接在电压控制环形振荡器 104的输出端，第二输入端连接带隙基准电压单元的偏置电压BIAS_P的输出端，其工作电 压是电源电压VDD，使得振荡信号的工作电压从基准电压Vout转换到电源电压VDD。由于 电平转换单元105的充放电电流相等可以保证输出占空比为50%的设计指标频率。
[0045] 本发明还采用线性稳压电路，给环形振荡器提供稳定的工作电压，同时采用校准 电路103来抵消由于生产工艺条件变化而产生的频率偏差，并通过产生负温度系数的Vout 稳定电压，来消除因温度改变造成的频率改变。
[0046] 以下将具体结合图4-7详细说明该高精度环形振荡器各个单元的电路实现方式。
[0047] 图4是本发明所涉及的环形振荡器的带隙基准电压单元的详细电路图。如图4所 示，该带隙基准电压单元包括启动电路、带隙基准电路、基准电压产生电路及偏置电路。启 动电路由PMOS管P6, P7系列（即图4中的P7_l至P7_6)串联，NMOS管N1，N5组成。基准 带隙电路由PMOS管Pl，P2,运放器，电阻Rl，三极管Ql，Q2组成用于产生PTAT电流。基准 电压产生电路由PMOS管P3,电阻R2,三极管Q3,温度系数修调模块组成。温度系数修调模 块包括三个数字校准位，根据用户输入的不同数字信号，输出不同的温度系统。偏置电路由 PMOS管P4, P5和NMOS管N2, N3组成以产生BIAS_P电压。
[0048] 基准电压产生电路通过PTAT电流流过电阻和PNP双极型晶体管产生基准电压 Vref，通过调节电阻RU R2的阻值达到使基准电压Vref不受电源电压VDD的影响并与温 度成反比的目的，并对电阻R2设置有3位的温度修调位，对工艺偏差产生的误差进行修调。 偏置电路产生的BIAS_P电压，仍能产生与温度成正比的电流即PTAT电流。
[0049] 带隙基准原理如下：由于运放的"虚短"特性（"虚短"特性指运放两输入端电压相 等）使得INP和INN两端的电压相等，且Pl，P2, P3成镜像关系（即电流Il = 12 = 13):
[0050] 即：11*1?1+￥慰=￥_其中^=￥#111(1/1；3；3)，（其中￥七=1〇7^，1(为玻尔兹曼常 数，T为热力学温度，q为电荷量，I为流过三极管集电极的电流，Iss为三极管饱和电流）
[0051] 化简公式得=I1= (Vt*ln(n))/Rl其中η是ql管的并联个数（图中M = η)。
[0052] 由于Vt = KT/q与温度成正比（In (η)与温度无关，假设Rl与温度也无关），所以 称 IjpiI1 的镜像电流为 PTAT (PATA :proportional to absolute temperature 与绝对温度 呈正比）电流。
[0053] 知道了电流 I1，可得出 Vref端电压，Vref= I 3*R2+VBE3代入 I 丨（I1= I 2= I 3)，得：
[0054] Vref= V BE3+ (R2*Vt*ln (n)) /R1,
[0055] 有公式可以看出Ube与温度成反比，（R2*Vt*ln(n) VR1与温度成正比，可以通过调 节两者比例系数，即通过调节私和R i的阻值来改变Vref的温度系数，使其成为斜率可控的 负温度系数的电压。其输出电压Vref不受电源电压变化影响并对温度成反比，提供给线性 稳压电路作为输入参考电平，该带隙基准电压电路还用于产生BIAS_P作为线性稳压电路 的误差放大器的偏置电压和偏置电压BIAS_P给电平转换电路。
[0056] 图5给出图3中线性稳压电路的线路示意图，其工作电压仍然为电源电压VDD，其 偏置电压为前级带隙基准电压电路产生的偏置电偏置电压BIAS_P，并受到振荡器使能信号 ENB控制；其中P302, P303, P304, N302, N303, N304和R301，R302电阻串构成运算放大器， 由于运放的虚短特性，使得运放两输入端电压相等，即IN(连接带隙基准电路的输出Vref) 和FB(Vout经电阻分压产生）端电压相等，可以得出Vout = (1+R301/R302)VFB即Vout = (l+R301/R302)Vref。通过调节R301和R302电阻的反馈比例，产生一个电压特性与Vref 相同，幅值是输入电压Vref的（1+R301/R302)倍的Vout。并通过3位细调校准位对电压进 行精确的修调（通过数字部分控制电阻串R301和R302的比例，实现Vout的调整）。
[0057] 图6给出了图3中环形振荡器的线路示意图，包括8位电容选择开关S400~S407 之间是二进制方式布置，对工作电流进行二进制加权粗调，以修调由于生过程的工艺偏差 带来的环形振荡器的工作频率的偏差。该环形振荡器的工作电压为线性稳压电路输出提供 的工作电压Vout，并受到振荡器使能信号ENB控制。
