專利名稱：尤其適于集成開關模式電源的具有高頻率穩定性的集成rc振蕩器的制作方法
技術領域：
本發明涉及集成電路領域，更具體地，本發明涉及可用于多種 集成電路的振蕩器。
背景技術：
如本領域技術人員所共知的，有時候，隨人任意處理具有高的頻 率穩定性的周期時鐘信號是很重要的。尤其是對于開關模式電源 (SMPS)，這種開關模式電源通常被用在諸如移動或蜂窩電話、無繩 電話、數碼相機、MP3播放器、或者個人數字助理(PDA)之類的"小" 電子設備中。當今最新型的小電子設備提供了需要額外處理能力的大量功能 (或特征)，而同時設備尺寸尤其是電池尺寸卻減小了從而占據越來 越小的空間。例如，某些移動電話可以瀏覽網絡以及無線地發送電子 郵件、數字照片甚至視頻數據流。同時，設備用戶還希望電池能夠有 效地支持他們的設備長達幾個小時，并且在待機模式下能支撐幾個星 期才充電。如本領域技術人員所共知的，長電池壽命的關鍵在于電源管理。 小電子設備中的大多數集成電路(IC)運行在一個比設備電源更低或 者更高的電源電壓下。因此，必須通過諸如開關模式電源(SMPS)之 類的功率轉換調節器電路，使得電池電壓合適地縮放至每個IC要求的電源電壓。SMPS的電源效率是一個重要的問題，這是因為電源效率越高， 那么不對電池重新充電情況下設備的工作時間和待機時間越長。此 夕卜，更高的電源效率意味著小設備中的更穩定的溫度，而這對設備制 造者和使用者都有好處。當SMPS功率轉換效率較低時，SMPS功率調節器在功率傳遞過程中會損失能量，而這會產生熱量。這些熱量會減小電池壽命并且使得小設備的可靠性退化。諸如開關DC-DC轉換器之類的功率調節器的功率效率相對地獨立于電池電壓和輸出電流。然 而，隨著開關頻率提高，功率調節器的功率效率降低。此外，由于SMPS的開關特性，特別是在開關功率調節器的開關 頻率不是足夠穩定的時候，它會產生諧波噪聲，而這會干擾小設備中 的模擬電路、混合信號電路和RF電路。可能產生兩種類型的諧波干 擾，其中一種是通過電源電壓(V。)產生，而另一種則是通過從由饋 入DC-DC轉換器的振蕩器所產生的大幅度時鐘信號直接電容耦合或者 磁耦合至需要供電的電路產生的(如果DC-DC轉換器嵌入了其供電的 電路芯片上，那么這種耦合還可以通過公共襯底發生)。更確切地，由于其開關特性，任何SMPS均傳遞與紋波電壓重疊 的輸出DC電壓。于是，SMPS的輸出之中包括了開關頻率、邊帶和諧 波的成分。例如，在降壓型DC-DC轉換器中，諧波是很大的并且可在 蜂窩設備中造成潛在的干擾問題，這是因為接收器前端、模擬電路和 混合信號電路(例如基帶和音頻接口)都對電源電壓的任何變化很敏 感。因此，設備性能可能會被開關DC-DC轉換器的輸出紋波影響。為 了降低干擾，設備需要很高的電源抑制比。諸如由振蕩器輸出的周期時鐘信號之類的大幅度信號對電路或 者系統的任何電容耦合、磁耦合或者襯底耦合都容易使其性能退化， 尤其是當電路的敏感節點(例如RF前端或者麥克風的輸入端)獲取干擾并且以大增益將其放大時。用于防止這種耦合的傳統方法在于將 噪聲生成電路從每個噪聲敏感電路或系統隔離開。然而，在小設備中， 所有部件都如此緊密地封裝在一起以致于不能再使用這種傳統方法 (由于成本和尺寸的原因，屏蔽不能實現)。此外，在臨界頻率之上，隨著頻率增加，開關功率調節器的效 率降低。