《一種環形振盪電路、環形振盪器及其實現方法》是國家電網公司和北京南瑞智芯微電子科技有限公司於2013年5月21日申請的發明專利，該專利的申請號為2013101904329，公布號為CN103684354A，授權公布日為2014年3月26日，發明人是王小曼、原義棟、何洋、王于波、唐曉柯。
《一種環形振盪電路、環形振盪器及其實現方法》涉及電信技術領域，電路包括：電流偏置產生電路和環形振盪器級電路；所述環形振盪器級電路包括至少一級的第一種反相器和至少一級的第二種反相器；所述電流偏置產生電路與所述第一種反相器耦合；所述第一種反相器的輸出端與二種反相器的輸入端連線，並且，第二種反相器的輸出端與第一種反相器的輸入端連線。
2016年12月7日，《一種環形振盪電路、環形振盪器及其實現方法》獲得第十八屆中國專利優秀獎。
（概述圖為《一種環形振盪電路、環形振盪器及其實現方法》摘要附圖）
基本介紹
- 中文名：一種環形振盪電路、環形振盪器及其實現方法
- 公布號：CN103684354A
- 授權日：2014年3月26日
- 申請號：2013101904329
- 申請日：2013年5月21日
- 申請人：國家電網公司、北京南瑞智芯微電子科技有限公司
- 地址：北京市西城區西長安街86號
- 發明人：王小曼、原義棟、何洋、王于波、唐曉柯
- Int.Cl.：H03K3/011(2006.01)I
- 代理機構：北京中譽威聖智慧財產權代理有限公司
- 代理人：郭振興、叢芳
- 類別：發明專利
專利背景,發明內容,專利目的,技術方案,改善效果,附圖說明,技術領域,權利要求,實施方式,榮譽表彰,
專利背景
對於大多數SOC（System on a Chip，系統級晶片）設計來說，振盪器是必不可少的組成部分，它能為晶片提供時鐘。在各種類型的振盪器中，環形振盪器不需要外掛晶體，不需要使用電感-電容調諧電路，而只需要使用奇數個反相器串聯、最後一級的輸出連線到第一級的輸入即可工作。考慮到其結構簡單和低功耗的特性，環形振盪器在頻率精度要求不高的場合得到了廣泛的套用。然而，電源電壓及環境溫度對環形振盪器的輸出頻率影響較大，因此，環形振盪器無法滿足在對時鐘頻率有更高精度要求的系統。
為了達到更高頻率精度，很多技術方案對環形振盪器進行了結構上的最佳化設計，其中，一種較為常見的結構為通過電流受限的反相器組成環形振盪器，因此振盪器的振盪頻率與電流相關，通過對參考電流生成單元進行改進，從而提高了輸出頻率的電源電壓及環境溫度特性。然而這類方案最後輸出頻率的精度主要取決於參考電流生成單元設計是否能正好抵消相應的電壓及溫度係數。由於器件的溫度特性與工藝的相關性很大，補償不足或補償過大均不能得到理想的結果，因此，對於實際設計而言，要達到較好的溫度和電壓特性具有較大的設計難度，當係數設計不合理，例如補償不合理時，存在惡化溫度或電壓特性的可能性。因此普通的環形振盪器的輸出頻率隨電源電壓及環境溫度的變化太大，無法滿足對頻率精度有很高要求的系統需求。
並且，對於通過電流受限的反相器組成的環形振盪器方案來說，需要合理設計電流生成電路，配置合適的溫度係數與後面的振盪器的溫度特性進行補償，因此最終的溫度特性對電路中器件的取值較為敏感。由於設計得結果過於依賴電路設計中的器件尺寸以及其他設計技巧，在實際設計中，版圖的不匹配以及工藝的偏差等等一些較難控制的因素會造成無法達到預期的補償效果。
發明內容
專利目的
為了解決2013年5月前技術環形振盪電路中為了達到溫度補償和電源電壓補償的目的，從而導致的對器件要求精度高、設計難度較大的技術問題，《一種環形振盪電路、環形振盪器及其實現方法》提供了一種環形振盪電路、環形振盪器及其實現方法。
技術方案
一種環形振盪電路，包括：電流偏置產生電路和環形振盪器級電路；環形振盪器級電路包括至少一級的第一種反相器和至少一級的第二種反相器；電流偏置產生電路與第一種反相器耦合；第一種反相器的輸出端與二種反相器的輸入端連線，並且，第二種反相器的輸出端與第一種反相器的輸入端連線；其中，第一種反相器主要是一種電流受限反相器類型；第二種反相器由COMS反相器構成。
