一种温度和工艺补偿型环形振荡器的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种振荡器，尤其涉及一种温度和工艺补偿型环形振荡器。
【背景技术】
[0002] 振荡器作为时钟发生器和频率产生源，已成为大部分电路系统中不可或缺的一部 分，其广泛应用于通信、电子、航海、航空、医学、生物等领域。振荡器能够通过自激方式输出 按固定周期变化的信号，其按照频谱可分为，单频的三角波振荡器和多频谱的谐波振荡器； 按照是否可集成可分为，片内可集成振荡器和片外不可集成振荡器。片内可集成振荡器按 照拓扑结构可分为，迟滞型振荡器、环形振荡器和电感电容（LC)振荡器三类；而片外不可 集成振荡器主要是指石英晶体振荡器，它具有频率稳定、体积小、抗噪能力强、价格便宜的 优点，已被大量应用在家用电器和通信设备中。
[0003] 目前，可集成振荡器在片上系统中应用广泛，其中，迟滞型振荡器因输出频率较 低，主要用于实现低频时钟的产生；LC振荡器的输出频率较高、具有较好的抗相位噪声能 力，主要应用于射频电路中，但较大的电感面积增加了集成的难度。而环形振荡器因其结构 简单、输出频率高且可调范围大、集成度高等独有优势，可广泛应用于1DC电路、时钟恢复 电路以及频率综合器中。在实际的工程实际应用中，振荡器电路主要用于提供所需要的片 上时钟信号，因此，时钟信号的稳定特性也间接影响着电子系统的功能，例如，在大规模的 S0C系统中，时钟信号的抖动和偏差直接影响着数字系统的性能。
[0004] 解决环振频率稳定性的基本思路和策略是引入压控环振替代普通环振，压控环振 不但能够调节时钟频率的宽范围变化，而且通过对压控信号的稳定控制，能够有效提高环 振频率的稳定度，降低相位噪声。环振压控有两类方式，一类是由DLL电路提供压控信号的 闭环控制方式，虽然控制性能优越，但电路结构复杂；另一类是由偏置电路提供压控信号的 开环补偿方式，虽然控制性能相比于闭环略差，但电路结构简单，占用面积小，功耗低，且相 比于普通的环振，其频率稳定性更好，适用于温度变化很大的集成电路系统中，在芯片设计 中有广阔的应用前景。
【发明内容】
[0005] 发明目的：为了克服现有技术中环振频率受温度漂移和工艺变化影响的问题，本 发明提供一种温度和工艺补偿型环形振荡器，该电路结构简单、功耗低，能够实现宽温度范 围下的频率稳定，且受工艺影响很小。
[0006] 技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
[0007] -种温度和工艺补偿型环形振荡器，包括环形振荡器和补偿型偏置电路；所述环 形振荡器包括若干压控延迟单元和一个二选一门控开关，所有压控延迟单元构成环形延迟 线结构，二选一门控开关用于控制环形振荡器的起振和停振；所述压控延迟单元延迟时间 受工艺变化和温度漂移的影响，表现为正温度特性，且与压控电压正相关；所述补偿型偏置 电路包括偏置主体电路和补偿电路，产生具有负温度特性且与工艺变化相关的压控电压； 通过补偿型偏置电路的压控电压补偿环形振荡器中压控延迟单元由于工艺变化和温度漂 移引起的延迟时间的变化，采用的补偿方法为开环补偿方法，以实现较好的工艺和温度补 偿，保证环形振荡器的频率基本稳定。
[0008] 优选的，所述补偿型偏置电路中的补偿电路包括电阻自偏置共源共栅（cascode) 电流镜、倒宽长比PM0S管和负温度系数电阻，其中倒宽长比PM0S管栅端和cascode电流 镜的NM0S管漏端相连，负温度系数电阻连接在cascode电流镜的NM0S管漏端和倒宽长 比PM0S管漏端之间，倒宽长比PM0S管源端接电源电压，倒宽长比PM0S管漏端接压控电压 Vctrl〇