開關功率調節器的臨界頻率被定義成開關損失與其它轉換器 損失相等的頻率。大部分開關DC-DC轉換器都被構想成運行在其邊界 頻率附近。功率效率和諧波干擾的位置都隨著SMPS中的開關頻率變化而變化，實現最高可能功率轉換效率和對諧波干擾恰當控制的最簡單有效 的方法就是使用非常精確和穩定的開關頻率。為此，可以使用石英振蕩器。這種振蕩器提供了最好的性能， 但是它很昂貴并且不能被完全集成。此外，它需要仔細設計以確保振 蕩，并且它需要很長時間來啟動。使用采用了經典CMOS反相器的RC振蕩器(例如，參見專利文 件W02004/055968)也被提出來過。這種振蕩器是低成本的，并且可 被完全集成而且可以快速啟動。它可以通過串聯布置的第一和第二 C0MS —般(或普通)反相器、連接至第一普通反相器的輸入端和輸 出端的一個電阻器、以及連接至第一普通反相器的輸入端和第二普通 反相器的輸出端的一個電容器來簡單實現。CMOS反相器實際上具有 無限輸入阻抗、軌對軌輸出擺幅性能、特別低的功率耗散、和高速率， 并且占據很少的硅片面積。所以它們的成本是很低的。不幸的是，這 種振蕩器的振蕩頻率強烈地有賴于溫度。這就導致了很差的頻率穩定 性。對于給定的CMOS工藝，如果普通反相器是由具有在下文中被稱 為"最佳溝道長度"的某個溝道長度的CMOS晶體管制成的，那么經 典RC振蕩器的溫度依賴性被降低到最低。然而，這種改進是非常有 限的，而隨之產生的整個溫度范圍內的頻率穩定性仍然不足夠，例如 從-4(TC到+ 12(TC。發明內容因此，本發明的一個目的就是提供一種新的RC型集成振蕩器， 它提供了很高的頻率穩定性和精確性，并且它可以被使用在SMPS中 以賦予它穩定的功率效率和有限的諧波干擾。為此，提供了一種用于集成電路的集成振蕩器，其包括 串聯布置的第一補償反相器和第二補償反相器(在上述經典RC 振蕩器情況下使用的是普通反相器)，并且每個都包括并聯布置的、 且包括溝道長度分別小于和大于最佳溝道長度的多個晶體管的第一 普通反相器和第二普通反相器，所述第一補償反相器具有分別連接至 第一節點和第二節點的輸入端和輸出端，并且所述第二補償反相器具有分別連接至所述第二節點和第三節點的輸入端和輸出端，電阻器，其具有選定的電阻值，并且其包括分別連接至所述第一節點和所述第二節點的第一端和第二端，電容器，其包括分別連接至所述第一節點和所述第三節點的第 一端和第二端，并且其具有選定的電容值以對自己進行充電和放電從 而以要求的振蕩頻率周期性地傳遞時鐘信號。根據本發明的集成振蕩器可包括獨立地或者結合地加以考慮的 一些附加特征，它們顯著地是要求的振蕩頻率由選定的電阻值和選定的電容值確定；第一普通反相器和最佳溝道長度之間的溝道長度差和/或第二 普通反相器和最佳溝道長度之間的溝道長度差被選擇使得要求的振 蕩頻率在整個要求的溫度范圍內并且可能地在整個工藝過程中保持 恒定；每個普通反相器包括一個pM0S晶體管和一個nM0S，它們每個均 具有柵極、源極和漏極，pM0S晶體管柵極連接至第一節點或第二節 點，pM0S晶體管源極連接至電源節點，pM0S晶體管漏極連接至第二 節點或第三節點，nM0S晶體管柵極連接至pM0S晶體管柵極，nM0S 晶體管源極連接至地，并且nMOS晶體管漏極連接至所述pMOS晶體管 漏極。這種集成振蕩器可被用于任何集成電路(或者裝置或者系統) 以傳遞高度穩定的時鐘信號，尤其是在要求它便宜、簡單和可集成時。