抗工艺、电压、温度变化的低功耗尾电流型环形振荡电路的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及集成环形振荡器领域，尤其涉及抗工艺、电压、温度变化的低功耗尾电 流型环形振荡电路。
【背景技术】
[0002] 目前，诸如生物医学器件和传感器这样的低功耗、小尺寸、低成本的应用，促进了 片上低功耗CMOS振荡器的研究。在CMOS工艺中，有很多方式可以来产生时钟信号，比如RC 振荡器、LC振荡器、环形振荡器等等。
[0003] 环形振荡器因其结构简单、使用方便、可调节范围强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以及电源电压抑制比的影响很大，对电路的稳 定性造成很大的影响。所以必须充分考虑环形振荡频率对供电电压、温度、工艺稳定性的设 计。
[0004] 环形振荡器的性能受到温度、工艺参数漂移以及电源抑制比的影响，主要源于M0S 管的性能随温度、工艺参数的漂移和电源电压而改变。当温度、工艺参数和电源电压变化 时，载流子的迀移率和阈值电压将会随之改变，从而影响了环形振荡器的性能。温度、工艺 参数和电源抑制比的补偿主要是通过采用温度、工艺、电源电压补偿电路来减小输出频率 的波动。研究电路结构简单、低功耗、高电源抑制比、低温漂、工艺离散小的环形振荡器意义 重大。
[0005][0006]
【发明内容】
[0007] 本发明公开了一种抗工艺、电压、温度变化的低功耗尾电流型环形振荡电路。
[0008] -种抗工艺、电压、温度变化的低功耗尾电流型环形振荡电路，包括PTAT基准电 流产生电路，产生与温度呈正比的基准电流；尾电流型环形振荡器，其振荡频率与尾电流成 线性关系，具有负温度系数；电流镜像电路，镜像PTAT基准电流，为尾电流型环形振荡器 供电；强下拉弱上拉缓冲级，把环形振荡器的振荡信号整形为满电源摆幅输出的振荡信号； 缓冲级，整形强下拉弱上拉缓冲级输出的振荡信号。
[0009] 所述的PTAT基准电流产生电路包括NM0S和PMOS Cascode结构，保证流过两支路 的电流相等，改善了电源抑制比；两个发射极面积呈一定比例的NPN晶体管，基极和发射极 电压之差A Vbe提供正温度系数，减小NPN晶体管的带来的工艺离散；外部精密电阻Rext， 替代芯片内部离散大的电阻，A Vbe/Rext提供了 PTAT电流，减小了 PTAT电流的工艺离散。
[0010] 所述的PTAT基准电流产生电路产生的PTAT基准电流具有正温度系数，用来补偿 尾电流型环形振荡器振荡频率的负温度系数。
[0011] 所述的PTAT基准电流产生电路通过改变电流镜像电路的电流镜像比例、NPN晶体 管的发射极面积之比，外部精密电阻Rext来改变PTAT电流的正温度系数。
[0012] 所述的尾电流型环形振荡器电路通过改变奇数阶反相器中NM0S和PM0S的尺寸， 或者改变反相器的阶数来改变负温度系数。
[0013] 所述的电流镜像电路改善尾电流型环形振荡器的电源抑制比，减小环形振荡器振 荡频率由于供电电压带来的离散。
[0014] 所述的电流镜像电路采用Cascode电流镜。
[0015] 所述的尾电流型环形振荡器，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，NM0S的阈值电压Vthn减小，PM0S的阈值电压Vthp减小，为了 使流过PM0S的充电电流不变，整个环形振荡器的供电电压VR。也相应减小，反相器翻转的阈 值电压VM也减小；当NM0S阈值电压Vthn比翻转阈值电压VM变化小时，NM0S的放电电流减 小，等效供电电流I R。也减小，可以使振荡频率变化减小； 当工艺处于SS工艺角，NM0S的阈值电压Vthn增大，PM0S的阈值电压Vthp增大，为了 使流过PM0S的充电电流不变，整个环形振荡器的供电电压VR。也相应增大，反相器的翻转阈 值电压V M也增大；当NM0S阈值电压Vthn比翻转阈值电压VM变化小时，NM0S的放电电流增 大，等效供电电流I R。也增大，可以使振荡频率变化减小； 当工艺处于FS工艺角，NM0S的阈值电压Vthn减小，PM0S的阈值电压Vthp增大，为了 使流过PM0S的充电电流不变，整个环形振荡器的供电电压VR。也相应增大，反相器翻转的阈 值电压V M也增大，NM0S的放电电流增大，等效供电电流IR。也增大，可以使振荡频率变化减 小； 当工艺处于SF工艺角，NM0S的阈值电压Vthn增大，PM0S的阈值电压Vthp减小，为了 使流过PM0S的充电电流不变，整个环形振荡器的供电电压VR。也相应减小，反相器翻转的阈 值电压V M也减小；因为NM0S阈值电压Vthn变大。而翻转阈值电压VM变小，NM0S的放电电 流减小较多，等效供电电流I R。也减小较多，会使振荡频率变小。只要调节好环形振荡器中 NM0S和PM0S的尺寸，就可以使振荡频率的变化减小到可接受的范围。
