专利名称：利用四层二极管的cmos等价物以减小复杂性的张弛振荡器的制作方法
技术领域：
本发明涉及张弛振荡器，更具体地，涉及互补金属氧化物半导体(CMOS)集成电路，用于实行减小复杂性的电流控制振荡器。这样的电流控制振荡器的一个应用是把由微音器检测的音频信号变换成调频信号，用于通过射频发射机发射。
背景技术：
和概要张弛振荡器是其中一个或多个电压或电流在每个周期期间至少突然变化一次的振荡器。振荡器电路被做成在每个周期期间能量被存储到电抗元件例如电容或电感，然后再从电抗元件放电。充电和放电过程占用不同的时间间隔。这样的张弛振荡器具有的波形不是正弦波形，而是非对称波形，例如锯齿形波形。通常的张弛振荡器类型包括多谐振荡器和单结型晶体管振荡器。
最老的张弛振荡器之一使用
图1所示的氖泡。电源10的电流流过电阻14，给电容18充电。当电容18达到氖泡16的起火电压Vs时，氖泡突然开始导通，在这个过程中使电容18放电。当电容放电到氖泡16的保持电压Vh时，氖泡16停止导通。结果，电容18重新开始充电。最后的结果是在Vs和Vh之间振荡的锯齿型波形。
基于双结型晶体管的张弛振荡器可通过使用双结型晶体管而不是氖泡被构成。PNP双结型晶体管20可与NPN双结型晶体管22“背靠背”地连接。更具体地，晶体管20的基极被连接到晶体管22的集电极，及晶体管22的基极被连接到晶体管20的集电极。优选地，这些晶体管20和22之一的集电极到基极的结具有严格定义的反向击穿电压，例如，由齐纳(Zener)二极管所呈现的。在齐纳击穿电压以下，集电极到基极的结是反向偏置的，所以并不导通。在齐纳击穿电压以上，集电极到基极的结是正向偏置的，并支持相对较高的电流。然而，齐纳二极管单独不能产生张弛振荡，因为它不呈现滞后。
无论如何，图2的电路确实呈现某种滞后。在PNP晶体管的集电极--基极结上的电压可以由本质的齐纳二极管24来代表。当该集电极-基极结电压小于正向偏置电压时，晶体管20基本上不导通只呈现从PNP晶体管20的集电极到NPN晶体管22的基极的很小的泄漏电流。同样地，NPN晶体管22只流过到很小的集电极泄漏电流。在低电流下，晶体管20和22的增益小于1，这样泄漏电流并不被放大。基本上，晶体管可被看作为非常高的阻抗，例如，几乎不导电。当晶体管上的电压V随着电容18从电源12通过电阻14充电而增加时，泄漏电流在齐纳或击穿电压达到时相当急剧地增加。在这样的较高的电流下，晶体管增益大于1。因此，流入晶体管20基极的晶体管22的集电极电流被放大，由此，增加了晶体管20的驱动，导致集电极电流大于晶体管22的集电极电流。更大的集电极电流流入晶体管22基极，并且又被放大，最终更多地驱动晶体管22。那些增加的电流基本上像“滚雪球”，这样，相当大的电流流过晶体管，使电容12快速地放电。这个电流通过开动齐纳击穿而起始，并在放电期间通过电流放大而被保持，它们一起造成很大的滞后。
当电容12被充分放电(即，V值降低)，到达这一点时，这时流过晶体管20和22的电流回到它们各自的增益小于1的电平，滚雪球效应停止。晶体管回到几乎不导通，低泄漏电流状态允许电容18再充电。充电、放电、和再充电的循环产生振荡电压输出V。
图3显示了PNP双结型晶体管和NPN双结型晶体管当每个晶体管的集电极被连接到另一个晶体管的基极以形成四层PNPN二极管时是如何被合并。这样的四层结构常常是在制做CMOS集成电路时偶而地形成的，并被认为是不想要的，因为它们导致所谓的“基片封锁”问题。结果，在CMOS制造过程中常常采取步骤，来避免偶而的四层二极管的形成。与这样的四层器件有关的另一个重大的问题是控制其特性的困难。换句话说，四层二极管导通的击穿电压很大地依赖于独立的难以控制的变量，例如温度和难以一致性地产生的半导体材料的掺杂含量。所以，很难预料和控制使用这类PNPN二极管结构的振荡器的输出特性。