本發明還提供一種集成開關模式電源(SMPS)，其包括i)諸 如一種上述集成振蕩器之類的集成振蕩器，其被布置成根據要求的振 蕩頻率在輸出端傳遞周期性時鐘信號；和ii) DC-DC轉換器，其包括 用來連接至電源以被饋入輸入DC電壓的第一輸入端；被連接至振蕩 器輸出端的第二輸入端；和輸出端，用于傳遞具有低于或者高于所述 輸入DC電壓的選定電壓的輸出DC電壓。本發明還提供一種電子設備，其包括電池，被布置用于傳遞 輸入DC電壓；諸如一種上述集成開關模式電源之類的集成開關模式 電源，被布置用于將所述輸入DC電壓轉換成更低或者更高的DC電壓；和至少一個電路(或者系統或者裝置)，其被所述更低或者更高的 DC電壓供電。這種電子設備可以是諸如移動(或蜂窩)電話、無繩電話、數碼相機、MP3播放器、或者個人數字助理(PDA)之類的電池供電或 便攜式電子裝置。
通過考察后面的詳細說明書和附圖，本發明的其它特征將變得明顯，圖中圖1示意性地示出了包括SMPS的小設備的示例，其中所述SMPS配置有根據本發明的集成振蕩器。圖2示意性地示出了根據本發明的集成振蕩器實施例的示例。 圖3示意性地示出了根據本發明的集成振蕩器的補償反相器的實施例示例。附圖不僅用于完善本發明，在需要的時候它還有助于本發明的 定義。
具體實施方式
如前面提到的，本發明提供了作為集成電路的一部分的一種新 的集成RC振蕩器。在以下的描述中，根據本發明的集成RC振蕩器被認為是開關模 式電源(或SMPS)的一部分，而開關模式電源本身就是諸如移動(或 蜂窩)電話、無繩電話、數碼相機、MP3播放器、或者個人數字助理 (PDA)之類的電池供電或便攜式電子裝置(設備)的一部分。但是，本發明并不限于這些應用。實際上，集成振蕩器可被用 于任何必須具有高頻率穩定性和精確性的集成電路，例如用在這樣的 裝置中，該裝置饋入了周期性時鐘信號、穩定功率效率和限定的諧波 干擾。如圖l示意性地示出的，小設備UE特別地包括電池BAT、集成 SMPSIS和需要以選定DC電壓V。供電的電路或系統CC。例如，需要供電的電路是移動(或蜂窩)電話發送通道的基帶集成電路的數字核。 集成SMPS IS包括根據本發明的集成振蕩器10，它被布置來 輸出(具有要求的振蕩頻率f0的)周期性時鐘信號；和開關功率調節器CV。例如，開關功率調節器CV是一個DC-DC開關轉換器(或降 壓轉換器、或步降DC-DC轉換器)。DC-DC開關轉換器CV至少包括PWM (脈沖寬度調制)控制器、 兩個功率開關和低通濾波器結構的LC網絡(或者電路)。兩個功率開關都(可能通過驅動器)被PWM控制器控制。當高 端功率開關導通時，低端功率開關斷開。電池電壓Vbat被加載至LC 網絡的電感器的一個終端，并且流經其的電流變大。隨后，高端功率 開關斷開，低端功率開關導通，于是提供了用于電感器電流的閉合回 路。通過調節高端開關的導通時間可以改變傳遞至負載(電路或系統 CC)的要求的輸出電壓V。。在穩定狀態下，輸出電壓V。與電池電壓 或輸入電壓的比等于導通時間與開關信號的周期的比。LC網絡的電 容器對高頻成分進行濾波并且將紋波降低到一個可以接受的水平。如圖2示意性地示出的，根據本發明的集成振蕩器IO包括串聯 布置的第一 "補償"反相器CI1和第二 "補償"反相器CI2，電阻器 R和電容器C。