[0009] 优选的，所述补偿型偏置电路中的偏置主体电路采用带启动电路的基本A Vbe/R 型两路偏置结构，基本AVbe/R型两路偏置结构中的电流镜采用电阻自偏置共源共栅结构 为补偿电路提供稳定的偏置电压。
[0010] 优选的，所述环形振荡器中的压控延迟单元采用压控M0S管控制电容负载的反相 器，且环形振荡器采用具有确定初相的环形延迟线结构，即环形振荡器中所有压控延迟单 元构成确定初相的环形延迟线结构。
[0011] 优选的，所述环形振荡器中的二选一门控开关与第一级压控延迟单元充当一级反 相延时，反向延时与各同相延迟单元延时匹配，实现相位节点的均匀分布。
[0012] 有益效果：本发明提供的温度和工艺补偿型环形振荡器，与现有技术相比，具有如 下技术效果：
[0013] 1、本发明温度和工艺补偿型环形振荡器，其中补偿型偏置电路通过调节压控电 压，补偿环形振荡器中压控延迟单元的延迟时间由于温度和工艺漂移引起的变化，这种开 环补偿的方法，大大降低了环振对温度和工艺的敏感特性，保证环振频率的稳定；
[0014] 2、本发明温度和工艺补偿型环形振荡器，通过门控开关控制环振的开启和关断， 可以大大降低功耗且确定环振电路的初相；环振各延迟单元受压控电压调控，各节点相位 均匀分布，可应用于高精度两段式时间数字转换电路（TDC);
[0015] 3、本发明温度和工艺补偿型环形振荡器，结构简单，相比于采用延迟锁相环（DLL) 的闭环补偿方式来控制延迟单元的结构，大大节约了面积。
【附图说明】
[0016] 图1为温度和工艺补偿型环形振荡器的结构框图；
[0017] 图2为压控延迟单元的电路示意图；
[0018] 图3为补偿型偏置电路的电路示意图；
[0019] 图4为温度和工艺补偿型环形振荡器的输出频率仿真波形图。
【具体实施方式】
[0020] 下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
[0021] 如图1所示为一种温度和工艺补偿型环形振荡器的结构框图，包括环形振荡器和 补偿型偏置电路；所述环形振荡器包括若干压控延迟单元和一个二选一门控开关，所有压 控延迟单元构成环形延迟线结构，二选一门控开关用于控制环形振荡器的起振和停振；所 述压控延迟单元延迟时间受工艺变化和温度漂移的影响，表现为正温度特性，且与压控电 压正相关；所述补偿型偏置电路包括偏置主体电路和补偿电路，产生具有负温度特性且与 工艺变化相关的压控电压；通过补偿型偏置电路的压控电压补偿环形振荡器中压控延迟单 元由于工艺变化和温度漂移引起的延迟时间的变化，采用的补偿方法为开环补偿方法，以 实现较好的工艺和温度补偿，保证环形振荡器的频率基本稳定。
[0022] 在图1中，En为环形振荡器的门控信号，用于控制环形振荡器的起振和停振；当En 为高电平时，整个环振开始工作。环形振荡器中的压控延迟单元为压控型，通过补偿型偏置 电路的压控电压控制压控延迟单元的延时。由于压控延迟单元的延时易受工艺变化和 温度漂移的影响，若温度或工艺发生变化，延时随之发生变化，此时补偿型偏置电路会自动 调节压控电压的大小，进而补偿压控延时单元延时的变化，使得压控延时单元的延时 保持不变。由于环形振荡器的频率主要取决于压控延迟单元的数量和延时，因此可以保证 整个环形振荡器工作频率的稳定。
[0023]图2所示为压控延迟单元的电路示意图，该电路由4个基本的压控延迟模块组成。 基本的压控延迟模块采用压控M0S管控制电容负载的反相器，通过调节NM0S管压控电阻和 与其串联的NM0S电容，达到调节延时的目的。负载压控电阻和电容并联在反相器INV的 输出端，压控电压1 &1用于控制M0S管导通电阻的大小，M0S电容的一端固定接地，电容上 电压V。的变化范围受V限制，近似为VVm-Vtn，其中VTN为NM0