产生振荡信号的电路和方法
【专利摘要】本发明提供了一种产生振荡信号的电路和方法，该电路包括：振荡器模块(10)，该模块包括：第一MOS晶体管(MN7)，具有栅极，耦接至参考电压节点的源极，以及耦接至该振荡器模块的第一触发节点的漏极，用于通过被交替地关断和导通来产生该振动器模块的振荡输出信号；第一电容(C1)，耦接在第一MOS晶体管的栅极和源极之间，并被配置为相应于该振荡信号而交替地被充电或放电，以将该第一MOS晶体管导通或关断；该电路还包括：电流源(20)，被配置为控制流经该第一MOS晶体管的电流，以使得当该第一MOS晶体管被导通时，该第一MOS晶体管的漏极和源极之间的电压不大于一第一值。
【专利说明】产生振荡信号的电路和方法
【技术领域】
[0001 ] 本发明涉及电路，尤其涉及振荡电路。
【背景技术】
[0002]目前存在数种类型的振荡电路。图1至图4分别示出了其中的一种。
[0003]但是，这些振荡电路都有它们的缺点，尤其是当振荡频率被设置在20MHz附加时这些缺点尤其显著。图1中的RC振荡电路的频率受限于比较器的速度。图2中的RC振荡电路会受施密特触发器的门限变化的影响，并且由于RC处于振荡回路中，频率的调整(trimming)比较困难。图3中的振荡电路易于调整，但是仍然会受到开关门限不确定性的影响。图4中的RC振荡电路难于调整，并且电容的非线性也会影响它的性能。
[0004]更重要地，由于工作状况，例如温度、供电电压的不同，以及制造晶体管时所用的半导体工艺变化，晶体管无法在所有情况下都具有相同的特性，也就是说晶体管无法稳定地工作，因此带有晶体管的振荡电路不能实现稳定的高频振荡。
[0005]因此，需要实现一种稳定的振荡电路，而不论变化的工作状况和变化的半导体工艺。同时,也需要实现一种容易调整频率的振荡电路。
【发明内容】
[0006]一方面，本发明提供了一种电路，包括:
[0007]-振荡器模块(10)，该模块包括:
[0008]-第一MOS晶体管(MN7)，具有栅极，耦接至参考电压节点的源极，以及耦接至该振荡器模块的第一触发节点的漏极，用于通过被交替地关断和导通来产生该振动器模块的振荡输出信号；
[0009]-第一电容(Cl)，耦接在第一MOS晶体管的栅极和源极之间，并被配置为相应于该振荡信号而交替地被充电或放电，以将该第一 MOS晶体
[0010]管导通或关断；
[0011]该电路还包括:
[0012]-电流源(20)，被配置为控制流经该第一MOS晶体管的电流，以使得当该第一 MOS晶体管被导通时，该第一 MOS晶体管的漏极和源极之间的电压不大于一第一值。
[0013]在该方面中，电流源被配置为向第一 MOS晶体管提供合适的电流，该u允许第一MOS晶体管的漏极和源极之间的电压不大于第一值。因此，不论工作状态如何变化，第一触发节点的电压可以被控制，因此该电路能够提供稳定的振荡输出。
[0014]根据一个优选的实施方式，该电流源包括:
[0015]第二 MOS晶体管(MN4)，具有与第一 MOS晶体管相同的结构；
[0016]电压控制模块，被配置为:在该第二 MOS晶体管被导通时，控制第二 MOS晶体管的漏极和源极之间的电压不大于该第一值；
[0017]电流镜，具有一个电阻，该电阻耦接在第二 MOS晶体管的栅极和源极之间，其中，该电流镜泄放与流过该电阻的电流相同的电流通过第一 MOS晶体管。
[0018]在该实施方式中，由于第二 MOS晶体管具有与第一 MOS晶体管相同的结构，因此这两个晶体管的工作状况和半导体工艺也是相同的。因此，通过控制第二 MOS晶体管，并将与流过第二 MOS晶体管的电流相同的电流作为偏置电流来流过第一 MOS晶体管，该第一MOS晶体管也应处于与第二 MOS晶体管相同的状态中，而不论工作状况以及半导体工业的变化。
