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一种 频率可调的CMOS 振荡器

阅读：724发布：2023-12-21

专利汇可以提供一种频率可调的CMOS 振荡器专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本实用新型提供了一种频率可调的CMOS 振荡器，包括振荡器模块、电压 - 电流转换模块和带隙基准模块，所述振荡器模块包括环形振荡器电路、电平转换电路和整形电路，所述电压-电流转换模块包括开关电阻阵列、误差放大器和共源共栅电流镜。本实用新型采用反相器级联的环形振荡器结构，具有功耗低、面积小的优点，同时通过增加延迟环节，使其具有很好的频率稳定性，减小了工艺的偏差、温度的变化和电源电压的波动对振荡器的影响。，下面是一种频率可调的CMOS 振荡器专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种频率可调的CMOS 振荡器，其特征在于，包括振荡器模块、电压-电流转换模块和带隙基准模块，所述振荡器模块、电压-电流转换模块和带隙基准模块依次电连接；所述振荡器模块包括环形振荡器电路、电平转换电路和整形电路，其中，环形振荡器电路通过改变电流的大小，然后经电平转换电路和整形电路抬高电流振荡幅值并将其波形变成规则的方波；所述电压-电流转换模块包括开关电阻阵列、误差放大器和共源共栅电流镜，为振荡器模块提供稳定电流和用于改变振荡器模块频率；所述带隙基准模块通过将正负温度系数电压按比例组合，为电压电流转换电路提供一个温漂系数很小的基准电压。
2.根据权利要求1所述的一种频率可调的CMOS振荡器，其特征在于，所述环形振荡器电路包括反相器G1 G5和电容C1 C5组成的延迟环节；
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其中，反相器G1的输入端与反相器的G5输出端相连，反相器G1的输出端与反相器G2的输入端相连，反相器G2的输出端与反相器G3的输入端相连，反相器G3的输出端与反相器的G4输入端相连，反相器G4的输出端与反相器G5的输入端相连，电容C1 C5的一端分别与反相~
器G1 G5的输入端相连，另一端分别与反相器G1 G5的输出端相连。
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3.根据权利要求1所述的一种频率可调的CMOS振荡器，其特征在于，所述电平转换电路包括NMOS晶体管N1、NMOS晶体管N4、PMOS晶体管P1和PMOS晶体管P2；
其中，NMOS晶体管N1的栅极和NMOS晶体管N4的栅极连接外部电源VDD，NMOS晶体管N1的漏极和NMOS晶体管N4的漏极相连，NMOS晶体管N1的源极和PMOS晶体管P1的漏极相连，NMOS晶体管N4的源极和PMOS晶体管P2的漏极相连，PMOS晶体管P1的源极和PMOS晶体管P2的源极相连，PMOS晶体管P1的栅极和PMOS晶体管P2的漏极相连，PMOS晶体管P2的栅极和PMOS晶体管P1的漏极相连。
4.根据权利要求1所述的一种频率可调的CMOS振荡器，其特征在于，所述整形电路电路包括反相器G6 G8；
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其中，反相器G6的输入端和PMOS晶体管P1的栅极相连，反相器G6的输出端和反相器G7的输入端相连，反相器G7的输出端和反相器G8的输入端相连，反相器G8的输出端和输出电压VOUT相连。
5.根据权利要求1所述的一种频率可调的CMOS振荡器，其特征在于，所述带隙基准模块包括晶体管M0 M9、PNP型三极管Q1 Q3和电阻R1 R2；
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其中，晶体管M0的栅极和晶体管M5的漏极相连，晶体管M0的漏极和晶体管M2的源极相连，晶体管M0的源极和晶体管M3的漏极相连，晶体管M1的栅极和三极管Q2的源极相连，晶体管M1的漏极和晶体管M2的源极相连，晶体管M1的源极和晶体管M4的漏极相连，晶体管M2的栅极和晶体管M9的栅极相连，晶体管M2的漏极接地，晶体管M3的栅极和晶体管M4的栅极相连，晶体管M5的栅极和晶体管M6的栅极相连，晶体管M5的漏极和电阻R1相连，晶体管M6的漏极和晶体管M4的漏极相连，晶体管M7的栅极和晶体管M4的漏极相连，晶体管M7的漏极和晶体管M9的源极相连，晶体管M8的栅极和晶体管M7的栅极相连，晶体管M8的漏极和电阻R2相连，晶体管M3 M8的源极均和外部电源VDD连接，晶体管M9的栅极、源极均和晶体管M7的漏极~
相连，晶体管M9的漏极接地；
三极管Q1的源极和电阻R1相连，三极管Q2的源极和晶体管M6的漏极相连，三极管Q3的漏极和第二电阻R2的一端相连，三极管Q1的栅极和漏极、三极管Q2的栅极和源极、三极管Q3的栅极和源极均接地。
6.根据权利要求1所述的一种频率可调的CMOS振荡器，其特征在于，所述电压-电流转换模块包括运算放大器A、NMOS晶体管N2、开关K0 K5、电阻R、电阻2R、电阻22R、电阻23R、电阻~
24R和电阻25R；
其中，运算放大器A的正向输入端与参考电压VREF相连，运算放大器A的反向输入端与晶体管N2的源极相连，运算放大器A的输出端与晶体管N2的栅极相连；
电阻25R、电阻24R、电阻23R、电阻22R、电阻2R、电阻R依次串联，电阻25R的另一端与晶体管N2的源极相连，电阻R的另一端接地；
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开关K0 K5分别与电阻R、电阻2R、电阻2R、电阻2R、电阻2R、电阻2R并联。
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7.根据权利要求1所述的一种频率可调的CMOS振荡器，其特征在于，所述共源共栅电流镜包括PMOS晶体管P3 P6；
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其中，PMOS晶体管P3的栅极和PMOS晶体管P4的栅极相连，PMOS晶体管P3的漏极和PMOS晶体管P5的源极相连，PMOS晶体管P4的漏极和PMOS晶体管P6的源极相连，PMOS晶体管P3的源极、PMOS晶体管P4的源极分别与外部电源VDD相连，PMOS晶体管P5的栅极和PMOS晶体管P6的栅极相连，PMOS晶体管P5的漏极和NMOS晶体管N2的漏极相连，PMOS晶体管P6的漏极与控制电流ICTRL的相连。

