一種環(huán)形振蕩器的制造方法
【專利說明】-種環(huán)形振蕩器 【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及模擬集成電路，特別設(shè)及一種環(huán)形振蕩器。 【【背景技術(shù)】】
[0002] 振蕩器可W產(chǎn)生周期性時鐘信號，被廣泛地使用于各種集成電路應(yīng)用中。例如，在 溫度傳感忍片設(shè)計中，通常需要高性能的參考時鐘來輔助完成溫度量化。
[0003] 典型的振蕩器一般設(shè)及3個W上的奇數(shù)個反相器，振蕩器的頻率由每級反相器的 延遲決定，而反相器的延遲取決于反相器的充放電電流及負載電容。因為晶體管中載流子 遷移率隨溫度呈現(xiàn)指數(shù)變化，所W晶體管電流等參數(shù)都隨溫度顯著變化，而且變化是非線 性的。而對于溫度傳感忍片設(shè)計等應(yīng)用，振蕩器輸出頻率需要相對穩(wěn)定，不能隨溫度非線性 地大幅度變化。綜上，亟需提出新的振蕩器設(shè)計技術(shù)。 【
【發(fā)明內(nèi)容】
】
[0004] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是：彌補上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種環(huán)形振蕩器， 其振蕩頻率不會隨溫度非線性地大幅度變化。
[0005] 本發(fā)明的技術(shù)問題通過W下的技術(shù)方案予W解決：
[0006] 一種環(huán)形振蕩器，包括第一開關(guān)管，電阻，電容，第一反相器和第二反相器；所述 第一開關(guān)管的第一端連接電源的輸出端，第二端連接所述電阻的第一端、所述電容的第一 端W及所述第一反相器的輸入端，所述電阻的第二端與所述電容的第二端相連后接地，所 述第一反相器的輸出端連接所述第二反相器的輸入端，所述第二反相器的輸出端連接所述 第一開關(guān)管的控制端；所述第一開關(guān)管的導(dǎo)通電阻值遠小于所述電阻的阻值；所述第一反 相器的輸入信號下降沿的闊值電壓隨溫度線性變化，且線性變化的比例系數(shù)在（0. 5~3) mV/°C的范圍內(nèi)。
[0007] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)對比的有益效果是：
[0008] 本發(fā)明的環(huán)形振蕩器，通過開關(guān)管、電阻、電容W及兩個反相器的連接改進，且開 關(guān)管的導(dǎo)通電阻值遠小于電阻的阻值，第一反相器的輸入信號下降沿的闊值電壓隨溫度線 性變化，且線性變化的比例系數(shù)很小，從而振蕩器工作產(chǎn)生的振蕩頻率隨溫度的變化近似 為線性變化，且線性變化的系數(shù)接近或者等于0,遠小于1，從而振蕩頻率不隨溫度變化或 者僅隨溫度小幅度地線性變化，從而可有效地應(yīng)用在大多數(shù)領(lǐng)域。 【【附圖說明】】
[0009] 圖1是本發(fā)明【具體實施方式】的環(huán)形振蕩器的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0010] 圖2是本發(fā)明【具體實施方式】的環(huán)形振蕩器中的反相器的等效結(jié)構(gòu)示意圖；
[0011] 圖3是本發(fā)明【具體實施方式】的環(huán)形振蕩器工作時開關(guān)管的控制端柵極電極W及 電容兩端的電壓的波形示意圖；
[0012] 圖4是本發(fā)明【具體實施方式】的環(huán)形振蕩器的一種優(yōu)選結(jié)構(gòu)示意圖。 【【具體實施方式】】
[0013] 下面結(jié)合【具體實施方式】并對照附圖對本發(fā)明做進一步詳細說明。
[0014] 如圖1所示，為本【具體實施方式】的環(huán)形振蕩器的結(jié)構(gòu)示意圖。環(huán)形振蕩器包括 PMOS開關(guān)管MP、電阻R、電容C、第一反相器invl、第二反相器inv2。其中，開關(guān)管MP的第 一端連接電源VDD的輸出端，第二端連接電阻R的第一端、電容C的第一端W及第一反相器 invl的輸入端，電阻R的第二端與電容C的第二端相連后接地，第一反相器invl的輸出端 連接第二反相器inv2的輸入端，第二反相器inv2的輸出端連接開關(guān)管MP的控制端。PMOS 開關(guān)管MP的導(dǎo)通電阻值遠小于電阻R的阻值。