[0019]在一个优选的实施方式中，该电流镜泄放与流过该电阻的电流相同的电流来充电
该第一电容。
[0020]在该实施方式中，振荡器模块的频率取决于该电阻的阻抗以及该第一电容的容量。因此，通过调节该电阻的阻抗，该振荡器模块能够很容易地被平衡(trimmed)，并且不会受到寄生参数的影响。
[0021]在一个优选的实施方式中，该电压控制模块包括:
[0022]第三MOS晶体管(MN3)，具有耦接到第二 MOS晶体管的漏极的源极；
[0023]第四MOS晶体管(MNl)，具有耦接到该第三MOS晶体管的栅极的源极；
[0024]第五MOS晶体管(MN6)，具有耦接到第四MOS晶体管的栅极和第三MOS晶体管的漏极的栅极，以及耦接到该第二 MOS晶体管的栅极的源极；和
[0025]第六MOS晶体管(MN2)，具有都耦接到第四MOS晶体管的源极的漏极和栅极；
[0026]第七MOS晶体管(MN5)，具有耦接至第六MOS晶体管的源极的漏极和耦接至第二MOS晶体管的源极的源极；
[0027]其中，该第二、第三、第四、第五、第六和第七MOS晶体管具有相同的结构，且，
[0028]其中，该电流镜泄放相同的电流通过该第三MOS晶体管(MN3)、第四MOS晶体管(MNl)和第五MOS晶体管。
[0029]该实施方式提供了电压控制模块的一个具体的实现方式。
[0030]在一个优选的实施方式中，该电流源进一步包括:第一电容滤波器(CF1)，耦接在第五MOS晶体管(MN6)的栅极和第二 MOS晶体管(MN4)的源极之间。
[0031 ] 在该实施方式中，第一电容滤波器能够避免电流振荡的问题。
[0032]在一个优选的实施方式中，该振荡器模块还包括:
[0033]第八MOS晶体管(MN8)，具有栅极，耦接于参考电压节点的源极，以及耦接到该振荡器模块的第二触发节点的漏极，用于被交替地导通和关断以生成该振荡器模块的振荡输出信号，第八MOS晶体管具有与第一 MOS晶体管相同的结构，和
[0034]第二电容(C2)，耦接在第八MOS晶体管的栅极和源极之间，并被配置为响应于该振荡输出信号而被交替地充电或放电，以将该第八MOS晶体管导通或关断；
[0035]其中，该振荡器模块交替地充电该第一和该第二电容，从而交替地导通该第一和该第八MOS晶体管；且
[0036]其中，该电流源被配置为控制流过第八MOS晶体管的电流，使得当第八MOS晶体管被导通时该第八MOS晶体管的漏极和源极之间的电压不大于第一值。
[0037]该实施方式使用非稳态多谐振荡器来实现该振荡器模块。
[0038]根据本发明的另一个方面，提供了一种方法，包括如下步骤:
[0039]-通过导通和关断第一MOS晶体管，经由该第一MOS晶体管(MN7)的漏极和源极将触发输入耦接到参考电压节点；
[0040]-控制流过该第一MOS晶体管的电流，使得当该第一 MOS晶体管被导通时在第一MOS晶体管的漏极和源极之间的电压不大于第一值。
[0041]在该方面中，流过第一 MOS晶体管的电流被控制以允许第一 MOS晶体管的漏极和源极之间的电压不大于第一值。因此不论工作状态如何变化，第一触发节点的电压可以被控制，因此该电路能够提供稳定的振荡输出。
【专利附图】
【附图说明】
[0042]通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更加明显:
[0043]图1至图4分别示出了传统类型的振荡电路；
[0044]图5示出了根据本发明的优选实施方式的电路1，包括振荡模块10和电流源20 ；
[0045]图6详细地示出了图5中的电路I的电流源20 ；
[0046]图7示出了图5中的电路I的振荡模块10的第一 MOS晶体管的开关特性；
[0047]图8示出了图5中的电路I的相对于温度变化的频率变化；
[0048]图9示出了图5中的电路I的频率变化的蒙特卡洛分析。
