专利名称：与处理变化无关的vdd独立振荡器的制作方法
技术领域：
本发明总的来说涉及集成电路设计，更具体地，涉及与处理变化无关的VDD独立 振荡器。
背景技术：
振荡器通常被用在诸如刷新用于动态随机存取存储器(DRAM)的时钟源、看门狗 定时器时钟源、时间监控器等的应用中。希望振荡器在宽范围工作电压下提供稳定的频率， 或者换句话说，不受电源电压的影响。存在用于提供VDD独立振荡器的多种方法。例如，图1示出了传统VDD独立振 荡器的框图。电源电压VDDext (外部VDD)被提供给降压变压器(VDC)，其生成内部电压 VDDint。然后，内部电压VDDint被提供给环形振荡器，然后其生成震荡信号0SC。虽然内部 电压VDDint相对稳定，但是取决于VDC设计其仍然可具有约IOmV至约50mV的变化。这样 的变化还影响环形振荡器的频率的精确度。另外，即使内部电压VDDint为恒定电压，环形 振荡器仍然经受处理变化，这样的问题不能通过恒定VDDint来解决。进一步的问题在于， 由于使用VDC，使得相应振荡器的芯片面积使用和电流消耗增加。美国专利第5，352，934号提供了 VDD独立振荡器电路，如图2所示，包括带隙基准 发生器和比较器。然而，该电路具有使用多种器件的复杂设计。从而，芯片面积使用和电流 消耗高。另外，由于带隙基准发生器使用双极结晶体管，所以当振荡器在子-IV Vdd电压下 操作时，其性能将不利地受到影响。从而，需要能够克服现有技术中的上述缺陷的振荡器。
发明内容
根据本发明的一个方面，一种振荡器包括正电源节点，用于提供正电源电压；电容器；以及恒定电流源，提供第一恒定电流，并耦合至正电源节点。第一恒定电流与正电源 节点无关。振荡器还包括充电电流源，被配置为提供第二恒定电流以给电容器充电，其中， 第二恒定电流是第一恒定电流的镜像。振荡器还包括恒定电流源反相器，具有作为第一恒 定电流的镜像的第三恒定电流。恒定电流源反相器被配置为将振荡器控制为处于恒定状态 转变电压的转变状态。根据本发明的另一方面，一种振荡器包括正电源节点；恒定电流源，耦合至正电源节点，其中，恒定电流源被配置为提供与正电源节点的变化无关的第一恒定电流；电容器 充电节点；以及电容器，耦合至电容器充电节点。充电电流源被配置为提供第二恒定电流以 给电容器充电，其中，第二恒定电流与正电源节点的变化无关。恒定电流源反相器包括PMOS 晶体管和NMOS晶体管。振荡器被配置为提供流经PMOS晶体管的源极_漏极路径并且不受正电源节点变化的影响的第三恒定电流。NMOS晶体管具有连接至电容器充电节点的栅极。根据本发明又一方面，一种振荡器包括输出节点；正电源节点；以及恒定电流 源，耦合至正电源节点。恒定电流源被配置为提供与正电源节点处的正电源电压无关的第 一恒定电流。恒定电流源包括第一 PMOS晶体管，其包括承载第一恒定电流的第一源极-漏 极路径。振荡器进一步包括第二 PMOS晶体管和第三PMOS晶体管，其中，第一 PMOS晶体管、 第二 PMOS晶体管以及第三PMOS晶体管的栅极互连。振荡器进一步包括电容器充电节点， 耦合至第二 PMOS晶体管的漏极；电容器，耦合至电容器充电节点；放电晶体管，耦合在电容 器充电节点和地之间；以及第一 NMOS晶体管，包括耦合至电容器充电节点的栅极以及连接 至第三PMOS晶体管并耦合至输出节点的漏极。本发明的有益特征包括减小的芯片面积使用和振荡器输出处的高稳定输出频率。 此外，振荡器与电源电压变化和处理变化无关。
为了更好地理解本发明及其优点，结合附图进行以下描述作为参考，其中图1示出了第一传统振荡器的框图；图2示出了第二传统振荡器的电路图；图3示出了与处理变化无关的VDD独立振荡器；图4示出了 VDD独立振荡器中使用的电阻器，其中，电阻器由两个MOS晶体管形 成；图5示出了 VDD独立振荡器中使用的电容器，其中，电容器由PMOS晶体管和NMOS 晶体管形成；图6示出了可选实施例；以及图7示意性示出了通过图3所示电路生成的输出信号。
