振蕩器電路的制作方法與工藝

本發明涉及振蕩器，更特別地，涉及用于抵消漂移變化的具有采樣電流補償的振蕩器。

背景技術：
在很多電子電路應用中可發現振蕩器電路，其通常用于產生時鐘信號，以控制電路的定時或控制裝置的邏輯狀態。例如，振蕩器電路可以與例如DC/DC轉換器、音頻接收機、計數器、移相器、微處理器和FM(頻率調制)電路的許多電路結合使用。典型地，振蕩電路提供的時鐘信號的頻率主要由一個或多個電容器的充電和放電決定。上述充電和放電通常由提供充電電流給電容器的恒流源或電流鏡來控制，并且通過控制跨電容器耦合的晶體管來影響放電。然而，環境溫度的變化和工藝制作偏移可導致這些電容器和晶體管電特性的變化，從而導致時鐘信號頻率改變。因此，如果振蕩器電路可配置為減少由環境溫度變化導致的時鐘信號頻率變化的影響，這將是有益的。

技術實現要素：
根據本發明的一個方面，提供一種振蕩器電路，包括：信號發生器，具有補償頻率輸出節點，其中，在工作時，所述信號發生器在所述補償頻率輸出節點提供補償頻率信號；脈沖發生器，具有脈沖信號輸出節點和耦合至所述補償頻率輸出節點的脈沖發生器輸入節點，其中，在工作時，所述脈沖發生器在所述脈沖信號輸出節點處將所述補償頻率信號轉換為一串補償二進制脈沖，所述補償二進制脈沖具有大致恒定的脈沖持續時間，而不管所述補償二進制脈沖的占空比的變化；以及振蕩器模塊，包括至少兩電容器、振蕩器輸出節點和耦合至所述脈沖信號輸出節點的脈沖信號輸入節點，其中，在工作時，所述振蕩器在所述振蕩器輸出節點提供輸出信號，所述輸出信號所處在的頻率取決于所述電容器的充電速率，并且其中，所述電容器的電特性漂移變化由提供至所述脈沖信號輸入節點的所述補償二進制脈沖的占空比變化所抵消，從而維持所述電容器的充電速率大致恒定。根據本發明的第二方面，提供一種振蕩器模塊，包括：振蕩器輸出節點和脈沖信號輸入節點；以及至少兩電容器，其中，每個電容器的第一電極通過充電電流鏡的相應的充電電流鏡晶體管耦合至電源電壓節點；每個電容器的第二電極耦合至返回電壓節點，并且其中，每個電容器的第一電極通過相應的放電晶體管耦合至返回電壓節點，以及進一步通過充電電流控制晶體管耦合至返回電壓節點，所述充電電流控制晶體管的柵極耦合至補償脈沖輸入節點，其中，在工作時，所述振蕩器在所述振蕩器輸出節點提供輸出信號，所述輸出信號所處在的頻率取決于所述電容器的充電速率，并且其中，所述電容器電子特性的漂移變化由提供至所述脈沖信號輸入節點的補償二進制脈沖的占空比變化所抵消，從而維持所述電容器的充電速率的大致恒定。附圖說明通過參考下述的優選實施例的說明以及附圖，可更好理解本發明以及其相關的目標和優點。在附圖中：圖1是根據本發明優選實施例的振蕩器電路的示意電路圖；圖2是根據本發明實施例的圖1的振蕩器電路的信號發生器的示意電路圖；圖3是根據本發明優選實施例的圖1的振蕩器電路的脈沖發生器的優選實施例的示意電路圖；圖4是根據本發明優選實施例的圖3的脈沖發生器的比較器的實現的示意電路圖；圖5是說明通過圖1的振蕩器電路產生的補償頻率信號和補償二進制脈沖之間關系的波形圖；圖6是說明在圖5的補償二進制脈沖上漂移的影響的波形圖；圖7是根據本發明優選實施例的圖1的振蕩器電路的振蕩器模塊的示意電路圖；以及圖8是根據本發明優選實施例的說明在圖7的振蕩器模塊的振蕩器輸出節點提供輸出信號的方法的流程圖。具體實施方式下述與附圖有關的詳細說明是作為本發明目前優選實施例的說明，并不作為代表本發明可被實現的唯一形式。應當理解，意圖為被包含在本發明實質和范圍內的不同的實施例可完成相同或等效的功能。