專利名稱：基于cmos工藝實(shí)現(xiàn)的高精度片上時(shí)鐘振蕩器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及電學(xué)領(lǐng)域，具體涉及一種時(shí)鐘振蕩電路，尤其涉及一種基于CMOS工藝的高精度片上時(shí)鐘振蕩器。
背景技術(shù)：
在各種電子系統(tǒng)中，晶體振蕩器(XTAL)是一種必不可少的時(shí)鐘參考信號(hào)。廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)、遙控器和自動(dòng)控制電路中。它在通信系統(tǒng)中，主要被用在頻率發(fā)生器中，為數(shù)據(jù)處理設(shè)備產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)以保持信號(hào)傳輸?shù)耐叫浴＞w振蕩器雖然可以產(chǎn)生精準(zhǔn)的時(shí)鐘信號(hào)，但由晶體振蕩器產(chǎn)生的時(shí)鐘信號(hào)，存在自身成本較高，系統(tǒng)功耗高，而且不能集成到芯片內(nèi)部的缺點(diǎn)，沒有辦法實(shí)現(xiàn)電子系統(tǒng)的低成本、低功耗和小型化的要求，特別是在生物醫(yī)學(xué)芯片和物聯(lián)網(wǎng)芯片應(yīng)用方面。隨著集成電路的發(fā)展，國(guó)內(nèi)外有很多研究論文，都提出了一些用有源電路來實(shí)現(xiàn)晶體振器的方法和結(jié)構(gòu)。例如采用片上微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)實(shí)現(xiàn)片上晶體振蕩器，但是MEMS實(shí)現(xiàn)存在功耗高，成本高而且不能用標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝實(shí)現(xiàn)的缺點(diǎn)，限制了它的應(yīng)用和發(fā)展。盡管國(guó)外有些振蕩器結(jié)構(gòu)，可以取得很好的頻率穩(wěn)定性，但需要外部無源器件，而且頻率的溫度和電壓系數(shù)都不是很好。本申請(qǐng)正是針對(duì)目前有源振蕩器的缺點(diǎn)，提出了一種采用閉環(huán)結(jié)構(gòu)的片上有源振蕩電路。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)存在的以上問題，提供一種基于CMOS工藝實(shí)現(xiàn)的高精度片上時(shí)鐘振蕩器，該電路具有閉環(huán)回路控制的振蕩器，從而具有良好的溫度特性和噪聲性能。為實(shí)現(xiàn)上述技術(shù)目的，達(dá)到上述技術(shù)效果，本實(shí)用新型通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)一種基于CMOS工藝實(shí)現(xiàn)的高精度片上時(shí)鐘振蕩器，包括頻率電壓轉(zhuǎn)換電路、積分電路、壓控振蕩器、電流自動(dòng)修條電路、溫度系數(shù)可調(diào)電流源及帶隙基準(zhǔn)電路，所述頻率電壓轉(zhuǎn)換電路、所述積分電路和所述壓控振蕩器依次連接形成一閉環(huán)結(jié)構(gòu)；所述頻率電壓轉(zhuǎn)換電路連接所述溫度系數(shù)可調(diào)電流源，所述電流自動(dòng)修條電路及所述帶隙基準(zhǔn)電路分別連接所述溫度系數(shù)可調(diào)電流源，所述帶隙基準(zhǔn)電路還連接所述積分電路；所述頻率電壓轉(zhuǎn)換電路將所述壓控振蕩器輸出頻率轉(zhuǎn)化成和頻率相關(guān)的電壓量；所述積分電路將所述帶隙基準(zhǔn)電路的電壓和所述頻率電壓轉(zhuǎn)換電路的輸出電壓進(jìn)行比較產(chǎn)生壓控振蕩器的輸入電壓；所述壓控振蕩器根據(jù)控制電壓大小產(chǎn)生相應(yīng)的時(shí)鐘信號(hào)；所述電流自動(dòng)修條電路用以控制所述溫度系數(shù)可調(diào)電流源的輸出大?。凰鰷囟认禂?shù)可調(diào)電流源給所述頻率電壓轉(zhuǎn)換電路提供電流；所述帶隙基準(zhǔn)電路給所述溫度系數(shù)可調(diào)電流源及所述積分電路提供和溫度無關(guān)的基準(zhǔn)電壓。