專利名稱：一種基于cmos工藝實現的全硅時鐘發生器的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種時鐘發生器，尤其涉及一種基于CMOS工藝的時鐘發生器。
背景技術：
在各種電子系統中，時鐘信號為一不可或缺的參考信號，從微處理器中的時鐘產 生到蜂窩電話中的載波合成，以及測量、遙控和自動控制等領域都有著廣泛的應用。通常， 電子系統中的時鐘信號通過設置于電子系統外部的石英晶體振蕩器產生一參考時鐘信號， 再由系統中的鎖相回路依據該參考時鐘信號，輸出一個較高頻的時鐘信號供內部電路使 用。然而，通過石英晶體振蕩器產生時鐘信號的方法，雖然可以產生一較精準的時鐘信號， 但該方法需要引腳來接收參考時鐘信號，這將花費較高的引腳成本。隨著技術的發展，出現了一種利用CMOS工藝可片內實現的時鐘電路，其在沒有外 加輸入信號的情況下，依靠電路自激振蕩而產生周期性輸出信號。上述能夠產生自激振蕩 的一般是RC振蕩器或者是環行振蕩器，RC振蕩器的結構簡單，易于實現，但精度較差，其隨 溫度和電源電壓的變化很大，一般應用在對時鐘精度要求不高的場合中；為了獲得較好的 精度，振蕩器采用環形結構，其通常由若干個具有一定增益的延遲電路以閉環形式組成，但 該類振蕩器的缺點是電路較為復雜，而且溫度特性、工藝穩定性和電源抑制能力也較差，本 申請正是針對環形振蕩器的時鐘電路而進行的改進。
發明內容
本發明目的是提供一種具有溫度補償和工藝補償性能從而具有良好的溫度特性、 工藝穩定性的基于CMOS工藝實現的全硅時鐘發生器。為了達到上述目的，本發明所采用的技術方案為一種基于CMOS工藝實現的全硅 時鐘發生器，其包括輸出端相依次連接的溫度補償電流源、工藝補償電路、V-I轉換電路、環 路振蕩電路和整形電路，所述溫度穩定電流源用以提供進行溫度補償后的電流；所述的工 藝補償電路用于提供減少CMOS工藝偏差的電壓；所述的V-I轉換電路用以將經補償后的 電壓轉換為電流輸出；所述的環路振蕩電路根據接收的電流大小以產生相應頻率的時鐘信 號；所述的整形電路用以對時鐘信號進行整形及分頻后輸出。進一步地，所述的溫度補償電流源由具有正溫度系數電流和具有負溫度系數電流 按比例疊加而成，所述的正負溫度系數電流可根據需求調節。所述的工藝補償電路兩二極管相串聯而成，所述的二極管用于感應CMOS工藝的 變化以輸出經補償的電壓至V-I轉換電路。所述的二極管分別與一 NMOS管和PMOS管組成，所述的NMOS管柵極與PMOS管柵 極相連接，所述的NMOS管漏極與PMOS管漏極相連接，且NMOS管的柵極與漏極相連接，PMOS 管柵極與漏極相連接，所述的NMOS管源極與電源相連接，所述的PMOS管源極接地。所述的V-I轉換電路包括第二運放、與第二運放同相和反相輸入端相鏡像連接的 第四MOS管和第五MOS管、第三運放、與第三運放同相和反相輸入端相鏡像連接的第七MOS管和第八MOS管，通過控制第四MOS管和第五MOS管的源漏極之間電壓以及第七MOS管和 第八MOS管的源漏極之間電壓，使得V-I轉換電路輸出精準的鏡像電流。所述的環形振蕩器包括至少一個延時單元，每個延時單元主要由兩鏡像連接的 MOS管以及與MOS管相電連接的充電電容組成。所述的整形電路為施密特觸發器電路。由于采用上述技術方案，本發明具有以下優點本發明采用了溫度和工藝補償電 路，保證了 CMOS時鐘電路具有良好的溫度和工藝穩定性，同時具有較強的電源抑制能力， 而且電路結構簡單，時鐘精度高，可作為石英晶體振蕩器、陶瓷諧振器等電路的替代品，作 為時鐘源使用。同時，由于電路采用的是CMOS工藝，無需外掛晶體或其他無源器件，如電容 等，從而降低了電路成本和功耗。