[0049]除非另有说明，在各附图中，对应的编号和符号指示相对应的部件。附图被描绘以清楚地使出本公开的实施方式的相关方面，它们并不一定是按比例绘制的。为了更清楚地示出某些实施方式，示出相同结构、材料或过程步骤的变化方式的字母可能放在附图编号之后。
【具体实施方式】
[0050]以下将描述本发明的实施方式的制造和使用。应能理解，本发明提供了很多具有实用性的创造性构思，它们可以实现在各种特定的场景下。以下将描述的实施方式仅仅描述制造和使用本发明的特定方式，而并不限制本发明的范围。
[0051]本发明提供了一种电路，包括:
[0052]-振荡器模块，该模块包括:
[0053]-第一MOS晶体管，具有栅极，耦接至参考电压节点的源极，以及耦接至该振荡器模块的第一触发节点的漏极，用于通过被交替地关断和导通来产生该振动器模块的振荡输出信号；
[0054]-第一电容，耦接在第一MOS晶体管的栅极和源极之间，并被配置为相应于该振荡信号而交替地被充电或放电，以将该第一 MOS晶体管导通或关断；
[0055]该电路还包括:
[0056]-电流源，被配置为控制流经该第一MOS晶体管的电流，以使得当该第一 MOS晶体管被导通时，该第一 MOS晶体管的漏极和源极之间的电压不大于一第一值。
[0057]本发明还提供了一种方法，包括如下步骤:
[0058]-通过导通和关断第一MOS晶体管，经由该第一MOS晶体管(MN7)的漏极和源极将触发输入耦接到参考电压节点；
[0059]-控制流过该第一MOS晶体管的电流，使得当该第一 MOS晶体管被导通时在第一MOS晶体管的漏极和源极之间的电压不大于第一值。
[0060]图5示出了根据本发明的优选实施方式的电路1，包括振荡模块10和电流源20。如图所示，振荡模块10包含第一 MOS晶体管丽7和第一电容Cl。第一 MOS晶体管丽7的源极被耦接到一个参考电压，例如大地，并且，通过被第一电容Cl交替地闭合和断开，在它的漏极上产生该振荡模块的振荡输出信号。优选地，振荡模块还包括触发器，第一MOS晶体管MN7的漏极被耦接到第一触发节点Tl，该触发器用于整形该振荡输出信号。第一电容Cl被耦接在第一 MOS晶体管MN7的栅极和源极之间，并且被配置为相应于被整形的振荡输出信号而交替地被充电和放电，以闭合和断开第一 MOS晶体管。在图5所示的实施例中，用于根据被整形的振荡输出信号来充电和放电第一电容Cl的电路包括开关MswNl和开关MswPl。开关MswNl与第一电容Cl并联，开关MswPl串联在第一电容Cl和用于对第一电容Cl充电的电流源20之间。振荡输出信号控制两个开关MswNl和MswPl的闭合和断开:当振荡输出信号是低电平时，MswPl闭合且MswNl断开，电流源20充电第一电容Cl ;而当振荡输出信号是高电平时，MswPl断开且MswNl闭合，第一电容Cl被放电。本领域的一般技术人员可以理解，用于根据振荡信号而充电和放电电容的电路具有多种实现方式，本发明并不受以上公开的实施方式的限制。
[0061]在本实施方式中，除了包含以上第一 MOS晶体管丽7和第一电容Cl的左振荡侧之夕卜，该振荡模块10还包括对称的右振荡侧，其包括第八MOS晶体管MN8和第二电容C2。第八MOS晶体管MN8的源极被耦接到参考电压，例如大地，并且，通过被第二电容C2交替地闭合和断开，在它的漏极上产生该振荡模块的振荡输出信号。优选地，振荡模块还包括触发器，第八MOS晶体管MN8的漏极被耦接到第二触发节点Tl，该触发器用于整形该振荡输出信号。第二电容Cl被耦接在第八MOS晶体管MN8的栅极和源极之间，并且被配置为相应于被整形的振荡输出信号而交替地被充电和放电，以闭合和断开第八MOS晶体管MN8。在图5所不的实施例中，用于根据被整形的振荡输出信号来充电和放电第二电容C2的电路包括开关MswN2和开关MswP2。开关MswN2与第二电容C2并联，开关MswP2串联在第二电容C2和用于对第二电容C2充电的电流源20之间。振荡输出信号控制两个开关MswN2和MswP2的闭合和断开，从而控制第二电容C2的充电和放电。
