專(zhuān)利名稱(chēng)：一種rc環(huán)形振蕩器及其電壓調(diào)節(jié)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于集成電路技術(shù)，尤其涉及一種RC環(huán)形振蕩器及其電壓調(diào)節(jié)方法。
背景技術(shù)：
眾所周知，振蕩器在各類(lèi)電子設(shè)備中占有重要的地位。通過(guò)振蕩器的運(yùn)用，可以產(chǎn)生各種用于不同電子設(shè)備的周期性的時(shí)鐘信號(hào)。但是，振蕩器往往受到電源電壓的影響，不能產(chǎn)生穩(wěn)定周期的時(shí)鐘。因此，在集成電路中經(jīng)常用到如圖I所示的振蕩周期與電源電壓不相關(guān)的RC環(huán)形振蕩器，所述RC環(huán)形振蕩器構(gòu)成如下第一反相器INVl的輸入端連接至第一節(jié)點(diǎn)VA并作為RC環(huán)形振蕩器的輸入節(jié)點(diǎn)，其輸出端連接至第二節(jié)點(diǎn)VB ;第二反相器INV2的輸入端連接至第二節(jié)點(diǎn)VB，其輸出端連接至第三節(jié)點(diǎn)VC ;電阻Rl的一端連接至第一節(jié)點(diǎn)VA、電阻Rl的另一端連接至第二節(jié)點(diǎn)VB ；電容Cl的正極連接至第一節(jié)點(diǎn)VA，電容Cl的負(fù)極連接至第三節(jié)點(diǎn)VC ;緩沖器BUFl的輸入端連接至第三節(jié)點(diǎn)VC，其輸出端連接至 第四節(jié)點(diǎn)VD，并作為RC環(huán)形振蕩器的輸出節(jié)點(diǎn)。圖I所述的RC環(huán)形振蕩器的震蕩周期約等于2. 2 X Rl X Cl。其中，第一反相器INVl和第二反相器INV2均為CMOS反相器，所述CMOS反相器由PMOS晶體管MO和NMOS晶體管Ml構(gòu)成，如圖2所示；所述緩沖器BUFl由第三反相器INV3和第四反相器INV4構(gòu)成，如圖3所示，所述第三反相器INV3和第四反相器INV4的構(gòu)成與第一反相器INVl和和第二反相器INV2的構(gòu)成相同。分析所述RC環(huán)形振蕩器的工作過(guò)程如圖4所示，橫坐標(biāo)代表時(shí)間，縱坐標(biāo)代表電壓。第一反相器INVl翻轉(zhuǎn)前，當(dāng)t = 0時(shí)，第二節(jié)點(diǎn)VB的電壓為高電平VDD (即電源電壓)，第三節(jié)點(diǎn)VC的電壓為低電平0 ;當(dāng)t為0 Tl時(shí)，第二節(jié)點(diǎn)VB通過(guò)電阻Rl對(duì)電容Cl進(jìn)行充電，從而使第一節(jié)點(diǎn)VA的電壓升高；當(dāng)t = Tl時(shí),第一節(jié)點(diǎn)VA的電壓達(dá)到第一反相器
INVl的翻轉(zhuǎn)點(diǎn)電壓*TOZ)，此時(shí)電容Cl上的壓降為+FM)，翻轉(zhuǎn)后，第二節(jié)點(diǎn)VB的電壓為低
電平0，第三節(jié)點(diǎn)VC的電壓為高電平VDD，由于電容Cl上的壓降不能產(chǎn)生突變，所以第一節(jié)
點(diǎn)VA的電壓為電容Cl上壓降與第三節(jié)點(diǎn)VC的電壓之和，即由突變?yōu)?。接著，?dāng)
t為T(mén)l T2時(shí)，第二節(jié)點(diǎn)VB通過(guò)電阻Rl對(duì)電容Cl進(jìn)行放電，從而使第一節(jié)點(diǎn)VA的電壓
降低；當(dāng)t = T2時(shí)，第一節(jié)點(diǎn)VA的電壓達(dá)到第一反相器INVl的翻轉(zhuǎn)點(diǎn)電壓$「￡)/>，此時(shí)電
容Cl上的壓降為- +「/W ■翻轉(zhuǎn)后，第二節(jié)點(diǎn)VB的電壓為高電平VDD，第三節(jié)點(diǎn)VC的電壓為
低電平0，由于電容Cl上的壓降不能產(chǎn)生突變，所以第一節(jié)點(diǎn)VA的電壓為電容Cl上壓降與
第三節(jié)點(diǎn)VC的電壓之和，即由突變?yōu)?。接著，t為T(mén)2 T3時(shí)，第二節(jié)點(diǎn)VB又