附圖1為本發明全硅時鐘發生器總體原理框體；附圖2為本發明溫度補充電流源原理框圖；附圖3為本發明工藝補充電路圖；附圖4為本發明V-I轉換電路圖；附圖5為本發明環形振蕩器的單元電路圖；附圖6為本發明整形輸出電路圖；其中11、溫度補償基準源、12、工藝補償電路；13、V_I轉換電路；14、環形振蕩器； 15、整形電路。
具體實施例方式下面結合附圖，對本發明優選的具體實施例進行說明如圖1所示的全硅時鐘發生器，其依次由溫度補償基準源11、工藝補償電路12、 V-I轉換電路13、環形振蕩器14以及整形電路15連接而成，溫度補償基準源11用于接收 輸入的電源電壓，并對輸入的電壓根據外界溫度的變化進行溫度補償以輸出穩定的電壓或 電流信號供給工藝補償電路12，工藝補償電路12接收基準源輸出的電壓或電流信號并根 據整個時鐘發生電路的工藝偏差進行工藝補償，以輸出經補償后的控制電壓Vctrl，該控制 電壓Vctrl輸出至V-I轉換電路13轉換為電流信號輸出。電流信號輸入至環形振蕩器14， 環形振蕩器14產生時鐘信號，經過整形輸出電路15輸出穩定的設定頻率的系統時鐘。上 述溫度補償基準源11、工藝補償電路12、V-I轉換電路13、環形振蕩器14以及整形輸出電 路15采用CMOS工藝集成為一個芯片或與其它電路集成在一個片內。下面將對結合具體實 施電路對各功能電路實現及其原理進行說明圖2所示的為溫度補償基準源11原理電路，其由具有正溫度系數電流和具有負溫 度系數電流按比例疊加而成，該疊加系數的確定由V-I轉換電路13、環形振蕩器14以及整 形電路15所累加的總的溫度系數決定。通過電流鏡像產生輸出電流Il給工藝補償電路 12。而且各正負溫度系數電流可根據需求調節。圖3為所示的為工藝補償電路12具體實施電路，該工藝補償電路12由NMOS 二極 管麗和PMOS 二極管MP串連構成。當MOS管工藝發生變化時，如MOS模型由tt變到ff時，MOS管的柵氧化層厚度變薄，閾值減小，NMOS 二極管麗和PMOS 二極管MP的等效電阻變小， 因此輸出電壓Vctrl變小，由于Vctrl變小，則通過V-I轉換電路13的電流減小，則振蕩器 延遲時間變大。對于環形振蕩器14，由于MOS管閾值變小，延遲時間變小，因此該工藝補償 電路12通過適當調整NMOS 二極管麗和PMOS 二極管MP的寬長比W/L即能補償振蕩器延 遲時間的變化。圖4所示的為V-I轉換電路13具體實施電路，該V-I轉換電路13為了保證精準的 鏡像電流Bias，采用了運放嵌位的方式強制PMOS管M4和M5的VDS及NMOS管M7和M8的 VDS相等，具體電路包括三級運放，第一級運放Al的同相輸入端與工藝補償電路輸出Vctrl 相電連接，其反相輸入端通過電阻RO接地。第一運放Al輸出端與MOS管M3柵極相連接； 第二運放的同相和反相輸入端分別與MOS管M4和M5的柵極相電連接，MOS管M4和M5之 間鏡像連接，且MOS管M3的源極與MOS管M4的漏極相連接。第二運放的輸出端與MOS管 M6的柵極相連接，第三運放A3的同相和方向輸入端同樣通過兩相鏡像連接的MOS管M7和 M8與前一級運放相連接。在寬長比一定的情況下，能夠保證很好的鏡像電流rtias。圖5所示的為環形振蕩器14具體實施電路，環形振蕩器14采用電流對電容充放 電的方法實現振蕩。通過V-I轉換電路輸出的鏡像電流Ibias輸入到環形振蕩器14中PMOS 管M2的漏端，通過環形振蕩器14中PMOS管Ml的鏡像對電容C進行充放電，來實現一定的 延遲時間。環形振蕩器14 一般是由3 5級延遲單元構成，前一級的輸出作為后一級的輸 入，多個延遲單元一起構成一個環路。MOS管工藝參數的變化和溫度變化對環形振蕩器14 的振蕩頻率有影響。圖6為本發明采用的整形電路15，整形電路15采用施密特觸發器結構，由MOS管 M41、M42、M43、M44、M45和M46構成，該結構對環形振蕩器14輸出信號vf進行整形產生最 終的輸出信號Vout。上述實施例只為說明本發明的技術構思及特點，其目的在于讓熟悉此項技術的人 士能夠了解本發明的內容并據以實施，并不能以此限制本發明的保護范圍，凡根據本發明 精神實質所作的等效變化或修飾，都應涵蓋在本發明的保護范圍之內。
