專利名稱：一種電阻電容型環形振蕩器的制作方法
技術領域：
本實用新型屬于模擬集成電路技術，具體涉及一種電阻電容型(RC) 環形振蕩器，該電路能在寬工作電壓范圍內提供高穩定度的振蕩頻率。
背景技術：
振蕩器在集成電路應用中非常廣泛，是許多電子系統的主要部分，從 微處理器的時鐘到蜂窩電話中的載波合成，而鎖相環(PLL)中，振蕩器更 是不可或缺的部分。LC振蕩器因為其占用面積大的原因，在某些微型電路 中的應用受到了很大的限制，因此面積相對較小、穩定度較高的，特別是 寬工作電壓范圍的RC振蕩器的設計，就成為現在模擬集成電路中的一個熱 點。因為振蕩頻率跟尾電流源密切相關，電路中我們考慮一種理想的電流 源，實際上只需使電流源與電源電壓弱相關，便可實現寬工作電壓范圍， 高穩定度的振蕩電路。當一個電路環路增益在其相移為360。時大于0dB，電路便會產生振蕩， 這便是巴克豪森準則。 一般的RC環形振蕩器由多級相同的電路組成，比如 說，常用的單端環形振蕩器為三級，五級，雙端可為三四五級，因為每一 級最多可產生卯。的相位平移，對三級環形振蕩器來說，每一級產生60。的 相移，只需要總的增益足夠，便可以產生振蕩，但是一般的這種環形振蕩 器要使得振蕩頻率穩定，往往會需要較為復雜的電路。發明內容本實用新型的目的在于提供一種電阻電容型環形振蕩器，該振蕩器可 以在寬工作電源電壓范圍下提供高穩定度的振蕩頻率。本實用新型提供的電阻電容型環形振蕩器，其結構為第一 PMOS管為二極管連接，并與第一 NMOS管串聯，第一 PMOS 管的源極接外接電源，第一NMOS管的源極接地；第二 PMOS管柵極與第一 PMOS管柵極相連，第二 PMOS管的源極接 外接電源，第二PMOS管的漏極與電流源的正端相接，電流源的負端接地;第三PMOS管與第三NMOS管串聯，電容CI接在第三PMOS管的柵 極和外接電源之間，電阻R1接在第三NMOS管的柵極和漏極之間，第三 PMOS管的源極接外接電源，第三NMOS管的源極接地；第四PMOS管柵極與第二 PMOS管漏極相連，第四NMOS管柵極與第 三NMOS管漏極相連，第四PMOS管的源極接外接電源，第四NMOS管 源極接地。本實用新型的特征是環路的傳輸函數在第一增益相位調制支路產生一 個低頻左半平面的零點的同時，通過第二增益相位調制支路，向第二電流 通路耦合了一個右半平面的零點，以至于總的電路傳輸函數中，在OdB附 近，增益忽然上升，而相移繼續下降，以在相移360。下的系統增益能在0dB 以上，從而滿足巴克豪森準則以達到振蕩的目的。該振蕩器結構簡單，實 現成本低，能夠在2.7 — 5V的工作范圍內產生頻率為1.544M的振蕩，其穩 定度可以達到407ppm。
圖1為本實用新型電阻電容型環形振蕩器的結構示意圖； 圖2為開環狀態下圖1中第一電流通路I的交流小信號等效電路圖； 圖3為開環狀態下圖1中第二電流通路II的交流小信號等效電路圖； 圖4為開環狀態下圖1中第一增益相位調制支路III的交流小信號等效 電路圖。
具體實施方式
以下結合附圖和實例對本實用新型作進一步詳細的說明。如圖1所示，本實用新型電阻電容型環形振蕩器包括第一電流通路I 、第二電流通路n 、第一增益相位調制支路ni和第二增益相位調制支路iv。第一電流通路I包括第一 NMOS管Ml和第一 PMOS管M2，第一 PMOS管M2為二極管連接，并與第一 NMOS管Ml串聯，第一 PMOS管 M2的源極接外接電源Vcc，第一 NMOS管Ml的源極接地gnd。第二電流通路II由第二PMOS管M3與電流源Iss串聯構成，其中，第 二 PMOS管M3柵極與第一 PMOS管M2柵極相連，第二 PMOS管M3的 源極接外接電源Vcc，第二 PMOS管M3的漏極與電流源Iss的正端相接， 電流源Iss的負端接地gnd。