通過(guò)電阻Rl對(duì)電容Cl進(jìn)行充電，在t = T3時(shí)翻轉(zhuǎn)；t為T(mén)3 T4時(shí)，第二節(jié)點(diǎn)VB又通過(guò)電阻Rl對(duì)電容Cl進(jìn)行放電，在t = T4時(shí)翻轉(zhuǎn)，如此重復(fù)，第三節(jié)點(diǎn)VC的電壓不斷翻轉(zhuǎn)，產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)，并將時(shí)鐘信號(hào)通過(guò)緩沖器BUFl的輸出端輸出。由此可見(jiàn)，在傳統(tǒng)的RC環(huán)形振蕩器工作過(guò)程中，具有以下缺陷
一方面第一節(jié)點(diǎn)VA的電壓最高電壓會(huì)達(dá)到&TB，最低電壓會(huì)達(dá)到，導(dǎo)致
IL
第一反相器INVl中的PMOS晶體管MO和NMOS晶體管Ml的柵源電壓絕對(duì)值大于VDD，從而容易使MOS晶體管柵極被擊穿，造成電路失效。另一方面在CMOS工藝中，電容Cl雖然可以有雙多晶電容(如圖5所示)、MIM電容(如圖6所示)和多晶-N阱電容(如圖7所示)等多種電容被采用，但是，所述的雙多晶電容的制造需要在普通的柵極多晶上添加額外的一層絕緣層和多晶層，而MM電容的制造需要額外的絕緣層和金屬層，因此所述的雙多晶電容和MIM電容在標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝的基礎(chǔ)上均需要增加額外的工藝步驟，成本較高；而所述的多晶-N阱電容需要制造的是單層多晶，可在標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝中制造，成本較低。但多晶-N阱電容的容值更容易隨其兩端的電壓變化而變化，因此，多晶-N阱電容與電壓相關(guān)的系數(shù)較高，而振蕩電路中各節(jié)點(diǎn)的電壓范圍較大，會(huì)造成振蕩頻率不準(zhǔn)，特別是當(dāng)電源電壓VDD發(fā)生變化時(shí)。為減小所述多晶-N阱 電容受電壓系數(shù)的影響，可將所述多晶-N阱電容反向并聯(lián)，如圖8所示。但是，由于第一節(jié)
點(diǎn)VA的電壓會(huì)達(dá)到-^FDD，可造成P型襯底和N阱之間的寄生二極管導(dǎo)通，如圖7所示，使
振蕩器工作不正常。又一方面，在CMOS工藝中，電阻Rl雖然可以有低阻值多晶電阻、高阻值多晶電阻和N阱電阻等多種電阻被采用，但是，低阻值多晶電阻的制造與MOS晶體管的柵極多晶的制造基本一致，雖然無(wú)需增加額外的工藝步驟，但其方塊阻值較低，在低頻振蕩器中不適用；高阻值多晶電阻卻需要在標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝的基礎(chǔ)上增加額外的工藝步驟，成本較高；而N阱電阻(如圖9所示)不僅方塊值較大且可在標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝中制造，成本較低。但是，由于
第一節(jié)點(diǎn)VA的電壓會(huì)達(dá)到7)/)，可造成P型襯底和N阱之間的寄生二極管導(dǎo)通，使振蕩
器工作不正常。由此可見(jiàn)，傳統(tǒng)的RC環(huán)形振蕩器在實(shí)際的工作過(guò)程中，其工作的穩(wěn)定性與所述RC環(huán)形振蕩器的輸入節(jié)點(diǎn)的電壓的范圍有關(guān)系，當(dāng)所述RC環(huán)形振蕩器的輸入節(jié)點(diǎn)VA的電壓過(guò)大，容易造成MOS晶體管柵極被擊穿；當(dāng)所述RC環(huán)形振蕩器的輸入節(jié)點(diǎn)VA的電壓過(guò)低，又不得不放棄低成本的多晶-N阱電容和N阱電阻。為避免傳統(tǒng)的RC環(huán)形振蕩器工作過(guò)程的缺陷，需要提出一種振蕩器，以使所述振蕩器的輸入節(jié)點(diǎn)VA的電壓控制在一定范圍，尤其控制在電源電壓VDD和0之間。