)/qRext，通过改变电流镜像电路的电流镜像比例N、NPN晶体管 的发射极面积之比M，外部精密电阻Rext来改变PTAT电流的正温度系数；通过改变尾电流 型环形振荡器奇数阶反相器中NM0S和PM0S的尺寸，或者反相器的阶数，来改变环形振荡器 振荡频率的负温度系数。通过合理的调节各项参数，使得PTAT电流的正温度系数正好补偿 尾电流型环形振荡器的负温度系数。图5为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，在TT 5V -40~85°C范围内频率离散为±0.8%。 相比图4未补偿前频率离散±10. 5%，补偿后的频率离散大大降低。
[0028] PTAT基准电流产生电路和尾电流型环形振荡器都采用Cascode结构，这样整体电 路具有很高的电源抑制比，减小环形振荡器振荡频率由于供电电压带来的离散。尾电流型 环形振荡器振荡频率与电源电压的关系见图6,在TT 27°C 4.5~5. 5V电压范围内，振荡频 率的离散为±0. 08%。
[0029] 奇数阶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。
[0030] 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V R。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V M变化小时，NM0S的放电电 流减小，等效供电电流IR。也减小，可以使振荡频率变化减小。
[0031] 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％。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。
[0032] 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V R。也相应增大，反相器翻转 的阈值电压VM也增大；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。
[0033] 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V R。也相应减小，反相器翻转 的阈值电压VM也减小；因为NM0S阈值电压Vthn变大。而翻转阈值电压V M变小，NM0S的放 电电流减小较多，等效供电电流IR。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。
[0034] 表1是27°C时工艺角TT SS FF FS SF下尾电流型环形振荡器的振荡频率，可以看 到振荡频率的离散为±0. 57%。
[0035]
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-vR。，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（0-VDD)的振荡信号，仿真结果见图7。
[0036] -种抗工艺、电压、温度变化的低功耗尾电流型环形振荡电路结构简单，功耗低， 在TT 5V 27°C时，供电电流仅为25. 78 yA。
[0037] 本发明的上述实施例仅仅是为说明本发明所作的举例，而并非是对本发明实施方 式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同 形式的变化和变动。凡是属于本发明的技术方案所引申出的显而易见的变化或变动仍处于 本发明的保护范围之列。
【主权项】
1. 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，其特征在于，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。2. 如权利要求1所述的电路，其特征在于，所述的PTAT基准电流产生电路包括： NMOS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，AVbe/Rext提供了 PTAT电流，减小 了 PTAT电流的工艺离散。3. 如权利要求2所述的电路，其特征在于，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。4. 如权利要求2所述的电路，其特征在于，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。5. 如权利要求1所述的电路，其特征在于，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NMOS和PMOS的尺寸，或者改变反相器的阶数来改变负温度系数。6. 如权利要求1所述的电路，其特征在于，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。7. 如权利要求6所述的电路，其特征在于，所述的电流镜像电路采用Cascode电流镜。8. 如权利要求1所述的电路，其特征在于，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，NMOS的阈值电压Vthn减小，PMOS的阈值电压Vthp减小，为了 使流过PMOS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NMOS阈值电压Vthn比翻转阈值电压Vm变化小时，NMOS的放电电流减 小，等效供电电流Ir。也减小，可以使振荡频率变化减小； 当工艺处于SS工艺角，NMOS的阈值电压Vthn增大，PMOS的阈值电压Vthp增大，为了 使流过PMOS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Vm也增大；当NMOS阈值电压Vthn比翻转阈值电压Vm变化小时，NMOS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FS工艺角，NMOS的阈值电压Vthn减小，PMOS的阈值电压Vthp增大，为了 使流过PMOS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Vm也增大，NMOS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SF工艺角，NMOS的阈值电压Vthn增大，PMOS的阈值电压Vthp减小，为了 使流过PMOS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；因为NMOS阈值电压Vthn变大，而翻转阈值电压V M变小，NMOS的放电电 流减小较多，等效供电电流Ir。也减小较多，会使振荡频率变小； 只要调节好环形振荡器中NMOS和PMOS的尺寸，就可以使振荡频率的变化减小到可接 受的范围。9.如权利要求4所述的电路，其特征在于，所述的尾电流型环形振荡器的供电电压V R。 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O-Vr。，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。
【专利摘要】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。该振荡电路主要包括PTAT基准电流产生电路、电流镜像电路、尾电流型环形振荡器、强下拉弱上拉缓冲级和缓冲级。PTAT基准电流产生电路使用外部精密电阻来产生精准的PTAT基准电流，该基准电流具有正温度系数。尾电流型环形振荡器振荡频率与尾电流成线性关系，且振荡频率具有负温度系数。电流镜像电路镜像具有正温度系数的PTAT基准电流为尾电流型环形振荡器供电，来补偿环形振荡器的负温度系数。此尾电流型环形振荡器具有自动抗工艺离散的功能。PTAT基准电流产生电路和电流镜像电路采用Cascode结构，环形振荡电路的振荡频率对电源电压的变化不敏感。此电路结构简单，功耗低。
【IPC分类】H03L7/099
【公开号】CN105071801
【申请号】CN201510480585
【发明人】李爱玲, 韩雁, 张世峰, 曹天霖, 陈雅雅, 周骞, 钱雨霁, 江如成
【申请人】浙江大学
【公开日】2015年11月18日
【申请日】2015年8月9日