专利名称：一种rc环形振荡器及其电压调节方法
技术领域：
本发明属于集成电路技术，尤其涉及一种RC环形振荡器及其电压调节方法。
背景技术：
众所周知，振荡器在各类电子设备中占有重要的地位。通过振荡器的运用，可以产生各种用于不同电子设备的周期性的时钟信号。但是，振荡器往往受到电源电压的影响，不能产生稳定周期的时钟。因此，在集成电路中经常用到如图I所示的振荡周期与电源电压不相关的RC环形振荡器，所述RC环形振荡器构成如下第一反相器INVl的输入端连接至第一节点VA并作为RC环形振荡器的输入节点，其输出端连接至第二节点VB ;第二反相器INV2的输入端连接至第二节点VB，其输出端连接至第三节点VC ;电阻Rl的一端连接至第一节点VA、电阻Rl的另一端连接至第二节点VB ；电容Cl的正极连接至第一节点VA，电容Cl的负极连接至第三节点VC ;缓冲器BUFl的输入端连接至第三节点VC，其输出端连接至 第四节点VD，并作为RC环形振荡器的输出节点。图I所述的RC环形振荡器的震荡周期约等于2. 2 X Rl X Cl。其中，第一反相器INVl和第二反相器INV2均为CMOS反相器，所述CMOS反相器由PMOS晶体管MO和NMOS晶体管Ml构成，如图2所示；所述缓冲器BUFl由第三反相器INV3和第四反相器INV4构成，如图3所示，所述第三反相器INV3和第四反相器INV4的构成与第一反相器INVl和和第二反相器INV2的构成相同。分析所述RC环形振荡器的工作过程如图4所示，横坐标代表时间，纵坐标代表电压。第一反相器INVl翻转前，当t = 0时，第二节点VB的电压为高电平VDD (即电源电压)，第三节点VC的电压为低电平0 ;当t为0 Tl时，第二节点VB通过电阻Rl对电容Cl进行充电，从而使第一节点VA的电压升高；当t = Tl时,第一节点VA的电压达到第一反相器
INVl的翻转点电压*TOZ)，此时电容Cl上的压降为+FM)，翻转后，第二节点VB的电压为低
电平0，第三节点VC的电压为高电平VDD，由于电容Cl上的压降不能产生突变，所以第一节
点VA的电压为电容Cl上压降与第三节点VC的电压之和，即由突变为。接着，当
t为Tl T2时，第二节点VB通过电阻Rl对电容Cl进行放电，从而使第一节点VA的电压
降低；当t = T2时，第一节点VA的电压达到第一反相器INVl的翻转点电压$「￡)/>，此时电
容Cl上的压降为- +「/W ■翻转后，第二节点VB的电压为高电平VDD，第三节点VC的电压为
低电平0，由于电容Cl上的压降不能产生突变，所以第一节点VA的电压为电容Cl上压降与
第三节点VC的电压之和，即由突变为。接着，t为T2 T3时，第二节点VB又
通过电阻Rl对电容Cl进行充电，在t = T3时翻转；t为T3 T4时，第二节点VB又通过电阻Rl对电容Cl进行放电，在t = T4时翻转，如此重复，第三节点VC的电压不断翻转，产生时钟信号，并将时钟信号通过缓冲器BUFl的输出端输出。由此可见，在传统的RC环形振荡器工作过程中，具有以下缺陷
一方面第一节点VA的电压最高电压会达到&TB，最低电压会达到，导致
IL
第一反相器INVl中的PMOS晶体管MO和NMOS晶体管Ml的栅源电压绝对值大于VDD，从而容易使MOS晶体管栅极被击穿，造成电路失效。另一方面在CMOS工艺中，电容Cl虽然可以有双多晶电容(如图5所示)、MIM电容(如图6所示)和多晶-N阱电容(如图7所示)等多种电容被采用，但是，所述的双多晶电容的制造需要在普通的栅极多晶上添加额外的一层绝缘层和多晶层，而MM电容的制造需要额外的绝缘层和金属层，因此所述的双多晶电容和MIM电容在标准CMOS工艺的基础上均需要增加额外的工艺步骤，成本较高；而所述的多晶-N阱电容需要制造的是单层多晶，可在标准CMOS工艺中制造，成本较低。但多晶-N阱电容的容值更容易随其两端的电压变化而变化，因此，多晶-N阱电容与电压相关的系数较高，而振荡电路中各节点的电压范围较大，会造成振荡频率不准，特别是当电源电压VDD发生变化时。为减小所述多晶-N阱 电容受电压系数的影响，可将所述多晶-N阱电容反向并联，如图8所示。但是，由于第一节
点VA的电压会达到-^FDD，可造成P型衬底和N阱之间的寄生二极管导通，如图7所示，使