其中，電流偏置產生電路包括第一PMOS、第二PMOS、第一NMOS、第二NMOS和電阻R；其中，第一PMOS和第二PMOS的柵極連線在一起構成電流鏡；第二PMOS的柵極連線其漏極，第一NMOS的柵極和漏極連線在一起並與第一PMOS的漏極相連線，第二NMOS的柵極與第一NMOS的柵極連線一起，第二NMOS的漏極與第二PMOS的漏極相連線，第一NMOS的源級接地，第二NMOS的源級連線電阻R的一端，電阻R的另外一端連線到地。
其中，第一種反相器中包括第三PMOS、第三NMOS和至少一個COMS反相器；電流偏置產生電路與第一種反相器耦合，具體包括：第三PMOS的柵極與第二PMOS的柵極相連，第三NMOS的柵極與第一NMOS的柵極相連；至少一個COMS反相器中的第一個CMOS反相器的電源和地分別連線第三PMOS的漏極和第三NMOS的漏極。
第一種反相器的輸出端與二種反相器的輸入端連線，並且，第二種反相器的輸出端與第一種反相器的輸入端連線，具體包括：第一種和第二種反相器的各COMS反相器串聯；第一種反相器中串聯後最後一個COMS反相器的輸出端與第二種反相器串聯後的第一個CMOS反相器的輸入端相連，第二種反相器串聯後的最後一個CMOS反相器的輸出端連線回第一種反相器的第一個CMOS反相器的輸入端。
一種環形振盪器，包括權利要上述的環形振盪電路。
一種環形振盪器的實現方法，包括：通過電流偏置產生電路將電源的電流偏置為與電源電壓無關的正溫度係數的電流；用該正溫度係數的電流控制環形振盪器級電路中的第一種反相器；第一種反相器受該正溫度係數的電流控制產生正電源電壓、負溫度係數且延時的反相器特性；並且第二種反相器通過各COMS反相器的串聯產生負電源電壓、正溫度係數且延時的反相器特性；通過第一種反相器的反相器特性與第二種反相器的反相器特性的相互作用，形成了輸出頻率得到溫度補償和電源電壓補償的環形振盪器。
改善效果
《一種環形振盪電路、環形振盪器及其實現方法》提供的方案設計的簡便性，由於採用了兩種反相器構成振盪器，因此，不需要刻意設定溫度係數即可以達到溫度補償的效果。不需要電晶體匹配等器件設計就可以達到電源電壓補償的目的。並且低功耗，電流偏置電路由於工作在亞閾值區，因此工作電流較小，鏡像的電流給反相器提供電源，功耗也較小，由於電流受限的反相器通常無法直接驅動外部的模組，在2013年5月前的技術中通常在環形振盪級的後面再接反相器增大驅動，而在該設計中，後面提高驅動的反相器成為了環形振盪級的一部分，因此節省了反相器鏈中反相器的個數，能夠達到更低的功耗。
附圖說明
圖1為《一種環形振盪電路、環形振盪器及其實現方法》實施例1提供的環形振盪電路的電路圖；
圖1
圖2為該發明實施例3提供的方法的流程圖。
圖2
技術領域
《一種環形振盪電路、環形振盪器及其實現方法》涉及電信技術領域，特別涉及一種環形振盪電路、環形振盪器及其實現方法。
權利要求
1.一種環形振盪電路，其特徵在於，包括：電流偏置產生電路和環形振盪器級電路；所述環形振盪器級電路包括至少一級的第一種反相器和至少一級的第二種反相器；所述電流偏置產生電路與所述第一種反相器耦合；所述第一種反相器的輸出端與第二種反相器的輸入端連線，並且，第二種反相器的輸出端與第一種反相器的輸入端連線，所述電流偏置產生電路包括第一PMOS、第二PMOS、第一NMOS、第二NMOS和電阻R；其中，第一PMOS和第二PMOS的柵極連線在一起構成電流鏡；第二PMOS的柵極連線其漏極，第一NMOS的柵極和漏極連線在一起並與第一PMOS的漏極相連線，第二NMOS的柵極與第一NMOS的柵極連線一起，第二NMOS的漏極與第二PMOS的漏極相連線，第一NMOS的源級接地，第二NMOS的源級連線電阻R的一端，電阻R的另外一端連線到地，第一種反相器中包括第三PMOS、第三NMOS和至少一個CMOS反相器；所述電流偏置產生電路與所述第一種反相器耦合，具體包括：第三PMOS的柵極與第二PMOS的柵極相連，第三NMOS的柵極與第一NMOS的柵極相連；至少一個CMOS反相器中的第一個CMOS反相器的電源和地分別連線第三PMOS的漏極和第三NMOS的漏極。