[0016] 所述的尾电流型环形振荡器的供电电压VR。等于电源电压减去电流镜像电路消耗 的电压，所以环形振荡器的振荡摆幅为〇_V R。，通过强下拉弱上拉缓冲级可以把振荡摆幅整 形满电源摆幅的振荡信号。
[0017] 相比于现有技术，本发明的有益效果为，此尾电流型环形振荡器电路结构简单，功 耗低，振荡频率随工艺、电压、温度变化小。此尾电流型环形振荡器通过CSMC 0.5 ym 5V CMOS Mixed Signal工艺进行了仿真验证。以振荡频率为3. 735MHz振荡器为例，此振荡器 振荡频率在27°C时工艺离散减小到±0. 58% ;在温度-40~85°C、最差工艺角FS下，振荡频 率变化为±2. 2% ;在电源电压4. 5V~5. 5V、最差工艺角FS下，振荡频率变化为±0. 26% ;整 体功耗为25. 78 yA。
【附图说明】
[0018] 图1是抗工艺、电压、温度变化的低功耗尾电流型环形振荡电路的一种结构框图； 图2是抗工艺、电压、温度变化的低功耗尾电流型环形振荡电路的一种内部电路原理 图； 图3是尾电流型环形振荡器的振荡频率与尾电流的线性关系； 图4是尾电流型环形振荡器的振荡频率与温度的关系； 图5是PTAT电流正温度系数补偿尾电流型环形振荡器负温度系数后振荡频率与温度 的关系； 图6是尾电流型环形振荡器振荡频率与电源电压的关系； 图7是尾电流型环形振荡器原始的振荡信号波形与经过强下拉弱上拉整形级之后信 号波形。
【具体实施方式】
[0019] 下面对抗工艺、电压、温度变化的低功耗尾电流型环形振荡电路进行详细描述。
[0020] 图1是抗工艺、电压、温度变化的低功耗尾电流型环形振荡电路的一种结构框图。 该电路主要包括PTAT基准电流产生电路，产生与温度呈正比的基准电流；尾电流型环形振 荡器，其振荡频率与尾电流呈线性关系，具有负温度系数；电流镜像电路，镜像PTAT基准电 流，为尾电流型环形振荡器供电；强下拉弱上拉缓冲级，把环形振荡器的振荡信号整形为满 电源摆幅输出的振荡信号；缓冲级，整形振荡信号。
[0021] 图2是抗工艺、电压、温度变化的低功耗尾电流型环形振荡电路的一种内部电路 原理图。
[0022] PTAT基准电流产生电路包括： NM0S和PMOS Cascode结构，保证流过两支路的电流相等，改善了基准电路的电源抑制 比； 两个发射极面积呈一定比例（M:l)的NPN晶体管，基极和发射极电压之差 A Vbe=VTln (M) =kTln (M) /q提供正温度系数，减小NPN晶体管带来的工艺离散； 外部精密电阻（Rext)，替代芯片内部离散大的电阻，减小了 PTAT电流的工艺离散， A Vbe/ReXt=kIln(M)/qReXt提供了具有正温度系数的PTAT电流I PTAT。
[0023] 所述的PTAT基准电流产生电路产生的PTAT基准电流具有正温度系数，用来补偿 尾电流型环形振荡器振荡频率的负温度系数。
[0024] 电流镜像电路，镜像PTAT基准电流N*IPTAT，为尾电流型环形振荡器供电（V R。， IR(]=N*IPTAT);电流镜像电路改善尾电流型环形振荡器的电源抑制比，减小环形振荡器振荡频 率由于供电电压带来的离散。
[0025] 奇数阶尾电流型环形振荡器，其振荡频率与尾电流呈线性关系。K阶尾电流型环形 振荡器的振荡频率为，其中，Im为环形振荡器的供电电流，Vm为环形振荡 器的供电电压，Q为每一级反相器的负载电容。此尾电流型环形振荡的振荡频率与^的线 性关系见图3所示。
[0026] 因为此尾电流环形振荡器具有负温度系数，振荡频率与温度的关系见图4,在TT 5V -40~85°C范围内频率离散为± 10. 5%。可以用具有正温度系数的PTAT电流N*IPTAT来 补偿环形振荡器振荡频率的负温度系数。
[0027] N*IPTAT =N*kTln(M