本发明涉及模拟集成电路领域，具体涉及一种温度自补偿环形振荡器和一种时钟产生电路。
背景技术：
近年来大数据科学和物联网的发展迅速，深刻的改变了人类的生产和生活方式。从云端到移动端，不同应用场景对硬件电路的集成度体积大小、速度、功耗和精度提出了不同方面的需求。硬件电路的小型化、低功耗和高速高精度迫在眉睫。时钟源作为系统芯片中必不可少的电路模块，其频率稳定性直接影响系统芯片的性能。我们通常使用的时钟源是石英晶体振荡器。石英晶体振荡器虽然具有非常好的电源电压、温度和工艺不敏感性，但是其片上集成的不兼容性增加了系统的尺寸和制造成本。利用标准的cmos工艺实现片上的时钟振荡器来取代片外的晶振，对于降低系统的成本、提高系统的集成度和实现soc(systemonchip，片上系统)高集成度、系统小型化、低功耗的关键。
目前晶体振荡器作为时间源的最大技术难题是不能兼容coms工艺，没办法进行soc设计，进而带来了系统尺寸过大和成本过高的问题。其主要原因是pvt(process、voltage、temperature，工艺、电压、温度)补偿电路复杂和稳定性不高。
技术实现要素：
本申请提供一种温度自补偿环形振荡器和一种时钟产生电路，解决现有技术中环形振荡器的温度补偿电路复杂和稳定性不高的问题。
根据第一方面，一种实施例中提供一种温度自补偿环形振荡器，包括：
第一延时模块，包括一个或多个串联的第一延时单元；所述第一延时单元在所述温度自补偿环形振荡器产生振荡信号时奉献的延时与温度成反比；
第二延时模块，包括一个或多个串联的第二延时单元；所述第二延时单元在所述温度自补偿环形振荡器产生振荡信号时奉献的延时与温度成正比；
所述第一延时模块和第二延时模块首尾电连接。
根据第二方面，一种实施例中提供一种时钟产生电路，包括第一方面所述温度自补偿环形振荡器和稳压器、偏置电流源、缓冲器；
所述稳压器与所述偏置电流源、所述缓冲器和所述温度自补偿环形振荡器电连接，用于为所述偏置电流源、所述缓冲器和所述温度自补偿环形振荡器提供稳定的电压源；
所述温度自补偿环形振荡器串联在所述偏置电流源与所述缓冲器之间，输出用于产生时钟频率的振荡信号；
所述偏置电流源，用于对所述温度自补偿环形振荡器提供稳定的偏置电流源；
所述缓冲器，用于对所述温度自补偿环形振荡器输出的振荡信号整形输出。
依据上述实施例的一种温度自补偿环形振荡器和一种时钟产生电路，由于将在振荡器产生振荡信号时奉献的延时与温度成反比的延时单元构成的延时模块和在振荡器产生振荡信号时奉献的延时与温度成正比的延时单元构成的延时模块首尾电连接构成环形振荡器。。使得该温度自补偿环形振荡器不需要外加温度补偿电路，且具有非常好的频率温度稳定性。
附图说明
图1现有技术中带温度补偿电路的环形振荡器的原理框图；
图2为一种实施例的时钟产生电路的结构示意图；
图3为一种实施例中温度自补偿环形振荡器的结构示意图；
图4为一种实施例的温度自补偿环形振荡器的电路示意图；
图5为一种实施例中电流饥饿型vco延时单元的简化电路；
图6为另一种实施例的温度自补偿环形振荡器的电路示意图；
图7为另一种实施例的温度自补偿环形振荡器的电路示意图；
图8为另一种实施例的温度自补偿环形振荡器的电路示意图。
具体实施方式
下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。其中不同实施方式中类似元件采用了相关联的类似的元件标号。在以下的实施方式中，很多细节描述是为了使得本申请能被更好的理解。然而，本领域技术人员可以毫不费力的认识到，其中部分特征在不同情况下是可以省略的，或者可以由其他元件、材料、方法所替代。在某些情况下，本申请相关的一些操作并没有在说明书中显示或者描述，这是为了避免本申请的核心部分被过多的描述所淹没，而对于本领域技术人员而言，详细描述这些相关操作并不是必要的，他们根据说明书中的描述以及本领域的一般技术知识即可完整了解相关操作。