说明书全文

一种频率可调的CMOS 振荡器

技术领域

[0001] 本实用新型属于集成电路芯片设计技术领域，涉及一种频率可调的CMOS振荡器。

背景技术

[0002] 在集成电路设计中，时钟信号是必不可少的，产生时钟信号的电路一般是振荡器电路，其中，压控振荡器振荡频率高，频率稳定度高，但电路结构较为复杂，主要用于高频数字集成电路中，而在低频数字集成电路中，出于设计成本考虑，主要采用环形振荡器来提供时钟信号。

[0003] 传统环形振荡器有着低功耗、面积小、结构简单等诸多优点，但其频率稳定性差，工艺的偏差、温度的变化或供电电压的变化均会影响其输出频率，大大限制了环形振荡器的使用范围。实用新型内容

[0004] 本实用新型的目的在于针对现有技术存在的问题，提供一种频率可调的CMOS振荡器，可以有效地补偿工艺的偏差和减少温度的变化对输出频率造成的影响。

[0005] 为此，本实用新型采取以下技术方案：

[0006] 一种频率可调的CMOS振荡器，包括振荡器模块、电压-电流转换模块和带隙基准模块，所述振荡器模块、电压-电流转换模块和带隙基准模块依次电连接；所述振荡器模块包括环形振荡器电路、电平转换电路和整形电路，其中，环形振荡器电路通过改变电流的大小，然后经电平转换电路和整形电路抬高电流振荡幅值并将其波形变成规则的方波；所述电压-电流转换模块包括开关电阻阵列、误差放大器和共源共栅电流镜，为振荡器模块提供稳定电流和用于改变振荡器模块频率；所述带隙基准模块通过将正负温度系数电压按比例组合，为电压电流转换电路提供一个温漂系数很小的基准电压。

[0007] 进一步地，所述环形振荡器电路包括反相器G1 G5和电容C1 C5组成的延迟环节；~ ~
其中，反相器G1的输入端与反相器的G5输出端相连，反相器G1的输出端与反相器G2的输入端相连，反相器G2的输出端与反相器G3的输入端相连，反相器G3的输出端与反相器的G4输入端相连，反相器G4的输出端与反相器G5的输入端相连，电容C1 C5的一端分别与反相器G1~
G5的输入端相连，另一端分别与反相器G1 G5的输出端相连。
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[0008] 进一步地，所述电平转换电路包括NMOS晶体管N1、NMOS晶体管N4、PMOS晶体管P1和PMOS晶体管P2；其中，NMOS晶体管N1的栅极和NMOS晶体管N4的栅极连接外部电源VDD，NMOS晶体管N1的漏极和NMOS晶体管N4的漏极相连，NMOS晶体管N1的源极和PMOS晶体管P1的漏极相连，NMOS晶体管N4的源极和PMOS晶体管P2的漏极相连，PMOS晶体管P1的源极和PMOS晶体管P2的源极相连，PMOS晶体管P1的栅极和PMOS晶体管P2的漏极相连，PMOS晶体管P2的栅极和PMOS晶体管P1的漏极相连。

[0009] 进一步地，所述整形电路电路包括反相器G6 G8；其中，反相器G6的输入端和PMOS~晶体管P1的栅极相连，反相器G6的输出端和反相器G7的输入端相连，反相器G7的输出端和反相器G8的输入端相连，反相器G8的输出端和输出电压VOUT相连。