[0062]图5中的振荡模块10含有左右两侧振荡部分，它可以被视作一种多谐振荡器。应能理解，振荡模块10并不受限于该实施方式。在振荡模块10的变化的实施方式中,包括第八MOS晶体管MN8和第二电容C2的右振荡侧可以省去。本领域的一般技术人员也能够实现其他构造的振荡模块，并且被权利要求所覆盖的各种实现都落入振荡模块的范围。在图5所示的实施方式中，右振荡侧的工作和左振荡侧是类似的，因此下文中主要详述左振荡侧的工作。
[0063]当产生振荡信号时，第一 MOS晶体管丽7应被闭合与断开。当第一 MOS晶体管丽7被闭合时，为了使得触发器，例如图5中所示的RS触发器翻转以产生触发的振荡信号，第一触发节点Tl处的电压，也就是第一 MOS晶体管MN7的漏极的电压应该为接近参考电压的某个电压。因此，当第一 MOS晶体管丽7被闭合时，第一 MOS晶体管丽7的漏极和源极之间的电压Vds应该不大于第一值。在不同的工作状况下，例如温度不同时，第一 MOS晶体管的特性可能改变，因此，Vds不大于该第一值时的流过第一 MOS晶体管MN7的电流可能不同。因此，为了使得Vds在任何情况下都不大于第一值，流过第一 MOS晶体管MN7的电流应被控制。[0064]电流源20被配置为控制流过第一 MOS晶体管丽7的电流Ibias,以使得在第一 MOS晶体管MN7闭合时，漏极和源极之间的电压Vds不大于第一值。
[0065]在一个实施方式中，发明构思在于提供一个与第一 MOS晶体管相同结构的第二MOS晶体管，作为第一 MOS晶体管的“代表”。由于第二 MOS晶体管与第一 MOS晶体管具有同样构造，不论工作状况的变化以及半导体工艺的变化，第二MOS晶体管总是与第一MOS晶体管相同。通过控制流过第二 MOS晶体管的电流，使得第二 MOS晶体管漏极和源极之间的电压不大于第一值，同样的电流应满足第一 MOS晶体管的需要来使第一 MOS晶体管漏极和源极之间的电压不大于第一值。
[0066]基于这个发明构思，电流源20包括:
[0067]第二 MOS晶体管MN4，具有与第一 MOS晶体管相同的结构；
[0068]电压控制模块，被配置为:在该第二 MOS晶体管被导通时，控制第二 MOS晶体管的漏极和源极之间的电压不大于该第一值；
[0069]电流镜，具有一个电阻，该电阻耦接在第二 MOS晶体管的栅极和源极之间，其中，该电流镜泄放与流过该电阻的电流相同的电流通过第一 MOS晶体管。
[0070]对于方法，控制步骤包括如下步骤:
[0071]-控制第二MOS晶体管MN4的漏极和源极之间的电压，使得该电压不大于该第一值，该第二 MOS晶体管具有与该第一 MOS晶体管相同的结构；
[0072]-在第二MOS晶体管的栅极和源极之间耦接一个电阻R，并且
[0073]-泄放与流过该电阻的电流相同的电流Ibias经过该第一MOS晶体管。
[0074]图5和图6示出了带有电压控制模块和电流镜的电流源20的电路结构。该电压控制模块包括:
[0075]第三MOS晶体管丽3，具有耦接到第二 MOS晶体管的漏极的源极；
[0076]第四MOS晶体管丽I，具有耦接到该第三MOS晶体管的栅极的源极；
[0077]第五MOS晶体管MN6，具有耦接到第四MOS晶体管的栅极和第三MOS晶体管的漏极的栅极，以及耦接到该第二 MOS晶体管的栅极的源极；和
[0078]第六MOS晶体管丽2，具有都耦接到第四MOS晶体管的源极的漏极和栅极；
[0079]第七MOS晶体管(MN5)，具有耦接至第六MOS晶体管的源极的漏极和耦接至第二MOS晶体管的源极的源极，