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種RC環(huán)形振蕩器，所述RC環(huán)形振蕩器可以通過(guò)控制輸入至自身的節(jié)點(diǎn)電壓在一定范圍，從而即避免MOS晶體管柵極擊穿，又可以采用低成本的多晶-N阱電容和N阱電阻。為解決上述問(wèn)題，本發(fā)明提出的一種RC環(huán)形振蕩器，包括第一級(jí)聯(lián)反相器、第二級(jí)聯(lián)反相器、第三級(jí)聯(lián)反相器、電阻、第一等效電容和第二等效電容；所述第一級(jí)聯(lián)反相器的輸入端和輸出端分別連接第一節(jié)點(diǎn)和第二節(jié)點(diǎn)；所述第二級(jí)聯(lián)反相器的輸入端和輸出端分別連接第二節(jié)點(diǎn)和第三節(jié)點(diǎn)；所述電阻的兩端分別連接第一節(jié)點(diǎn)和第二節(jié)點(diǎn)；所述第一等效電容的正極和負(fù)極分別連接第一節(jié)點(diǎn)和第三節(jié)點(diǎn)；所述第二等效電容的正極和負(fù)極分別連接第一節(jié)點(diǎn)和第四節(jié)點(diǎn)；第三級(jí)聯(lián)反相器的輸入端和輸出端分別連接第三節(jié)點(diǎn)和第四節(jié)點(diǎn)；所述第一節(jié)點(diǎn)為所述RC環(huán)形振蕩器的輸入節(jié)點(diǎn)。進(jìn)一步的，所述第一級(jí)聯(lián)反相器至第三級(jí)聯(lián)反相器均由奇數(shù)個(gè)反相器級(jí)聯(lián)構(gòu)成。進(jìn)一步的，所述第一等效電容包括第一電容和第二電容，第一電容的正極和第二電容的負(fù)極均連接至第一節(jié)點(diǎn)；第一電容的負(fù)極和第二電容的正極均連接至第三節(jié)點(diǎn)；所述第二等效電容包括第三電容和第四電容，第三電容的正極和第四電容的負(fù)極均連接至第一節(jié)點(diǎn)；第三電容的負(fù)極和第四電容的正極均連接至第四節(jié)點(diǎn)。進(jìn)一步的，所述第一電容至第四電容均為多晶-N阱電容。進(jìn)一步的，所述RC環(huán)形振蕩器還包括一緩沖器，所述緩沖器的輸入端連接第三節(jié)點(diǎn)，所述緩沖器的輸出端作為所述RC環(huán)形振蕩器的輸出節(jié)點(diǎn)。進(jìn)一步的，所述緩沖器由偶數(shù)個(gè)反相器級(jí)聯(lián)構(gòu)成。
進(jìn)一步的，所述第一級(jí)聯(lián)反相器至第三奇數(shù)級(jí)聯(lián)及緩沖器或由CMOS反相器組成、或由RS觸發(fā)器組成、或由具有反向作用的邏輯單元組成。進(jìn)一步的，所述第一級(jí)聯(lián)反相器至第三級(jí)聯(lián)反相器以及第四反相器和第五反相器為由CMOS反相器或?yàn)橛蒖S觸發(fā)器或其它具有反向作用的邏輯單元構(gòu)成的反相器。進(jìn)一步的，所述電阻為N阱電阻。為了解決上述問(wèn)題，本發(fā)明還提出一種RC環(huán)形振蕩器的電壓調(diào)節(jié)方法，當(dāng)所述第一節(jié)點(diǎn)通過(guò)所述電阻分別對(duì)所述第一等效電容和第二等效電容充電，使所述第一節(jié)點(diǎn)電壓達(dá)到所述第一級(jí)聯(lián)反相器的翻轉(zhuǎn)點(diǎn)電壓時(shí)翻轉(zhuǎn)，以使所述第一節(jié)點(diǎn)電壓大于所述第一級(jí)聯(lián)反相器的翻轉(zhuǎn)點(diǎn)電壓而小于電源電壓；當(dāng)所述第一節(jié)點(diǎn)通過(guò)所述電阻分別對(duì)所述第一等效電容和第二等效電容放電，使所述第一節(jié)點(diǎn)電壓達(dá)到所述第一級(jí)聯(lián)反相器的翻轉(zhuǎn)點(diǎn)電壓時(shí)翻轉(zhuǎn)，以使所述第一節(jié)點(diǎn)電壓大于0而小于所述第一級(jí)聯(lián)反相器的翻轉(zhuǎn)點(diǎn)電壓。