因此，本发明的一个目的是提供四层PNPN二极管器件的一个等价物，它可容易地以CMOS型结构被控制。具体地，本发明的目的是构建这样的能用作为简单的电流控制振荡器的器件。
本发明提供减少复杂性的电子振荡器，它也适用于构建在硅集成电路上。运行在增强模式的P沟道场效应晶体管(FET)包括源极、漏极、和栅极。运行在增强模式的N沟道场效应晶体管(FET)被连接到在互补金属氧化物半导体(CMOS)电路以互补方式的P沟道场效应晶体管(FET)。更具体地，P沟道FET的漏极被连接到N沟道FET的栅极，以及N沟道FET的漏极被连接到P沟道FET的栅极。第一电容被跨接在P沟道和N沟道FET，这样，电容器响应于由电流源产生的电流被重复地通过CMOS电路充电与放电。
由电流源产生的电流把电容器充电到起火电压，这时，P沟道和N沟道FET导通电流，使电容器放电到保持电压，这时，P沟道和N沟道FET停止导通电流。实质上，由电流源产生的电流控制了振荡器产生的输出信号的频率。
一个电阻被连接在P沟道和N沟道FET的漏极之间。第二电容被连接在P沟道和N沟道FET的漏极之间，与该电阻并联。电阻提供了在两个FET的栅极和漏极之间的电压降，这样，门限电压足以使得当电容被充电到起火电压时互补的FET导通。相反地，电阻确保，当振荡器输出电压超过其保持值时，被加到两个晶体管的栅极的电压小于它们各自的导通电压。并联的电容保持了在FET的导通和不导通之间的平滑过渡。
按照本发明的电流控制张弛振荡器包括互补金属氧化物半导体(CMOS)在功能上等效于具有三个P-N结的四层结型二极管。CMOS电路被连接到电压源的正端和负端以及存储电容器。电流源被连接到电压源的负端和地。由电流源产生的电流对电容进行充电和放电，以控制取决于电流源电流的频率，这样，振荡器的输出电压以控制的频率在起火电压之间振荡。结果，本发明提供了适合于低成本的现实世界应用的容易制造和控制的四层结型二极管。
本发明的一个应用是无线通信。无线电包括用于检测声音信号的微音器、连接到微音器的减小复杂性的电流控制振荡器，用于产生代表声音信号的振荡器输出信号、以及射频发射机，用于根据振荡器输出信号通过天线发射射频信号。数字调频鉴频器，可被连接到振荡器，用于产生振荡器输出信号的瞬时频率的数字代表物样本，这样，提供了用于数字化音频信号的简单的技术。
附图概述图1是使用氖泡的张弛振荡器电路；图2是使用背靠背连接的双极结型晶体管的张弛振荡器电路；图3显示了在半导体工艺上NPN和PNP结型晶体管如何合并来形成四层PNPN二极管；图4是按照本发明的使用工作在增强模式的CMOS场效应晶体管的张弛振荡器电路；图5是说明放电电压和保持电压的图，而图4所示的张弛振荡器电路的输出信号在这两个电压之间振荡；图6是作为本发明的示例性应用的、在图4所示的电路中采用的射频发射机的图；以及图7是按照本发明的使用工作在增强模式的CMOS场效应晶体管的张弛振荡器电路的另一个替换例；优选实施例详细描述在以下的说明中，为了解释而不是限制，描述了具体细节，例如具体电路、电路元件等，以便提供对本发明的透彻的了解。然而，本领域技术人员将会看到，本发明可以在其它实施例中以及以其它方式被实施，而不背离这些特定的说明性的细节。在其它情况下，对熟知方法、器件和电路的详细说明被省略，以免得用不必要的细节来妨碍对本发明的描述。虽然本发明是参照张弛振荡器电路来描述的，但应当明白，本发明并不被限制于这种具体应用。
图4显示了利用按照本发明的以功能块25表示的四层二极管的CMOS等价物的振荡器电路。电压(Vcc)源12被连接到电容18，和CMOS四层二极管25，并在节点36通过电流源连接到地。在节点34处的电压V取决于CMOS四层二极管的状态。
