本發(fā)明專利技術(shù)公開了一種自帶工藝偏差校準(zhǔn)功能的張弛振蕩器，包括基準(zhǔn)信號(hào)發(fā)生器、本征振蕩器、時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器和補(bǔ)償電容陣列，時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器包括比較器、開關(guān)電容電路和計(jì)數(shù)器；基準(zhǔn)信號(hào)發(fā)生器向開關(guān)電容電路中提供第一基準(zhǔn)電壓，向比較器提供第二基準(zhǔn)電壓；本征振蕩器的輸出頻率控制開關(guān)電容電路，開關(guān)電容電路的輸出電壓接比較器，比較器的輸出端接計(jì)數(shù)器；計(jì)數(shù)器的輸出端接補(bǔ)償電容陣列，計(jì)數(shù)器的輸出自動(dòng)調(diào)節(jié)補(bǔ)償電容陣列的電容值，相應(yīng)地改變了本征振蕩器的頻率。本發(fā)明專利技術(shù)張弛振蕩器自帶片上校準(zhǔn)功能、芯片與芯片之間誤差較小，減少了制片成本，提高了芯片的精度。
【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
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]本專利技術(shù)涉及集成電路的時(shí)鐘產(chǎn)生電路，是一種自帶工藝偏差校準(zhǔn)功能的張弛振蕩器。[
技術(shù)介紹
]張馳振蕩器已被應(yīng)用于多種電子電路，其產(chǎn)生的時(shí)鐘信號(hào)可以取代外部晶振，顯著降低系統(tǒng)的復(fù)雜度和成本。張弛振蕩器具有頻率穩(wěn)定性較高、控制線性度好、可調(diào)范圍廣的優(yōu)點(diǎn)，經(jīng)常被用于產(chǎn)生控制電路時(shí)序的時(shí)鐘信號(hào)。例如，張馳振蕩器電路可被用在DC/DC變換器、計(jì)數(shù)器、移位器、微控制器和調(diào)制電路中。文獻(xiàn)1(X.Zou,X.Xu,L.Yao and Y.Lian,“A 1-V 450-nW Fully Integrated Programmable Biomedical Sensor Interface Chip,”IEEE Journal of Solid-State Circuits,vol.44,no.4,pp.1067-1077,APRIL 2009)涉及低功耗電路設(shè)計(jì)在生物醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用，提出了一個(gè)全集成的可編程生物醫(yī)學(xué)傳感器接口芯片，用于不同類型的生物醫(yī)學(xué)信號(hào)處理。該芯片通過采用兩個(gè)放大器組成的低功率系統(tǒng)來(lái)優(yōu)化功率效率，其結(jié)構(gòu)包括一個(gè)低噪聲放大器，一個(gè)可調(diào)帶通濾波器，一個(gè)可編程增益級(jí)，和一個(gè)逐次逼近型模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器。同時(shí)，該文獻(xiàn)還使用一種具有可調(diào)性的電阻來(lái)實(shí)現(xiàn)在失真和低電壓操作下的高動(dòng)態(tài)變化范圍。為了達(dá)到低功耗和片上全集成，整個(gè)系統(tǒng)的片上時(shí)鐘振蕩器頻率為30kHz，功耗為53nW。這項(xiàng)設(shè)計(jì)是在0.35μm標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝下制造完成的，通過1V的電源進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果表明，整個(gè)傳感器接口芯片的功耗低至445nW，實(shí)現(xiàn)了低功耗的電路設(shè)計(jì)目標(biāo)。