补偿电压的电压差与温度正相关；工艺补偿模块，用于利用工艺敏感器件产生随工艺角不同而不同的第三补偿电压；以及补偿电流产生模块，用于根据第一至第三补偿电压产生补偿电流，并通过所述补偿电流对所述尾电流源电流进行调节。

优选地，所述温度补偿模块包括第一电流源、第二电流源、第一双极型晶体管以及第二双极型晶体管，所述第一电流源的第一端和第二电流源的第一端分别接收供电电压，所述第一双极型晶体管以及第二双极型晶体管的发射极分别与第一电流源的第二端和第二电流源的第二端电连接，所述第一双极型晶体管和第二双极型晶体管的基极分别与各自的集电极电连接，同时彼此相连并接地，其中，所述第一双极型晶体管和第二双极型晶体管的发射极分别对应为第一补偿电压和第二补偿电压输出端。

优选地，所述工艺补偿模块包括第三电流源、第一电阻、第一开关管以及第二开关管，所述第三电流源的第一端接收供电电压，所述第一电阻的第一端与所述第三电流源的第二端电连接，所述第一电阻第二端与第一开关管的源极电连接，所述第一开关管的漏极与所述第二开关管的漏极电连接，所述第一开关管的栅极与所述第二开关管的栅极电连接，且同时与所述第一开关管的漏极电连接，所述第二开关管的源极接地，其中，所述第一电阻的第一端对应为第三补偿电压输出端。

优选地，所述补偿电流产生模块包括第四电流源、第二电阻、第三电阻以及第三至第七开关管，所述第三开关管的栅极与所述第一电阻的第一端电连接，所述第四开关管的栅极与所述第一双极型晶体管的发射极电连接，所述第五开关管的栅极与所述第二双极型晶体管的发射极电连接，所述第三开关管的漏极与所述第四开关管的漏极电连接，并同时与第六开关管的栅极和漏极电连接，所述第三开关管的源极与第四开关管的源极电连接，所述第二电阻连接于第三开关管的源极和第四电流源的第二端之间，第三电阻连接于第五开关管源极和第四电流源的第二端之间，所述第四电流源的第一端接收供电电压，所述第五开关管的漏极与所述第七开关管的漏极电连接，所述第七开关管的栅极与第七开关管的漏极电连接，所述第六开关管和第七开关管的源极分别接地，其中，所述第五开关管的漏极用于输出补偿电流，所述第七开关管的栅极对应为镜像电压输出端。

优选地，所述尾电流源控制单元包括第八至第十一开关管，其中，所述所述第十开关管的源极和第十一开关管的源极同时连接至供电电压，所述第十开关管的栅极和第十开关管的漏极电连接，并同时与第十一开关管的栅极电连接，所述第八开关管的栅极与所述第七开关管的栅极电连接，所述第八开关管的漏极与所述第十开关管的漏极电连接，所述第九开关管的栅极与所述第七开关管的栅极电连接，所述第八开关管的源极和第九开关管的源极均接地，所述反馈环形回路连接于所述第十一开关管漏极和第九开关管漏极之间，其中，所述第九开关管和第十一开关管作为尾电流源，第九开关管和第十一开关管的漏极对应为尾电流源电流输出端。

优选地，所述第一电流源、所述第二电流源、所述第三电流源以及所述第四电流源均为恒定电流源。

优选地，所述第一开关管、所述第三开关管、所述第四开关管、所述第五开关管、所述第十开关管以及所述第十一开关管为P型场效应管，所述第二开关管、所述第六开关管、所述第七开关管、所述第八开关管以及所述第九开关管为N型场效应管。

优选地，所述G为奇数且大于等于三。

优选地，还包括滤波模块，用于对补偿电流产生模块输出的补偿电流进行滤波，并将滤波后的补偿电流提供给振荡模块。

优选地，还包括输出缓冲模块，用于将振荡模块输出的振荡信号整形为满电源摆幅输出的振荡信号并输出。

根据本发明实施例的环形振荡器，在振荡模块的振荡频率受到温度、工艺参数的影响而发生漂移时，可通过补偿电流对振荡频率进行补偿，使环形振荡器输出的振荡信号具有稳定的振荡频率。