在功能块25中的CMOS四层二极管等效电路包括被连接到N型增强型场效应晶体管(FET)28的P型增强型场效应晶体管(FET)28。晶体管26的源极被连接到电容的一个端头和到电压源12。晶体管26的漏极被连接到晶体管28的栅极，及晶体管26的栅极被连接到晶体管28的漏极。晶体管28的源极被连接到也是电容18的另一端头的节点34。电阻30被连接在晶体管26和28的栅极/漏极之间，并规定节点电压V1和V2。可任选的电容32也可被连接到晶体管26和28的栅极/漏极之间，与电阻30并联。电阻30是由CMOS电路25藉以提供电路25的振荡条件的机构。从功能上来说，电阻30上的电压降提供节点电压V1和V2，其数值决定FET26和28是否导通。更具体地，电阻30确保FET26和28或者都导通或者都不导通。
电阻30的数值“R”相对于来自电流源36的电流I的最大值而被选择，以使得，当两个晶体管都假定为充分导通时，电压降IR并不提供足够的栅-漏偏置来保持晶体管26和28处在导通状态。这样，电路并不呈现电流I流过晶体管26和28以及电阻30的静止稳定状态。另一方面，电路可呈现过渡状态，其中大于I的电流流过晶体管26和28以及电阻30，额外的电流从电容18临时取出，因而把电容放电。这个较高的电流造成在电阻30的IR压降，它使晶体管足够地偏置，以保持导通，至少直到电容18被放电然后没有额外电流可提供为止。在这时，电流可以是不大于电流源36所提供的电流，通过如上面所解释的适当地选择R，晶体管不能保持导通。这样，晶体管26和28停止导通，现在电流源电流I必须流入电容18，开始再充电周期。
当电容18再充电，使得(Vcc-V)，即这对晶体管上的电压，大于它们栅极门限电压的和值时，晶体管导通以及放电周期重新开始。充放电循环的重复频率由电流源电流幅度、电容18的数值，以及晶体管26和28的门限电压决定。由元件16、18、与30组成的两端口电路25呈现了“起火电压”和“保持电流”，在“起火电压”时导电性突然增加，而在低于“保持电流”时导电性突然降低，这样就模拟了4-层二极管特性。在下面给出了电路工作的更详细的描述。
只要没有电流流过电阻30，晶体管26和28的栅极/漏极处在同样的电位，即V1=V2。如果FET晶体管26和28的栅-源电压低于它们各自的门限电压，则FET晶体管只通过很小的泄漏电流。为区分P-型和N-型器件的门限电压，P-型FET 26的门限电压以Vp表示，及N-型FET 28的门限电压以Vn表示。只要P-型FET的源-栅结上的电压小于其门限电压VP，则晶体管26将不导通。同样地，只要N-型FET的栅-源结上的电压小于其门限电压Vn，则晶体管28将不导通。
从数学上描述，如果Vcc-V2＜Vp(1)，则晶体管26不导通，只要V1-V＜Vn(2)，则晶体管28不导通。由于当晶体管不导通时，电流基本上是零，所以V1=V2。结果，这些方程(1)和(2)可被组合以产生不等式Vcc-V＜Vp+Vn(3)这规定了电路25的不导通的条件。然而，如果Vcc-V＞Vp+Vn(4)，则晶体管26和28导通，电流流过晶体管26的漏极、电阻30、和晶体管28的漏极，并到达其源极。当Vcc-V＞Vp+Vn时，电压V1和V2不能找到满足不等式Vcc-V2＜Vp或V1-V＜Vn的设置点。相反地，这些节点电压V1和V2只被设置在Vcc-V2＞Vp和V1-V＞Vn是正确的情况下，这样，允许电流自由地流过CMOS电路25。
由电流流过晶体管26和28而产生的在电阻30上的电压使电压V1增加，由此增加了差值V1-V，它具有把更大的栅极电压加到晶体管28以便更大的电流导通通过晶体管28的效果。较小的V2增加了加到晶体管26的栅极的电压差值Vcc-V2，造成1晶体管26更自由地导通。结果是“滚雪球效应”。当晶体管26和28更自由地导通时，更大的电流流过电阻30，这甚至引起更大的电流流过晶体管。在理想情况下，节点电压V1变成为等于Vcc，节点电压V2变成为等于电压V，流过电阻30的晶体管电流是(Vcc-V)/R30。通过选择电阻30的数值以使得流过晶体管的电流大于由电流源36产生的电流I，电容18被放电。