每個補償反相器CIi (i二l或2)包括并聯連接在兩個節點Nl 和N2 (CI1)或者N2和N3 (CI2)之間的第一普通(或標準或一般) 反相器PIil和第二普通反相器Pli2。每個補償反相器CIi的第一普 通反相器PIil包括具有小于最佳溝道長度L。pt的溝道長度的M0S晶 體管。每個補償反相器CIi的第二普通反相器PIil包括具有大于最 佳溝道長度L。"的溝道長度的M0S晶體管。電阻器R包括第一終端，其連接至第一節點N1，即連接至第一 補償反相器CI1的輸入端；和第二終端，其連接至第二節點N2，即 連接至第一補償反相器CI1的輸出端。電容器C包括第一終端，其連接至第一節點N1，即連接至第一 補償反相器CI1的輸入端；和第二終端，其連接至第三節點N3，即 連接至第二補償反相器CI2的輸出端。通過適當地調節電阻值和/或電容值可以得到要求的振蕩頻率f0。如圖3示意性地示出的，每個補償反相器CIi內的每個普通反 相器PIij優選地至少包括按照慣例彼此耦接的第一晶體管Tl (或 Tl，)和第二晶體管T2 (或T2，)。更確切地，每個普通反相器PIij包括pM0S類型的第一晶體管 Tl (或Tl，)和nM0S類型的第二晶體管T2 (或T2')，每個晶體 管都具有柵極、源極和漏極。當第一 pM0S晶體管Tl (或Tl，)屬于CI1時，它的柵極連接 至第一節點Nl (而當它屬于CI2時，它的柵極連接至第二節點N2); 第一pMOS晶體管Tl (或Tr )的源極連接至電源節點V化當第一 pM0S晶體管Tl (或Tl，)屬于CI1時，它的漏極連接至第二節點N2 (而當它屬于CI2時，它的漏極連接至第三節點N3)。第二 nM0S晶體管T2 (或T2')的柵極連接至第一 pM0S晶體管 柵極(從而當它屬于CI1時連接到Nl，而當它屬于CI2時連接到N2); 第二 nM0S晶體管T2 (或T2，)的源極連接至地；第二 nM0S晶體管 T2(或T2')的漏極連接至第一 pM0S晶體管漏極(從而當它屬于CI1 時連接到N2，而當它屬于CI2時連接到N3)。現在就說明為什么上述串聯布置的反相器特別有用。假設兩個普通反相器是相同的，那么經典RC振蕩器(如同此處 描述的振蕩器)的振蕩頻率fO取決于電阻(R)、電容(C)、和普 通反相器的閾值(v )，其中閾值定義為v^-、二v。u,，式子如下.-其中Vdd為電源電壓，Vtp和Vh是pM0S晶體管和nM0S晶體管各 自的閾值，而Kp和Kn是pM0S晶體管和nM0S晶體管各自的跨導。對于給定的電源電壓Vdd，每個普通反相器PIij的閾值Vth取決 于反相器中的pM0S晶體管和nM0S晶體管的溝道長度L。對于考慮的 CMOS技術，隨著其M0S晶體管溝道長度L變化，CM0S普通反相器PIi j 的振蕩頻率f0隨著溫度的變化是非常不同的。例如，如果考慮 PHILIPS的90 nmCMOS技術，對于粗略的L〈2 ,，振蕩頻率f0隨著 溫度增大，并且斜率隨著溝道長度L變小而變得更陡。對于粗略的 L>2 jam，振蕩頻率f0隨著溫度增小，并且斜率隨著L變大而變得更 陡。最后，如果L大約等于2 pm，那么對溫度的依賴度則降低。換句話說，改變M0S晶體管的溝道長度L就改變了它們的普通 反相器PIij的閾值VTH，于是造成不同的振蕩頻率f0。由于存在與每種CMOS技術的最佳溝道長度L。Pt (例如，對于 PHILIPS的90 nmCM0S技術，L。