一种自带温度和工艺角校准的环形振荡器电路的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种自带温度和工艺角校准的环形振荡器电路，是在传统环形振荡器电路的基础上，增加了温度检测电路和工艺角检测电路，并且改进了传统环形振荡器中所使用的模拟反相器电路；新的结构能自动探测温度和工艺角的变化，并且将温度和工艺角的变化以电压的形式反馈到模拟反相器的电压偏置端，从而校准了环形振荡器的工作频率。
【专利说明】
一种自带温度和工艺角校准的环形振荡器电路
技术领域
[0001]本实用新型涉及混合信号和模拟集成电路领域，具体的涉及一种自带温度和工艺角校准的环形振荡器电路。
【背景技术】
[0002]环形振荡器是模拟射频集成电路的重要模块，被广泛使用在锁相环和FPGA中。由于环形振荡器占用的芯片面积小、设计简单便于集成、功耗低，所以在SOC芯片和数据存储芯片中，广泛使用环形振荡器来产生时钟信号。
[0003]传统的环形振荡器如图1所示，一般由三级或者四级模拟反相器级联而成，利用反相器间的相位差形成正反馈产生震荡。传统的环形振荡器结构简单，往往采用单一结构的电压偏置电路，利用电压变化控制模拟反相器的电流，从而改变环形振荡器的频率。
[0004]虽然传统的环形振荡器结构简单便于集成，但是由于传统环形振荡器的偏置过于简单，只是粗略的用一个外部电压去控制环形振荡器的频率，而且这个外部电压固定不变，导致温度变化和工艺角变化时，环形振荡器输出的频率波动较大。在SOC芯片和数据存储芯片等应用中，由于产量巨大，不同批次产品的工艺角往往有很大的差距，而且随着应用场合的不同，温度的变化也是在所难免。如果工艺角和温度变化导致频率的变化超出电路的可调范围，则会影响产品的良率，尤其是在包含环形振荡器的IP产品中，往往希望环形振荡器的适用范围广，能最低程度受工艺角和温度的影响。
【实用新型内容】
[0005]本实用新型的目的在于提供一种自带温度和工艺角校准的环形振荡器电路，以克服现有技术中存在的缺陷。
[0006]本实用新型的目的通过以下技术方案实现:
[0007]—种自带温度和工艺角校准的环形振荡器电路，它包括四个反相器、一个偏置电路、一个温度检测电路、一个工艺角检测电路，所述反相器为模拟反相器；
[0008]四个反相器顺次首尾相连，构成环形结构，每个反相器都有三个偏置电压控制端，分别是VB，VT，VC;
[0009]温度检测电路不需要任何外部输入信号，根据内部检测电路直接产生偏置电压VT，去控制四个反相器的偏置电压控制端。
[0010]工艺角检测电路不需要任何外部输入信号，根据内部检测电路直接产生偏置电压VC，去控制四个反相器的偏置电压控制端。
[0011]优选的，所述温度检测电路由第一NMOS管，电流源，第一运算放大器，第一电阻、第二电阻、第三电阻、第二 NMOS管和一个BJT管组成，第一 NMOS管的尺寸是L = 2μ，W= 50μ，它的源极接电源VDD，栅极和漏极短接并且连接到电流源的输入端，电流源的输出端接地;运算放大器的正输入端连接到第一 NMOS管的栅极和漏极，运算放大器的负输入端连接到第二电阻的顶端，运算放大器的输出端连接到第一电阻的顶端，第一电阻的底端连接第二电阻的顶端形成串联连接结构;第二 NMOS管的栅极和漏极短接并连接第三电阻的顶端并同时输出温度控制的偏置电压VT，第二匪OS管的源极连接第一运算放大器的输出端;第三电阻的底端连接BJT管的发射极，BJT管的集电极和基极短接并连接到地。
