一种振荡器电路的制作方法

1.本公开涉及集成电路技术领域，尤其涉及一种振荡器电路。


背景技术：

2.振荡器电路在集成电路中是常用模块电路。传统的振荡器技术有很多不 足，如频率随电源电压变化大，随温度变化大，频率偏差大等。而这些问题会 导致系统设计难度加大，甚至使系统无法正常工作。
3.传统环形振荡器如图1所示。图例中包含三级，每个纵向的两个晶体管构 成一级。每一级由下方的nmos和上方的pmos组成，二者形成一个反相器。三 级的反相器首尾相接成环，构成了环形振荡器。但是，这种结构的振荡器频率 随电源电压和温度剧烈变化，且对内部节点寄生电容非常敏感。在高频应用中， 为了实现高的振荡频率，振荡器晶体管尺寸只能做的很小，这导致片与片之间 的偏差很大。总体来说，环形振荡器结构简单，实现方便，但频率偏差大，有 较大缺陷。
4.图2所示是一种电流型的环形振荡器(voltage-controlled oscillator， 简称vco)，被称作current starved vco。在图1中环形振荡器的基础上， 每一个反相器都串联了一个电流源。电流源可以起到限流的作用，使得每一级 反相器的延时更可控，从而振荡器频率更可控。有很多技术通过给电流源一个 特定的温度系数来抵消频率的温度特性。尽管图2的振荡器与图1的相比有了 一些改进，但是其仍然无法从根本解决问题，还是无法满足精密系统应用的需 求。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本公开实施例提供一种振荡器电路，该振荡器电路是一种新型 的高精度振荡器，其具有与电源电压无关、与温度无关、片与片之间偏差极小 等特点，可以很简单的实现频率调节，且频率调节范围宽，在系统中应用方便， 可靠性高。
6.为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
7.一种振荡器电路，包括频率-电压负反馈环路，所述频率-电压负反馈环路 包括压控振荡器、运算放大器和开关电容；
8.电源电压经分压后连接至所述运算放大器的同相输入端，电源电压经分压 后连接所述开关电容，与所述开关电容的公共端连接所述运算放大器的反相输 入端，所述运算放大器的输出端连接所述压控振荡器的输入端，所述压控振荡 器的输出作为所述振荡器电路的输出，同时连接所述开关电容的控制端，用于 改变所述开关电容的等效阻抗，从而形成所述频率-电压负反馈环路，使所述 运算放大器的同相输入端和反相输入端电压保持一致。
9.进一步地，所述频率-电压负反馈环路还包括第一电阻、第二电阻，所述 第一电阻的一端连接电源，另一端连接所述第二电阻的一端，所述第二电阻的 另一端接地，所述第一电阻和第二电阻的公共端连接所述运算放大器的同相输 入端，用于将电源电压分压后
连接至所述运算放大器的同相输入端。
10.进一步地，所述频率-电压负反馈环路还包括第三电阻，所述第三电阻的 一端连接电源，另一端连接所述开关电容。
11.进一步地，所述开关电容包括第一开关、第二开关和电容，所述第一开关 的一端为所述开关电容的正端，连接所述第三电阻，另一端连接所述第二开关 和所述电容的一端，所述第二开关和所述电容的另一端为所述开关电容的负 端，分别连接至地。
12.进一步地，所述第一开关和所述第二开关的控制信号是非交叠的时钟信 号。
13.进一步地，所述运算放大器包括第一nmos管、第二nmos管、第一pmos 管、第二pmos管和电流源，所述第一nmos管的栅极为所述运算放大器的同相 输入端，所述第二nmos管的栅极为所述运算放大器的反相输入端，所述第一 nmos管和所述第二nmos管的源极连接至所述电流源的一端，所述电流源的另 一端接地，所述第一nmos管的漏极连接所述第一pmos管的栅极、漏极以及所 述第二pmos管的栅极，所述第一pmos管和所述第二pmos管的源极连接至电 源，所述第二nmos管和所述第二pmos管的漏极为所述运算放大器的输出端。
14.进一步地，所述压控振荡器由多个mos管连接组成，输出端为所述振荡器 电路的输出，同时该信号反馈到所述开关电容的控制端，形成闭环控制。
15.进一步地，所述第一电阻和所述第二电阻的阻值相等。
16.进一步地，所述第三电阻为零温度系数的薄膜电阻。
17.进一步地，所述电容为栅电容。
18.本发明的振荡器电路，相比于传统的振荡器实现方法，其有益效果在于：
19.(1)频率不随电源电压变化而变化(与电源电压无关)。
