申请/专利权人：成都启英泰伦科技有限公司

申请日：2019-04-18

公开（公告）日：2023-03-14

公开（公告）号：CN110011644B

主分类号：H03K3/03

分类号：H03K3/03

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2023.03.14#授权;2019.08.06#实质审查的生效;2019.07.12#公开

摘要：一种环形振荡器，包括偏置电流产生电路、PTAT电压产生电路、频率电流转换电路、电流比较反馈电路以及压控环形振荡器；所述偏置电流产生电路用于产生正温系数电流并输出到频率电流转换电路，所述PTAT电压产生电路用于产生正温系数电压并输出到频率电流转换电路。采用本发明所述的环形振荡器，可以显著降低振荡频率随温度变化而造成的频率漂移，且不随电源电压变化而变化。

主权项：1.一种环形振荡器，其特征在于，包括偏置电流产生电路、PTAT电压产生电路、频率电流转换电路、电流比较反馈电路以及压控环形振荡器；所述偏置电流产生电路用于产生正温系数电流并输出到频率电流转换电路，所述PTAT电压产生电路用于产生正温系数电压并输出到频率电流转换电路；所述频率电流转换电路包括运算放大器及控制端与运算放大器输出端连接的调整管，所述调整管输入端和输出端分别连接所述偏置电流产生电路和所述运算放大器反相端，所述PTAT电压产生电路输出端与运算放大器正相端连接，所述频率电流转换电路还包括串联在所述调整管输出端与地之间的充电管和开关电容，所述开关电容并联有放电管，所述充电管和放电管的控制端之间连接有一反相器，所述反相器的输入端与所述压控环形振荡器的输出端连接；所述电流比较反馈电路用于比较所述正温系数电流和所述开关电容上的等效电流并输出比较电压信号到所述压控环形振荡器的频率控制端。