振荡器工作不正常。又一方面，在CMOS工艺中，电阻Rl虽然可以有低阻值多晶电阻、高阻值多晶电阻和N阱电阻等多种电阻被采用，但是，低阻值多晶电阻的制造与MOS晶体管的栅极多晶的制造基本一致，虽然无需增加额外的工艺步骤，但其方块阻值较低，在低频振荡器中不适用；高阻值多晶电阻却需要在标准CMOS工艺的基础上增加额外的工艺步骤，成本较高；而N阱电阻(如图9所示)不仅方块值较大且可在标准CMOS工艺中制造，成本较低。但是，由于
第一节点VA的电压会达到7)/)，可造成P型衬底和N阱之间的寄生二极管导通，使振荡
器工作不正常。由此可见，传统的RC环形振荡器在实际的工作过程中，其工作的稳定性与所述RC环形振荡器的输入节点的电压的范围有关系，当所述RC环形振荡器的输入节点VA的电压过大，容易造成MOS晶体管栅极被击穿；当所述RC环形振荡器的输入节点VA的电压过低，又不得不放弃低成本的多晶-N阱电容和N阱电阻。为避免传统的RC环形振荡器工作过程的缺陷，需要提出一种振荡器，以使所述振荡器的输入节点VA的电压控制在一定范围，尤其控制在电源电压VDD和0之间。
发明内容
本发明的目的是提供一种RC环形振荡器，所述RC环形振荡器可以通过控制输入至自身的节点电压在一定范围，从而即避免MOS晶体管栅极击穿，又可以采用低成本的多晶-N阱电容和N阱电阻。为解决上述问题，本发明提出的一种RC环形振荡器，包括第一级联反相器、第二级联反相器、第三级联反相器、电阻、第一等效电容和第二等效电容；所述第一级联反相器的输入端和输出端分别连接第一节点和第二节点；所述第二级联反相器的输入端和输出端分别连接第二节点和第三节点；所述电阻的两端分别连接第一节点和第二节点；所述第一等效电容的正极和负极分别连接第一节点和第三节点；所述第二等效电容的正极和负极分别连接第一节点和第四节点；第三级联反相器的输入端和输出端分别连接第三节点和第四节点；所述第一节点为所述RC环形振荡器的输入节点。进一步的，所述第一级联反相器至第三级联反相器均由奇数个反相器级联构成。进一步的，所述第一等效电容包括第一电容和第二电容，第一电容的正极和第二电容的负极均连接至第一节点；第一电容的负极和第二电容的正极均连接至第三节点；所述第二等效电容包括第三电容和第四电容，第三电容的正极和第四电容的负极均连接至第一节点；第三电容的负极和第四电容的正极均连接至第四节点。进一步的，所述第一电容至第四电容均为多晶-N阱电容。进一步的，所述RC环形振荡器还包括一缓冲器，所述缓冲器的输入端连接第三节点，所述缓冲器的输出端作为所述RC环形振荡器的输出节点。进一步的，所述缓冲器由偶数个反相器级联构成。
进一步的，所述第一级联反相器至第三奇数级联及缓冲器或由CMOS反相器组成、或由RS触发器组成、或由具有反向作用的逻辑单元组成。进一步的，所述第一级联反相器至第三级联反相器以及第四反相器和第五反相器为由CMOS反相器或为由RS触发器或其它具有反向作用的逻辑单元构成的反相器。进一步的，所述电阻为N阱电阻。为了解决上述问题，本发明还提出一种RC环形振荡器的电压调节方法，当所述第一节点通过所述电阻分别对所述第一等效电容和第二等效电容充电，使所述第一节点电压达到所述第一级联反相器的翻转点电压时翻转，以使所述第一节点电压大于所述第一级联反相器的翻转点电压而小于电源电压；当所述第一节点通过所述电阻分别对所述第一等效电容和第二等效电容放电，使所述第一节点电压达到所述第一级联反相器的翻转点电压时翻转，以使所述第一节点电压大于0而小于所述第一级联反相器的翻转点电压。进一步的，所述第一节点通过所述电阻分别对所述第一等效电容和第二等效电容充电，使所述第一节点电压达到所述第一级联反相器的翻转点电压时翻转；翻转前，所述第二节点电压和第四节点电压为电源电压，所述第三节点电压为0 ;翻转后，所述第二节点电压和第四节点电压为0，所述第三节点电压为电源电压；根据电荷守恒原理，所述第一等效电容和第二等效电容翻转前的电荷与翻转后的电荷守恒，则翻转后所述第一节点电压的计算公式如下
权利要求
