一种环形振荡器的制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种环形振荡器，包括基准源电路、可调节电流源电路和环形振荡电路，基准源电路用来产生直流电流IB，直流电流IB输入可调节电流源电路中M4漏极；可调节电流源电路用来在外部控制电平作用下产生三个恒流源I1、I2、I3，并输入环形振荡电路；环形振荡电路用来在恒流I1、I2、I3的作用下输出OSC时钟信号。本发明频率稳定度高、精确度高且频率可调节；结构简单且灵活多变，可采用CMOS工艺实现，适合工业化；应用广泛，可为低频数字集成电路提供精准的时钟信号。
【专利说明】
一种环形振荡器
技术领域
[0001] 本发明属于电源管理技术领域，具体涉及一种环形振荡器。
【背景技术】
[0002] 为了使数字集成电路正常工作，需要为其提供精确而稳定的时钟信号。压控振荡 器(Voltage Controled Oscillator，VC0)振荡频率高，频率稳定度高，但电路结构较为复 杂，主要用于高频数字集成电路中。而在低频数字集成电路中，出于设计成本考虑，主要采 用电容充放电形式的环形振荡器来提供时钟信号。传统的环形振荡器具有电路结构简单的 优势，但也存在频率稳定度、精确度不够高和只能输出单一频率的局限性，大大限制了环形 振荡器的使用范围。
【发明内容】
[0003] 针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种频率稳定度高、精确度高且频率可 调的环形振荡器。
[0004] 为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
[0005] 一种环形振荡器，包括：
[0006] 可调节电流源电路，用来在外部控制电平作用下产生三个恒流源11、12、13，并输 入环形振荡电路；
[0007] 环形振荡电路，用来在恒流11、12、13的作用下输出0SC时钟信号。
[0008] 上述可调节电流源电路由M0SFET M4~M9、电阻R1~R4和开关S1~S7构成；
[0009] M4漏极连M4栅极，M4栅极连M5栅极，114源极连R1和S1的第一端;R1的第二端连R2和 S2的第一端，S1、S2和R2的第二端均接地；
[0010] M5漏极连M6漏极，M5源极连R3和S3的第一端，R3的第二端接连R4和S4的第一端， S3、S4和R4的第二端均接地；
[0011 ] M6源极连外部电源VDD，M6栅极连M7栅极、外部电源VDD; M7源极接外部电源VDD，M7 漏极用作输出端，且连接S5的第一端;M8栅极和源极接外部电源VDD，M8漏极用作输出端，且 连接S6的第一端;M9栅极和源极接外部电源VDD，M9漏极用作输出端，且连接S7的第一端； S5、S6、S7的第二端均接地。
[0012] 上述环形振荡电路由N型M0SFET Ml~M3、反相器INV1~INV4、电容C1~C3和与门 AND构成；
[0013] Μ1、M2、M3漏极分别接受可调节电流源电路输出的恒流源I i、12、13，Ml、M2、M3源级 均接地，Cl、C2、C3分别并联在Ml、M2、M3的漏极与源极间；
[0014] INV1输入端接Ml漏极，INV1输出端接M2栅极，M2漏极接M3栅极，M3漏极接INV2输入 端，INV2输出端接AND输入端；
[0015] AND输出端接INV4输入端，INV4输出端接INV3输入端，INV3输出端接Ml栅极。
[0016] 上述环形振荡器还包括基准源电路，所述的基准源电路用来产生直流电流IB，直 流电流Ib输入可调节电流源电路中M4漏极。
[0017] 本发明可调节电流源电路包括系列电阻R1~R4以及各电阻两端并联的开关S1~ S4，开关S1~S4分别由控制使能端TRM1、TRM2、TRM3、TRM4输入的电平控制。由于基准源电路 输出Ib恒定，通过改变可调节电流源电路中电阻值即可改变M4、M5的栅源电压，进而改变 II、12、13大小。环形振荡电路中电容的充电时间受II~13大小影响，通过改变II~13大小 进而改变各级反相器的延迟时间，达到修改环形振荡器振荡频率的目的。实现了较低频率 条件下获得可以调节的频率输出范围，突破了传统的环形振荡器只能输出单一的不可调节 频率的缺陷。