2.根據權利要求1所述的環形振盪電路，其特徵在於，所述第一種反相器包括電流受限反相器；第二種反相器包括CMOS反相器。
3.根據權利要求1所述的環形振盪電路，其特徵在於，所述第一種反相器的輸出端與第二種反相器的輸入端連線，並且，第二種反相器的輸出端與第一種反相器的輸入端連線，具體包括：第一種和第二種反相器的各CMOS反相器串聯；第一種反相器中串聯後最後一個CMOS反相器的輸出端與第二種反相器串聯後的第一個CMOS反相器的輸入端相連，第二種反相器串聯後的最後一個CMOS反相器的輸出端連線回第一種反相器的第一個CMOS反相器的輸入端。
4.根據權利要求3所述的環形振盪電路，其特徵在於，所述第一種反相器和第二種反相器組成的CMOS反相器鏈的級數為奇數級。
5.一種環形振盪器，其特徵在於，包括權利要求3-4中任意一項所述的環形振盪電路。
6.一種權利要求5所述環形振盪器的實現方法，其特徵在於，包括：通過電流偏置產生電路將電源的電流偏置為與電源電壓無關的正溫度係數的電流；用該正溫度係數的電流控制環形振盪器級電路中的第一種反相器；第一種反相器受該正溫度係數的電流控制產生正電源電壓、負溫度係數且延時的反相器特性；並且第二種反相器通過各CMOS反相器的串聯產生負電源電壓、正溫度係數且延時的反相器特性；通過第一種反相器的反相器特性與第二種反相器的反相器特性的相互作用，形成了輸出頻率得到溫度補償和電源電壓補償的環形振盪器。
實施方式
實施例1
該實施例提供一種環形振盪電路，該電路包括：電流偏置產生電路100和環形振盪器級電路200；
環形振盪器級電路200包括至少一級的第一種反相器210和至少一級的第二種反相器211；其中，第一種反相器210從功能上來說用於限制電流，屬於是一種電流受限反相器；第二種反相器211包括COMS反相器。
電流偏置產生電路100與第一種反相器210耦合；第一種反相器210的輸出端與二種反相器211的輸入端連線，並且，第二種反相器211的輸出端與第一種反相器210的輸入端連線。
其中，為了給第一種反相器210提供大小與電源電壓無關，且帶正溫度係數的電流，該實施例中提供的電流偏置產生電路100包括第一PMOS103、第二PMOS104、第一NMOS102、第二NMOS101和電阻R105；如圖1所示，
第一PMOS103和第二PMOS104的柵極連線在一起構成電流鏡；第二PMOS104的柵極連線第二PMOS104的漏極，第一NMOS102的柵極和漏極連線在一起並與第一PMOS103的漏極相連線，第二NMOS101的柵極與第一NMOS102的柵極連線一起，第二NMOS101的漏極與第二PMOS104的漏極相連線，第一NMOS102的源級接地，第二NMOS101的源級連線電阻R105的一端，電阻R105的另外一端接地。
具體而言，第一種反相器中210包括第三PMOS204、第三NMOS205和至少一個COMS201反相器；電流偏置產生電路100與第一種反相器210耦合，具體包括：
第三PMOS204的柵極與第二PMOS104的柵極相連，第三NMOS205的柵極與第一NMOS102的柵極相連；
至少一個COMS反相器201中的第一個CMOS反相器201的電源和地分別連線第三PMOS204的漏極和第三NMOS205的漏極。
優選方案中，第一種反相器210的輸出端與二種反相器211的輸入端連線，並且，第二種反相器211的輸出端與第一種反相器210的輸入端連線，具體包括：
第一種反相器210和第二種反相器211的各COMS反相器串聯；