[0010] 进一步地，所述带隙基准模块包括晶体管M0 M9、PNP型三极管Q1 Q3和电阻R1 R2；~ ~ ~
其中，晶体管M0的栅极和晶体管M5的漏极相连，晶体管M0的漏极和晶体管M2的源极相连，晶体管M0的源极和晶体管M3的漏极相连，晶体管M1的栅极和三极管Q2的源极相连，晶体管M1的漏极和晶体管M2的源极相连，晶体管M1的源极和晶体管M4的漏极相连，晶体管M2的栅极和晶体管M9的栅极相连，晶体管M2的漏极接地，晶体管M3的栅极和晶体管M4的栅极相连，晶体管M5的栅极和晶体管M6的栅极相连，晶体管M5的漏极和电阻R1相连，晶体管M6的漏极和晶体管M4的漏极相连，晶体管M7的栅极和晶体管M4的漏极相连，晶体管M7的漏极和晶体管M9的源极相连，晶体管M8的栅极和晶体管M7的栅极相连，晶体管M8的漏极和电阻R2相连，晶体管M3 M8的源极均和外部电源VDD连接，晶体管M9的栅极、源极均和晶体管M7的漏极相连，~
晶体管M9的漏极接地；三极管Q1的源极和电阻R1相连，三极管Q2的源极和晶体管M6的漏极相连，三极管Q3的漏极和第二电阻R2的一端相连，三极管Q1的栅极和漏极、三极管Q2的栅极和源极、三极管Q3的栅极和源极均接地。

[0011] 进一步地，所述电压-电流转换模块包括运算放大器A、NMOS晶体管N2、开关K0 K5、~电阻R、电阻2R、电阻22R、电阻23R、电阻24R和电阻25R；其中，运算放大器A的正向输入端与参考电压VREF相连，运算放大器A的反向输入端与晶体管N2的源极相连，运算放大器A的输出端与晶体管N2的栅极相连；电阻25R、电阻24R、电阻23R、电阻22R、电阻2R、电阻R依次串联，电阻
25R的另一端与晶体管N2的源极相连，电阻R的另一端接地；开关K0 K5分别与电阻R、电阻~
2R、电阻22R、电阻23R、电阻24R、电阻25R并联。

[0012] 进一步地，所述共源共栅电流镜包括PMOS晶体管P3 P6；其中，PMOS晶体管P3的栅~极和PMOS晶体管P4的栅极相连，PMOS晶体管P3的漏极和PMOS晶体管P5的源极相连，PMOS晶体管P4的漏极和PMOS晶体管P6的源极相连，PMOS晶体管P3的源极、PMOS晶体管P4的源极分别与外部电源VDD相连，PMOS晶体管P5的栅极和PMOS晶体管P6的栅极相连，PMOS晶体管P5的漏极和NMOS晶体管N2的漏极相连，PMOS晶体管P6的漏极与控制电流ICTRL的相连。

[0013] 本实用新型的有益效果在于：

[0014] 本实用新型包括振荡器模块、带隙基准模块和电压-电流转换模块，采用反相器级联的环形振荡器结构，保证了振荡器的功耗低、面积小的优点，同时通过增加延迟环节、实现了振荡器输出频率的要求，使其具有很好的频率稳定性，减小了工艺的偏差、温度的变化和电源电压的波动对振荡器的影响。附图说明

[0015] 图1为本实用新型的结构框图；

[0016] 图2为本实用新型振荡器模块的电路结构示意图；

[0017] 图3为本实用新型电压-电流转换模块的电路结构示意图；

[0018] 图4为本实用新型带隙基准模块的电路结构示意图；

[0019] 图5为本实用新型的电流仿真示意图。

具体实施方式

[0020] 如图1所示，一种频率可调的CMOS振荡器，包括振荡器模块、电压-电流转换模块和带隙基准模块，所述振荡器模块、电压-电流转换模块和带隙基准模块依次电连接。

[0021] 如图2所示，振荡器模块包括环形振荡器电路、电平转换电路和整形电路；环形振荡器电路包括反相器G1 G5和电容C1 C5组成的延迟环节；具体地，反相器G1的输入端与反~ ~相器的G5输出端相连，反相器G1的输出端与反相器G2的输入端相连，反相器G2的输出端与反相器G3的输入端相连，反相器G3的输出端与反相器的G4输入端相连，反相器G4的输出端与反相器G5的输入端相连，电容C1 C5的一端分别与反相器G1 G5的输入端相连，另一端分~ ~
别与反相器G1 G5的输出端相连。
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[0022] 如图3所示，所述电压-电流转换模块包括开关电阻阵列、误差放大器和共源共栅电流镜；其中，误差放大器用来将开关电阻阵列的电压与带隙基准电压钳制在相同的电位，再通过调节电阻的阻值改变共源共栅电流镜的电流大小，从而改变振荡器模块中的电流，并控制其输出频率；开关电阻阵列采用二进制权重结构，由6个电阻和6个互补CMOS开关组n-1成，即包含一个阻值固定的电阻，其余五个电阻按照RN=2 RLSB的方法取值，电阻的最小值为 10KΩ。