当两个晶体管26和28之间的电压(Vcc-V)降低到小于Vp或Vn时，晶体管26或28之一停止导通，因为其栅极一源极电压然后小于为导通所必须的门限电压。因此，流过电阻30的电流减小造成电压V1减小和V2增加，这还减小了晶体管26和28的栅极-源极电压。最终结果是流过晶体管突然停止导通，这允许电容18继续被来自电流源36的控制电流被充电。
如图5所示，电压V呈现在起火电压(Vcc-2VT)与熄灭电压(Vcc-VT)之间的张弛振荡，其中2VT是p型和n型门限电压的总和，以及VT是p型的或n型的门限电压。这提供了对于振荡所需要的滞后。振荡频率是被控制电流I重新对电容18的充电的速度控制的。实质上，控制电流的改变调制了振荡频率，这样，振荡器电路的输出是在节点34处的调频信号。来自电流源36的控制电流越大，则电容18重新充电越快，所以，振荡器输出的频率越高。替换地，较低的I值意味着，电容充电较慢，及振荡器输出信号具有较低的频率。对振荡器的这样的电流控制作出简单但有效的频率调制器。
按照本发明的张弛振荡器除了以上所述的优点以外，振荡器所需要的硅面积是很小的。而且，振荡器只需要一个定时电容，并且它也可以非常低的电流，例如100μA进行工作。
可任选的电容32优选地被包括来帮助保持电路25从不导通到导通的平滑过渡；否则，该过渡将由噪声确定。具体地，如果晶体管26突然由于噪声而试图开始导通，则使电压V1向Vcc增加，以及电容32确保晶体管26的栅极也立即向同一个方向移动，由此抵消了晶体管26导通的倾向。以同样方式，电容32也阻止晶体管28的不成熟的导通。实质上，电容32起到对于由每个晶体管中的独立的噪声引起的瞬时变化的负反馈的作用，并确保导通发生(由于晶体管门限电压超过)不仅仅一瞬间。
图6显示了图4所示的振荡器10的一个示例性应用。图6说明了无线电40的发射部分。电流控制源是有源微音器36’，它包括连接到源极开路FET预放大器44的压电微音器换能器41。大的电阻42确保了预放大器44的大的输入阻抗。有源微音器36’被连接到振荡器10，振荡器10的输出被馈送到数字鉴频器电路46，它产生振荡器瞬时频率的采样的数字代表物，因而是微音器信号的数字代表物。也可从鉴频器提供AFC反馈，来把平均振荡频率保持在想要的范围内。数字输出然后可被发送到传统的数字无线电发射机48，例如数字无线电(例如数字蜂窝电话)，用于通过天线50发送。
图4的电路用连接在FET 28的源极与电源负极(地)之间的电流源36来说明。它也可用连接在FET 26的源极与电源正端(Vcc)之间的电流源36来被构建，在这种情况下电容18和FET 28源极会被连接到地，如图7所示。当CMOS过程最好能够制造带有一个接地端的电容时，图7的结构可能是优选的，而当一个电容优选地被连接到Vcc时，图4的结构可能被使用。因而，本发明适用于在不同CMOS过程中有效的和灵活的制造。
本发明的另一个优点是，振荡器可以通过把电流源I(I是平均电流消耗)减小到所希望的低的值而使用非常少的功率来工作在低的频率。低电流、低频率振荡器在许多应用中是有用的，例如在无线电话和寻呼机中规定等待周期，以延长电池寿命。当达到最终计数时，振荡器驱动计数链被编程来给无线电话或寻呼机接收电路通电，包括更精确的晶体振荡器。当通电间隔期间，本发明中的振荡器频率通过使用更精确的晶体振荡器作为参考，和最终计数值被调整来提供对于下一个通电间隔的已知的延时而被精确测量。这样，全集成振荡器的频率的生产公差或其它不确定性可被“自校正”。
虽然已结合现在被认为是最实际的与优选的实施例描述了本发明，但应当明白，本发明并不是要被限制到所揭示的实施例，而是相反，打算覆盖被包括在所附属权利要求的精神和范围内的各种不同修正和等价的安排。
权利要求
1．电振荡器，包括工作在增强模式下的P-沟道场效应晶体管(FET)，包括源极、漏极、和栅极；工作在增强模式下的N-沟道场效应晶体管(FET)，包括源极、漏极、和栅极，其中P-沟道FET的漏极被连接到N-沟道FET的栅极，及N-沟道FET的漏极被连接到P-沟道FET的栅极；连接在P-沟道和N-沟道FET的漏极之间的阻抗；连接在P-沟道和N-沟道FET的漏极之间的第一电容；以及被连接来对电容充电的电流源。