第一種反相器210中串聯後的最後一個COMS反相器的輸出端與第二種反相器211串聯後的第一個CMOS反相器的輸入端相連，第二種反相器211串聯後的最後一個CMOS反相器的輸出端連線回第一種反相器210的第一個CMOS反相器的輸入端。
其中，第一種反相器中包括COMS反相器；第一種反相器和第二種反相器組成的COMS反相器鏈的級數為奇數級。
下面以圖1為例，具體描述一下該實施例提供的環形振盪電路器。包括一個電流偏置產生電路100和一個環形振盪器級200，其中，環形振盪器級200包括至少一級電流受限反相器（如圖1所示第一種反相器210）及至少一級CMOS反相器（如圖1所示第二種反相器211）。圖1中給出了一個由一級電流受限反相器以及兩級CMOS反相器組成的三級環形振盪電路的電路圖。實際上由這兩種反相器組成的反相器鏈的級數還可以是五級或七級或是其他的奇數級，即奇數級是指第一種反相器和第二種反相器的總數是奇數。
電流偏置產生電路100由第一PMOS103、第二PMOS104、第一NMOS102、第二NMOS101和R105構成，其中第一PMOS103和第二PMOS104的柵極連線在一起構成電流鏡，同時第二PMOS104的柵極連線其漏極，第一NMOS102的柵極和漏極連線在一起並與第一PMOS103的漏極相連線，第二NMOS101的柵極與第一NMOS102的柵極連線一起，第二NMOS101的漏極與第二PMOS104的漏極相連線，第一NMOS102的源級接地，第二NMOS101的源級連線電阻R105的一端，電阻R105的另外一端連線到地。
環形振盪器級電路200由第三PMOS204、第三NMOS205以及三組反相器201、202、203構成，第三PMOS204的柵極與第二PMOS104的柵極相連，第三NMOS205與第一NMOS102的柵極相連，第一個CMOS反相器201的電源和地分別連線第三PMOS204和第三NMOS205的漏極，該反相器204的輸出與第二個CMOS反相器202（即第二種反相器中的第一個反相器）的輸入端相連，第二個CMOS反相器202的輸出與第三個CMOS反相器203（即第二種反相器中各反相器串聯後的最後一個COMS反相器）的輸入相連，第三個CMOS反相器的輸出連線回第一個CMOS反相器201（圖1中的反相器201即是第一種反相器中各反相器串聯後的第一個反相器，也是最後一個反相器）的輸入端。
參照圖1，該實施例提供的環形振盪電路的原理如下：首先電流偏置電路100通過第一NMOS102和第二NMOS101的VGS差值在R105上產生一個電流，該電流大小與電源電壓無關，帶有正溫度係數，流過第二PMOS104/第二NMOS101支路，由於第一PMOS103和第二PMOS104的1:1的鏡像關係，第一PMOS103/第一NMOS102支路上因此流過相同的電流。通過第二PMOS104管與第三PMOS204管組成的電流鏡，將第二PMOS104的電流鏡像到第三PMOS204的支路上。通過第一NMOS102管與第三NMOS205管組成的電流鏡，將第一NMOS102的電流鏡像到第三NMOS205的支路上，因此第一級反相器201的充電電流為流過第二PMOS104的電流，第一級反相器201的放電電流為流過第三NMOS204的電流，充放電電流值特性決定了這一級反相器的延時特性，第一級反相器201輸出連線後面的普通COMS反相器202和203組成了一個環形振盪器鏈，最終的振盪頻率由反相器鏈的總延時決定。
其中，電流偏置電路100在PMOS103/NMOS102和PMOS104/NMOS101支路上產生的電流I的值大小為NMOS102管的VGS與NMOS104管的VGS的差值比上電阻R105的阻值，如下公式（1）
由於NMOS102和NMOS101工作在亞閾值區，公式（1）可以進一步寫為