20.(2)频率不随温度变化而变化(与温度无关)。
21.(3)频率精准，芯片与芯片之间的偏差极小(可达1
‰
以下)。
22.(4)可以很简单的实现频率调节，可调范围宽(可达
±
100％以上)。
附图说明
23.为了更清楚地说明本公开实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使 用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些 实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可 以根据这些附图获得其它的附图。
24.图1为传统的环形振荡器电路；
25.图2为传统的电流型环形振荡器电路；
26.图3为本发明提出的振荡器电路结构简图；
27.图4为本发明提出的振荡器电路详细结构图。
具体实施方式
28.下面结合附图对本公开实施例进行详细描述。
29.以下通过特定的具体实例说明本公开的实施方式，本领域技术人员可由本 说明书所揭露的内容轻易地了解本公开的其他优点与功效。显然，所描述的实 施例仅仅是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。本公开还可以通过另 外不同的具体实施方式加以
实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不 同观点与应用，在没有背离本公开的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是， 在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。基于本公开 中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有 其他实施例，都属于本公开保护的范围。
30.要说明的是，下文描述在所附权利要求书的范围内的实施例的各种方面。 应显而易见，本文中所描述的方面可体现于广泛多种形式中，且本文中所描述 的任何特定结构及/或功能仅为说明性的。基于本公开，所属领域的技术人员 应了解，本文中所描述的一个方面可与任何其它方面独立地实施，且可以各种 方式组合这些方面中的两者或两者以上。举例来说，可使用本文中所阐述的任 何数目个方面来实施设备及/或实践方法。另外，可使用除了本文中所阐述的 方面中的一或多者之外的其它结构及/或功能性实施此设备及/或实践此方法。
31.还需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本公开的 基本构想，图式中仅显示与本公开中有关的组件而非按照实际实施时的组件数 目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意 的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
32.另外，在以下描述中，提供具体细节是为了便于透彻理解实例。然而，所 属领域的技术人员将理解，可在没有这些特定细节的情况下实践所述方面。
33.本公开实施例提供一种振荡器电路，该振荡器电路是在电流型环形振荡器 的基础上，引入频率-电压的反馈，从而形成频率-电压负反馈环路的闭环控制， 以实现与电压、温度无关，一致性高的精准频率。
34.如图3所示，根据一种具体实施例，本实施例的振荡器电路主要由第一电 阻1、第二电阻2、第三电阻3，开关电容4，运算放大器5，压控振荡器6几 部分组成。第一电阻1的一端连接到电源7，另一端连接到第二电阻2的一端。 第二电阻2的另一端连接到参考地8。第一电阻1和第二电阻2的公共端连接 到运算放大器5的同相输入端。第三电阻3的一端连接到电源7，另一端连接 到开关电容4的正端。开关电容4的负端连接到参考地8。第三电阻3和开关 电容4的公共端连接到运算放大器5的反相输入端。运算放大器5的输出端连 接到压控振荡器6的输入端。压控振荡器6的输出端连接到开关电容4的控制 端，同时也是振荡器输出9。
35.一种具体的实施方式如附图4所示：开关电容4由开关第一开关s1、第 二开关s2与电容c构成。第一开关s1的一端即为开关电容4的正端，连接到 第三电阻3的一端。第一开关s1的另一端连接到第二开关s2和电容c。第二 开关s2和电容c的另一端即为开关电容4的负端，连接到参考地8。振荡器 输出9连接到开关电容4的控制端(图中fout)，用于控制第一开关s1和第 二开关s2的通断。第一开关s1和第二开关s2的控制信号是非交叠时钟。