進(jìn)一步的，所述第一節(jié)點(diǎn)通過(guò)所述電阻分別對(duì)所述第一等效電容和第二等效電容充電，使所述第一節(jié)點(diǎn)電壓達(dá)到所述第一級(jí)聯(lián)反相器的翻轉(zhuǎn)點(diǎn)電壓時(shí)翻轉(zhuǎn)；翻轉(zhuǎn)前，所述第二節(jié)點(diǎn)電壓和第四節(jié)點(diǎn)電壓為電源電壓，所述第三節(jié)點(diǎn)電壓為0 ;翻轉(zhuǎn)后，所述第二節(jié)點(diǎn)電壓和第四節(jié)點(diǎn)電壓為0，所述第三節(jié)點(diǎn)電壓為電源電壓；根據(jù)電荷守恒原理，所述第一等效電容和第二等效電容翻轉(zhuǎn)前的電荷與翻轉(zhuǎn)后的電荷守恒，則翻轉(zhuǎn)后所述第一節(jié)點(diǎn)電壓的計(jì)算公式如下
權(quán)利要求
1.一種RC環(huán)形振蕩器，其特征在于，包括第一級(jí)聯(lián)反相器、第二級(jí)聯(lián)反相器、第三級(jí)聯(lián)反相器、電阻、第一等效電容和第二等效電容；所述第一級(jí)聯(lián)反相器的輸入端和輸出端分別連接第一節(jié)點(diǎn)和第二節(jié)點(diǎn)；所述第二級(jí)聯(lián)反相器的輸入端和輸出端分別連接第二節(jié)點(diǎn)和第三節(jié)點(diǎn)；所述電阻的兩端分別連接第一節(jié)點(diǎn)和第二節(jié)點(diǎn)；所述第一等效電容的正極和負(fù)極分別連接第一節(jié)點(diǎn)和第三節(jié)點(diǎn)；所述第二等效電容的正極和負(fù)極分別連接第一節(jié)點(diǎn)和第四節(jié)點(diǎn)；第三級(jí)聯(lián)反相器的輸入端和輸出端分別連接第三節(jié)點(diǎn)和第四節(jié)點(diǎn)；所述第一節(jié)點(diǎn)為所述RC環(huán)形振蕩器的輸入節(jié)點(diǎn)。
2.如權(quán)利要求I所述的RC環(huán)形振蕩器，其特征在于，所述第一級(jí)聯(lián)反相器至第三級(jí)聯(lián)反相器均由奇數(shù)個(gè)反相器級(jí)聯(lián)構(gòu)成。
3.如權(quán)利要求I所述的RC環(huán)形振蕩器，其特征在于，所述第一等效電容包括第一電容和第二電容，第一電容的正極和第二電容的負(fù)極均連接至第一節(jié)點(diǎn)；第一電容的負(fù)極和第二電容的正極均連接至第三節(jié)點(diǎn)；所述第二等效電容包括第三電容和第四電容，第三電容的正極和第四電容的負(fù)極均連接至第一節(jié)點(diǎn)；第三電容的負(fù)極和第四電容的正極均連接至第四節(jié)點(diǎn)。
4.如權(quán)利要求3所述的RC環(huán)形振蕩器，其特征在于，所述第一電容至第四電容均為多晶-N阱電容。
5.如權(quán)利要求I所述的RC環(huán)形振蕩器，其特征在于所述RC環(huán)形振蕩器還包括一緩沖器，所述緩沖器的輸入端連接第三節(jié)點(diǎn)，所述緩沖器的輸出端作為所述RC環(huán)形振蕩器的輸出節(jié)點(diǎn)。
6.如權(quán)利要求5所述的RC環(huán)形振蕩器，其特征在于，所述緩沖器由偶數(shù)個(gè)反相器級(jí)聯(lián)構(gòu)成。
7.如權(quán)利要求6所述的RC環(huán)形振蕩器，其特征在于，所述第一級(jí)聯(lián)反相器至第三奇數(shù)級(jí)聯(lián)及緩沖器或由CMOS反相器組成、或由RS觸發(fā)器組成、或由具有反向作用的邏輯單元組成。
8.如權(quán)利要求I所述的RC環(huán)形振蕩器，其特征在于，所述電阻為N阱電阻。
9.一種如權(quán)利要求I所述的RC環(huán)形振蕩器的電壓調(diào)節(jié)方法，其特征在于，當(dāng)所述第一節(jié)點(diǎn)通過(guò)所述電阻分別對(duì)所述第一等效電容和第二等效電容充電，使所述第一節(jié)點(diǎn)電壓達(dá)到所述第一級(jí)聯(lián)反相器的翻轉(zhuǎn)點(diǎn)電壓時(shí)翻轉(zhuǎn)，以使所述第一節(jié)點(diǎn)電壓大于所述第一級(jí)聯(lián)反相器的翻轉(zhuǎn)點(diǎn)電壓而小于電源電壓；當(dāng)所述第一節(jié)點(diǎn)通過(guò)所述電阻分別對(duì)所述第一等效電容和第二等效電容放電，使所述第一節(jié)點(diǎn)電壓達(dá)到所述第一級(jí)聯(lián)反相器的翻轉(zhuǎn)點(diǎn)電壓時(shí)翻轉(zhuǎn)，以使所述第一節(jié)點(diǎn)電壓大于O而小于所述第一級(jí)聯(lián)反相器的翻轉(zhuǎn)點(diǎn)電壓。