附图说明

通过以下参照附图对发明实施例的描述，本发明的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：

图1示出本发明实施例提供的环形振荡器结构的示意性框图。

图2示出图1中补偿模块结构的示意性框图。

图3示出图1中补偿模块的结构图。

图4示出图1中振荡模块的结构图。

图5示出振荡模块中反馈环形回路的电路图。

具体实施方式

以下基于实施例对本发明进行描述，但是本发明并不仅仅限于这些实施例。在下文对本发明实施例的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分，对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。为了避免混淆本发明的实质，公知的方法、过程、流程没有详细叙述。

在各个附图中，相同的元件采用类似的附图标记来表示。为了清楚起见，附图中的各个部分没有按比例绘制。此外，在图中可能未示出某些公知的部分。附图中的流程图、框图图示了本发明的实施例的系统、方法、装置的可能的体系框架、功能和操作，附图的方框以及方框顺序只是用来更好的图示实施例的过程和步骤，而不应以此作为对发明本身的限制。

以下将参照附图更详细地描述本发明。在各个附图中，相同的元件采用类似的附图标记来表示。为了清楚起见，附图中的各个部分没有按比例绘制。此外，可能未示出某些公知的部分。

图1示出本发明实施例提供的环形振荡器结构的示意性框图。如图1所示，本发明实施例提供的环形振荡器包括顺序连接的补偿模块100、滤波模块200、振荡模块300以及输出缓冲模块400。

进一步地，如图2所示，图2示出图1中补偿模块结构的示意性框图。所述补偿模块100包括温度补偿模块110、工艺补偿模块120以及补偿电流产生模块130，所述温度补偿模块110和工艺补偿模块120同时与所述补偿电流模块产生130相连接。

具体地，请参见图3，图3示出图1中补偿模块的结构图。本发明实施例提供的环形振荡器中的补偿模块100包括温度补偿模块110，所述温度补偿模块110包括第一电流源I1、第二电流源I2、第一双极型晶体管Q1以及第二双极型晶体管Q2。

所述第一电流源I1的第一端和第二电流源I2的第一端分别接收供电电压，所述第一双极型晶体管Q1以及第二双极型晶体管Q2的发射极分别与第一电流源I1的第二端和第二电流源I2的第二端电连接，所述第一双极型晶体管Q1和第二双极型晶体管Q2的基极分别与各自的集电极电连接，同时彼此相连并接地。

其中，第一双极型晶体管Q1以及第二双极型晶体管Q2的发射极分别对应为第一补偿电压Vbe1和第二补偿电压Vbe2的输出端，所述第一电流源I1和第二电流源I2均为恒定电流源，所述第一双极型晶体管Q1以及第二双极型晶体管Q2例如均为PNP型晶体管，且第一双极型晶体管Q1发射极面积和第二双极型晶体管Q2发射极面积呈一定比例(1：n)。

对应于第一双极型晶体管Q1以及第二双极型晶体管Q2的连接方式，所述第一双极型晶体管Q1以及第二双极型晶体管Q2各自相当于由两个二极管连接而成，对于这样的双极性晶体管来说，流经一个二级管的电流Id对应为：

由式(1.1)可得Vbe＝Vt·ln(I_D/Is)，其中，Vbe为三极管的发射结电压，Vt为与温度成正比的热电压(KT/q)，Is为二极管的反向电流。所述第一补偿电压Vbe1和第二补偿电压Vbe2相减得到电压差ΔVbe：

其中，m为流经第二双极型晶体管Q2和第一双极型晶体管Q1电流的比值，从式(1.2)可知，电压差ΔVbe与温度呈正比例关系，即当温度升高时，电压差ΔVbe也随之增大。

本发明实施例提供的环形振荡器中的补偿模块100还包括工艺补偿模块120，所述工艺补偿模块120包括第三电流源I3、第一电阻R1、第一开关管M1以及第二开关管M2。