在附圖中，相同的數字自始至終用于指示相同的元件。此外，詞語“包含”，“包括”或其他任何由此的變形，是用于表明覆蓋了一種非排除式的包含，例如包含的一系列元件的模塊、電路、裝置組件、方法步驟和結構，不是只有那些所列的元件，而是還可能包含其他沒有明確列出來的元件或那些模塊、電路、步驟或裝置組件所固有的元件。如果沒有更多的限制，通過“包含”描述的元件或步驟，不排除存在包括元件或步驟的另外的相同的元件或步驟。此外，在本說明書中，術語柵極、源極和漏極可分別與術語基極、發射極和集電極互換。在一個實施例中，本發明提供了一種振蕩器電路，其包括具有補償頻率輸出節點的信號發生器，其中在工作時，信號發生器在補償頻率輸出節點提供補償頻率信號。具有脈沖信號輸出節點和脈沖發生器輸入節點的脈沖發生器耦合到補償頻率輸出節點。脈沖發生器在脈沖信號輸出節點將補償頻率信號轉換為一串補償二進制脈沖，補償二進制脈沖具有大致恒定的脈沖持續時間而不管補償二進制脈沖的占空比變化。振蕩器電路還具有振蕩器模塊，其包括至少兩個電容器、振蕩器輸出節點和耦合至脈沖信號輸出節點的脈沖信號輸入節點。振蕩器模塊在振蕩器輸出節點提供輸出信號，輸出信號所處在的頻率取決于電容器的充電速率。電容器電特性的漂移變化通過提供給脈沖信號輸入節點的補償二進制脈沖的占空比變化所抵消，從而維持電容器充電速率的大致恒定。在另一個實施例中，本發明提供了一種振蕩器模塊，其包括振蕩器輸出節點和脈沖信號輸入節點。提供了至少兩個電容器，其中每個電容器的第一電極通過充電電流鏡的相應的充電電流鏡晶體管耦合到電源電壓節點。每個電容器的第二電極耦合至返回電壓節點，而且每個電容器的第一電極通過相應的放電晶體管而耦合至返回電壓節點。每個電容器的第一電極進一步通過充電電流控制晶體管而耦合至返回電壓節點，充電電流控制晶體管具有耦合至補償脈沖輸入節點的柵極。振蕩器模塊在振蕩器輸出節點提供輸出信號；輸出信號所處在的頻率取決于電容器的充電速率。電容器電特性的漂移變化通過提供給脈沖信號輸入節點的補償二進制脈沖的占空比變化所抵消，從而維持電容器充電速率的大致恒定。在另一個實施例中，本發明提供了一種方法，用于在振蕩器模塊的輸出端產生輸出信號。該方法包括提供補償頻率信號并將補償頻率信號轉換成補償二進制脈沖，補償二進制脈沖具有大致恒定的脈沖持續時間而不管補償二進制脈沖的占空比變化。該方法進一步包括通過將部分充電電流轉移通過受補償二進制脈沖控制的充電電流控制晶體管來改變振蕩器模塊的置位(set)和復位電容器的充電電流。在該方法中還包括在振蕩器輸出端提供輸出信號的步驟。輸出信號所處在的頻率取決于置位和復位電容器的充電速率。置位和復位電容器的電特性的漂移變化被補償二進制脈沖的占空比變化抵消，從而維持了電容器大致恒定的充電速率。對本領域技術人員將是顯而易見的，本發明對于提供不會被環境溫度的變化而導致的漂移輕易影響的恒定頻率信號是特別有用的。現在參見圖1，顯示了根據本發明優選實施例的振蕩器電路100的電路圖。振蕩器電路100具有信號發生器101，信號發生器101具有補償頻率輸出節點102。在工作時，信號發生器101在補償頻率輸出節點102提供頻率為Fcs的補償頻率信號Sf。振蕩器電路100具有脈沖發生器103，脈沖發生器103具有脈沖信號輸出節點104和耦合至補償頻率輸出節點102的脈沖發生器輸入節點105。在工作時，脈沖發生器103在脈沖信號輸出節點104處將補償頻率信號Sf轉換成一串補償二進制脈沖Cp。脈沖發生器103被設計為進行運行，以使得補償二進制脈沖Cp具有大致恒定的脈沖持續時間D而不管補償二進制脈沖Cp的占空比變化。