其中，M為MN2與MN1的寬長比的比值，VT為熱電壓，其具有正溫度係數，n為亞閾值斜率因子。當電阻採用poly電阻時，電阻為負溫度係數，因此，該電流具有正溫度係數。通過PMOS電流鏡，第一級電流受限的反相器電流與溫度成正比，該級反相器延時隨溫度升高而減小；該級反相器的閾值電壓隨電源電壓升高而升高，從而使得反相器延時隨電源電壓升高而增大。
反相器鏈中的第二種反相器即為普通CMOS反相器，這種反相器的延時隨溫度的升高而增大，隨電源電壓的升高而減小。
這兩種反相器的溫度和電壓特性正好是反相的，在振盪器環路中採用這兩種反相器，可以實現溫度補償和電壓補償的作用。通過調節電流產生電路的溫度係數，可以對振盪器的溫度和電壓特性進行有目標的補償。因此該環形振盪電路的溫度電壓補償作用對電路內部具體器件的取值並不敏感，故而在使用時可以達到溫度和電壓補償的目的。
該實施例提供的環形振盪電路由於第一種反相器延時與第二種反相器延時的溫度特性和電源電壓特性剛好相反，因此反相器鏈的總延時在溫度和電源電壓特性上達到了補償的目的，從而使得振盪器的輸出頻率達到了溫度補償和電源電壓補償目的。
實施例2
該實施例提供一種環形振盪器，該環形振盪器包括實施例1中所描述的環形振盪電路，具體環形振盪器的內容在此不贅述。
實施例3
該實施例提供一種環形振盪器的實現方法，如圖2所示，包括：
步驟101，通過電流偏置產生電路將電源的電流偏置為與電源電壓無關的正溫度係數的電流；
步驟102，用該正溫度係數的電流控制環形振盪器級電路中的第一種反相器；
步驟103，第一種反相器受該正溫度係數的電流控制產生正電源電壓、負溫度係數且延時的反相器特性；
步驟104，在步驟103反相器特性產生的同時，第二種反相器通過各COMS反相器的串聯產生負電源電壓、正溫度係數且延時的反相器特性；
步驟105，通過第一種反相器的反相器特性與第二種反相器的反相器特性的相互作用，形成了輸出頻率得到溫度補償和電源電壓補償的環形振盪器。
例如：參照圖1，首先電流偏置電路100通過第一NMOS102和第二NMOS101的VGS差值在R105上產生一個電流，該電流大小與電源電壓無關，帶有正溫度係數，流過第二PMOS104/第二NMOS101支路，由於第一PMOS103和第二PMOS104的1:1的鏡像關係，第一PMOS103/第一NMOS102支路上因此流過相同的電流。通過第二PMOS104管與第三PMOS204管組成的電流鏡，將第二PMOS104的電流鏡像到第三PMOS204的支路上。通過第一NMOS102管與第三NMOS205管組成的電流鏡，將第一NMOS102的電流鏡像到第三NMOS205的支路上，因此第一級反相器201的充電電流為流過第二PMOS104的電流，第一級反相器201的放電電流為流過第三NMOS204的電流，充放電電流值特性決定了這一級反相器的延時特性，第一級反相器201輸出連線後面的普通COMS反相器202和203組成了一個環形振盪器鏈，最終的振盪頻率由反相器鏈的總延時決定。
具體該各步驟的實現方式請參考實施1中的環形振盪電路，在此不贅述。
《一種環形振盪電路、環形振盪器及其實現方法》提供的實現方法由於採用了兩種可產生相反溫度和電源電壓特性的反相器，因此，不需要刻意設定溫度係數即可以達到溫度補償的效果。不需要電晶體匹配等器件設計就可以達到電源電壓補償、低功耗的技術效果。
《一種環形振盪電路、環形振盪器及其實現方法》實施例提供的上述方法中，雖然給出了執行各步驟的先後順序，但是該順序僅為該發明的一個優選的實施方式。顯然，該領域技術人員根據上述方法可以對該方法步驟的執行順序進行多種多樣的等效變換，也就是該發明實施例方法中的上述各步驟或部分步驟完全可以按照其他順序執行，或者同時執行。例如：先執行步驟104，再執行步驟103；或者同時執行步驟103和步驟104。因此上述方法描述的各步驟的執行順序並僅限於實施例中所提供的一種方式。
榮譽表彰
2016年12月7日，《一種環形振盪電路、環形振盪器及其實現方法》獲得第十八屆中國專利優秀獎。