進(jìn)一步的，所述頻率電壓轉(zhuǎn)換電路由充放電電容、采樣電容組成，充放電電流源通過第三控制信號(hào)開關(guān)與所述充放電電容相連，所述采樣電容通過第二控制信號(hào)開關(guān)與所述第三控制信號(hào)開關(guān)相連，所述第三控制信號(hào)開關(guān)還連接有第一控制信號(hào)開關(guān)；所述充放電電流源由所述溫度系數(shù)可調(diào)電流源產(chǎn)生，所述第一控制信號(hào)開關(guān)、所述第二控制信號(hào)開關(guān)及所述第三控制信號(hào)開關(guān)由所述壓控振蕩器通過邏輯控制電路產(chǎn)生；所述頻率電壓轉(zhuǎn)換電路電壓輸出的大小和所述第一控制信號(hào)開關(guān)、所述第二控制信號(hào)開關(guān)、所述第三控制信號(hào)開關(guān)的頻率大小成線性關(guān)系。進(jìn)一步的，所述壓控振蕩器由電壓電流轉(zhuǎn)換電路和電流控制振蕩器組成，所述電壓電流轉(zhuǎn)換電路與所述電流控制振蕩器相連接；所述壓控振蕩器的輸出信號(hào)一路作為所述時(shí)鐘振蕩器電路輸出頻率，另一路產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號(hào)反饋回所述頻率電壓轉(zhuǎn)換電路。進(jìn)一步的，所述溫度系數(shù)可調(diào)電流源包括第一溝道場(chǎng)效應(yīng)管和第二溝道場(chǎng)效應(yīng)管，所述第一溝道場(chǎng)效應(yīng)管和所述第二溝道場(chǎng)效應(yīng)管的柵極輸入端分別接電源電壓和帶隙基準(zhǔn)電壓，所述第一溝道場(chǎng)效應(yīng)管工作在深線性區(qū)，給所述第二溝道場(chǎng)效應(yīng)管提供反饋；第一偏置電流通過第一溝道場(chǎng)效應(yīng)管鏡像給第二溝道場(chǎng)效應(yīng)管，所述第二溝道場(chǎng)效應(yīng)管通過多組場(chǎng)效應(yīng)管及所述電流自動(dòng)修條電路產(chǎn)生的控制信號(hào)，控制第二偏置電流的電流大小，所述第二偏置電流通過電流鏡鏡像給所述頻率電壓轉(zhuǎn)換電路，作為所述充放電電容的充電電流。本實(shí)用新型的有益效果是本實(shí)用新型通過利用頻率電壓轉(zhuǎn)換電路、積分電路和壓控振蕩器，提供一種具有閉環(huán)回路控制的振蕩器電路，從而保證了該振蕩電路輸出頻率受整個(gè)閉環(huán)回路控制不受MOS管的工藝偏差影響。同時(shí)由于采用閉環(huán)回路所以振蕩電路具有很好的噪聲性能，而且整個(gè)環(huán)路采用了溫度補(bǔ)償電流源和電流自動(dòng)修條電路，保證了該振蕩電路具有良好的溫度和工藝穩(wěn)定性，同時(shí)該振蕩器電路簡(jiǎn)單，時(shí)鐘精度高，可替換電子系統(tǒng)的外部石英晶體振蕩器。上述說明僅是本實(shí)用新型技術(shù)方案的概述，為了能夠更清楚了解本實(shí)用新型的技術(shù)手段，并可依照說明書的內(nèi)容予以實(shí)施，以下以本實(shí)用新型的較佳實(shí)施例并配合附圖詳細(xì)說明如后。本實(shí)用新型的具體實(shí)施方式
由以下實(shí)施例及其附圖詳細(xì)給出。

此處所說明的附圖用來提供對(duì)本實(shí)用新型的進(jìn)一步理解，構(gòu)成本申請(qǐng)的一部分，本實(shí)用新型的示意性實(shí)施例及其說明用于解釋本實(shí)用新型，并不構(gòu)成對(duì)本實(shí)用新型的不當(dāng)限定。在附圖中圖1為本實(shí)用新型高精度片上時(shí)鐘振蕩電路總體原理框圖；圖2為本實(shí)用新型頻率電壓轉(zhuǎn)換電路原理框圖；圖3為本實(shí)用新型壓控振蕩器電路圖；圖4為本實(shí)用新型溫度系數(shù)可調(diào)電流源電路原理圖；圖5為本實(shí)用新型積分電路框圖。