[0015] 第一反相器或者第二反相器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示，實現(xiàn)方式是一個PMOS開關(guān)管 S2連接一個NMOS開關(guān)管S3。該實現(xiàn)方式下，第一反相器的輸入信號下降沿的闊值電壓即 為PMOS開關(guān)管S2的闊值電壓Vthp,而PMOS開關(guān)管S2的闊值電壓Vthp隨溫度線性變化的表 達式為：Vthp燈）=VthW-O (T-T。），其中，T。為25°C，Vthp。為25°C時PMOS開關(guān)管S2的闊值電 壓，a在（0.5~3)mV/°C的范圍內(nèi)。通過該實現(xiàn)方式，借助于PMOS開關(guān)管S2的闊值電壓 隨溫度線性變化，獲得了第一反相器的輸入信號下降沿的闊值電壓隨溫度線性變化，且線 性變化的比例系數(shù)在（0.5~3)mV/°C的范圍內(nèi)的目標。該實現(xiàn)方式結(jié)構(gòu)簡單，成本低。當 然，其余可實現(xiàn)第一反相器的闊值電壓的上述目標的方式，均可應(yīng)用到方案中。
[0016] 上述環(huán)形振蕩器工作時，PMOS開關(guān)管MP的控制端柵極電極Vp。，W及電容C兩端 的電壓V。。,的波形圖如圖3所示。時鐘周期tCik由上升時間tClkl和下降時間telk巧部分組 成。工作原理如下：
[0017] 第一階段：當開關(guān)管MP的控制端柵極電壓Vp。低于（VDD-Vth_mp)時（Vth_mp為開 關(guān)管MP的闊值電壓），開關(guān)管MP導(dǎo)通，電容C的電壓將被充電至VDD。由于電容C的電壓 Vcut為高電平，經(jīng)過invl和inv2兩個反相器，柵極電極V P。將由低電平變化至高電平V孤， 從而開關(guān)管MP被關(guān)斷。 陽01引在對電容充電過程中，電容C的充電時間正比于C*Rx，Rx為等效電阻。在本具體 實施方式的電路中，Rx為開關(guān)管MP的導(dǎo)通電阻并聯(lián)電阻R后的阻值。而由于本具體實施 方式中開關(guān)管MP的導(dǎo)通電阻足夠?。ㄟh小于電阻R的阻值），因此，等效電阻Rx就很小，貝U 將電容C兩端的電壓充電至V孤的時間會很短暫，時鐘周期中的上升時間ttiki很小，從而可 遠遠小于時間常數(shù)RC，即有
[0019] t,iki?RC (1)。
[0020] 優(yōu)選地，第一反相器invl和第二反相器inv2的內(nèi)部延時時間遠小于時間常數(shù)RC， 其中，R表示所述電阻的阻值；C表示所述電容的容值。由于兩個反相器的內(nèi)部延時也是時 鐘周期的一部分，將反相器延時設(shè)計得遠小于時間常數(shù)RC，可盡可能地減小反相器延時在 整個時鐘周期中的比重，從而盡可能減小上升時間ttiki，有助于使其遠遠小于時間常數(shù)RC， 便于在后續(xù)做簡化省略。
[002U 進一步優(yōu)選地，如圖4所示，在第二反相器inv2的輸出端和開關(guān)管MP的柵極之間 接入兩個串聯(lián)的反相器inv3和inv4。也即環(huán)形諧振器還可包括第=反相器inv3和第四 反相器inv4。第=反相器inv3的輸入端連接第二反相器inv2的輸出端，第=反相器inv3 的輸出端連接第四反相器inv4的輸入端，第四反相器inv4的輸出端連接開關(guān)管MP的控制 端。運樣，反相器在小信號等效上可W理解為放大器，通過兩級放大器，可W很快地放大信 號，W來加速柵極電壓化C由低電平變化至高電平V孤的時間。化C由低電平變化至高電平 V孤的時間長短也是上升時間ttiki長短的一個影響因素。因此，當增加兩個反相器inv3和 inv4加速化C由低電平變化至高電平V孤后，有助于縮短上升時間ttiki，有助于使其遠遠小 于時間常數(shù)RC，便于在后續(xù)做簡化省略。 陽02引第二階段：開關(guān)管MP關(guān)斷后，電容C與等效電阻組成放電回路。此時，開關(guān)管MP 的關(guān)斷電阻無窮大，不會與C組成放電回路。則等效電阻為電阻R，因此即為電阻R和電容 C組成放電回路。電容C兩端的電壓Vout由VDD開始下降，當Vout下降至（VDD-Vthp)時 (Vthp為第一反相器invl輸入信號下降沿的闊值電壓，也即PMOS開關(guān)管S2的闊值電壓 Vthp)，第一反相器invl輸出高電平，經(jīng)過第二反相器inv2后，輸出低電平，則柵極電壓化C 很快變化至低電平。振蕩器將進入下一個周期的第一階段，周而復(fù)始，最終電容C兩端的電 壓Vout產(chǎn)生周期變化的時鐘信號。在該電路中，開關(guān)管MP關(guān)斷后，第一反相器invl的輸 入電容相對C很小，可W忽略不計。在該放電過程中，放電回路由最簡單的電阻R和電容C 組成，可W推算出，電容的瞬態(tài)電壓V(t)滿足：
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