36.所述运算放大器5由第一nmos管m1、第二nmos管m2，第一pmos管m3、 第二pmos管m4以及电流源i0构成。第一nmos管m1的栅极即为运算放大器5 的同相输入端，第二nmos管m2的栅极即为运算放大器5的反相输入端。第一 nmos管m1和第二nmos管m2的源极连接到电流源i0的一端。电流源i0的另一 端连接到参考地8。第一nmos管m1的漏极连接到第一pmos管m3的栅极、漏 极以及第二pmos管m4的栅极。第一pmos管m3和第二pmos管m4的源极连接 到电源7。第二nmos管m2和第二pmos管m4的漏极即为运算放大器5的输出 端(图中vctrl)。
37.所述压控振荡器6由mos管m5到mos管m20组成。压控振荡器6的输入 端连接到mos管m5、mos管m7、mos管m11和mos管m15的栅极。(具体的连 接关系可参考附图及现有技术中传统的电流型环形振荡器电路，在此不再赘 述)。mos管m19和mos管m20的漏极即为压控振荡器6的输出端，连接到振 荡器输出9，以及开关电容4的控制端。
38.本实施例中，如图3所示，本公开实施例在简单的压控振荡器6的基础上， 添加了开关电容4以及运算放大器5等模块，构成了闭环的负反馈，从而可以 获得更精准的频率。在反馈的作用下，运算放大器5的同相输入端和反相输入 端的电压会保持一致。假设开关电容4的阻抗为r4，则有式(1)：
[0039][0040]
下面对开关电容4的等效阻抗r4进行计算。如附图4所示，开关电容4 由电容c和两个开关(第一开关s1、第二开关s2)组成，其中第一开关s1 和第二开关s2的控制信号是非交叠的时钟φ和设开关电容两端的电 压分别为v1和v2，则在一个时钟周期内，流过两端的平均电流可以写作电 荷量变化除以时间，即c(v1-v2)/t，那么，其等效电阻即为开关电容两端压 差与电流的比值，即有式(2)：
[0041][0042]
由此式(2)可以看出，开关电容4的阻抗仅与时钟频率f和电容值c有 关。将此式(2)带入上式(1)，便可以求出使环路稳定的振荡器频率为式(3)：
[0043][0044]
为了简化设计，取r1＝r2，那么振荡器频率即为式(4)：
[0045][0046]
可以看出，振荡器的频率仅与第三电阻r3与电容c有关。由于运算放大 器5同相输入端和反向输入端的电压均由电源7分压得到，从而在表达式中消 去了电源电压项，使得振荡器频率与电源电压无关。又因为振荡器频率仅与电 阻和电容有关，而电阻和电容可以使用零温度系数的薄膜电阻和栅电容，从而 实现了振荡器频率与温度无关。
[0047]
在实际大规模应用中，由于芯片制造过程中的随机误差，芯片中各种器件 的实际尺寸会有一定程度的随机偏差，使得芯片性能发生变化。对振荡器电路 来说，这种随机误差便表现为振荡器频率的变化。对图1与图2中的无反馈的 振荡器来说，振荡器频率与mosfet、电流偏置以及其寄生rc等息息相关， 而且对于高频应用来说，其尺寸需要做的很小，所以其随机误差较大，导致振 荡器频率偏差大。而本发明采用了闭环的调节架构，这些mosfet相关的因 素都会在反馈的调节作用下被抵消，最终的频率仅和电阻与电容相关。而电阻 与电容的面积可以做的比较大，而且其本身的偏差就很小，所以本发明振荡器 频率具有非常高的片与片之间的一致性。
[0048]
在集成电路的生产制造过程中，芯片会受到工艺角的影响，性能会有些偏 差，反
映到振荡器上面就是频率的偏差。与前面提到的随机误差不同，这里的 偏差是整体性的，即整个批次的所有芯片都会朝同一个方向偏移。为了抵消这 种偏移的影响，目前会经常采用修调的方式，对电路中的某些地方进行调节。 因为本发明提出的振荡器频率由第三电阻r3与电容c决定，而电阻第三r3 可以很容易实现调节。而且，第一电阻r1和第二电阻r2也可以用来调节频 率。所以，本发明所述振荡器可以简单的实现调节，且可调范围宽。
[0049]