[0018] 本发明采用三级反相器级联实现振荡功能，利用电阻网络R1~R4改变电容C1~C3 的充电电流，从而改变反相器的延迟时间，达到改变环形振荡器振荡频率的目的。本发明环 形振荡电路能克服受集成电路制造工艺偏差引起的频率偏差问题，提高环形振荡器的频率 精确度。
[0019] 本发明具有如下优点和有益效果：
[0020] (1)高频率稳定度、高精确度且频率可调节。
[0021] (2)结构简单且灵活多变，可采用CMOS工艺实现，适合工业化。
[0022] (3)应用广泛，可为锂电池电源管理芯片、直流-直流电压转换(Direct Current to Direct Current，DC_DC)芯片、发光二极管（Light Emitting Diode，LED)驱动器芯片等 低频数字集成电路提供精准的时钟信号。
【附图说明】
[0023]图1是本发明的整体结构框图；
[0024] 图2是环形振荡电路的电路结构图；
[0025] 图3是可调节电流源电路的电路结构图。
【具体实施方式】
[0026] 见图1，环形振荡器包括基准源电路、可调节电流源电路和环形振荡电路，基准源电 路非必须。基准源电路、可调节电流源电路和环形振荡电路均接外部电源(VDD)、外部控制信 号EN和地(GND)。Ib为经典结构的基准源电路产生的直流电流，流入可调节电流源电路中。外 部控制电平TRM1、TRM2、TRM3、TRM4输入可调节电流源电路，控制可调节电流源电路产生三个 恒流源I1、I2、I3，I1、I2、I3大小与M0SFET的宽长比有关，
9分别表示M7、M8、M9的宽长比。11、12、13输入环形振荡电路，引起 振荡，环形振荡电路输出端输出0SC时钟信号。
[0027] 图2所示为环形振荡电路的电路结构图，环形振荡电路利用上一级反相器的恒流 源对电容充电到下一级反相器阈值电压的时间，来作为反相器间的信号传输延时，从而精 确控制环形振荡器输出信号的周期。
[0028] 本发明中，环形振荡电路由N型M0SFET ]?1、]\12、]\0、反相器1附1、1附2、1附3、1附4、 电容Cl、C2、C3和与门AND构成。Ml、M2、M3漏极分别接受到EN信号控制的恒流源11、12、13， Ml、M2、M3源极直接接地，Cl、C2、C3分别并联在Ml、M2、M3的漏极与源极间。
[0029] 第一级反相器输出端接INV1输入端，第二级反相器输出端接M3栅极，第三级反相 器输出端接INV2输入端。第一级反相器即并联的Ml和C1，第二级反相器即并联的M2和C2,第 三级反相器即并联的M3和C3JNV2输出端和外部控制信号EN的输出端一同接到AND输入端， AND输出端接INV4输入端，INV4输出端接入INV3输入端，INV3输出端接到Ml栅极。
[0030] 本发明是由三级反相器级联而成的环形振荡电路，外部电路产生的使能控制信号 EN输入环形振荡电路，同时控制恒流源11、12、13的关断。当EN为低电平时，关闭其控制的所 有开关S5、S6、S7，使得环形振荡电路所有恒流源被切断；当EN为高电平时，打开其控制的所 有开关S5、S6、S7，使得环形振荡电路的所有恒流源打开。
[0031] 由恒流源对电容的充电公式U = I*t/C，U为电容充电产生的电压差，t为充电时间， I为恒流源电流，C为电容值。时钟周期为11对C1充电到INV1阈值、12对C2充电到M3阈值、13 对C3充电到INV2阈值的充电时间之和。为简便起见，设计时取恒流源电流值11 = 12 = 13 = 1，因此0^的时钟周期丁 = 3^1，￥^为1爾1、1爾2、1附3、1附4的阈值。环形振荡器受到控制 信号EN的控制，当EN为低电平时，关断所有电流源及其偏置电路。INV1阈值即第一级反相器 到第二级反相器的传输延迟，M3阈值即第二级反相器到第三级反相器的传输延迟，INV2阈 值即第三级反相器到第一级反相器的传输延迟。