另外，说明书中所描述的特点、操作或者特征可以以任意适当的方式结合形成各种实施方式。同时，方法描述中的各步骤或者动作也可以按照本领域技术人员所能显而易见的方式进行顺序调换或调整。因此，说明书和附图中的各种顺序只是为了清楚描述某一个实施例，并不意味着是必须的顺序，除非另有说明其中某个顺序是必须遵循的。
本文中为部件所编序号本身，例如“第一”、“第二”等，仅用于区分所描述的对象，不具有任何顺序或技术含义。而本申请所说“连接”、“联接”，如无特别说明，均包括直接和间接连接(联接)。
环形振荡器结构比较简单，由多级电路组成，并且将最后一级的输出与第一级的输入相连形成环路。如图1所示，现有技术中带温度补偿电路的环形振荡器的原理框图，包括延时电路1和温度补偿电路2。延时电路1由大于1的奇数个反相器组成，每一个反相器称为一个延时单元，其振荡频率受到温度漂移的影响，并且与其温度补偿电路2的供电电流正相关或负相关。温度补偿模块2是与温度无关的电流产生电路，产生与温度无关的电流使延时电路1在宽温度范围内的振荡频率保持稳定。
下面先对本申请所涉及到的一些术语作一个说明。
本申请中的晶体管可以是任何结构的晶体管，比如双极型晶体管(bjt)或者场效应晶体管(fet)。当晶体管为双极型晶体管时，其控制极是指双极型晶体管的栅极，第一极可以为双极型晶体管的集电极或发射极，对应的第二极可以为双极型晶体管的发射极或集电极，在实际应用过程中，“发射极”和“集电极”可以依据信号流向而互换；当晶体管为场效应晶体管时，其控制极是指场效应晶体管的栅极，第一极可以为场效应晶体管的漏极或源极，对应的第二极可以为场效应晶体管的源极或漏极，在实际应用过程中，“源极”和“漏极”可以依据信号流向而互换。
在本发明实施例中，将在振荡器产生振荡信号时奉献的延时与温度成反比的延时单元构成的延时模块和在振荡器产生振荡信号时奉献的延时与温度成正比的延时单元构成的延时模块首尾电连接构成环形振荡器。使环形振荡器实现温度自补偿，提高环形振荡器的频率温度稳定性。
实施例一：
请参考图2，为一种实施例的时钟产生电路的结构示意图，温度自补偿环形振荡器21、稳压器24、偏置电流源22和缓冲器23。稳压器24与偏置电流源22、缓冲器23和温度自补偿环形振荡器21电连接，用于为偏置电流源22、缓冲器23和温度自补偿环形振荡器21提供稳定的电压源，稳压器24可以采用线性低压差稳压器(ldo)用于提高片上时钟的频率电压稳定性。温度自补偿环形振荡器21串联在偏置电流源22与缓冲器23之间，输出用于产生时钟频率的振荡信号。偏置电流源22为温度自补偿环形振荡器21提供稳定的电压和电流偏置，偏置电流源22可采用带隙基准(bandgapvoltagereference)或电流基准源。缓冲器23用于对温度自补偿环形振荡器21输出的振荡信号整形输出，还用于缓冲和增大时钟信号输出的驱动能力。缓冲器(buffer)具体可由两级反相器级构成的缓冲器电路用于对振荡信号整形，产生一个满摆幅的占空比为1：1的方波信号。如该时钟产生电路还连接分频器等电路，可以适当增大反相器尺寸，以增大电路的驱动能力。