全文数据：一种环形振荡器技术领域本发明属于电子电路领域，涉及振荡器技术，具体涉及一种环形振荡器。背景技术振荡器是电子系统的重要组成部分，为芯片提供准确的时钟信号。环形振荡器是一种通过自激方式使输出的信号按固定周期变化的电路，具有占有芯片面积小、结构简单的特点。现有的环形振荡器的振荡频率受电源电压或环境温度的影响，会产生较大的频率变化，使得环形振荡器无法满足高精度系统对时钟频率的要求。发明内容本发明提供一种环形振荡器，以解决现有的环形振荡器频率变化范围大的问题。本发明所述环形振荡器，包括偏置电流产生电路、PTAT电压产生电路、频率电流转换电路、电流比较反馈电路以及压控环形振荡器；所述偏置电流产生电路用于产生正温系数电流并输出到频率电流转换电路，所述PTAT电压产生电路用于产生正温系数电压并输出到频率电流转换电路；所述频率电流转换电路包括运算放大器及控制端与运算放大器输出端连接的调整管，所述调整管输入端和输出端分别连接所述偏置电流产生电路和所述运算放大器反相端，所述PTAT电压产生电路输出端与运算放大器正相端连接，所述频率电流转换电路还包括串联在所述调整管输出端与地之间的充电管和开关电容，所述开关电容并联有放电管，所述充电管和放电管的控制端之间连接有一反相器，所述反相器的输入端与所述压控环形振荡器的输出端连接；所述电流比较反馈电路用于比较所述正温系数电流和所述开关电容上的等效电流并输出比较电压信号到所述压控振荡器的频率控制端。具体的，所述偏置电流产生电路包括串联在电源与地之间，并分别以二极管形式连接的第一NMOS管和栅源短接的耗尽管。进一步的，所述电流比较反馈电路包括串联在电源与地之间的第二NMOS管和第一PMOS管，所述第二NMOS管栅极与第一NMOS管栅极连接；所述电流输出管以二极管形式连接并与所述第一PMOS管栅极连接，所述电流输出管的输出端与所述调整管输入端连接。进一步的，所述压控振荡器具有频率调节电压输入端，所述频率调节电压输入端连接在所述第二NMOS管和第一PMOS管的公共端。进一步的，所述第二NMOS管和第一PMOS管的公共端与电源之间连接有补偿电容。具体的，所述压控振荡器包括偏置电压电路和串联的N个互补MOS管对；所述N为大于1的奇数；所述偏置电压电路包括串联在电源和地之间的P偏置管和N偏置管，所述N偏置管为二极管形式连接，所述P偏置管的栅极作为所述压控振荡器的控制电压输入端；每一互补MOS管对包括串联在电源和地之间的多个器件，从电源到地依次为电流调整PMOS管，反向PMOS管，反向NMOS管和电流调整NMOS管，反向PMOS管和反向NMOS管栅极相连作为该互补MOS管对的输入端，反向PMOS管和反向NMOS管漏极相连作为该互补MOS管对的输出端，所述电流调整PMOS管和电流调整NMOS管的栅极分别连接所述P偏置管和N偏置管的栅极；所述互补MOS管对最后一级的输出端连接第一级的输入端。采用本发明所述的环形振荡器，可以显著降低振荡频率随温度变化而造成的频率漂移，且不随电源电压变化而变化。附图说明图1为本发明所述环形振荡器的一种具体实施方式示意图；图2为本发明所述压控振荡器的一种具体实施方式示意图；图中附图标记名称为：C1-开关电容，C2-补偿电容，INV-反相器，OP-运算放大器，PTAT-PTAT电压产生电路，CLK-时钟信号，D1-耗尽管，N1-第一NMOS管，N2-第二NMOS管，N3-调整管，N4-充电管，N5-放电管，N6-电流调整NMOS管，N7-电流调整NMOS管，N8-反向NMOS管，P1-第一PMOS管、P2-第二PMOS管,P6-电流调整PMOS管，P7-电流调整PMOS管，P8-反向PMOS管，Vctrl-控制电压。具体实施方式下面结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。本发明所述环形振荡器，包括偏置电流产生电路、PTAT电压产生电路、频率电流转换电路以及压控环形振荡器；所述偏置电流产生电路用于产生正温系数电流并输出到频率电流转换电路，所述PTAT电压产生电路用于产生正温系数电压并输入到频率电流转换电路；所述频率电流转换电路包括运算放大器及控制端与运算放大器输出端连接的调整管，所述调整管输入端和输出端分别连接所述偏置电流产生电路和所述运算放大器反相端，所述PTAT电压产生电路输出端与运算放大器正相端连接，所述频率电流转换电路还包括串联在所述调整管输出端与地之间的充电管和开关电容，所述开关电容并联有放电管，所述充电管和放电管的控制端之间连接有一反相器，所述反相器的输入端与所述压控环形振荡器的输出端连接。所谓正温系数，是指与温度的变化趋势相同，正温系数电流即随温度上升而上升的电流，如图1所示的具体实施方式中，给出产生正温系数电流的所述偏置电流产生电路的一种具体实施方式，利用耗尽管产生正温度系数的偏置电流。偏置电流产生电路包括串联在电源与地之间，并分别以二极管形式连接的第一NMOS管和栅源短接的耗尽管。所述电流比较反馈电路包括串联在电源与地之间的第二NMOS管和第一PMOS管，及电流输出管，所述第二NMOS管栅极与第一NMOS管栅极连接；所述电流输出管以二极管形式连接并与所述第一PMOS管栅极连接，所述电流输出管的输出端与所述调整管输入端连接耗尽管D1的漏极接电源，D1的栅极和源极短接并连到N1的栅极和漏极，N1的源极接到地，电路产生的电流即是流过耗尽管D1的电流，即（式1）其中，u表示载流子迁移率，Cox表示栅氧化层电容，WL表示耗尽管D1的宽长比，表示耗尽管D1的阈值电压。从图1所示的具体实施方式中可见，该电流通过由第二NMOS管N2输入到所述电流比较反馈电路。电流比较反馈电路包括串联在电源与地之间的第二NMOS管和第一PMOS管，所述第二NMOS管栅极与第一NMOS管栅极连接；所述电流输出管以二极管形式连接并与所述第一PMOS管栅极连接，所述电流输出管的输出端与所述调整管输入端连接。电流比较反馈电路通过第二NMOS管N2输入正温系数电流，通过第一PMOS管P1输入充电电容的等效电流，将二者比较得到的差值反映的电压作为压控振荡器的控制电压Vctrl，使得振荡器的控制电压Vctrl得到频率的反馈，从而实现了频率反馈，保证压控振荡器的频率稳定。频率电流转换电路用于把所述压控环形振荡器产生的输出时钟频率转换成相应的电流值；频率电流转换电路是基于把开关电容C1等效为电阻，并把加载在C1上的基准电压转换成电流的原理，从而实现频率到电流的转换。具体为：PTAT电压产生电路产生的正温系数电压Vptat输入到运算放大器OP的正相端，运算放大器OP和调整管N3串联并形成反馈环路，构成了单位电压增益缓冲器，使调整管N3的源极电压和运算放大器OP正相端电压相等；所述压控环形振荡器的输出时钟信号CLK连接到放电管N5的栅极，并通过反相器INV反向后连接到充电管N4的栅极，因此，当充电管N4截止时放电管N5导通、当充电管N4导通时放电管N5截止，所以开关电容C1正端的电压在正温系数电压Vptat和地电压之间被反复充放电，形成了开关电容结构，其相应的电阻值为，其中表示时钟信号的频率。因此，频率电流转换电路中，产生的等效电流Ie为（式2）该电流与所述偏置电流产生电路产生的正温系数电流在电流镜均为1：1的复制比例时相等，联立式1和式2，可得（式3）由式3可以看到，压控环形振荡器的输出时钟频率和电源电压值无关，因此不受电源电压的影响；在温度变化方面，式4中的各个参数：u、CoxWL、C1都是定值，仅和Vptat随温度变化，而耗尽管D1的阈值电压是正温度系数值，因此只要把正温度系数基准电压Vptat设定成与具有相同温度系数的值，时钟频率受温度的影响会极小。产生正温度系数电压在本领域中为现有技术，例如中国专利CN106873704B公开了一种正温度系数的基准电压源，本发明中不再赘述。需要说明，即使电流镜复制比例不为1，上述结论仍然适用。可以在所述第二NMOS管和第一PMOS管的公共端与电源之间连接一个补偿电容C2，滤除压控振荡器的控制电压Vctrl信号线上的高频波动。如图2所示给出所述压控振荡器的一个具体实施方式，所述压控振荡器包括偏置电压电路和串联的N个互补MOS管对；所述N为大于1的奇数；图2中N=3。所述偏置电压电路包括串联在电源和地之间的P偏置管和N偏置管，所述N偏置管为二极管形式连接，所述P偏置管的栅极作为所述压控振荡器的控制电压输入端；每一互补MOS管对包括串联在电源和地之间的多个器件，从电源到地依次为电流调整PMOS管P7，反向PMOS管P8，反向NMOS管N8和电流调整NMOS管N7，反向PMOS管和反向NMOS管栅极相连作为该互补MOS管对的输入端，反向PMOS管和反向NMOS管漏极相连作为该互补MOS管对的输出端，所述电流调整PMOS管P6和电流调整NMOS管N6的栅极分别连接所述P偏置管和N偏置管的栅极；所述互补MOS管对最后一级的输出端连接第一级的输入端。控制电压Vctrl的电压值控制了时钟信号CLK输出的时钟频率：当控制电压Vctrl电压增大时，反相器的工作电流减小，时钟频率随之变小；当控制电压Vctrl电压减小时，反相器的工作电流增大，时钟频率随之变大；当控制电压Vctrl电压稳定时，反相器的工作电流保持定值，时钟频率也就是稳定的值了。前文所述的为本发明的各个优选实施例，各个优选实施例中的优选实施方式如果不是明显自相矛盾或以某一优选实施方式为前提，各个优选实施方式都可以任意叠加组合使用，所述实施例以及实施例中的具体参数仅是为了清楚表述发明人的发明验证过程，并非用以限制本发明的专利保护范围，本发明的专利保护范围仍然以其权利要求书为准，凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。