[0012]优选的，所述工艺角检测电路由一个片内电阻、一个片外电阻、第二运算放大器、第三匪OS管、第四匪OS管、第一 PMOS管、第二 PMOS管组成，片内电阻的顶端连接芯片内部电源VDD，底端连接片外电阻，片外电阻的底端直接连接外部PCB板的地;片内电阻和片外电阻串联形成分压结构，第二运算放大器的正输入端直接连接到片内电阻和片外电阻中间，第二运算放大器的负输入端连接本身的输出端，第二运算放大器的输出端也同时连接到第三NMOS管的栅极，第三NMOS管的源极接地，漏极连接第一 PMOS管的漏极和栅极，第一 PMOS管的源极连接芯片内部电源VDD;第二 PMOS管的基极和第一 PMOS管的基极相连，第二 PMOS管的源极连接电源VDD，漏极连接第四NMOS管的漏极和栅极并同时输出工艺角控制的偏置电压VC，第四NMOS管的源极接地。
[0013]优选的，所述反相器为模拟反相器，该模拟反相器电路由第三PMOS管、第四PMOS管、第五PMOS管、第六PMOS管、第七PMOS管、第八PMOS管和第五匪OS管、第六匪OS管、第七NMOS管、第八NMOS管、第九NMOS管组成;第三PMOS管的源极连接电源VDD，栅极和漏极短接并连接到第五NMOS管的漏极;第四PMOS管的源极接电源VDD，栅极连接外部电压Vctrl，漏极连接第五NMOS管的漏极;第五PMOS管的源极接电源VDD，栅极连接外部电压Vctrl，漏极连接第六NMOS管的漏极;第六PMOS管的源极连接电源VDD，栅极和漏极短接并连接到第六NMOS管的漏极;第七PMOS管的源极连接电源VDD，栅极连接第八PMOS管的漏极和输出端Voutp;第八PMOS管的源极连接电源VDD，栅极连接第七PMOS管的漏极和输出端Voutn;第五NMOS管的栅极连接输入信号Vinp，第六NMOS管的栅极连接输入信号Vinn，第五匪OS管和第六匪OS管的源极相连接并且同时连接第七匪OS管、第八匪OS管和第九NMOS管的漏极;第七NMOS管的栅极连接控制电压VB，源极接地;第八WOS管的栅极连接控制电压VC，源极接地;第九匪OS管的栅极连接控制电压VT，源极接地。
[0014]优选的，所述偏置电路由第九PMOS管、第十PMOS管、第^^一PMOS管、第十二PMOS管、第十三PMOS管、第十四PMOS管，第一开关、第二开关、第三开关和第十NMOS管组成;第九PMOS管的源极连接电源VDD，漏极连接第十PMOS管的源极，第九PMOS管的栅极连接第十PMOS管的栅极并同时连接外部电压Vbias;第十PMOS管的漏极连接第一开关的一端，第一开关的另一端连接第十NMOS管的漏极;第^^一PMOS管的源极连接电源VDD，漏极连接第十二 PMOS管的源极，第i^一PMOS管的栅极连接第十二 PMOS管的栅极并同时连接外部电压Vbias;第十二 PMOS管的漏极连接第二开关的一端，第二开关的另一端连接第十匪OS管的漏极;第十三PMOS管的源极连接电源VDD，漏极连接第十四PMOS管的源极，第十三PMOS管的栅极连接第十四PMOS管的栅极并同时连接外部电压Vbias;第十四PMOS管的漏极连接第三开关的一端，第三开关的另一端连接第十NMOS管的漏极;第九PMOS管、第十PMOS管的尺寸是W/L;第^^一PMOS管、第十二 PMOS管的尺寸是2W/L;第十三PMOS管、第十四PMOS管的尺寸是4W/L;第十NMOS管的栅极连接到本身的漏极并同时连接偏置电路产生的偏置电压VB，源极接地。
[0015]本实用新型的有益效果:
[0016]本实用新型的自带温度和工艺角校准的环形振荡器电路包括四个模拟反相器，一个偏置电路，一个温度检测电路，一个工艺角检测电路，相比于传统的环形振荡器电路，一种自带温度和工艺角校准的环形振荡器电路增加了温度检测电路和工艺角检测电路;温度检测电路通过一个尺寸较大的MOS管(第一匪OS管)感应芯片的温度，将温度变化转化为电压变化，从而利用变化的电压去控制模拟反相器的电压偏置端达到改变频率的目的；工艺角检测电路是通过芯片内部的电阻(片内电阻)和一个芯片外部的高精度电阻(片外电阻)比较产生不同的分压比，这种芯片内部电阻随工艺角变化而产生阻值的变化，通过与芯片外部高精度电阻的比较产生不同的分压比，这种变化的电压被利用来控制模拟反相器的电压偏置端，产生改变频率的效果。这种环形振荡器内部的模拟反相器同时受偏置电压产生电路，温度检测电路和工艺角检测电路的控制，使得频率能根据温度和工艺角的变化而自动调整，达到了温度和工艺角校准的目的。