如图3所示，为一种实施例中温度自补偿环形振荡器的结构示意图，温度自补偿环形振荡器21包括第一延时模块和第二延时模块，第一延时模块是包括m个在该温度自补偿环形振荡器产生振荡信号时奉献的延时与温度成反比的延时单元串联构成的温度正相关延时模块211，第二延时模块是包括n个在该温度自补偿环形振荡器产生振荡信号时奉献的延时与温度成正比的延时单元串联构成的温度负相关延时模块212。温度自补偿环形振荡器21由温度正相关延时模块211和温度负相关延时模块212首尾电连接，构成环形振荡器电路。其中，m和n是自然数，且m与n之和是大于1的奇数。其中，cp是温度正相关延时模块211中延时单元的负载电容，cn是温度负相关延时模块212的延时单元负载电容。正相关延时模块211中每个延时单元的输出端都连接有一个接地的电容cp，温度负相关延时模块212中每个延时单元输出端都连接有一个接地的电容cn。在现有技术中，由正相关延时模块211的延时单元构成的环形振荡器的振荡频率与温度成正比，即单独由第一延时模块中延时单元构成的环形振荡器的振荡频率与温度成正比。由负相关延时模块212的延时单元构成的环形振荡器的振荡频率与温度成反比。即单独由第二延时模块中延时单元构成的环形振荡器的振荡频率与温度成反比。
对图3所示电路进行建模分析如下：
在不考虑负载电容的情况下，温度正相关延时模块211和温度负相关延时模块212的振荡频率和温度的关系为二次函数关系。
tp＝(ap+bpt+cpt2)cp……1-1
tc＝(ac+bct+cct2)cc……1-2
其中ap+bpt+cpt2和ac+bct+cct2分别是温度正相关延时模块211和温度负相关延时模块212的等效电阻。ap和ac、bp和bc、cp和cc分别是一阶、二阶和三阶温度系数。cp和cc是延时单元全部的负载电容。
考虑到负载电容的负温度系数cl，将负载电容的容值cl0和温度的关系视为一次函数关系，即有
cl＝cl0(1-αt)……1-3
其中，cl是负载电容的负温度系数，cl0是延时单元正常维度下的全部负载电容，α是一阶温度系数，所以有
cp＝cp0(1-αt)……1-4
cc＝cc0(1-αt)……1-5
所以上述电路总延时tdelay(t)为：
tdelay(t)＝mtp+ntc＝a0+a1t+a2t2+a3t3……1-6
其中，
a0＝(mapcp0+naccc0)，
a1＝mcp0(bp-αap)+ncc0(bc-αac)，
a2＝mcp0(cp-αbp)+ncc0(cc-αbc)，
a3＝-(mcp0αcp+ncc0αcc)，
考虑到a3的数值过小，为了方便分析，将t3温度项忽略，得：
tdelay(t)＝a0+a1t+a2t2……1-7
调节温度正相关延时模块211和温度负相关延时模块212中延时单元的个数m，n和负载电容cp0和cn0，使得该环形振荡器在特定的温度区间中[tl，th]，其温度频率稳定性δ为：
温度频率稳定性最高时，即δ为最小时。
其中，
当tdelay(tl)＝tdelay(th)时，温度频率稳定性最高，此时m、n和cp0、cn0应满足的条件为：
其中，
此时的温度频率稳定性如下：
当a2＜0时，
其中，
a11＝bp-αap，
a12＝bc-αac，
a21＝cp-αbp，
a22＝cc-αbc，
f＝4aca21+4apa22-2a11a12。
当a2＞0时，
基于以上对图3所示电路模型的分析，可以得到温度自补偿环形振荡器最佳频率温度补偿点的条件是：
由公式1-10可知无论m，n和cp0，cn0取值为多少，只要满足公式1-10的条件，该环形振荡器的频率温度稳定性即为最佳。由公式1-10可得：
其中，m是温度正相关延时模块包括的延时单元的个数，n是和温度负相关延时模块的延时单元的个数，m和n是自然数，且m与n之和是大于1的奇数；cp是温度正相关延时模块中延时单元的负载电容值，cn是温度负相关延时模块中延时单元的负载电容值；rp/n是常数。