1.一种RC环形振荡器，其特征在于，包括第一级联反相器、第二级联反相器、第三级联反相器、电阻、第一等效电容和第二等效电容；所述第一级联反相器的输入端和输出端分别连接第一节点和第二节点；所述第二级联反相器的输入端和输出端分别连接第二节点和第三节点；所述电阻的两端分别连接第一节点和第二节点；所述第一等效电容的正极和负极分别连接第一节点和第三节点；所述第二等效电容的正极和负极分别连接第一节点和第四节点；第三级联反相器的输入端和输出端分别连接第三节点和第四节点；所述第一节点为所述RC环形振荡器的输入节点。
2.如权利要求I所述的RC环形振荡器，其特征在于，所述第一级联反相器至第三级联反相器均由奇数个反相器级联构成。
3.如权利要求I所述的RC环形振荡器，其特征在于，所述第一等效电容包括第一电容和第二电容，第一电容的正极和第二电容的负极均连接至第一节点；第一电容的负极和第二电容的正极均连接至第三节点；所述第二等效电容包括第三电容和第四电容，第三电容的正极和第四电容的负极均连接至第一节点；第三电容的负极和第四电容的正极均连接至第四节点。
4.如权利要求3所述的RC环形振荡器，其特征在于，所述第一电容至第四电容均为多晶-N阱电容。
5.如权利要求I所述的RC环形振荡器，其特征在于所述RC环形振荡器还包括一缓冲器，所述缓冲器的输入端连接第三节点，所述缓冲器的输出端作为所述RC环形振荡器的输出节点。
6.如权利要求5所述的RC环形振荡器，其特征在于，所述缓冲器由偶数个反相器级联构成。
7.如权利要求6所述的RC环形振荡器，其特征在于，所述第一级联反相器至第三奇数级联及缓冲器或由CMOS反相器组成、或由RS触发器组成、或由具有反向作用的逻辑单元组成。
8.如权利要求I所述的RC环形振荡器，其特征在于，所述电阻为N阱电阻。
9.一种如权利要求I所述的RC环形振荡器的电压调节方法，其特征在于，当所述第一节点通过所述电阻分别对所述第一等效电容和第二等效电容充电，使所述第一节点电压达到所述第一级联反相器的翻转点电压时翻转，以使所述第一节点电压大于所述第一级联反相器的翻转点电压而小于电源电压；当所述第一节点通过所述电阻分别对所述第一等效电容和第二等效电容放电，使所述第一节点电压达到所述第一级联反相器的翻转点电压时翻转，以使所述第一节点电压大于O而小于所述第一级联反相器的翻转点电压。
10.如权利要求9所述的RC环形振荡器的电压调节方法，其特征在于，所述第一节点通过所述电阻分别对所述第一等效电容和第二等效电容充电，使所述第一节点电压达到所述第一级联反相器的翻转点电压时翻转；翻转前，所述第二节点电压和第四节点电压为电源电压，所述第三节点电压为O ;翻转后，所述第二节点电压和第四节点电压为0，所述第三节点电压为电源电压；根据电荷守恒原理，所述第一等效电容和第二等效电容翻转前的电荷与翻转后的电荷守恒，则翻转后所述第一节点电压的计算公式如下
11.如权利要求9所述的RC环形振荡器的电压调节方法，其特征在于，所述第一节点通过所述电阻分别对所述第一等效电容和第二等效电容放电，使所述第一节点电压达到所述第一级联反相器的翻转点电压时翻转；翻转前，所述第二节点电压和第四节点电压为O，所述第三节点电压为电源电压；翻转后，所述第二节点电压和第四节点电压为电源电压，所述第三节点电压为O ;根据电荷守恒原理，所述第一等效电容和第二等效电容翻转前的电荷与翻转后的电荷守恒，则翻转后所述第一节点电压的计算公式如下
全文摘要
本发明提供一种RC环形振荡器，包括第一至第三级联反相器、电阻、第一至第二等效电容；第一级联反相器的输入端和输出端分别连接第一节点和第二节点；第二级联反相器的输入端和输出端分别连接第二节点和第三节点；电阻两端分别连接第一节点和第二节点；第一等效电容的正极和负极分别连接第一节点和第三节点；第二等效电容的正极和负极分别连接第一节点和第四节点；第三级联反相器的输入端和输出端分别连接第三节点和第四节点；第一节点为RC环形振荡器的输入节点。本发明还提出一种调节方法控制RC环形振荡器的输入节点电压在电源电压与0之间，实现振荡器正常工作，避免MOS晶体管栅极击穿，又可以采用低成本的多晶-N阱电容和N阱电阻。
文档编号H03K3/011GK102739197SQ20121024757
公开日2012年10月17日 申请日期2012年7月17日 优先权日2012年7月17日
发明者周小爽, 胡铁刚 申请人:杭州士兰微电子股份有限公司