圖中標(biāo)號(hào)說明1、頻率電壓轉(zhuǎn)換電路,2、積分電路，3、壓控振蕩器，4、電流自動(dòng)修條電路，5、溫度系數(shù)可調(diào)電流源，6、帶隙基準(zhǔn)電路，A0-A7、第一組場(chǎng)效應(yīng)管，B0-B7、第二組場(chǎng)效應(yīng)管，Cl、充放電電容，C2、米樣電容，clkpl、所述第一控制信號(hào)開關(guān)，clkp2、第二控制信號(hào)開關(guān)，clkn、第三控制信號(hào)開關(guān)，Ibiasl、第一偏置電流，Ibias2、第二偏置電流，ICO、電流控制振蕩器，Icp、充放電電流源，PO、第一 P溝道場(chǎng)效應(yīng)管，P1、第二 P溝道場(chǎng)效應(yīng)管，NO、第一 N溝道場(chǎng)效應(yīng)管，N1、第二 N溝道場(chǎng)效應(yīng)管，TRD0-TRD7、第一組控制信號(hào)，TRU0-TRU7、第二組控制信號(hào)，VDD、電源電壓，Vbg、帶隙基準(zhǔn)電壓。
具體實(shí)施方式
下面將參考附圖并結(jié)合實(shí)施例，來詳細(xì)說明本實(shí)用新型。參照?qǐng)D1所示，一種基于CMOS工藝實(shí)現(xiàn)的高精度片上時(shí)鐘振蕩器，包括頻率電壓轉(zhuǎn)換電路1、積分電路2、壓控振蕩器3、電流自動(dòng)修條電路4、溫度系數(shù)可調(diào)電流源5及帶隙基準(zhǔn)電路6，所述頻率電壓轉(zhuǎn)換電路1、所述積分電路2和所述壓控振蕩器3依次連接形成一閉環(huán)結(jié)構(gòu)；所述頻率電壓轉(zhuǎn)換電路I連接所述溫度系數(shù)可調(diào)電流源5，所述電流自動(dòng)修條電路4及所述帶隙基準(zhǔn)電路6分別連接所述溫度系數(shù)可調(diào)電流源5，所述帶隙基準(zhǔn)電路6還連接所述積分電路2 ;所述頻率電壓轉(zhuǎn)換電路I將所述壓控振蕩器3輸出頻率轉(zhuǎn)化成和頻率相關(guān)的電壓量；所述積分電路2將所述帶隙基準(zhǔn)電路6的電壓和所述頻率電壓轉(zhuǎn)換電路I的輸出電壓進(jìn)行比較產(chǎn)生壓控振蕩器3的輸入電壓；所述壓控振蕩器3根據(jù)控制電壓大小產(chǎn)生相應(yīng)的時(shí)鐘信號(hào)；所述電流自動(dòng)修條電路4用以控制所述溫度系數(shù)可調(diào)電流源5的輸出大??；所述溫度系數(shù)可調(diào)電流源5給所述頻率電壓轉(zhuǎn)換電路I提供電流；所述帶隙基準(zhǔn)電路6給所述溫度系數(shù)可調(diào)電流源5及所述積分電路2提供和溫度無關(guān)的基準(zhǔn)電壓。參照?qǐng)D2所示，進(jìn)一步的，所述頻率電壓轉(zhuǎn)換電路I由充放電電容Cl、采樣電容C2組成，充放電電流源Icp通過第三控制信號(hào)開關(guān)clkn與所述充放電電容Cl相連，所述采樣電容C2通過第二控制信號(hào)開關(guān)clkp2與所述第三控制信號(hào)開關(guān)clkn相連，所述第三控制信號(hào)開關(guān)clkn還連接有第一控制信號(hào)開關(guān)clkpl ;所述充放電電流源Icp由所述溫度系數(shù)可調(diào)電流源5產(chǎn)生，所述第一控制信號(hào)開關(guān)clkpl、所述第二控制信號(hào)開關(guān)clkp2及所述第三控制信號(hào)開關(guān)clkn由所述壓控振蕩器3通過邏輯控制電路產(chǎn)生；所述頻率電壓轉(zhuǎn)換電路I電壓輸出的大小和所述第一控制信號(hào)開關(guān)clkpl、所述第二控制信號(hào)開關(guān)clkp2、所述第三控制信號(hào)開關(guān)clkn的頻率大小成線性關(guān)系。參照?qǐng)D3所示，進(jìn)一步的，所述壓控振蕩器3由電壓電流轉(zhuǎn)換電路和電流控制振蕩器ICO組成，所述電壓電流轉(zhuǎn)換電路與所述電流控制振蕩器ICO相連接；所述壓控振蕩器3的輸出信號(hào)一路作為所述時(shí)鐘振蕩器電路輸出頻率，另一路產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號(hào)反饋回所述頻率電壓轉(zhuǎn)換電路I。