權利要求
1.一種基于CMOS工藝實現的全硅時鐘發生器，其包括輸出端相依次連接的溫度補償 電流源、工藝補償電路、V-I轉換電路、環路振蕩電路和整形電路，所述溫度穩定電流源用以 提供進行溫度補償后的電流；所述的工藝補償電路用于提供減少CMOS工藝偏差的電壓；所 述的V-I轉換電路用以將經補償后的電壓轉換為電流輸出；所述的環路振蕩電路根據接收 的電流大小以產生相應頻率的時鐘信號；所述的整形電路用以對時鐘信號進行整形及分頻 后輸出。
2.根據權利要求1所述的一種基于CMOS工藝實現的全硅時鐘發生器，其特征在于所 述的溫度補償電流源由具有正溫度系數電流和具有負溫度系數電流按比例疊加而成，所述 的正負溫度系數電流可根據需求調節。
3.根據權利要求1所述的一種基于CMOS工藝實現的全硅時鐘發生器，其特征在于所 述的工藝補償電路兩二極管相串聯而成，所述的二極管用于感應CMOS工藝的變化以輸出 經補償的電壓至V-I轉換電路。
4.根據權利要求3所述的一種基于CMOS工藝實現的全硅時鐘發生器，其特征在于所 述的二極管分別與一 NMOS管和PMOS管組成，所述的NMOS管柵極與PMOS管柵極相連接，所 述的NMOS管漏極與PMOS管漏極相連接，且NMOS管的柵極與漏極相連接，PMOS管柵極與漏 極相連接，所述的NMOS管源極與電源相連接，所述的PMOS管源極接地。
5.根據權利要求1所述的一種基于CMOS工藝實現的全硅時鐘發生器，其特征在于所 述的V-I轉換電路包括第二運放、與第二運放同相和反相輸入端相鏡像連接的第四MOS管 和第五MOS管、第三運放、與第三運放同相和反相輸入端相鏡像連接的第七MOS管和第八 MOS管，通過控制第四MOS管和第五MOS管的源漏極之間電壓以及第七MOS管和第八MOS管 的源漏極之間電壓，使得V-I轉換電路輸出精準的鏡像電流。
6.根據權利要求1所述的一種基于CMOS工藝實現的全硅時鐘發生器，其特征在于所 述的環形振蕩器包括至少一個延時單元，每個延時單元主要由兩鏡像連接的MOS管以及與 MOS管相電連接的充電電容組成。
7.根據權利要求1所述的一種基于CMOS工藝實現的全硅時鐘發生器，其特征在于所 述的整形電路為施密特觸發器電路。
全文摘要
本發明涉及一種基于CMOS工藝實現的全硅時鐘發生器，其包括輸出端相依次連接的溫度補償電流源、工藝補償電路、V-I轉換電路、環路振蕩電路和整形電路，溫度穩定電流源用以提供進行溫度補償后的電流；工藝補償電路用于提供減少CMOS工藝偏差的電壓；V-I轉換電路用以將經補償后的電壓轉換為電流輸出；環路振蕩電路根據接收的電流大小以產生相應頻率的時鐘信號；整形電路用以對時鐘信號進行整形及分頻后輸出。本發明采用了溫度和工藝補償電路，保證了CMOS時鐘電路具有良好的溫度和工藝穩定性，同時具有較強的電源抑制能力，而且電路結構簡單，時鐘精度高，可作為石英晶體振蕩器、陶瓷諧振器等電路的替代品，作為時鐘源使用。
文檔編號H03K3/011GK102064801SQ20101053426
公開日2011年5月18日 申請日期2010年11月8日 優先權日2010年11月8日
發明者呂江平, 唐興剛, 張紫乾, 白濤, 賀克軍, 龍善麗 申請人:中國兵器工業集團第二一四研究所蘇州研發中心