所述第三电流源I3的第一端接收供电电压，所述第一电阻R1第一端与所述第三电流源I3的第二端电连接，所述第一电阻R1第二端与第一开关管M1的源极电连接，所述第一开关管M1的漏极与所述第二开关管M2的漏极电连接，所述第一开关管M1的栅极与所述第二开关管M2的栅极电连接且同时与所述第一开关管M1的漏极电连接，所述第二开关管M2的源极接地。

其中，所述第一电阻R1的第一端对应为第三补偿电压Vp输出端，所述第一开关管M1例如为PMOS，所述第二开关管M2例如为NMOS，所述第三电流源I3为恒定电流源。

已知当开关管中流过恒定电流时，开关管栅极电压Vgs与其阈值电压Vth和电子迁移率μ存在下述关系：

第三补偿电压Vp对应为Vp＝Vgsn+Vgsp+Vr，其中Vgsn对应为第二开关管M2的栅极电压，Vgsp对应为第一开关管M1的栅极电压，Vr对应为第一电阻R1两端电压，进一步可得：

由于对单一开关管的工艺角的测量结果成正态分布，工艺角均值为TT，最大及最小偏差分别为FF和SS，因此，在此处以TT工艺角为基准，由式(1.4)可知，当工艺处于FF工艺角，第一开关管M1的阈值电压Vthp减小，第二开关管M2的阈值电压Vthn减小，同时第一开关管M1和第二开关管M2的电子迁移率μp和μn增大，使得Vp随之减小。

当工艺处于SS工艺角，第一开关管M1的阈值电压Vthp增大，第二开关管M2的阈值电压Vthn增大，同时第一开关管和第二开关管的电子迁移率μp和μn减小，使得Vp随之增大。

本发明实施例提供的环形振荡器中的补偿模块100还包括补偿电流产生模块130，所述补偿电流产生模块130包括第四电流源I4、第二电阻R2、第三电阻R3以及第三至第七开关管。

所述第三开关管M3的栅极与所述第一电阻R1的第一端电连接；所述第四开关管M4的栅极与所述第一双极型晶体管Q1的发射极电连接；所述第五开关管M5的栅极与所述第二双极型晶体管Q2的发射极电连接；所述第三开关管M3的漏极与所述第四开关管M4的漏极电连接，并同时与第六开关管M6的栅极和漏极电连接；所述第三开关管M3的源极与所述开关管M4的源极电连接；所述第二电阻R2连接于第三开关管M3的源极的第四电流源I4的第二端之间；第三电阻R3连接于第五开关管M5源极和第四电流源I4的第二端之间；所述第四电流源I4的第一端接收供电电压，所述第五开关管M5的漏极同时与所述第七开关管M7的栅极和漏极电连接；所述第六开关管M6和第七开关管M7的源极分别接地。

其中，所述第五开关管M5的漏极用于输出补偿电流，所述第七开关管M7的栅极对应为镜像电压VBIAS输出端，所述第三至第五开关管例如为PMOS，所述第六和第七开关管例如为NMOS，所述第四电流源I4为恒定电流源。

优选地，本发明实施例提供的环形振荡器还包括滤波模块200，所述滤波模块200用于滤除所述补偿模块100中第五开关管M5的漏极输出的补偿电流中的噪声，并将完成滤波后的补偿电流经第七开关管M7提供给振荡模块300。

图4示出图1中振荡模块的结构图。如图4所示，所述振荡模块300包括反馈环形回路310以及尾电流源控制单元320。

所述尾电流源控制单元320包括第八至第十一开关管，其中，所述所述第十开关管M10的源极和第十一开关管M11的源极同时连接至供电电压，所述第十开关管M10的栅极和第十开关管M10的漏极电连接，并同时与第十一开关管M11的栅极电连接，所述第八开关管M8的栅极与所述第七开关管M7的栅极电连接，所述第八开关管M8的漏极与所述第十开关管M10的漏极电连接，所述第九开关管M9的栅极与所述第七开关管M7的栅极电连接，所述第八开关管M8的源极和第九开关管M9的源极均接地，所述反馈环形回路310连接于所述第十一开关管M11漏极和第九开关管M9漏极之间。

为更清楚的对本实施例进行描述，在图4中我们引入了补偿电流源I5，所述补偿电流源I5的第一端接收供电电压，所述补偿电流源I5的第二端连接至所述第七开关管M7的漏极，用于输出补偿电流。可以理解的是，所述补偿电流源I5由用于提供补偿电流的前级电路抽象而来。