[0058] 图7给出了图1中电平转换电路的线路示意图，其工作电压为电源电压VDD使得 振荡频率的信号电平从基准电压Vout转换到工作电压VDD，同时充放电电流都是由偏置电 压BIAS_P提供，并呈镜像关系，可以保证输出占空比为50 %的设计指标频率。
[0059] 本说明书中所述的只是本发明的较佳具体实施例，以上实施例仅用以说明本发明 的技术方案而非对本发明的限制。凡本领域技术人员依本发明的构思通过逻辑分析、推理 或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在本发明的范围之内。
【主权项】
1. 一种环形振荡器电路，用于实现温度补偿以稳定时钟频率，其特征在于，包括： 一基准带隙单元，用于接收一电源电压并输出一与温度成反比的负温度系数电压以及 一偏置电压； 一线性稳压单元，用于接收所述负温度系数电压以及所述偏置电压，输出一放大后的 负温度系数电压； 一环形振荡单元，所述环形振荡单元接收所述大后的负温度系数电压作为工作电压， 并输出稳定的所述时钟频率； 一电平转换单元，所述电平转换单元接收所述偏置电压用于将所述环形振荡单元的工 作电压由所述放大后的负温度系数电压转换为所述电源电压。2. 如权利要求1所述的环形振荡器电路，其特征在于，所述环形振荡器电路进一步包 括：一校准单元，所述校准单元与所述线性稳压单元与所述环形振荡单元连接，用于校准所 述放大后的负温度系数电压以及所述时钟频率。3. 如权利要求1所述的环形振荡器电路，其特征在于，所述基准带隙单元包括一带隙 基准电路，用于产生一与绝对温度呈正比的电流；一基准电压产生电路，用于产生所述负温 度系数电压；以及一偏置电路，用于产生所述偏置电压。4. 如权利要求3所述的环形振荡器电路，其特征在于，所述带隙基准电路包括一呈镜 像关系的第一第二PMOS管，一运算放大器，以及一呈镜像关系的第一第二三极管，所述运 算放大器的正极与所述第一三极管之间包括一第一电阻。5. 如权利要求3所述的环形振荡器电路，其特征在于，所述基准电压产生电路包括一 第三PMOS管、一温度系统修调模块、一第二电阻以及一第三晶体管。6. 如权利要求3所述的环形振荡器电路，其特征在于，所述偏置电路包括呈镜像关系 的第四、第五PMOS管，以及呈镜像关系的第二第三NMOS管。7. 如权利要求1所述的环形振荡器电路，其特征在于，所述基准带隙单元包括一第一 电阻和一第二电阻，通过调节所述第一第二电阻的阻值比以获得所述负温度系数电压。8. 如权利要求5所述的环形振荡器电路，其特征在于，所述温度系统修调模块用于对 工艺偏差产生的误差进行修调。9. 如权利要求1所述的环形振荡器电路，其特征在于，所述线性稳压单元包括一差分 放大电路，所述差分放大电路的负反馈电压等于所述负温度系数电压。10. 如权利要求9所述的环形振荡器电路，其特征在于，所述线性稳压单元还包括一反 馈网络，所述反馈网络通过调节反馈因子可产生正比于所述负温度系数电压的所述放大后 的负温度系数电压。11. 如权利要求10所述的环形振荡器电路，其特征在于，所述反馈网络包括一校准电 路，用于校准所述放大后的负温度系数电压。12. 如权利要求1所述的环形振荡器电路，其特征在于，所述环形振荡单元还包括一校 准电路，用于校准因工艺偏差造成的频率误差。13. 如权利要求1所述的环形振荡器电路，其特征在于，所述电平转换单元将所述时钟 频率作为控制信号，控制一反相器输入端的充电或放电，以实现将所述放大后的负温度系 数电压转换为所述电源电压。14. 如权利要求13所述的环形振荡器电路，其特征在于，所述充电电流等于所述放电 电流。
【专利摘要】本发明公开一种环形振荡器电路，用于实现温度补偿以稳定时钟频率，其特征在于，包括：一基准带隙单元，用于接收一电源电压并输出一与温度成反比的负温度系数电压以及一偏置电压；一线性稳压单元，用于接收该负温度系数电压以及该偏置电压，输出一放大后的负温度系数电压；一环形振荡单元，该环形振荡单元接收该大后的负温度系数电压作为工作电压，并输出稳定的该时钟频率；一电平转换单元，该电平转换单元接收该偏置电压用于将该环形振荡单元的工作电压由该放大后的负温度系数电压转换为该电源电压。
【IPC分类】H03L7/099
【公开号】CN105227180
【申请号】CN201510225646
【发明人】严伟, 王鹏, 张文荣, 陆健, 杨维, 王成, 罗鹏, 徐学良
【申请人】上海晟矽微电子股份有限公司, 北京大学软件与微电子学院无锡产学研合作教育基地
【公开日】2016年1月6日
【申请日】2015年5月6日