2．权利要求1的振荡器，其特征在于，其中由电流源产生的电流把电容器充电到起火电压，这时，P沟道和N沟道FET导通电流，使电容器放电到保持电压，这时，P沟道和N沟道FET停止导通电流。
3．权利要求1的振荡器，其特征在于，其中由电流源产生的电流控制由振荡器产生的输出信号的频率。
4．权利要求1的振荡器，其特征在于，其中振荡器被构建在硅集成电路上。
5．权利要求1的振荡器，其特征在于，其中阻抗包括与在P-沟道和N-沟道FET的漏极之间的第二电容并联的电阻。
6．权利要求1的振荡器，其特征在于，还包括电压源，在一端与第一电容以及和电流源相串联到地的P-沟道和N-沟道FET相连接，在另一端连接到地。
7．权利要求1的振荡器，其特征在于，其中电流源相应于由微音器检测的声音信号，以及振荡器输出信号按照所检测的声音信号被调频。
8．用于在射频频道上进行通信的无线电，包括微音器，用于检测声音信号和产生相应的电流；减小复杂性的电流控制振荡器，根据电流用于产生代表声音信号的振荡器输出信号；以及发射机，用于通过天线发射根据振荡器输出信号的射频输出信号，其中振荡器包括互补金属氧化物半导体(CMOS)电路，工作在增强模式下的P-沟道场效应晶体管(FET)被连接到工作在增强模式下的N-沟道场效应晶体管(FET)，这样，P-沟道FET的漏极被连接到N-沟道FET的栅极，和到N-沟道FET的漏极被连接到P-沟道FET的栅极，以及第一电容，连接P-沟道和N-沟道FET，以使得振荡器根据所检测的声音信号通过CMOS电路重复地充电和放电。
9．权利要求8的无线电，其特征在于，还包括连接到振荡器的数字调频鉴频器，用于产生振荡器输出信号的瞬时频率的采样的数字代表物，由此产生声音信号的采样的数字代表物。
10．权利要求8的无线电，其特征在于，还包括连接在P-沟道和N-沟道FET的漏极之间的电阻。
11．权利要求10的无线电，其特征在于，还包括连接在P-沟道和N-沟道FET的漏极之间的与电阻并联的第二电容。
12．电流控制张弛振荡器，包括电压源，具有正端和负端；互补金属氧化物半导体(CMOS)电路，具有一对端子和在所述端子上的并联电容；以及电流源，具有一对可以流出被控制的电流的端子；其中电压源、CMOS电路、以及电流源被串联连接成一个环路，这样，流过电流源的电流根据被控制的电流源电流对于在被控制端的并联电容进行充电和放电，以使得振荡器的电压输出以被控制的频率在起火电压和熄灭电压之间振荡。
13．权利要求12的张弛振荡器，其特征在于，其中起火和保持振荡器的电压由对于被包括在CMOS电路中的互补MOS晶体管导通所需要的门限电压条件来确定。
14．权利要求12的张弛振荡器，其特征在于，其中CMOS电路包括工作在增强模式下的P-沟道场效应晶体管(FET)，包括源极、漏极、和栅极；工作在增强模式下的N-沟道场效应晶体管(FET)，包括源极、漏极、和栅极，其中P-沟道FET的漏极被连接到N-沟道FET的栅极，和N-沟道FET的漏极被连接到P-沟道FET的栅极；以及连接在P-沟道和N-沟道FET的漏极之间的电阻，用于控制流过P-沟道和N-沟道FET的电流。
全文摘要
描述了减少复杂性的张弛振荡器,它可被构建为硅集成电路的一部分。电流控制振荡器包括工作在增强模式下的互补场效应晶体管。FET的漏极被连接到另一个FET的栅极,反之亦然。最终得到的CMOS电路起到四层二极管的作用。一个电阻被连接在两个晶体管的漏极之间。一个存储电容被连接在两个晶体管的源极之间。电流源被连接来充电存储电容,以使得振荡器输出信号的频率被由电流源产生的电流确定。
文档编号H03K3/354GK1223033SQ97195754
公开日1999年7月14日 申请日期1997年6月23日 优先权日1997年6月23日
发明者P·W·登特 申请人:艾利森公司