文獻(xiàn)2(K.Ueno,T.Asai,Y.Amemiya,“A 30-MHz,90ppm/℃ fully-integrated clock reference generator with frequency-locked loop,”European Solid-State(ESSCIRC),pp.392-395,2009.)提出了一個(gè)利用頻率-電流轉(zhuǎn)換器反饋機(jī)制來(lái)保持頻率穩(wěn)定的鎖頻環(huán)技術(shù)。目前，時(shí)鐘基準(zhǔn)電路是數(shù)字和混合信號(hào)電路以及無(wú)線系統(tǒng)的重要組成部分。雖然石英晶體振蕩器通常被用來(lái)提供高度精準(zhǔn)的基準(zhǔn)時(shí)鐘，但它們和標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝不兼容，且不能與其它電路元件單片集成，無(wú)法滿足低成本大規(guī)模集成電路應(yīng)用的要求。因此，為了設(shè)計(jì)出一個(gè)在不同工藝條件下時(shí)鐘頻率都恒定的電路，Ken Ueno等人開發(fā)出了一個(gè)全集成的時(shí)鐘基準(zhǔn)電路(即鎖頻環(huán)技術(shù))。在沒有校準(zhǔn)和修正技術(shù)的情況下選取的20個(gè)樣品當(dāng)中，鎖頻環(huán)技術(shù)表現(xiàn)出了2.7％的工藝變化率，該變化率低于蒙特卡洛模擬仿真的結(jié)果。同時(shí)，該電路雖然不需要基準(zhǔn)電壓和電流，但能產(chǎn)生一個(gè)對(duì)溫度和電源電壓不敏感的時(shí)鐘頻率。它可以在不使用LC諧振電路，石英諧振器，以及MEMS振蕩器的情況下實(shí)現(xiàn)單片工作，且在2100MHz的寬廣頻率范圍內(nèi)具有可調(diào)諧性。同時(shí)該結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)便，可以實(shí)現(xiàn)低成本和低功耗的電路設(shè)計(jì)目標(biāo)。該時(shí)鐘電路通過頻率鎖定環(huán)技術(shù)產(chǎn)生了時(shí)鐘脈沖。如圖1所示，該電路包含一個(gè)偏置電路，一個(gè)電流比較器，一個(gè)壓控振蕩器(VCO)，以及一個(gè)基于頻率-電流轉(zhuǎn)換機(jī)制的D/A轉(zhuǎn)換器，且這些電路元件形成了反饋回路。其中，電流比較器能感應(yīng)到偏置電流Ibias和頻率-電流轉(zhuǎn)換器的輸出電流Iout兩者間的大小差異，并且產(chǎn)生了與這個(gè)差異成比例的輸出電壓Vout。同時(shí)，壓控振蕩器在接收輸出電壓Vout后，產(chǎn)生了取決于Vout的振蕩脈沖，頻率值為fout。頻率-電流轉(zhuǎn)換器接收了振蕩器脈沖，并且產(chǎn)生了與fout成比例的輸出電流Iout。隨即，電流比較器再比較偏置電流Ibias和Iout，從而產(chǎn)生一個(gè)被重調(diào)的Vout。這種反饋機(jī)制不斷地被重復(fù)，以確保Iout和Ibias接近，最終使得時(shí)鐘頻率fout與溫度和電源電壓無(wú)關(guān)。文獻(xiàn)3(F.Sebastiano,L.J.Breems,K.A.A.Makinwa,S.Drago,D.M.W.Leenaerts,Bram Nauta,“Low-Voltage Mobility-Based Frequency Reference for Crystal-Less ULP Radios”IEEE Journal of Solid-State Circuits,vol.44,no.7,pp.2002-2009,JULY 2009.)提出了一個(gè)以電子遷移率作為設(shè)計(jì)參考的全集成振蕩器，該振蕩器是一個(gè)基于電流源控制的振蕩器，其內(nèi)部通過的電流大小和電子遷移率成正比。