接下来，如图4所示，运算放大器5由mos管和电流源i0组成，构成了 简单的五管运放。第一nmos管m1和第二nmos管m2为差分对管，第一pmos 管m3和第二pmos管m4为电流镜负载，实现了较高的增益。压控振荡器6由 mos管m5到m20实现，其中mos管m7到mos管m18即为附图2中的电流型压 控振荡器，mos管m5和mos管m6用于提供偏置，mos管m19和mos管m20为 输出的驱动级。压控振荡器6的输出连接到振荡器输出9，同时该信号反馈到 开关电容4的控制端，形成闭环控制。当振荡器频率变高时，那么开关电容4 的等效阻抗降低，运算放大器5的反向输入端电压降低，运算放大器5的输出 vctrl的电压升高，从而压控振荡器6的偏置电流减小，使得振荡器频率变低， 从而实现了负反馈稳定频率的效果。
[0050]
因此，本发明提出了一种精准的振荡器电路，其频率与电源电压无关，与 温度几乎无关，且片与片之间的偏差小，频率简单可调。
[0051]
以上所述，仅为本公开的具体实施方式，但本公开的保护范围并不局限于 此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本公开揭露的技术范围内，可轻易想到 的变化或替换，都应涵盖在本公开的保护范围之内。因此，本公开的保护范围 应以权利要求的保护范围为准。

技术特征：
1.一种振荡器电路，其特征在于，包括频率-电压负反馈环路，所述频率-电压负反馈环路包括压控振荡器、运算放大器和开关电容；电源电压经分压后连接至所述运算放大器的同相输入端，电源电压经分压后连接所述开关电容，与所述开关电容的公共端连接所述运算放大器的反相输入端，所述运算放大器的输出端连接所述压控振荡器的输入端，所述压控振荡器的输出作为所述振荡器电路的输出，同时连接所述开关电容的控制端，用于改变所述开关电容的等效阻抗，从而形成所述频率-电压负反馈环路，使所述运算放大器的同相输入端和反相输入端电压保持一致。2.根据权利要求1所述的振荡器电路，其特征在于，所述频率-电压负反馈环路还包括第一电阻、第二电阻，所述第一电阻的一端连接电源，另一端连接所述第二电阻的一端，所述第二电阻的另一端接地，所述第一电阻和第二电阻的公共端连接所述运算放大器的同相输入端，用于将电源电压分压后连接至所述运算放大器的同相输入端。3.根据权利要求1或2所述的振荡器电路，其特征在于，所述频率-电压负反馈环路还包括第三电阻，所述第三电阻的一端连接电源，另一端连接所述开关电容。4.根据权利要求3所述的振荡器电路，其特征在于，所述开关电容包括第一开关、第二开关和电容，所述第一开关的一端为所述开关电容的正端，连接所述第三电阻，另一端连接所述第二开关和所述电容的一端，所述第二开关和所述电容的另一端为所述开关电容的负端，分别连接至地。5.根据权利要求4所述的振荡器电路，其特征在于，所述第一开关和所述第二开关的控制信号是非交叠的时钟信号。6.根据权利要求5所述的振荡器电路，其特征在于，所述运算放大器包括第一nmos管、第二nmos管、第一pmos管、第二pmos管和电流源，所述第一nmos管的栅极为所述运算放大器的同相输入端，所述第二nmos管的栅极为所述运算放大器的反相输入端，所述第一nmos管和所述第二nmos管的源极连接至所述电流源的一端，所述电流源的另一端接地，所述第一nmos管的漏极连接所述第一pmos管的栅极、漏极以及所述第二pmos管的栅极，所述第一pmos管和所述第二pmos管的源极连接至电源，所述第二nmos管和所述第二pmos管的漏极为所述运算放大器的输出端。7.根据权利要求6所述的振荡器电路，其特征在于，所述压控振荡器由多个mos管连接组成，输出端为所述振荡器电路的输出，同时该信号反馈到所述开关电容的控制端，形成闭环控制。8.根据权利要求2所述的振荡器电路，其特征在于，所述第一电阻和所述第二电阻的阻值相等。9.根据权利要求3所述的振荡器电路，其特征在于，所述第三电阻为零温度系数的薄膜电阻。10.根据权利要求4所述的振荡器电路，其特征在于，所述电容为栅电容。

技术总结
本发明提供了一种振荡器电路，包括压控振荡器、运算放大器和开关电容；电源电压经分压后连接至运算放大器的同相输入端，电源电压经分压后连接开关电容，与开关电容的公共端连接运算放大器的反相输入端，运算放大器的输出端连接压控振荡器的输入端，压控振荡器的输出作为振荡器电路的输出，同时连接开关电容的控制端，改变开关电容的等效阻抗，从而形成频率-电压负反馈环路，使所述运算放大器的同相输入端和反相输入端电压保持一致。本发明具有与电源电压无关、与温度无关、片与片之间偏差极小等特点，可以很简单的实现频率调节，且频率调节范围宽，在系统中应用方便，可靠性高。可靠性高。可靠性高。


技术研发人员：陈炳天
受保护的技术使用者：上海川土微电子有限公司
技术研发日：2021.11.04
技术公布日：2022/3/7