[0080]其中，该第二、第三、第四、第五、第六和第七MOS晶体管具有相同的结构，
[0081]其中，该电流镜泄放相同的电流通过该第三MOS晶体管丽3、第四MOS晶体管丽I和第五MOS晶体管MN6。该电流镜包括多个晶体管MPl至7，这些晶体管的漏极被耦接到共同的电压源，栅极被耦接在一次，而源极分别耦接到第三MOS晶体管丽3，第四MOS晶体管丽I和第五MOS晶体管MN6，也耦接到第一 MOS晶体管丽7，第一电容Cl以及第八MOS晶体管MN8和第二电容C2，并向它们提供相同的电流。本领域的一般技术理解，电流镜有其他的实现方式，这些其他的实现方式也都落入本发明的保护范围。
[0082]在电压控制模块的工作中，MOS晶体管丽I至6闭合，并且相同的电流流过它们。第二 MOS晶体管MN4的漏极和源极之间的Vds4电压为:
[0083]Vbl-Vgsl-Vgs3
[0084]其中，Vbl是丽I的栅极的电压，Vgsl是丽I的栅极和源极之间的电压，Vgs3是丽3的栅极和源极之间的电压。
[0085]并且，Vbl = VF+Vgs6，其中VF是MN6的源极的电压，也是将第二 MOS晶体管MN4闭合的栅极电压，Vgs6是MN6的栅极和源极之间的电压。
[0086]由于流过丽I至6的电流相同，丽I至6具有相同的Vgs,所以Vds4接近于零。
[0087]图5和图6中的电压控制模块被安排以控制第二MOS晶体管MN4的Vds接近于零，因此相同的电流流过第一 MOS晶体管丽7会使得第一 MOS晶体管丽7的Vds接近于零，从而将参考电压耦接到触发器以翻转该触发器。可以理解，图5和图6中的电压控制模块的电路仅仅是示例，本领域的一般技术人员可以设计其他的电路来控制第二 MOS晶体管MN4的Vds。并且，取决于触发器的翻转门限电压不同，所需的第一值可能改变。例如，参考电压是大地零伏时，触发器的翻转电压是0.lv，那么第一值可以是0.05v ;而触发器的翻转电压是0.2v，那么第一值可以是0.lv。基于所需的第一值，电压控制模块可以被设计以相应地设置第二 MOS晶体管MN4的Vds，继而提供第一 MOS晶体管丽7的合适的Vds。
[0088]该电流的幅度是VF/r，其中r是电阻R的阻值，相同幅度的电流也被用于充电第一电容Cl。当第一电容Cl的电压达到VF时，第一 MOS晶体管闭合。因此，振荡模块10的频率应该是l/(VF*c/(VF/r)) = l/(r*c)，其中，c是第一电容Cl的电容值。也就是说，该振荡模块10的振荡频率只依赖于电阻R的阻值和第一电容Cl的电容值，因此，通过调整电阻R的阻值，该振荡模块很容易调整频率，并且不会受到寄生参数的影响。
[0089]优选地，一个第一电容滤波器CFl被耦接在第五MOS晶体管MN6的栅极与第二 MOS晶体管MN4的源极之间。该第一电容滤波器CFl能够避免电流振荡问题。并且优选地，一个第二电容滤波器CF2被安排与左振荡侧和右振荡侧并联，以滤波公共节点实现更好的开关稳定性。
[0090]用于振荡模块10的电流Ibias能够被计算如下:
【权利要求】
1.一种电路，其特征在于，包括: -振荡器模块(10)，该模块包括: -第一 MOS晶体管(MN7)，具有栅极，耦接至参考电压节点的源极，以及耦接至该振荡器模块的第一触发节点的漏极，用于通过被交替地关断和导通来产生该振动器模块的振荡输出信号； -第一电容(Cl)，耦接在第一MOS晶体管的栅极和源极之间，并被配置为相应于该振荡信号而交替地被充电或放电，以将该第一 MOS晶体管导通或关断； 该电路还包括: -电流源(20)，被配置为控制流经该第一 MOS晶体管的电流，以使得当该第一 MOS晶体管被导通时，该第一 MOS晶体管的漏极和源极之间的电压不大于一第一值。