第一增益相位調制支路III包括電容Cl，電阻Rl，第三PMOS管M5 與第三NMOS管M6，其中，第三PMOS管M5與第三NMOS管M6串聯， 電容Cl接在第三PMOS管M5的柵極和外接電源Vcc之間，電阻Rl接在 第三NMOS管M6的柵極和漏極之間，第三PMOS管M5的源極接外接電 源Vcc，第三NMOS管M6的源極接地gnd。第二增益相位調制支路IV由第四PMOS管M7與第四NMOS管M8串聯 構成，其中第四PMOS管M7柵極與第二PMOS管M3漏極相連，第四NMOS 管M8柵極與第三NMOS管M6漏極相連，第四PMOS管M7的源極接外 接電源Vcc，第四NMOS管M8源極接地gnd。電阻電容型環形振蕩器中，第二電流通路II的電流源Iss，為整個電路 提供穩定電流，由于第四PMOS管M7在直流工作點工作于線性區，柵漏 電容比較大，以至于能與柵源電容進行比擬，使得第二增益相位調制支路iv放大穩定信號的同時，通過柵漏電容反饋影響第二電流通路n。圖中虛線圈表示求開環傳輸函數時由此處斷開。第二電流通路n為高增益極，并產生主極點，其交流小信號等效圖如圖3，對節點B，根據基爾霍夫電流定律得(不考慮通過M7的柵漏電容 Cgd7的反饋)<formula>formula see original document page 5</formula>(1) 可得-<formula>formula see original document page 6</formula>g中Csi = Cft3 + Ci + Cgrf + O(l + A3) Ci + Cg,5 ( 3 )Cdb3為PMOS管M3的漏襯電容，Cgs5為PMOS管的柵源電容，Cgd5 為PMOS管的柵漏電容，Av3為第三級低頻增益。可得主極點為 1(4)Cgl和ro3皆很大，所得頻率很低，可低至1K左右。 第一增益相位調制支路III產生一個左半平面得低頻零點，如圖4，對節 點C，根據基爾霍夫電流定律得<formula>formula see original document page 6</formula>(5)得:K訓"— gm5[i l(Cgs'6 + C-)^ + 1]/W1 ( 6 )卩3 (1 + 5T卯,lC^2)[i l(C^6 + Cg"6)S + 1] + [(g"'6 + Cp6)(1 + si lCg"6)]廠訓,1其中<formula>formula see original document page 6</formula>( 7 )廠訓n =廠"5 〃&6 (8)Cdb6和Cdb5分別為M6和M5的漏襯電容，Cgs8和Cgd8分別為M8 的柵源電容和柵漏電容，Cgd5 (l + l/Av3)為M5的柵漏電容的密勒等效 電容。產生的左半平面的零點為<formula>formula see original document page 6</formula>此處R1較大，Cgs6也較大，產生的零點頻率可低至50K左右。 由于第二增益相位調制支路IV的PMOS管M7處于線性區，M7的柵漏 電容較大，使得輸出Vout2可以反饋影響V3，但是正因如此，此級電路無 法用飽和區的MOS交流小信號等效。對于此級的大信號電流來說，同樣根 據基爾霍夫電流定律<formula>formula see original document page 0</formula> (10)可得<formula>formula see original document page 0</formula>分別對V3求導<formula>formula see original document page 0</formula>適當選取gm7和gds7的值，可得一右半平面的極點^/g:—g"^約為2MHz。