參照?qǐng)D4所示，進(jìn)一步的，所述溫度系數(shù)可調(diào)電流源5包括第一 N溝道場(chǎng)效應(yīng)管NO和第二 N溝道場(chǎng)效應(yīng)管NI，所述第一 N溝道場(chǎng)效應(yīng)管NO和所述第二 N溝道場(chǎng)效應(yīng)管NI的柵極輸入端分別接電源電壓VDD和帶隙基準(zhǔn)電壓Vbg，所述第一 N溝道場(chǎng)效應(yīng)管NO工作在深線性區(qū)，給所述第二 N溝道場(chǎng)效應(yīng)管NI提供反饋；通過調(diào)整所述第一 N溝道場(chǎng)效應(yīng)管NO和所述第二 N溝道場(chǎng)效應(yīng)管NI的寬長(zhǎng)比可以調(diào)整第一偏置電流Ibiasl的溫度系數(shù)；所述第一偏置電流Ibiasl通過第一 P溝道場(chǎng)效應(yīng)管PO鏡像給第二 P溝道場(chǎng)效應(yīng)管Pl,所述第二 P溝道場(chǎng)效應(yīng)管Pl通過第一組場(chǎng)效應(yīng)管A0-A7、第二組場(chǎng)效應(yīng)管B0-B7，及所述電流自動(dòng)修條電路4產(chǎn)生的第一組控制信號(hào)TRD0-TRD7、第二組控制信號(hào)TRU0-TRU7，控制第二偏置電流Ibias2的電流大小，所述第二偏置電流Ibias2通過電流鏡鏡像給所述頻率電壓轉(zhuǎn)換電路1，作為所述充放電電容Cl的充電電流。[0025]參照?qǐng)D5所示，該積分電路2輸入信號(hào)分別為頻率電壓轉(zhuǎn)換電路I和帶隙基準(zhǔn)電路6的輸出信號(hào)，通過對(duì)輸入信號(hào)的差分信號(hào)進(jìn)行放大，產(chǎn)生和輸入差分信號(hào)幅度相關(guān)的輸出信號(hào)，該輸出信號(hào)控制壓控振蕩器3輸出頻率的大小。以上所述僅為本實(shí)用新型的優(yōu)選實(shí)施例而已，并不用于限制本實(shí)用新型，對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，本實(shí)用新型可以有各種更改和變化。凡在本實(shí)用新型的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求1.一種基于CMOS工藝實(shí)現(xiàn)的高精度片上時(shí)鐘振蕩器，其特征在于包括頻率電壓轉(zhuǎn)換電路(I)、積分電路(2)、壓控振蕩器(3)、電流自動(dòng)修條電路(4)、溫度系數(shù)可調(diào)電流源(5)及帶隙基準(zhǔn)電路￠)，所述頻率電壓轉(zhuǎn)換電路(I)、所述積分電路(2)和所述壓控振蕩器(3)依次連接形成一閉環(huán)結(jié)構(gòu)；所述頻率電壓轉(zhuǎn)換電路(I)連接所述溫度系數(shù)可調(diào)電流源(5)，所述電流自動(dòng)修條電路(4)及所述帶隙基準(zhǔn)電路(6)分別連接所述溫度系數(shù)可調(diào)電流源(5)，所述帶隙基準(zhǔn)電路(6)還連接所述積分電路(2); 所述頻率電壓轉(zhuǎn)換電路(I)將所述壓控振蕩器(3)輸出頻率轉(zhuǎn)化成和頻率相關(guān)的電壓量; 所述積分電路(2)將所述帶隙基準(zhǔn)電路(6)的電壓和所述頻率電壓轉(zhuǎn)換電路(I)的輸出電壓進(jìn)行比較產(chǎn)生壓控振蕩器⑶的輸入電壓； 所述壓控振蕩器(3)根據(jù)控制電壓大小產(chǎn)生相應(yīng)的時(shí)鐘信號(hào)； 所述電流自動(dòng)修條電路(4)用以控制所述溫度系數(shù)可調(diào)電流源(5)的輸出大??； 所述溫度系數(shù)可調(diào)電流源(5)給所述頻率電壓轉(zhuǎn)換電路(I)提供電流； 所述帶隙基準(zhǔn)電路(6)給所述溫度系數(shù)可調(diào)電流源(5)及所述積分電路(2)提供和溫度無關(guān)的基準(zhǔn)電壓。