10.如權(quán)利要求9所述的RC環(huán)形振蕩器的電壓調(diào)節(jié)方法，其特征在于，所述第一節(jié)點(diǎn)通過(guò)所述電阻分別對(duì)所述第一等效電容和第二等效電容充電，使所述第一節(jié)點(diǎn)電壓達(dá)到所述第一級(jí)聯(lián)反相器的翻轉(zhuǎn)點(diǎn)電壓時(shí)翻轉(zhuǎn)；翻轉(zhuǎn)前，所述第二節(jié)點(diǎn)電壓和第四節(jié)點(diǎn)電壓為電源電壓，所述第三節(jié)點(diǎn)電壓為O ;翻轉(zhuǎn)后，所述第二節(jié)點(diǎn)電壓和第四節(jié)點(diǎn)電壓為0，所述第三節(jié)點(diǎn)電壓為電源電壓；根據(jù)電荷守恒原理，所述第一等效電容和第二等效電容翻轉(zhuǎn)前的電荷與翻轉(zhuǎn)后的電荷守恒，則翻轉(zhuǎn)后所述第一節(jié)點(diǎn)電壓的計(jì)算公式如下
11.如權(quán)利要求9所述的RC環(huán)形振蕩器的電壓調(diào)節(jié)方法，其特征在于，所述第一節(jié)點(diǎn)通過(guò)所述電阻分別對(duì)所述第一等效電容和第二等效電容放電，使所述第一節(jié)點(diǎn)電壓達(dá)到所述第一級(jí)聯(lián)反相器的翻轉(zhuǎn)點(diǎn)電壓時(shí)翻轉(zhuǎn)；翻轉(zhuǎn)前，所述第二節(jié)點(diǎn)電壓和第四節(jié)點(diǎn)電壓為O，所述第三節(jié)點(diǎn)電壓為電源電壓；翻轉(zhuǎn)后，所述第二節(jié)點(diǎn)電壓和第四節(jié)點(diǎn)電壓為電源電壓，所述第三節(jié)點(diǎn)電壓為O ;根據(jù)電荷守恒原理，所述第一等效電容和第二等效電容翻轉(zhuǎn)前的電荷與翻轉(zhuǎn)后的電荷守恒，則翻轉(zhuǎn)后所述第一節(jié)點(diǎn)電壓的計(jì)算公式如下
全文摘要
本發(fā)明提供一種RC環(huán)形振蕩器，包括第一至第三級(jí)聯(lián)反相器、電阻、第一至第二等效電容；第一級(jí)聯(lián)反相器的輸入端和輸出端分別連接第一節(jié)點(diǎn)和第二節(jié)點(diǎn)；第二級(jí)聯(lián)反相器的輸入端和輸出端分別連接第二節(jié)點(diǎn)和第三節(jié)點(diǎn)；電阻兩端分別連接第一節(jié)點(diǎn)和第二節(jié)點(diǎn)；第一等效電容的正極和負(fù)極分別連接第一節(jié)點(diǎn)和第三節(jié)點(diǎn)；第二等效電容的正極和負(fù)極分別連接第一節(jié)點(diǎn)和第四節(jié)點(diǎn)；第三級(jí)聯(lián)反相器的輸入端和輸出端分別連接第三節(jié)點(diǎn)和第四節(jié)點(diǎn)；第一節(jié)點(diǎn)為RC環(huán)形振蕩器的輸入節(jié)點(diǎn)。本發(fā)明還提出一種調(diào)節(jié)方法控制RC環(huán)形振蕩器的輸入節(jié)點(diǎn)電壓在電源電壓與0之間，實(shí)現(xiàn)振蕩器正常工作，避免MOS晶體管柵極擊穿，又可以采用低成本的多晶-N阱電容和N阱電阻。
文檔編號(hào)H03K3/011GK102739197SQ20121024757
公開(kāi)日2012年10月17日 申請(qǐng)日期2012年7月17日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月17日
發(fā)明者周小爽, 胡鐵剛 申請(qǐng)人:杭州士蘭微電子股份有限公司