在保持温度正相关延时模块和温度负相关延时模块中各自延时单元数量不变的情况下，只要保持温度正相关延时模块和温度负相关延时模块中的负载电容比不变，即可实现最佳频率温度稳定性。由此可知，决定该电路振荡频率温度稳定性好坏的是电容cp和cn比值的精度，而不是电容本身电容值的精度，该电路就具有工艺稳定性的优势。即同时增加或者减少cp和cn，即可以在保持频率温度稳定性不变的情况下，改变该温度自补偿环形振荡器的频率。即该电路架构具有实现任意频率片上时钟的可行性。
请参考图4，为一种实施例的温度自补偿环形振荡器的电路示意图，包括第一延时模块41和第二延时模块42。第一延时模块41采用电流饥饿型vco(voltagecontrolosillatoir，压控振荡器)的延时单元，电流饥饿型vco具有较宽的频带调节特性，通过调节反相延时单元的电流可以使得振荡器在非常宽的频率范围内进行调节。通过输入控制电压或电流模块电路，将控制电压或控制电流转换为电流饥饿反相器单元的偏置电流，再通过对偏置电流的变化来控制环形振荡器的振荡频率。如图5所示，为一种实施例中电流饥饿型vco延时单元的简化电路，包括第五pmos晶体管、第五nmos晶体管、电流源/沉(ip/in)和节点电容c1。第五pmos晶体管和第五nmos晶体管构成反相器，电流源/沉控制着流过第五pmos晶体管和第五nmos晶体管的电流，第五pmos晶体管和第五nmos晶体管构成的反相器处于电流饥饿状态。输入管的漏端电流相等，大小由输入控制电压设定。流过输入管的电流被镜像到环形振荡器的一级延迟单元中。
如图4所示，第一延时模块41包括偏置电流源电路411和温度自补偿环形振荡器的第一延时单元412。偏置电流源电路411包括第一晶体管、第二晶体管和第三晶体管。所述第一晶体管的第一极和所述第二晶体管的第一极接电源电压；所述第一晶体管控制极和所述第二晶体管的控制极相连，并作为该偏置电流源电路的第一输出端，即该偏置电流源电路的偏置电流ip输出端。所述第一晶体管的控制极与第二极短接，并作为所述温度自补偿环形振荡器的偏置电流的输入端，所述第二晶体管的第二极与所述第三晶体管的第二极相连。所述第三晶体管的第一极接地，所述第三晶体管的第二极与控制极短接，并作为该偏置电流源电路的第二输出端，即该偏置电流源电路的偏置电流in输出端。其中，第一晶体管可以是pmos晶体管，第二晶体管可以是pmos晶体管，第三晶体管可以是nmos晶体管。
第一延时单元412包括第四晶体管、第五晶体管、第六晶体管、第七晶体管和电容cp。所述第四晶体管的第一极接电源电压，所述第四晶体管的控制极与所述偏置电流源电路的第一输出端电连接，所述第四晶体管的第二极与所述第五晶体管的第一极相连，所述第五晶体管的控制极与所述第六晶体管的控制极短接，并作为该第一延时单元的输入端。所述第五晶体管的第二极与所述第六晶体管的第二极连接，并作为该第一延时单元的输出端，所述第五晶体管的第二极还与所述电容cp的一端连接，所述电容cp的另一端接地。所述第六晶体管的第一极与所述第七晶体管的第二极连接，所述第七晶体管的第一极接地；所述第七晶体管的控制极与所述偏置电流源电路的第二输出端电连接。其中，第四晶体管和第五晶体管可以是pmos晶体管，第六晶体管和第七晶体管可以是nmos是晶体管。