目前，工藝偏差對(duì)電子遷移率的影響，與其它參數(shù)相比較為不敏感，比如多晶硅電阻或者M(jìn)IM電容。同時(shí)，電子遷移率的標(biāo)準(zhǔn)偏差在室溫條件下不超過2％。雖然電子遷移率對(duì)溫度的依賴性較大(大約為T-1.5)，但可以通過溫度補(bǔ)償?shù)姆椒▉?lái)消除溫度產(chǎn)生的影響。鑒于此，文獻(xiàn)【3】提出基于電子遷移率的全集成基準(zhǔn)頻率概念。它的頻率誤差，主要分別取決于溫度、電源波動(dòng)和工藝偏差，從-22℃到85℃，頻率變化小于1.1％，而0.27V的電壓變化導(dǎo)致小于0.1％的頻率誤差。但是，只要采用適當(dāng)?shù)臏囟妊a(bǔ)償方案，電子遷移率便可以被用來(lái)產(chǎn)生對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)應(yīng)用足夠精準(zhǔn)的基準(zhǔn)頻率，同時(shí)該設(shè)計(jì)達(dá)到了低電壓和低功率的電路設(shè)計(jì)要求。以上文獻(xiàn)公開的振蕩器不具備通過片上校準(zhǔn)來(lái)消除工藝偏差的功能，所以受工藝偏差的影響較大，或者雖有工藝偏差補(bǔ)償，但代價(jià)是功耗非常大。[
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
]本專利技術(shù)要解決的技術(shù)問題是提供一種具有片上校準(zhǔn)功能且芯片與芯片之間誤差小的低功耗張弛振蕩器。為了解決上述技術(shù)問題，本專利技術(shù)采用的技術(shù)方案是，一種自帶工藝偏差校準(zhǔn)功能的張弛振蕩器，包括基準(zhǔn)信號(hào)發(fā)生器、本征振蕩器、時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器和補(bǔ)償電容陣列。其中時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器包括比較器、開關(guān)電容電路和計(jì)數(shù)器；基準(zhǔn)信號(hào)發(fā)生器向開關(guān)電容電路中提供第一基準(zhǔn)電壓，向比較器提供第二基準(zhǔn)電壓；本征振蕩器的輸出頻率注入到開關(guān)電容電路，開關(guān)電容電路的輸出電壓接比較器，比較器的輸出端接計(jì)數(shù)器；計(jì)數(shù)器的輸出端接補(bǔ)償電容陣列，計(jì)數(shù)器的輸出自動(dòng)調(diào)節(jié)補(bǔ)償電容陣列的電容值，相應(yīng)地改變了本征振蕩器的頻率。以上所述的張弛振蕩器，基準(zhǔn)信號(hào)發(fā)生器包括11個(gè)MOS管和三個(gè)電阻，第一MOS管、第二MOS管和第五MOS管為NMOS管，其它的MOS管為PMOS管；第九MOS管的源極接第八MOS管的漏極，第十一MOS管的源極接第十MOS管的漏極，其余PMOS管的源極接電源；第五MOS管的漏極接第六MOS管的漏極，源極接地；第一MOS管的漏極接第三MOS管的漏極，源極接地；第二MOS管的漏極接第四MOS管的漏極，源極通過第一電阻接地；第九MOS管的漏極通過第二電阻接地，第十一MOS管的漏極通過第三電阻接地；第七M(jìn)OS管的漏極接第三MOS管的漏極，柵極接第六MOS管的漏極；第一MOS管的柵極、第二MOS管的柵極、第九MOS管的柵極和第十一MOS管的柵極接第七M(jìn)OS管的漏極，第三MOS管的柵極、第四MOS管的柵極、第五MOS管的柵極、第六MOS管的柵極、第八MOS管的柵極和第十MOS管的柵極接第四MOS管的漏極；第九MOS管的漏極是第一基準(zhǔn)電壓的輸出端，第十一MOS管的漏極是第二基準(zhǔn)電壓的輸出端。以上所述的張弛振蕩器，基準(zhǔn)信號(hào)發(fā)生器包括第十二本文檔來(lái)自技高網(wǎng)...