振蕩器電路100還具有振蕩器模塊106，振蕩器模塊106具有振蕩器輸出節點107和耦合至脈沖信號輸出節點104的脈沖信號輸入節點108。圖2是信號發生器101的優選實施例的電路圖。信號發生器101包括恒流源201，其耦合在一端的電源電壓節點VDD與另一端的第一參考晶體管202的漏極和柵極之間。第一參考晶體管202的柵極耦合至第一鏡像晶體管203的柵極，晶體管202、203兩者的源極都耦合至返回電壓節點(地GND)。第二參考晶體管204的源極耦合至電源電壓節點VDD，第二參考晶體管204的柵極耦合至它自己的漏極以及第一鏡像晶體管203的漏極和第二鏡像晶體管205的柵極。第二鏡像晶體管205的源極耦合至電源電壓節點VDD，第二鏡像晶體管205的漏極耦合至置位電容器206的第一電極。置位電容器206的第二電極耦合至地GND，置位電容器206的第一電極還耦合至置位放電晶體管207的漏極和置位比較器208的正輸入端。信號發生器101進一步包括置位-復位鎖存器209，置位-復位鎖存器209具有耦合至置位比較器208的輸出端的置位輸入端S。還有第三鏡像晶體管210，其源極耦合至電源電壓節點VDD，柵極耦合至第二參考晶體管204的柵極，漏極耦合至復位電容器211的第一電極。復位電容器211的第二電極耦合至地GND，復位電容器211的第一電極還耦合至復位放電晶體管212的漏極和復位比較器213的正輸入端。復位比較器213的輸出端耦合至置位-復位鎖存器209的復位輸入端R，并且比較器208、213的負輸入端耦合至公共閾值電壓參考節點Vref。置位-復位鎖存器209的輸出端Qbar耦合至復位放電晶體管212的柵極，置位-復位鎖存器209的輸出端Q耦合至置位放電晶體管207的柵極。置位放電晶體管207和復位放電晶體管212的源極耦合至地GND，并且如所示，補償頻率輸出節點102耦合至置位-復位鎖存器209的輸出端Q。然而，必要時，補償頻率輸出節點102可以耦合至置位-復位鎖存器209的輸出端Qbar。向補償頻率輸出節點102提供補償頻率信號Sf，且該補償頻率信號Sf的頻率取決于置位和復位電容器206、211的充電速率，這對本領域技術人員而言將是顯而易見的。圖3是根據本發明優選實施例的脈沖發生器103的優選實施例的電路圖。脈沖發生器103具有NMOS比較器301，其正輸入端耦合至脈沖發生器輸入節點105，輸出端耦合至PMOS比較器302的正輸入端。PMOS比較器302的輸出端耦合至與門303的第一輸入端，與門303的第二輸入端直接耦合至脈沖發生器輸入節點105。與門303的輸出端耦合至異或門304的第一輸入端，異或門304的第二輸入端直接耦合至脈沖發生器輸入節點105。異或門304的輸出端通過毛刺(glitch)消除電路308耦合至脈沖信號輸出節點104。毛刺消除電路308包括具有耦合至脈沖信號輸出節點104的輸出端的與門307和兩個串聯連接的反相器305、306。異或門304的輸出端直接耦合至與門307的第一輸入端以及間接地通過串聯的反相器305、306而耦合至與門307的第二輸入端。比較器301、302的負輸入端都耦合至公共閾值電壓參考節點Vref1。該公共閾值電壓參考節點Vref1設置為或接近補償頻率信號Sf的最大電壓(邏輯1電平)的一半。因此，參考節點Vref1的電平提供了一個從比較器301的輸入端至比較器302的輸出端的合適的延時，從而提供了延時信號至與門304的輸入端。圖4是根據本發明的優選實施例的比較器301、302的晶體管級實現400的電路圖。