這里Vgs7與Vds7是相互影響的變量，推導中做了近似處理。Vout2通過Vgd7反饋影響V3，但對主極點的位置影響不大，對節點B， 根據基爾霍夫電流定律得(考慮通過M7的柵漏電容的反饋)h(丄+ sCgi) + sO(73 - r。"'2) + gm3F2 = 0 (14)r。3 射Cgl = Cft3 + Cl + Cg.、.5 + CgW + Cgrf3 + Cgrf5 + Cgd7 Cl + CgW + Cgs7 (15)得F3 gm3K2 丄+ (。 + C - sO//*)n)3(16)第一電流通路I產生第一次主極點，其交流小信號等效圖如圖2所示， 在節點A，根據KCL:P%yC/i + i + g",2) + g",ih = 0 (17)1/ro2較gm2可以忽略，得—_(18)產生一個左半平面的極點，為^，大小比右半平面的零點略小。根據式(6) (13) (16)可得第二電流通路n含有三個零點， 一個右半平面的零點(g"'7—gA7)和兩個左半平面的零點，在環路傳輸函數中，這兩個左半平面的零點與第一增益相位調制支路的兩個極點抵消，因此我們可以得到較低頻下環路傳輸函數的總的零極點為7T^(主極點)，|(左 半平面的零點)，(gm7，(右半平面的零點)，^ (次主極點)其他C必8 + Cgt/7 + C必l Cdl的零極點都處于較高頻。電流源Iss的電流值是可變的，并且頻率變化與電流源Iss電流值基本成線性，若采用可控電流源，可實現可控頻率的RC振蕩電路。需要特別注意的是第四PMOS管M7尺寸的選取，因為其小信號電阻 和跨導決定這個零點的大小和極性，其寬長比選取范圍為4~8。
權利要求1、一種電阻電容型環形振蕩器，其特征在于該振蕩器的結構為第一PMOS管(M2)為二極管連接，并與第一NMOS管(M1)串聯，第一PMOS管(M2)的源極接外接電源，第一NMOS管(M1)的源極接地；第二PMOS管(M3)柵極與第一PMOS管(M2)柵極相連，第二PMOS管(M3)的源極接外接電源，第二PMOS管(M3)的漏極與電流源的正端相接，電流源的負端接地；第三PMOS管(M5)與第三NMOS管(M6)串聯，電容C1接在第三PMOS管(M5)的柵極和外接電源之間，電阻R1接在第三NMOS管(M6)的柵極和漏極之間，第三PMOS管(M5)的源極接外接電源，第三NMOS管(M6)的源極接地；第四PMOS管(M7)柵極與第二PMOS管(M3)漏極相連，第四NMOS管(M8)柵極與第三NMOS管(M6)漏極相連，第四PMOS管(M7)的源極接外接電源，第四NMOS管(M8)源極接地。
專利摘要本實用新型公開了一種電阻電容型環形振蕩器，它包括二個電流通路和二個增益相位調制支路；第一電流通路包括NMOS管M1和PMOS管M2；第二電流通路由PMOS管M3與電流源Iss串聯構成；第一增益相位調制支路包括電容C1，電阻R1，PMOS管M5與NMOS管M6；第二增益相位調制支路由第四PMOS管與第四NMOS管串聯構成。本實用新型的特征是環路的傳輸函數在第一增益相位調制支路產生一個低頻左半平面的零點的同時，通過第二增益相位調制支路，向第二電流通路耦合了一個右半平面的零點，滿足巴克豪森準則以達到振蕩的目的。該振蕩器結構簡單，實現成本低，能夠在2.7-5V的工作范圍內產生頻率為1.544M的振蕩，其穩定度可以達到407ppm。
文檔編號H03B5/24GK201118523SQ200720088238
公開日2008年9月17日 申請日期2007年11月16日 優先權日2007年11月16日
發明者賀黌胤, 鄒志革, 鄒望輝, 鄒雪城, 雷鑑銘 申請人:華中科技大學