【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種自帶工藝偏差校準(zhǔn)功能的張弛振蕩器，其特征在于，包括基準(zhǔn)信號(hào)發(fā)生器、本征振蕩器、時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器和補(bǔ)償電容陣列，其中時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器包括比較器、開關(guān)電容電路和計(jì)數(shù)器；基準(zhǔn)信號(hào)發(fā)生器向開關(guān)電容電路提供第一基準(zhǔn)電壓，向比較器提供第二基準(zhǔn)電壓；本征振蕩器的輸出頻率控制開關(guān)電容電路，開關(guān)電容電路的輸出電壓接比較器，比較器的輸出端接計(jì)數(shù)器；計(jì)數(shù)器的輸出端接補(bǔ)償電容陣列，計(jì)數(shù)器的輸出自動(dòng)調(diào)節(jié)補(bǔ)償電容陣列的電容值，相應(yīng)地改變了本征振蕩器的頻率。
【技術(shù)特征摘要】
1.一種自帶工藝偏差校準(zhǔn)功能的張弛振蕩器，其特征在于，包括基準(zhǔn)信號(hào)發(fā)生器、本征振蕩器、時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器和補(bǔ)償電容陣列，其中時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器包括比較器、開關(guān)電容電路和計(jì)數(shù)器；基準(zhǔn)信號(hào)發(fā)生器向開關(guān)電容電路提供第一基準(zhǔn)電壓，向比較器提供第二基準(zhǔn)電壓；本征振蕩器的輸出頻率控制開關(guān)電容電路，開關(guān)電容電路的輸出電壓接比較器，比較器的輸出端接計(jì)數(shù)器；計(jì)數(shù)器的輸出端接補(bǔ)償電容陣列，計(jì)數(shù)器的輸出自動(dòng)調(diào)節(jié)補(bǔ)償電容陣列的電容值，相應(yīng)地改變了本征振蕩器的頻率。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的張弛振蕩器，其特征在于，基準(zhǔn)信號(hào)發(fā)生器包括11個(gè)MOS管和三個(gè)電阻，第一MOS管、第二MOS管和第五MOS管為NMOS管，其它的MOS管為PMOS管；第九MOS管的源極接第八MOS管的漏極，第十一MOS管的源極接第十MOS管的漏極，其余PMOS管的源極接電源；第五MOS管的漏極接第六MOS管的漏極，源極接地；第一MOS管的漏極接第三MOS管的漏極，源極接地；第二MOS管的漏極接第四MOS管的漏極，源極通過第一電阻接地；第九MOS管的漏極通過第二電阻接地，第十一MOS管的漏極通過第三電阻接地；第七M(jìn)OS管的漏極接第三MOS管的漏極，柵極接第六MOS管的漏極；第一MOS管的柵極、第二MOS管的柵極、第九MOS管的柵極和第十一MOS管的柵極接第七M(jìn)OS管的漏極，第三MOS管的柵極、第四MOS管的柵極、第五MOS管的柵極、第六MOS管的柵極、第八MOS管的柵極和第十MOS管的柵極接第四MOS管的漏極；第九MOS管的漏極是第一基準(zhǔn)電壓的輸出端，第十一MOS管的漏極是第二基準(zhǔn)電壓的輸出端。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的張弛振蕩器，其特征在于，基準(zhǔn)信號(hào)發(fā)生器包括第十二MOS管和第十三MOS管，第十二MOS管和第十三MOS管是PMOS管；第十二MOS管和第十三MOS管的源極接電源，柵極接第四MOS管的漏極，第十二MOS管的漏極是偏置電流的輸出端，接本征振蕩器；第十三MOS管的漏極是比較器工作電流的輸出端。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的張弛振蕩器，其特征在于，本征振蕩器包括施密特觸發(fā)器、反相器、電容器、PMOS開關(guān)管和NMOS開關(guān)管，所述補(bǔ)償電容陣列的第一端通過PMOS開關(guān)管接電源，通過NMOS開關(guān)管接地；補(bǔ)償電容陣列的第二端接地，電容器與補(bǔ)償電容陣列并聯(lián)；施密特觸發(fā)器的輸入端接補(bǔ)償電容陣列的第一端，施密特觸發(fā)器的輸出端接反相器的輸入端，反相器的輸出端作為本征振蕩器的輸出端接PMOS開關(guān)管的柵極和NMOS開關(guān)管的柵極。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的張弛振蕩器，其特征在于，施密特觸發(fā)器包括第十四M...
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：趙曉錦，盧欣，鄭平偉，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：深圳大學(xué)，
類型：發(fā)明
國(guó)別省市：廣東;44
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