其中，所述第八和第九开关管为NMOS，所述第十和第十一开关管为PMOS。

所述反馈环形回路310请参见图5，图5示出了振荡模块中反馈环形回路的电路图。如图5所示，G个反相器环形串接后形成反馈环形回路310，所述G为奇数且大于等于三。其中，连接端A用于连接至第十一开关管M11漏极，连接端B用于连接至第九开关管M9漏极，输出端C用于输出振荡信号，所述第九开关管M9和第十一开关管M11对应为所述反馈环形回路310的尾电流源，其漏极用于为反馈环形回路310提供尾电流源电流。所述第七至第九开关管构成电流镜结构，可以理解的是，所述镜像电压VBIAS受补偿电流的影响，所述尾电流源电流受镜像电压VBIAS的影响。

具体地，当所述补偿电流增大时，所述镜像电压VBIAS随之增大，第八开关管M8栅极电压和第九开关管M9的栅极电压升高，使得第九开关管M9漏极电流和第十一开关管M11漏极电流均增大，尾电流源电流增大；当所述补偿电流减小时，所述镜像电压VBIAS随之减小，第八开关管M8栅极电压和第九开关管M9栅极电压减小，使得第九开关管M9漏极电流和第十一开关管M11漏极电流均减小，尾电流源电流减小。

调节所述反馈环形回路310中各反相器的宽长比，使得该反馈环形回路310的振荡频率具有负温度系数，且与尾电流源电流成正比。

优选地，本发明实施例提供的环形振荡器还包括输出缓冲模块400，所述缓冲模块400例如为强下拉弱上拉缓冲级，其可以把振荡模块300输出的振荡信号整形为满电源摆幅输出的振荡信号并输出。

当环境温度上升时，在现有技术中，由于没有补偿模块100，且振荡模块300的振荡频率具有负温度系数，因此随温度升高振荡模块300的振荡频率随之下降。

在本发明实施例提供的环形振荡器中，由式(1.1)可知，当环境温度上升时，第一补偿电压Vbe1和第二补偿电压Vbe2相减得到电压差ΔVbe也随之增大。可以理解的是，双极型晶体管发射结电压受环境温度的影响，并随环境温度升高下降，由此使得第一补偿电压Vbe1和第二补偿电压Vbe2均下降，但由于第一双极型晶体管Q1和第二双极型晶体管Q2发射结面积不同，因此在环境温度升高时，各自发射结电压下降的程度不同。在本实施例中，通过选择合适的双极型晶体管，使得第一双极型晶体管Q1发射结电压(即第一补偿电压Vbe1)下降程度小于第二双极型晶体管Q2发射结电压(即第二补偿电压Vbe2)下降程度，由此使得第一补偿电压Vbe1和第二补偿电压Vbe2相减得到电压差ΔVbe随温度升高而增大。

第一补偿电压Vbe1和第二补偿电压Vbe2分别作为第四开关管M4和第五开关管M5的驱动电压，输入第四开关管M4和第五开关管M5栅极。由于第一补偿电压Vbe1和第二补偿电压Vbe2同时下降，且第一补偿电压Vbe1下降程度小于第二补偿电压Vbe2下降程度，使得“第二电阻R2-第三开关管M3、第四开关管M4-第六开关管M6”以及“第三电阻R3-第五开关管M5-第七开关管M7”两条支路的阻抗均减小，且“第三电阻R3-第五开关管M5-第七开关管M7”支路的阻抗减小程度较大，因而流经该支路的电流增大，即补偿电流增大，第七开关管M7漏极电压增大，即镜像电压VBIAS增大使得第九开关管M9漏极电流和第十一开关管M11漏极电流也随之增大，尾电流源电流增大，振荡模块300的振荡频率升高。