【附图说明】
[0017]图1是传统的环形振荡器整体结构框图。
[0018]图2是本实用新型的一种自带温度和工艺角校准的环形振荡器整体结构框图。
[0019]图3是本实用新型中温度检测电路的电路示意图。
[0020]图4是本实用新型中工艺角检测电路的电路示意图。
[0021]图5是本实用新型中模拟反相器电路的电路示意图。
[0022 ]图6是本实用新型中偏置电路的电路示意图。
【具体实施方式】
[0023]以下结合具体实施例对本实用新型作进一步描述。
[0024]结合图2，一种自带温度和工艺角校准的环形振荡器电路，它包括四个反相器、一个偏置电路、一个温度检测电路、一个工艺角检测电路，所述反相器为模拟反相器；
[0025]四个反相器分别首尾相连，构成环形结构，每个反相器都有三个偏置电压控制端，分别是VB，VT，VC;
[0026]温度检测电路不需要任何外部输入信号，根据内部检测电路直接产生偏置电压VT，去控制四个反相器的偏置电压控制端。
[0027]工艺角检测电路不需要任何外部输入信号，根据内部检测电路直接产生偏置电压VC，去控制四个反相器的偏置电压控制端。
[0028]这四个反相器首尾相连，构成环形结构，并且前三个模拟反相器的负输出端连接后一级模拟反相器的正输入端，前三个模拟反相器的正输出端连接后一级模拟反相器的负输入端，最后一级模拟反相器的负输出端连接第一级模拟反相器的负输入端，最后一级模拟反相器的正输出端连接第一级模拟反相器的正输入端。
[0029]优选的实施例中，结合图3，所述温度检测电路由第一匪OS管(31)，电流源(32)，第一运算放大器(33)，第一电阻(35)、第二电阻(34)、第三电阻(37)、第二匪OS管(36)和一个BJT管(38)组成，第一 NMOS管(31)的尺寸是L=2y，W=50y，它的源极接电源VDD，栅极和漏极短接并且连接到电流源(32)的输入端，电流源(32)的输出端接地;运算放大器(33)的正输入端连接到第一匪OS管(31)的栅极和漏极，运算放大器(33)的负输入端连接到第二电阻
(34)的顶端，运算放大器(33)的输出端连接到第一电阻(35)的顶端，第一电阻(35)的底端连接第二电阻(34)的顶端形成串联连接结构;第二匪OS管(36)的栅极和漏极短接并连接第三电阻(37)的顶端并同时输出温度控制的偏置电压VT，第二 NMOS管(36)的源极连接第一运算放大器(33)的输出端;第三电阻(37)的底端连接B JT管(38)的发射极，B JT管(38)的集电极和基极短接并连接到地。
[0030]此温度检测电路不需要任何外部输入信号，其利用内部的较大尺寸第一NMOS管感应温度变化从而产生随温度变化的电压差，这种电压变化被用来控制模拟反相器的电压偏置端，补偿由温度变化引起的频率变化。所述温度检测电路包含一个尺寸较大的第一 NMOS管，此尺寸的第一 NMOS管和电流源组合，能将温度变化转化成电压变化;配合钳位电路和BJT管，能将大尺寸MOS管输出的电压变化在BJT集电极稳定输出。