pt=2 ,)相關的最佳溫度穩定性，那 么理論上，集成振蕩器可以僅僅包括串聯布置的兩個普通反相器并且 每個反相器都包括具有最佳溝道長度L。Pt的M0S晶體管。然而，由于作為溫度的函數的振蕩頻率f0的變化是曲線而不是 直線，所以，實際上，就算可能的話也很難通過選擇大約等于最佳溝 道長度L。pt的溝道長度而在很大的溫度范圍內實現高度穩定的振蕩 頻率f0。在某些應用中，昂貴的石英振蕩器可被諸如本發明描述的高度 穩定的RC振蕩器取代。這就是為什么本發明為考慮中的C0MS技術提 出這樣的建議，用兩個補償反相器CIi取代(串聯布置的)兩個普通 反相器，其中每個補償反相器包括串聯布置的、并且包括溝道長度分 別小于或大于最佳溝道長度L。pt的M0S晶體管的兩個普通反相器 Plij。在確定了每個補償反相器CIi的第一普通反相器PIil和第二普 通反相器P工i2的理論溝道長度值之后，必須調節至少一個補償反相 器CIi的第一普通反相器PIil和最佳溝道長度L。pt之間的溝道長度 差和/或至少一個補償補償反相器CIi的第二普通反相器PIi2和最佳 溝道長度L。pt之間的溝道長度差。通過合適地調節所述溝道長度差，還有可能在大溫度范圍內和整個工藝過程上實現很好的頻率穩定性。這樣，在-4(TC到+ 12(TC的 溫度范圍內，以及在整個工藝過程上，可以實現高達大約+/-0. 3%的 頻率穩定性，這比某些當前水平的集成振蕩器好超過ioo倍并且比當 前最好的集成振蕩器好至少60倍。由于在整個溫度范圍和工藝過程的高頻率穩定性，使用了根據 本發明的補償反相器的RC振蕩器將有望能夠代替許多當前正在使用 的許多石英振蕩器，并且找到廣泛的應用空間。這種集成振蕩器10不僅可以在CMOS技術中實現，而且可以在 BICM0S技術中實現。本發明并不限于上述僅僅作為示例的集成振蕩器(10)、集成 開關模式功率轉換器(IS)、和電子設備的實施例，本發明還包括本 領域技術人員在權利要求的范圍內所考慮出的所有替換實施例。
權利要求
1.一種用于集成電路的集成振蕩器(I0)，其特征在于包括串聯布置的第一補償反相器(CI1)和第二補償反相器(CI2)，并且每個都包括并聯布置的、且包括溝道長度分別小于和大于最佳溝道長度的多個晶體管的第一普通反相器(PI11；PI21)和第二普通反相器(PI12；PI22)，所述第一補償反相器(CI1)具有分別連接至第一節點(N1)和第二節點(N2)的輸入端和輸出端，并且所述第二補償反相器(CI2)具有分別連接至所述第二節點(N2)和第三節點(N3)的輸入端和輸出端，電阻器(R)，其具有選定的電阻值，并且其包括分別連接至所述第一節點(N1)和所述第二節點(N2)的第一端和第二端，電容器(C)，其包括分別連接至所述第一節點(N1)和所述第三節點(N3)的第一端和第二端，并且其具有選定的電容值以對自己進行充電和放電從而以要求的振蕩頻率(f0)周期性地傳遞時鐘信號。
2. 如權利要求1所述的集成振蕩器，其特征在于所述要求的振 蕩頻率(f0)由所述選定的電阻值和所述選定的電容值確定。
3. 如權利要求1和2之一所述的集成振蕩器，其特征在于所述 第一普通反相器(Pill; PI21)和所述最佳溝道長度之間的溝道長度 差和/或所述第二普通反相器(PI12; PI22)和所述最佳溝道長度之 間的溝道長度差被選擇來使得所述要求的振蕩頻率(f0)在整個要求 的溫度范圍內保持恒定。