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于CMOS工藝實(shí)現(xiàn)的高精度片上時(shí)鐘振蕩器，其特征在于所述頻率電壓轉(zhuǎn)換電路(I)由充放電電容(Cl)、采樣電容(C2)組成，充放電電流源(Icp)通過第三控制信號(hào)開關(guān)(clkn)與所述充放電電容(Cl)相連，所述采樣電容(C2)通過第二控制信號(hào)開關(guān)(clkp2)與所述第三控制信號(hào)開關(guān)(clkn)相連，所述第三控制信號(hào)開關(guān)(clkn)還連接有第一控制信號(hào)開關(guān)(clkpl);所述充放電電流源(Icp)由所述溫度系數(shù)可調(diào)電流源(5)產(chǎn)生，所述第一控制信號(hào)開關(guān)(clkpl)、所述第二控制信號(hào)開關(guān)(clkp2)及所述第三控制信號(hào)開關(guān)(clkn)由所述壓控振蕩器(3)通過邏輯控制電路產(chǎn)生；所述頻率電壓轉(zhuǎn)換電路(I)電壓輸出的大小和所述第一控制信號(hào)開關(guān)(clkpl)、所述第二控制信號(hào)開關(guān)(clkp2)、所述第三控制信號(hào)開關(guān)(clkn)的頻率大小成線性關(guān)系。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于CMOS工藝實(shí)現(xiàn)的高精度片上時(shí)鐘振蕩器，其特征在于所述壓控振蕩器(3)由電壓電流轉(zhuǎn)換電路和電流控制振蕩器(ICO)組成，所述電壓電流轉(zhuǎn)換電路與所述電流控制振蕩器(ICO)相連接；所述壓控振蕩器(3)的輸出信號(hào)一路作為所述時(shí)鐘振蕩器電路輸出頻率，另一路產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號(hào)反饋回所述頻率電壓轉(zhuǎn)換電路⑴。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于CMOS工藝實(shí)現(xiàn)的高精度片上時(shí)鐘振蕩器，其特征在于所述溫度系數(shù)可調(diào)電流源(5)包括第一 N溝道場(chǎng)效應(yīng)管(NO)和第二 N溝道場(chǎng)效應(yīng)管(NI)，所述第一 N溝道場(chǎng)效應(yīng)管(NO)和所述第二 N溝道場(chǎng)效應(yīng)管(NI)的柵極輸入端分別接電源電壓(VDD)和帶隙基準(zhǔn)電壓(Vbg)，所述第一N溝道場(chǎng)效應(yīng)管(NO)工作在深線性區(qū)，給所述第二 N溝道場(chǎng)效應(yīng)管(NI)提供反饋； 第一偏置電流(Ibiasl)通過第一 P溝道場(chǎng)效應(yīng)管(PO)鏡像給第二 P溝道場(chǎng)效應(yīng)管(P1)，所述第二 P溝道場(chǎng)效應(yīng)管(Pl)通過多組場(chǎng)效應(yīng)管及所述電流自動(dòng)修條電路(4)產(chǎn)生的控制信號(hào)，控制第二偏置電流(Ibias2)的電流大小，所述第二偏置電流(Ibias2)通過電流鏡鏡像給所述頻率電壓轉(zhuǎn)換電路(I)，作為所述充放電電容(Cl)的充電電流。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種基于CMOS工藝實(shí)現(xiàn)的高精度片上時(shí)鐘振蕩器，包括頻率電壓轉(zhuǎn)換電路、積分電路、壓控振蕩器、電流自動(dòng)修條電路、溫度系數(shù)可調(diào)電流源及帶隙基準(zhǔn)電路，頻率電壓轉(zhuǎn)換電路、積分電路和壓控振蕩器依次連接形成一閉環(huán)結(jié)構(gòu)；本實(shí)用新型利用頻率電壓轉(zhuǎn)換電路、積分電路和壓控振蕩器，形成閉環(huán)回路控制的振蕩器電路，從而保證了該振蕩電路輸出頻率受整個(gè)閉環(huán)回路控制不受MOS管的工藝偏差影響。由于采用閉環(huán)回路所以振蕩電路具有很好的噪聲性能，而且整個(gè)環(huán)路采用了溫度補(bǔ)償電流源和電流自動(dòng)修條電路，保證了該振蕩電路具有良好的溫度和工藝穩(wěn)定性，同時(shí)該振蕩器電路簡(jiǎn)單，時(shí)鐘精度高，可替換電子系統(tǒng)的外部石英晶體振蕩器。
文檔編號(hào)H03B5/04GK202889288SQ201220466239
公開日2013年4月17日 申請(qǐng)日期2012年9月14日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月14日
發(fā)明者李湘春, 李慶山, 肖凱 申請(qǐng)人:蘇州銳控微電子有限公司, 李湘春