[0031]优选的实施例中，结合图4，所述工艺角检测电路由一个片内电阻(41)、一个片外电阻(42)、第二运算放大器(43)、第三NMOS管(45)、第四NMOS管(47)、第一PMOS管(46)、第二PMOS管(48)组成，片内电阻(41)的顶端连接芯片内部电源VDD，底端连接片外电阻(42)，片外电阻(42)的底端直接连接外部PCB板的地;片内电阻(41)和片外电阻(42)串联形成分压结构，第二运算放大器(43)的正输入端直接连接到片内电阻(41)和片外电阻(42)中间，第二运算放大器(43)的负输入端连接本身的输出端，第二运算放大器(43)的输出端也同时连接到第三WOS管(45)的栅极，第三匪OS管(45)的源极接地，漏极连接第一 PMOS管(44)的漏极和栅极，第一 PMOS管(44)的源极连接芯片内部电源VDD;第二 PMOS管(46)的基极和第一PMOS管(44)的基极相连，第二 PMOS管(46)的源极连接电源VDD，漏极连接第四NMOS管(47)的漏极和栅极并同时输出工艺角控制的偏置电压VC，第四NMOS管(47)的源极接地。所述片外电阻(42)为高精度电阻。
[0032]此工艺角检测电路不需要任何外部输入信号，其利用芯片的片内电阻和芯片外部的高精度片外电阻做分压比较，因为芯片内部电阻的阻值随工艺角变化但是芯片外部高精度电阻的阻值不受工艺角影响，两个电阻串联连接而成的分压电路产生的电压随工艺角变化，这个分压电路产生的偏置电压用来控制模拟反相器的一个电压偏置端，补偿由工艺角变化引起的频率变化。
[0033]优选的实施例中，结合图5，所述反相器为模拟反相器，该模拟反相器电路由第三PMOS管(51)、第四PMOS管(52)、第五PMOS管(53)、第六PMOS管(54)、第七PMOS管(55)、第八PMOS管(56)和第五NMOS管(57 )、第六NMOS管(58 )、第七NMOS管(59 )、第八NMOS管(510 )、第九匪OS管(511)组成；第三PMOS管(51)的源极连接电源VDD，栅极和漏极短接并连接到第五NMOS管(57)的漏极;第四PMOS管(52)的源极接电源VDD，栅极连接外部电压VctrI，漏极连接第五NMOS管(57)的漏极;第五PMOS管(53)的源极接电源VDD，栅极连接外部电压VctrI，漏极连接第六NMOS管(58)的漏极;第六PMOS管(54)的源极连接电源VDD，栅极和漏极短接并连接到第六匪OS管(58)的漏极;第七PMOS管(55)的源极连接电源VDD，栅极连接第八PMOS管(56)的漏极和输出端Voutp;第八PMOS管(56)的源极连接电源VDD，栅极连接第七PMOS管(55)的漏极和输出端Voutn;第五NMOS管(57)的栅极连接输入信号Vinp，第六NMOS管(58)的栅极连接输入信号Vinn，第五NMOS管(57)和第六NMOS管(58)的源极相连接并且同时连接第七NMOS管(59)、第八NMOS管(510)和第九匪OS管(511)的漏极;第七匪OS管(59)的栅极连接控制电压VB，源极接地;第八匪OS管(510)的栅极连接控制电压VC，源极接地;第九匪OS管(511)的栅极连接控制电压VT，源极接地。
[0034]优选的实施例中，结合图6，所述偏置电路由第九PMOS管(61)、第十PMOS管(62)、第i^一PMOS管(63)、第十二PMOS管(64)、第十三PMOS管(65)、第十四PMOS管(66)，第一开关(SI)、第二开关(S2)、第三开关(S3)和第十匪OS管(67)组成;第九PMOS管(61)的源极连接电源VDD，漏极连接第十PMOS管(62)的源极，第九PMOS管(61)的栅极连接第十PMOS管(62)的栅极并同时连接外部电压Vbias;第十PMOS管(62)的漏极连接第一开关(SI)的一端，第一开关(SI)的另一端连接第十NMOS管(67)的漏极;第^^一PMOS管(63)的源极连接电源VDD，漏极连接第十二 PMOS管(64)的源极，第^^一PMOS管(63)的栅极连接第十二 PMOS管(64)的栅极并同时连接外部电压Vbias;第十二 