4. 如權利要求3所述的集成振蕩器，其特征在于第一普通反相 器(Pill; PI21)和所述最佳溝道長度之間的溝道長度差和/或所述 第二普通反相器(PI12; PI22)和所述最佳溝道長度之間的溝道長度 差被選擇來使得所述要求的振蕩頻率(f0)在整個工藝過程中保持恒 定。
5. 如權利要求1至4之一所述的集成振蕩器，其特征在于每個 普通反相器(PIij)包括一個pMOS晶體管(Tl; Tl')和一個nM0S 晶體管(T2; T2')，它們每個均具有柵極、源極和漏極，所述pM0S 晶體管柵極連接至所述第一節點(Nl)或所述第二節點(N2)，所述 pM0S晶體管源極連接至電源節點(Vdd),所述pM0S晶體管漏極連接 至所述第二節點(N2)或所述第三節點(N3)，所述nMOS晶體管柵 極連接至所述pMOS晶體管柵極，所述nM0S晶體管源極連接至地，并 且所述nM0S晶體管漏極連接至所述pM0S晶體管漏極。
6. —種集成開關模式電源(IS)，其包括i)集成振蕩器(IO)， 其被布置成根據要求的振蕩頻率(fO)在輸出端傳遞周期性時鐘信號； 和ii) DC-DC轉換器(CV)，其包括第一輸入端，所述第一輸入端 用來連接至電源(BAT)以被饋入輸入DC電壓(Vbat);第二輸入端，所述第二輸入端被連接至所述振蕩器輸出端；和輸出端，用于傳遞具 有低于或者高于所述輸入DC電壓(Vbat)的選定電壓的輸出DC電壓 (V。)；所述集成開關模式電源特征在于所述集成振蕩器(10)是如 權利要求1至5之一所述的集成振蕩器。
7. —種電子設備(UE)，其包括i)電池(BAT)，被布置用 于傳遞輸入DC電壓(Vbat) ; ii)集成開關模式電源(IS),被布置 用于將所述輸入DC電壓(VBAT)轉換成更低或者更高的DC電壓(V。)；和iii)至少一個電路(CC)，其被所述更低或者更高的DC電壓(V。) 供電；所述電子設備特征在于所述集成開關模式電源(IS)是如權利 要求6所述的集成開關模式電源。
8. 如權利要求1至5之一所述的集成振蕩器(10)的應用，用 以傳遞高度穩定的時鐘信號。
全文摘要
一種用于集成電路的集成振蕩器(I0)，其包括i)串聯布置的第一補償反相器(CI1)和第二補償反相器(CI2)，并且每個都包括并聯布置的、且包括溝道長度分別小于和大于最佳溝道長度的多個晶體管的第一普通反相器(PI11；PI21)和第二普通反相器(PI12；PI22)，所述第一補償反相器(CI1)具有分別連接至第一節點(N1)和第二節點(N2)的輸入端和輸出端，并且所述第二補償反相器(CI2)具有分別連接至所述第二節點(N2)和第三節點(N3)的輸入端和輸出端，ii)電阻器(R)，其具有選定的電阻值，并且其包括分別連接至所述第一節點(N1)和所述第二節點(N2)的第一端和第二端，iii)電容器(C)，其包括分別連接至所述第一節點(N1)和所述第三節點(N3)的第一端和第二端，并且其具有選定的電容值以對自己進行充電和放電從而以要求的振蕩頻率周期性地傳遞時鐘信號。
文檔編號H03K3/00GK101243610SQ200680030550
公開日2008年8月13日 申請日期2006年8月3日 優先權日2005年8月24日
發明者Z·王 申請人:Nxp股份有限公司