2.根据权利要求1所述的电路，其中，该电流源包括: 第二 MOS晶体管(MN4)，具有与第一 MOS晶体管相同的结构； 电压控制模块，被配置为:在该第二 MOS晶体管被导通时，控制第二 MOS晶体管的漏极和源极之间的电压不大于该第一值； 电流镜，具有一个电阻，该电阻耦接在第二 MOS晶体管的栅极和源极之间，其中，该电流镜泄放与流过该电阻的电流相同的电流通过第一 MOS晶体管。
3.根据权利要求2所述的电路，其中，该电压控制模块包括: 第三MOS晶体管(MN3)，具有耦接到第二 MOS晶体管的漏极的源极； 第四MOS晶体管(MNl)，具有耦接到该第三MOS晶体管的栅极的源极； 第五MOS晶体管(MN6)，具有耦接到第四MOS晶体管的栅极和第三MOS晶体管的漏极的栅极，以及耦接到该第二 MOS晶体管的栅极的源极；和 第六MOS晶体管(MN2)，具有都耦接到第四MOS晶体管的源极的漏极和栅极； 其中，该第二、第三、第四、第五和第六MOS晶体管具有相同的结构，且， 其中，该电流镜泄放相同的电流通过该第三MOS晶体管(MN3)、第四MOS晶体管(MNl)和第五MOS晶体管。
4.根据权利要求3所述的电路，其中，该电压控制控制进一步包括: 第七MOS晶体管(MN5)，具有耦接至第六MOS晶体管的源极的漏极和耦接至第二 MOS晶体管的源极的源极， 其中，该第七MOS晶体管具有与第二 MOS晶体管相同的结构。
5.根据权利要求3所述的电路，其中，该电流源进一步包括: 第一电容滤波器(CFl)，耦接在第五MOS晶体管(MN6)的栅极和第二 MOS晶体管(MN4)的源极之间。
6.根据权利要求1所述的电路，其中，该振荡器模块还包括: 第八MOS晶体管(MN8)，具有栅极，耦 于参考电压节点的源极，以及耦接到该振荡器模块的第二触发节点的漏极，用于被交替地导通和关断以生成该振荡器模块的振荡输出信号，第八MOS晶体管具有与第一 MOS晶体管相同的结构,和 第二电容(C2)，耦接在第八MOS晶体管的栅极和源极之间，并被配置为响应于该振荡输出信号而被交替地充电或放电，以将该第八MOS晶体管导通或关断； 其中，该振荡器模块交替地充电该第一和该第二电容，从而交替地导通该第一和该第八MOS晶体管；且 其中，该电流源被配置为控制流过第八MOS晶体管的电流，使得当第八MOS晶体管被导通时该第八MOS晶体管的漏极和源极之间的电压不大于第一值。
7.根据权利要求2所述的电路，其中，该电流镜泄放与流过该电阻的电流相同的电流来充电该第一电容。
8.一种方法，包括如下步骤: -通过导通和关断第一MOS晶体管，经由该第一MOS晶体管(MN7)的漏极和源极将触发输入耦接到参考电压节点； -控制流过该第一 MOS晶体管的电流，使得当该第一MOS晶体管被导通时在第一 MOS晶体管的漏极和源极之间的电压不大于第一值。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，该控制步骤包括: -控制第二 MOS晶体管(MN4)的漏极和源极之间的电压，使得该电压不大于该第一值，该第二 MOS晶体管具有与该第一 MOS晶体管相同的结构； -在第二 MOS晶体管的栅极和源极之间耦接一个电阻(R)，并且 -泄放与流过该电阻的电流相同的电流(Ibias)经过该第一 MOS晶体管。
10.根据权利要求10所述的方法，其中，导通该第一MOS晶体管的步骤包括: -泄放与流过该电阻的电流相同的电流(Ibias)来对电容充电，该电容耦接在该第一MOS晶体管的栅极和源极之间，以将该第一 MOS晶体管导通。
【文档编号】G05F3/26GK103916101SQ201210596236
【公开日】2014年7月9日 申请日期:2012年12月31日 优先权日:2012年12月31日
【发明者】林鸿武 申请人:意法半导体研发(深圳)有限公司