第二延时模块包括两个级联的第二延迟单元，即第二延迟单元421和第二延迟单元422。第二延时单元包括第八晶体管和第九晶体管、电容cn。所述第八晶体管的第一极接电源电压。所述第九晶体管的第一极接地。所述第八晶体管的控制极和所述第九晶体管的控制极连接，并作为该第二延时单元的输入端。所述第八晶体管的第二极和所述第九晶体管的第二极连接，并作为该第二延时单元的输出端，所述第八晶体管的第二极还与所述电容cn的一端连接，所述电容cn的另一端接地。
如图4所示，温度自补偿环形振荡器的环形振荡电路由第一延时单元412和第二延迟单元421、第二延迟单元422串联构成环形振荡电路，偏置电流源电路411为第一延时单元412提供偏置电流源ip和in。
进一步，由公式1-11可知，在保持频率温度稳定性不变的情况下，通过调整第一延时模块和第二延时模块中各个延时单元的cp和cn电容值，可以改变温度自补偿环形振荡器的频率，即该温度自补偿环形振荡器具有片上时钟频率任意调节的功能。
基于上述实施例，本申请公开了一种温度自补偿环形振荡器，由于该温度自补偿环形振荡器将将在振荡器产生振荡信号时奉献的延时与温度成反比的延时单元构成的温度正相关延时模块和在振荡器产生振荡信号时奉献的延时与温度成正比的延时单元构成的温度负相关延时模块首尾电连接构成环形振荡器。。通过调节温度正相关延时模块和温度负相关延时模块中的延时单元的数量来调节该温度自补偿环形振荡器的频率温度稳定性。当温度正相关延时模块和温度负相关延时模块中延时单元的数量比为定值时，还可通过调节保持温度正相关延时模块和温度负相关延时模块中的负载电容值，进而调节温度正相关延时模块和温度负相关延时模块中的负载电容值的比值，来调节该温度自补偿环形振荡器的频率温度稳定性。进而解决晶体振荡器作为时间源时，无法进行soc设计和系统尺寸过大和成本过高的问题。
实施例二：
请参考图6，为另一种实施例的温度自补偿环形振荡器的电路示意图，包括第一延时模块41和第二延时模块42。与实施例一中温度自补偿环形振荡器的电路差别在于，温度自补偿环形振荡器的第一延时模块41包括两个级联第一延时单元，即第一延时单元412和第一延时单元413。第二延时模块42包括第二延时单元421，第二延时单元421包括第八晶体管和第九晶体管、电容cn。所述第八晶体管的第一极接电源电压；所述第八晶体管的控制极与所述偏置电流源电路的第一输出端连接；所述第九晶体管的第一极接地；所述第九晶体管的控制极作为该第二延时单元的输入端；所述第八晶体管的第二极和所述第九晶体管的第二极连接，并作为该第二延时单元的输出端，所述第八晶体管的第二极还与所述电容cn的一端连接，所述节点电容cn的另一端接地。
如图6所示，温度自补偿环形振荡器的环形振荡电路由第一延时单元412和第一延迟单元413、第二延迟单元421串联构成环形振荡电路，偏置电流源电路411为第一延时单元412和第一延迟单元413提供偏置电流源ip和in，偏置电流源电路411为第二延迟单元421提供偏置电流源ip。
实施例三：
请参考图7，为另一种实施例的温度自补偿环形振荡器的电路示意图，包括第一延时模块41和第二延时模块42。与实施例二中温度自补偿环形振荡器的电路差别在于，第二延时模块42包括三个级联的第二延时单元，即第二延时单元421和第二延时单元422、第二延时单元423。
实施例四：
请参考图8，为另一种实施例的温度自补偿环形振荡器的电路示意图，包括第一延时模块41和第二延时模块42。与实施例一中温度自补偿环形振荡器的电路差别在于，第二延时模块41包括四个级联的第二延时单元，即第二延时单元421和第二延时单元422、第二延时单元423、第二延时单元424。
以上应用了具体个例对本发明进行阐述，只是用于帮助理解本发明，并不用以限制本发明。对于本发明所属技术领域的技术人员，依据本发明的思想，还可以做出若干简单推演、变形或替换。