PMOS管(64)的漏极连接第二开关(S2)的一端，第二开关(S2)的另一端连接第十NMOS管(67)的漏极;第十三PMOS管(65)的源极连接电源VDD，漏极连接第十四PMOS管(66)的源极，第十三PMOS管(65)的栅极连接第十四PMOS管(66)的栅极并同时连接外部电压Vbias;第十四PMOS管(66)的漏极连接第三开关(S3)的一端，第三开关(S3)的另一端连接第十NMOS管(67)的漏极;第九PMOS管(61)、第十PMOS管(62)的尺寸是W/L;第^^一PMOS管(63)、第十二PMOS管(64)的尺寸是2W/L ；第十三PMOS管(65)、第十四PMOS管(66)的尺寸是4W/L;第十NMOS管(67)的栅极连接到本身的漏极并同时连接偏置电路产生的偏置电压VB，源极接地。
[0035]以上实施例仅用于说明本实用新型的技术方案，而非对本实用新型保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本实用新型作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本实用新型的技术方案进行修改或等同替换，而不脱离本实用新型技术方案的实质和范围。
【主权项】
1.一种自带温度和工艺角校准的环形振荡器电路，其特征在于:它包括四个反相器、一个偏置电路、一个温度检测电路、一个工艺角检测电路，所述反相器为模拟反相器； 四个反相器顺次首尾相连，构成环形结构，每个反相器都有三个偏置电压控制端，分别是VB,VT,VC; 温度检测电路不需要任何外部输入信号，根据内部检测电路直接产生偏置电压VT，去控制四个反相器的偏置电压控制端； 工艺角检测电路不需要任何外部输入信号，根据内部检测电路直接产生偏置电压VC，去控制四个反相器的偏置电压控制端。2.根据权利要求1所述的一种自带温度和工艺角校准的环形振荡器电路，其特征在于:所述温度检测电路由第一NMOS管(31)，电流源(32)，第一运算放大器(33)，第一电阻(35)、第二电阻(34)、第三电阻(37)、第二匪OS管(36)和一个BJT管(38)组成，第一 NMOS管(31)的尺寸是L = 2μ，W=50μ，它的源极接电源VDD，栅极和漏极短接并且连接到电流源(32)的输入端，电流源(32)的输出端接地;运算放大器(33)的正输入端连接到第一NMOS管(31)的栅极和漏极，运算放大器(33)的负输入端连接到第二电阻(34)的顶端，运算放大器(33)的输出端连接到第一电阻(35)的顶端，第一电阻(35)的底端连接第二电阻(34)的顶端形成串联连接结构;第二匪OS管(36)的栅极和漏极短接并连接第三电阻(37)的顶端并同时输出温度控制的偏置电压VT，第二匪OS管(36)的源极连接第一运算放大器(33)的输出端；第三电阻(37)的底端连接BJT管(38)的发射极，BJT管(38)的集电极和基极短接并连接到地。3.根据权利要求1所述的一种自带温度和工艺角校准的环形振荡器电路，其特征在于:所述工艺角检测电路由一个片内电阻(41)、一个片外电阻(42)、第二运算放大器(43)、第三NMOS管(45)、第四匪OS管(47)、第一PMOS管(46)、第二PMOS管(48)组成，片内电阻(41)的顶端连接芯片内部电源VDD，底端连接片外电阻(42)，片外电阻(42)的底端直接连接外部PCB板的地;片内电阻(41)和片外电阻(42)串联形成分压结构，第二运算放大器(43)的正输入端直接连接到片内电阻(41)和片外电阻(42)中间，第二运算放大器(43)的负输入端连接本身的输出端，第二运算放大器(43)的输出端也同时连接到第三匪OS管(45)的栅极，第三WOS管(45)的源极接地，漏极连接第一 PMOS管(44)的漏极和栅极，第一 PMOS管(44)的源极连接芯片内部电源VDD;第二 PMOS管(46)的基极和第一 PMOS管(44)的基极相连，第二 PMOS管(46)的源极连接电源VDD，漏极连接第四NMOS管(47)的漏极和栅极并同时输出工艺角控制的偏置电压VC，第四NMOS管(47)的源极接地。