[0023] 另外，由于一个晶体管和一个电阻组成电压-电流转换电路的精确度和温度特性较差，故在晶体管栅极和输入参考电压之间加一个运算放大器，迫使晶体管源极电压和输入参考电压相等，这样就可以提高其温度系数和精确度；而且，在实际中由于沟道长度调制效应的影响，镜像电流会产生极大的误差，尤其是当使用最小长度晶体管以便通过减小宽度来减小电流源输出电容时，因此，本实用新型使用了共源共栅电流镜来抑制沟道长度调制效应的影响。

[0024] 电压-电流转换模块包括运算放大器A、NMOS晶体管N2、开关K0 K5、电阻R、电阻2R、~电阻22R、电阻23R、电阻24R和电阻25R；具体地，运算放大器A的正向输入端与参考电压VREF相连，运算放大器A的反向输入端与晶体管N2的源极相连，运算放大器A的输出端与晶体管N2的栅极相连；电阻25R、电阻24R、电阻23R、电阻22R、电阻2R、电阻R依次串联，电阻25R的另一端与晶体管N2的源极相连，电阻R的另一端接地；开关K0 K5分别与电阻R、电阻2R、电阻22R、电~
阻23R、电阻24R、电阻25R并联。

[0025] 共源共栅电流镜包括PMOS晶体管P3 P6；具体地，PMOS晶体管P3的栅极和PMOS晶体~管P4的栅极相连，PMOS晶体管P3的漏极和PMOS晶体管P5的源极相连，PMOS晶体管P4的漏极和PMOS晶体管P6的源极相连，PMOS晶体管P3的源极、PMOS晶体管P4的源极分别与外部电源VDD相连，PMOS晶体管P5的栅极和PMOS晶体管P6的栅极相连，PMOS晶体管P5的漏极和NMOS晶体管N2的漏极相连，PMOS晶体管P6的漏极与控制电流ICTRL的相连。

[0026] 如图4所示，带隙基准模块通过将正负温度系数电压按比例组合，为电压电流转换电路提供一个温漂系数很小的基准电压，包括晶体管M0 M9，三极管Q1 Q3和电阻R1 R2；具~ ~ ~体地，晶体管M0的栅极和晶体管M5的漏极相连，晶体管M0的漏极和晶体管M2的源极相连，晶体管M0的源极和晶体管M3的漏极相连，晶体管M1的栅极和三极管Q2的源极相连，晶体管M1的漏极和晶体管M2的源极相连，晶体管M1的源极和晶体管M4的漏极相连，晶体管M2的栅极和晶体管M9的栅极相连，晶体管M2的漏极接地，晶体管M3的栅极和晶体管M4的栅极相连，晶体管M5的栅极和晶体管M6的栅极相连，晶体管M5的漏极和电阻R1相连，晶体管M6的漏极和晶体管M4的漏极相连，晶体管M7的栅极和晶体管M4的漏极相连，晶体管M7的漏极和晶体管M9的源极相连，晶体管M8的栅极和晶体管M7的栅极相连，晶体管M8的漏极和电阻R2相连，晶体管M3 M8的源极均和外部电源VDD连接，晶体管M9的栅极、源极均和晶体管M7的漏极相连，~
晶体管M9的漏极接地；三极管Q1的源极和电阻R1相连，三极管Q2的源极和晶体管M6的漏极相连，三极管Q3的漏极和第二电阻R2的一端相连，三极管Q1的栅极和漏极、三极管Q2的栅极和源极、三极管Q3的栅极和源极均接地。

[0027] 传统环形振荡器通常难以在实际电路中应用，因为门电路的传输延迟时间极短，TTL门电路只有几十纳秒，CMOS门电路也只有一二百纳秒，即使很多个反相器叠加，产生的振器频率依然很高，难以获得较低的振荡频率，而且频率不易调节，为克服这个缺点，本实用新型进行了改进，即在每个反相器的支路上都增加了电容，通过电容的充放电来增加反相器的传输延迟时间，有助于获得较低的振荡频率，而且通过改变电容的数值也可实现对频率的调节，电平转换电路用于抬高振荡器的时钟幅度，整形电路使输出波形的上升沿和下降沿变得陡直，如图5所示，经过整形之后振荡器模块的输出波形变成了规则的方波，幅度3.32V，占空比接近50%，可有效的补偿工艺的偏差和温度的变化对振荡器输出频率造成的影响。

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