权利要求：1.一种环形振荡器，其特征在于，包括偏置电流产生电路、PTAT电压产生电路、频率电流转换电路、电流比较反馈电路以及压控环形振荡器；所述偏置电流产生电路用于产生正温系数电流并输出到频率电流转换电路，所述PTAT电压产生电路用于产生正温系数电压并输出到频率电流转换电路；所述频率电流转换电路包括运算放大器及控制端与运算放大器输出端连接的调整管，所述调整管输入端和输出端分别连接所述偏置电流产生电路和所述运算放大器反相端，所述PTAT电压产生电路输出端与运算放大器正相端连接，所述频率电流转换电路还包括串联在所述调整管输出端与地之间的充电管和开关电容，所述开关电容并联有放电管，所述充电管和放电管的控制端之间连接有一反相器，所述反相器的输入端与所述压控环形振荡器的输出端连接；所述电流比较反馈电路用于比较所述正温系数电流和所述开关电容上的等效电流并输出比较电压信号到所述压控振荡器的频率控制端。2.如权利要求1所述的环形振荡器，其特征在于，所述偏置电流产生电路包括串联在电源与地之间，并分别以二极管形式连接的第一NMOS管和栅源短接的耗尽管。3.如权利要求2所述的环形振荡器，其特征在于，所述电流比较反馈电路包括串联在电源与地之间的第二NMOS管和第一PMOS管，及电流输出管，所述第二NMOS管栅极与第一NMOS管栅极连接；所述电流输出管以二极管形式连接并与所述第一PMOS管栅极连接，所述电流输出管的输出端与所述调整管输入端连接。4.如权利要求3所述的环形振荡器，其特征在于，所述压控振荡器具有频率调节电压输入端，所述频率调节电压输入端连接在所述第二NMOS管和第一PMOS管的公共端。5.如权利要求3所述的环形振荡器，其特征在于，所述第二NMOS管和第一PMOS管的公共端与电源之间连接有补偿电容。6.如权利要求1所述的环形振荡器，其特征在于，所述压控振荡器包括偏置电压电路和串联的N个互补MOS管对；所述N为大于1的奇数；所述偏置电压电路包括串联在电源和地之间的P偏置管和N偏置管，所述N偏置管为二极管形式连接，所述P偏置管的栅极作为所述压控振荡器的控制电压输入端；每一互补MOS管对包括串联在电源和地之间的多个器件，从电源到地依次为电流调整PMOS管，反向PMOS管，反向NMOS管和电流调整NMOS管，反向PMOS管和反向NMOS管栅极相连作为该互补MOS管对的输入端，反向PMOS管和反向NMOS管漏极相连作为该互补MOS管对的输出端，所述电流调整PMOS管和电流调整NMOS管的栅极分别连接所述P偏置管和N偏置管的栅极；所述互补MOS管对最后一级的输出端连接第一级的输入端。

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