4.根据权利要求1所述的一种自带温度和工艺角校准的环形振荡器电路，其特征在于:所述反相器为模拟反相器，该模拟反相器电路由第三PMOS管(51)、第四PMOS管(52)、第五PMOS管(53)、第六PMOS管(54)、第七PMOS管(55)、第八PMOS管(56)和第五NMOS管(57)、第六NMOS管(58)、第七NMOS管(59)、第八匪OS管(510)、第九匪OS管(511)组成；第三PMOS管(51)的源极连接电源VDD，栅极和漏极短接并连接到第五NMOS管(57)的漏极;第四PMOS管(52)的源极接电源VDD，栅极连接外部电压VctrI，漏极连接第五匪OS管(57)的漏极；第五PMOS管(53)的源极接电源VDD，栅极连接外部电压VctrI，漏极连接第六匪OS管(58)的漏极;第六PMOS管(54)的源极连接电源VDD，栅极和漏极短接并连接到第六匪OS管(58)的漏极;第七PMOS管(55)的源极连接电源VDD，栅极连接第八PMOS管(56)的漏极和输出端Voutp;第八PMOS管(56)的源极连接电源VDD，栅极连接第七PMOS管(55)的漏极和输出端Voutn;第五匪OS管(57)的栅极连接输入信号Vinp，第六匪OS管(58)的栅极连接输入信号Vinn，第五匪OS管(57)和第六匪OS管(58)的源极相连接并且同时连接第七匪OS管(59)、第八匪OS管(510)和第九NMOS管(511)的漏极;第七匪OS管(59)的栅极连接控制电压VB，源极接地;第八NMOS管(510)的栅极连接控制电压VC，源极接地;第九NMOS管(511)的栅极连接控制电压VT，源极接地。5.根据权利要求1所述的一种自带温度和工艺角校准的环形振荡器电路，其特征在于:所述偏置电路由第九PMOS管(61)、第十PMOS管(62)、第^^一PMOS管(63)、第十二PMOS管(64)、第十三PMOS管(65)、第十四PMOS管(66)，第一开关(SI)、第二开关(S2)、第三开关(S3)和第十匪OS管(67)组成;第九PMOS管(61)的源极连接电源VDD，漏极连接第十PMOS管(62)的源极，第九PMOS管(61)的栅极连接第十PMOS管(62)的栅极并同时连接外部电压Vbias;第十PMOS管(62)的漏极连接第一开关(SI)的一端，第一开关(SI)的另一端连接第十NMOS管(67)的漏极;第i^一PMOS管(63)的源极连接电源VDD，漏极连接第十二 PMOS管(64)的源极，第十一PMOS管(63)的栅极连接第十二PMOS管(64)的栅极并同时连接外部电压Vbias;第十二PMOS管(64)的漏极连接第二开关(S2)的一端，第二开关(S2)的另一端连接第十NMOS管(67)的漏极;第十三PMOS管(65)的源极连接电源VDD，漏极连接第十四PMOS管(66)的源极，第十三PMOS管(65)的栅极连接第十四PMOS管(66)的栅极并同时连接外部电压Vbias;第十四PMOS管(66)的漏极连接第三开关(S3)的一端，第三开关(S3)的另一端连接第十NMOS管(67)的漏极;第九PMOS管(61)、第十PMOS管(62)的尺寸是W/L;第^^一PMOS管(63)、第十二PMOS管(64)的尺寸是2W/L ；第十三PMOS管(65)、第十四PMOS管(66)的尺寸是4W/L ；第十NMOS管(67)的栅极连接到本身的漏极并同时连接偏置电路产生的偏置电压VB，源极接地。
【文档编号】H03K3/03GK205566248SQ201620281148
【公开日】2016年9月7日
【申请日】2016年4月6日
【发明人】吕爱俊, 沈剑均
【申请人】江苏星宇芯联电子科技有限公司