如圖所示，NMOS比較器301包括一對通過電流鏡電路406耦合至地GND的NMOS晶體管401、402，NMOS晶體管401、402通過電流鏡電路405耦合至電源電壓節點VDD。PMOS比較器302包括一對通過電流鏡電路408耦合至地GND的PMOS晶體管403、404，并且PMOS晶體管403、404通過電流鏡電路407耦合至電源電壓節點VDD。圖5是說明在脈沖發生器節點105接收的補償頻率信號Sf和在脈沖信號輸出節點104提供的補償二進制脈沖Cp之間關系的波形圖。如圖所示，補償二進制脈沖Cp包含在補償頻率信號Sf的上升沿的、通過脈沖發生器103產生的短時脈沖P。這些脈沖P由提供給異或門305的信號定時差來產生，由經過比較器301和302的延時引起，這些對本領域技術人員而言是顯而易見的。另外，毛刺消除電路308具有足夠的延時，從而在補償頻率信號Sf下降沿期間產生的任何短時脈沖或毛刺都不在脈沖信號輸出節點104處形成為部分的補償二進制脈沖Cp。圖6示出了在脈沖信號輸出節點104提供的補償二進制脈沖Cp，其具有隨著時間變化的占空比。在補償二進制脈沖Cp的第一周期T1期間，短時脈沖P具有持續時間D。然而，由于隨著時間的漂移，補償頻率信號Sf的頻率Fcs可變化從而導致補償二進制脈沖CP周期的變化。如圖所示，補償二進制脈沖Cp的周期增加為T1+X，但是短時脈沖P保持它的持續時間D。這是因為短時脈沖P的持續時間D通過NMOS和PMOS比較器301、302的互補特性而保持恒定，而補償頻率信號Sf的頻率Fcs易受漂移變化的影響。圖7是根據本發明的優選實施例的振蕩器模塊106的電路圖。振蕩器模塊106包括恒流源701，其耦合在一側的電源電壓節點VDD以及另一側的第一參考晶體管702的漏極和柵極之間。第一參考晶體管702的柵極耦合至第一鏡像晶體管703的柵極，晶體管702、703的源極都耦合至返回參考節點(地GND)。第二參考晶體管704的源極耦合至電源電壓節點VDD，第二參考晶體管704(其為充電電流鏡中的電流參考晶體管)的柵極耦合至其自身的漏極。第二參考晶體管704的柵極還耦合至第一鏡像晶體管703的漏極和充電電流鏡的第一充電電流鏡晶體管705的柵極。第一充電電流鏡晶體管705的源極耦合至電源電壓節點VDD，第一充電電流鏡晶體管705的漏極耦合至置位電容器706的第一電極。置位電容器706的第二電極耦合至地GND，置位電容器706的第一電極還耦合至置位放電晶體管707的漏極和置位比較器708的正輸入端。振蕩器模塊106進一步包括置位-復位鎖存器709，置位-復位鎖存器709具有耦合至置位比較器708的輸出端的置位輸入端S。還存在(充電電流鏡的)第二充電電流鏡晶體管710，其源極耦合至電源電壓節點VDD，柵極耦合至第二參考晶體管704的柵極，并且漏極耦合至復位電容器711的第一電極。復位電容器711的第二電極耦合至地GND，復位電容器711的第一電極還耦合至復位放電晶體管712的漏極以及復位比較器713的正輸入端。復位比較器713的輸出端耦合至置位-復位鎖存器709的復位輸入端R，比較器708、713的負輸入端都耦合至公共閾值參考電壓節點Vref2。置位-復位鎖存器709的輸出端Qbar耦合至復位放電晶體管712的柵極，置位-復位鎖存器709的輸出端Q耦合至置位放電晶體管707的柵極。振蕩器模塊106還包括第一充電控制鏡像晶體管715和第二充電控制鏡像晶體管717。第一和第二充電控制鏡像晶體管715、717的柵極耦合至第一參考晶體管702的柵極，其中第一參考晶體管702是充電控制電流鏡的參考晶體管。置位電容器706的第一電極通過充電電流控制晶體管714耦合至返回電壓節點，充電電流控制晶體管714的柵極耦合至補償脈沖輸入節點108。