[0032] 图3所示为可调节电流源电路的电路结构图，可调节电流源电路由MOSFET M4、M5、 皿6、]?7、]\18、]\19、电阻1?1、1?2、1?3、1?4和开关51、52、33、54、55、36、57构成。18为由经典结构的基 准源电路产生的普通直流电流，基准源电路一端接外部电源VDD，一端接M4漏极。
[0033] M4漏极同时与基准源电路输出端、M4栅极相连，M4栅极与M5栅极相连，M4源极接R1 和SUR1-端接M4源极和S1，另一端接R2A1-端接M4源极和R1，另一端接地，并由外部信号 TRM1控制。R2-端接R1和S2,另一端接地。S2-端接R1和R2之间，另一端接地，并由外部控制 信号TRM2控制。
[0034] M5栅极与M4栅极相接，M5漏极与M6漏极相接，M5源极接R3和S3 A3-端接M5源极和 S3,另一端接RLS3-端接R3和M5间，另一端接地，并受外部信号TRM3控制。R4-端接R3和 S4，另一端接地。S4-端接R3和R4间，另一端接地，由外部信号TRM4控制。
[0035] M6漏极与M5漏极相连，M6源极接外部电源VDD，M6栅极与M7栅极、外部电源VDD相 连。M7源极接外部电源VDD，M7栅极连M6栅极、外部电源VDD，M7漏极用作输出端输出I!，且与 S5相连。S5-端接M7漏极，另一端接地，受EN信号控制，当EN为高电平时S5断开，EN为低电平 时S5导通。
[0036] M8、M9的栅极和源极均接外部电源VDD，M8、M9的漏极用作输出端分别输出12、1 3,并 分别与S6、S7相连。S6-端接M8漏极，另一端接地;S7-端接M9漏极，另一端接地。S6和S7均 受EN信号控制，EN为低电平开关导通，EN为高电平开关断开。
[0037] 通过了1?11、了1?12、了1?0、了1?14控制31~34中一个或多个开关的断开和导通，调节电 阻网络的总电阻值，在输出端获得不同的电流值，从而控制调节环形振荡电路的振荡频率， 并且调节振荡频率在所需频率的有效范围内。若断开S1或S2,则减小M4漏极电阻，可减小输 出端电流值;若断开S3或S4,则减小M5漏极电阻，则可增大输出端电流值。如此便可以在环 形振荡电路中获得所需振荡频率。
【主权项】
1. 一种环形振荡器，其特征是，包括： 可调节电流源电路，用来在外部控制电平作用下产生三个恒流源11、12、13，并输入环 形振荡电路； 环形振荡电路，用来在恒流11、12、13的作用下输出OSC时钟信号； 所述的可调节电流源电路由MOSFET M4~M9、电阻R1 ~R4和开关S1 ~S7构成； M4漏极连M4栅极，M4栅极连M5栅极，114源极连R1和S1的第一端;R1的第二端连R2和S2的 第一端，SI、S2和R2的第二端均接地； M5漏极连M6漏极，M5源极连R3和S3的第一端，R3的第二端接连R4和S4的第一端，S3、S4 和R4的第二端均接地； M6源极连外部电源VDD，M6栅极连M7栅极、外部电源VDD; M7源极接外部电源VDD，M7漏极 用作输出端，且连接S5的第一端;M8栅极和源极接外部电源VDD，M8漏极用作输出端，且连接 S6的第一端;M9栅极和源极接外部电源VDD，M9漏极用作输出端，且连接S7的第一端;S5、S6、 S7的第二端均接地； 所述的环形振荡电路由N型MOSFET Ml~M3、反相器INV1~INV4、电容C1~C3和与门AND构 成； Μ1、M2、M3漏极分别接受可调节电流源电路输出的恒流源I!、12、13，Μ1、M2、M3源级均接 地，Cl、C2、C3分别并联在Ml、Μ2、Μ3的漏极与源极间； INV1输入端接Ml漏极，INV1输出端接M2栅极，M2漏极接M3栅极，M3漏极接INV2输入端， INV2输出端接AND输入端； AND输出端接INV4输入端，INV4输出端接INV3输入端，INV3输出端接Ml栅极。2. 如权利要求1所述的环形振荡器，其特征是： 还包括基准源电路，所述的基准源电路用来产生直流电流Ib，直流电流Ib输入可调节电 流源电路中M4漏极。
【文档编号】H03K3/03GK106026983SQ201610416319
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年6月14日
【发明人】江金光, 唐亚男
【申请人】武汉大学