当环境温度下降时，在现有技术中，由于没有补偿模块100，且振荡模块300的振荡频率具有负温度系数，因此随温度升高振荡模块300的振荡频率随之上升。

在本发明实施例提供的环形振荡器中，由式(1.1)可知，当环境温度下降时，第一补偿电压Vbe1和第二补偿电压Vbe2相减得到电压差ΔVbe也随之减小。可以理解的是，双极型晶体管发射结电压受环境温度的影响，并随环境温度下降而增大，由此使得第一补偿电压Vbe1和第二补偿电压Vbe2均增大，但由于第一双极型晶体管Q1和第二双极型晶体管Q2发射结面积不同，因此在环境温度下降时，各自发射结电压增大的程度不同，在本实施例中，第一双极型晶体管Q1发射结电压(即第一补偿电压Vbe1)增大程度小于第二双极型晶体管Q2发射结电压(即第二补偿电压Vbe2)增大程度，由此使得第一补偿电压Vbe1和第二补偿电压Vbe2相减得到电压差ΔVbe随温度降低而减小。

第一补偿电压Vbe1和第二补偿电压Vbe2分别作为第四开关管M4和第五开关管M5的驱动电压，输入第四开关管M4和第五开关管M5栅极，由于第一补偿电压Vbe1和第二补偿电压Vbe2同时增大，且第一补偿电压Vbe1增大程度小于第二补偿电压Vbe2增大程度，使得“第二电阻R2-第三开关管M3、第四开关管M4-第六开关管M6”以及“第三电阻R3-第五开关管M5-第七开关管M7”两条支路阻抗均增大，且“第三电阻R3-第五开关管M5-第七开关管M7”支路的阻抗增大程度较大，流经该支路的电流减小，即补偿电流减小，第七开关管M7漏极电压减小，即镜像电压VBIAS减小使得第九开关管M9漏极电流和第十一开关管M11漏极电流也随之减小，尾电流源电流减小，振荡模块300的振荡频率减小。

在本发明实施例提供的环形振荡器具有抗工艺离散的功能，以TT工艺角为基准，当工艺处于FF工艺角，在现有技术中，由于没有补偿模块100，振荡模块300的工作频率将会升高，在本发明实施例提供的环形振荡器中，当工艺处于FF工艺角，第一开关管M1的阈值电压Vthp减小，第二开关管M2的阈值电压Vthn减小，同时第一开关管M1和第二开关管M2的电子迁移率μp和μn也会增大，使得Vp随之减小。

Vp作为第三开关管M3的驱动电压，输入第三开关管M3的栅极，由于Vp减小，使得“第二电阻R2-第三开关管M3、第四开关管M4-第六开关管M6”支路阻抗减小，使得流经“第三电阻R3-第五开关管M5-第七开关管M7”支路的电流减小，即补偿电流减小，第七开关管M7漏极电压减小，即镜像电压VBIAS减小。使得第九开关管M9漏极电流和第十一开关管M11漏极电流也随之减小，尾电流源电流减小，振荡模块300的振荡频率减小。

当工艺处于SS工艺角，在现有技术中，由于没有补偿模块100，振荡模块300的工作频率将会降低，在本发明实施例提供的环形振荡器中，当工艺处于SS工艺角，第一开关管M1的阈值电压Vthp增大，第二开关管M2的阈值电压Vthn增大，同时第一开关管M2和第二开关管M1的电子迁移率μp和μn也会减小，使得Vp随之增大。

Vp作为第三开关管M3的驱动电压，输入第三开关管M3的栅极，由于Vp增大，使得“第二电阻R2-第三开关管M3、第四开关管M4-第六开关管M6”支路阻抗增大，使得流经“第三电阻R3-第五开关管M5-第七开关管M7”支路的电流增大，即补偿电流增大，第七开关管M7漏极电压增大，即镜像电压VBIAS增大使得，第九开关管M9漏极电流和第十一开关管M11漏极电流也随之增大，尾电流源电流增大，振荡模块300的振荡频率升高。

相对于现有技术而言，本发明实施例提供的环形振荡器具有温度漂移低以及工艺离散小的特点，大大改善了现有环形振荡器的性能，使其具有相对稳定的振荡频率，且结构简单，易于实现和推广。

应当说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

依照本发明的实施例如上文所述，这些实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施例。显然，根据以上描述，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地利用本发明以及在本发明基础上的修改使用。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。