更具體地，充電電流控制晶體管714通過充電控制鏡像晶體管715將置位電容器706的第一電極耦合至返回電壓節點。類似地，復位電容器711的第一電極通過充電電流控制晶體管716耦合至返回電壓節點，充電電流控制晶體管716的柵極耦合至補償脈沖輸入節點108。更具體地，充電電流控制晶體管716通過充電控制鏡像晶體管717將復位電容器711的第一電極耦合至返回電壓節點。置位放電晶體管707和復位放電晶體管712的源極耦合至地GND，并且如所示，振蕩器輸出節點107耦合至置位-復位鎖存器709的輸出端Q。然而，必要時，振蕩器輸出節點107能耦合至置位-復位鎖存器709的輸出端Qbar。向輸出節點107提供輸出信號Fout，且該輸出信號Fout的頻率取決于置位和復位電容器706、711的充電速率，這對本領域技術人員而言是顯而易見的。理想地，信號發生器101的置位和復位電容器206、211以及置位和復位電容器706、711緊挨著在公共硅基板上形成，并且具有相同的硅布局方向。這因此減少了由于工藝容限變化和環境溫度變化對輸出信號Fout頻率的影響的可能性。圖8是在振蕩器模塊106的振蕩器輸出節點107提供輸出信號的方法800的流程圖。該方法在塊810處，執行提供補償頻率信號Sf。在塊810的提供由信號發生器101執行。接下來，在塊820，脈沖發生器103執行將補償頻率信號Sf轉化為補償二進制脈沖Cp的處理。補償二進制脈沖Cp具有大致恒定的脈沖持續時間，而不管它們的占空比變化。在塊830處，振蕩器模塊106執行通過將部分的充電電流轉移通過受補償二進制脈沖Cp控制的充電電流控制晶體管714、716來改變置位和復位電容器706、711的充電電流。振蕩器模塊106在提供的塊840中，在振蕩器輸出節點107提供輸出信號Fout。這里，輸出信號Fout所處在的頻率取決于置位和復位電容器706、711的充電速率。置位和復位電容器706、711的電特性的漂移變化被補償二進制脈沖Cp的占空比變化所抵消，從而維持置位和復位電容器706、711充電速率的大致恒定。分別通過置位和復位電容器的充電電流由下式決定：Icmt-K×Iref×Dcycle其中Icmt是由充電電流鏡晶體管提供的電流，K×Iref是不間斷電流值，其可由充電控制鏡像晶體管供給，Dcycle是補償二進制脈沖的占空比。總之，由K×Iref×Dcycle確定的電流值是補償電流，其流過充電電流控制晶體管714、716中的任一個。該補償電流補償置位和復位電容器706、711的電容值變化，從而提供這些電容器706、711恒定的充電速率，而不管它們的電特性漂移變化。理想地，補償二進制脈沖具有少于20％的占空比，優選地補償二進制脈沖Cp的頻率是振蕩器輸出節點107處輸出信號Fout工作頻率的至少4倍。有利地，本發明減少了或至少減輕了由環境溫度變化導致的時鐘輸出信號Fout頻率變化的影響。這是因為補償二進制脈沖Cp具有大致恒定的脈沖持續時間D而不管補償二進制脈沖Cp的占空比變化。從而，置位和復位電容器706、711的電特性漂移變化被所提供的補償二進制脈沖Cp的占空比變化所抵消，從而用于維持電容器706、711大致恒定的充電速率。此處本發明優選實施例的說明是用于圖示和說明，但并不意味著將本發明窮舉或局限于所公開的形式。本領域技術人員應當理解，在不脫離本發明所具有的廣泛的發明構思的前提下，可以對上述實施例做改變。從而，可以明白本發明并不限于所公開的特定實施例，而是涵蓋了在如附加的權利要求所定義的本發明的實質和范圍內的修改。