具体实施例方式以下详细描述本发明的实施例的制造和使用。然而，应该想到，实施例提供可以在 多种特定上下文中被具体化的多种可应用发明思想。所描述的特定实施例仅示出了制造和 使用本发明的特定方式，并不限制本发明的范围。提出了基本与电压和处理变化无关的新的振荡器。然后，描述本实施例的变化和 操作。贯穿本发明的多种视图和示意性实施例，相似的参考标号被用于指示相似的元件。图3示出了振荡器实施例，其包括恒定电流源20、恒定电流源反相器22、充电电容 器CAP和充电电流源24。恒定电流源20包括栅极互连的PMOS晶体管Ml和M2，如具有电 压Vb的节点B所示。此外，晶体管Ml的漏极连接至PMOS晶体管Ml和M2的栅极。而且，恒 定电流源20包括栅极互连的NMOS晶体管M3和M4。晶体管M3的漏极连接至NMOS晶体管 M3和M4的栅极。应该注意，分别流过PMOS晶体管Ml和M2的源极-漏极路径的电流Ic和 Ia相互镜像。贯穿说明书，术语“源极_漏极路径”是指连接晶体管的源极和漏极的路径。 电阻器R(其阻抗还被表示为R)可被用于调节电流Ic，并且还用于调节电流la。应该认识 至IJ，电流Ia和Ic与电源电压VDD无关。例如，假设晶体管Ml的栅极宽度-长度比为Wl/ Li，并且晶体管M2的栅极宽度-长度比为W2/L2，并且进一步假设W2/L2等于4*(W1/L1)，电流Ia可以被表示为1/(R2*2 μ PC0X* (ffl/Ll))，其中，R为电阻器R的阻抗，并且μ P为空穴迁移率，Cra为绝缘体电容。从而，电流Ia与电压VDD无关，并且基本与电压VDD变化无关。 即使(W2/L2)与(W1/L1)的比率不同，电流Ia也不受电压VDD的影响，并且不受电源电压 VDD变化的影响。由于晶体管Ml的栅极B连接至PMOS晶体管Mpl的栅极，电流Ia被镜像至电流Ib， 其流过PMOS晶体管Mpl的源极-漏极路径。从而，电流Ib与电流Ia成比例。如果PMOS 晶体管Mpl和Ml具有相同的栅极宽度-长度比，则电流Ib甚至可以等于电流la。电流Ib 被用于给充电电容器CAP充电，从而PMOS晶体管Mpl为充电电流源24的一部分。从而，充 电电容器CAP通过与电源电压VDD无关的电流Ib充电，从而与电源电压VDD的变化无关。恒定电流源反相器22包括PMOS晶体管Mp2和匪OS晶体管Mn2。由于晶体管Ml 的栅极B连接至PMOS晶体管Mp2的栅极，所以电流Ia被镜像至电流Id，其流过PMOS晶体 管Mp2的源极-漏极路径。从而，电流Id也与电流Ia成比例。如果PMOS晶体管Mp2和Ml 具有相同的栅极宽度_长度比，则电流Id甚至可以等于电流la。PMOS晶体管Mp2用作不 受电源电压VDD影响的恒定电流源，并且恒定电流负载不受电源电压VDD变化的影响。从 而，节点Ncap处的状态转变(触发)电压Vcap (晶体管Mn2的状态在其从“截止”转变到 “导通”)(参考图7)也是不受电源电压VDD影响的恒定电压。状态转变电压Vcap可以被 表示为(Vth+Δν)，其中，Vth为晶体管Mn2的阈值电压，同时Δ V为不受电源电压VDD和电 压VDD变化影响的正值。图3中示出的振荡器还包括用于控制电容器CAP的充电和放电的控制电路。图 3示出了示例性控制电路，其包括NMOS晶体管Mnl，NMOS晶体管Mnl还是用于将充电电容 器CAP中的电荷放电至电压VSS(或地)的放电晶体管。在充电处理的初始阶段，提供低电 压(基本等于输出节点OSC处的输出电压Vqsc)给MOS晶体管Mnl的栅极，从而MOS晶体管 Mnl截止，并且没有电流流过MOS晶体管Mnl。随着电容器CAP的充电的进行，节点Ncap处 的电压增加。当节点Ncap处的电压达到状态转变电压Vcap时，晶体管Mn2导通，并且节点 N2(NM0S晶体管Mn2的漏极)处的电压被转换至逻辑低。反相器INVl被翻转，并且节点OSC 处的输出电压Vqsc变为高。此外，反相器INV2和INV3翻转。由于MOS晶体管Mnl的栅极 处的电压等于VQse，所以MOS晶体管Mnl导通。从而，充电电容器CAP通过MOS晶体管Mnl 被充电至VSS，并且节点Ncap处的电压减小。当节点Ncap处的电压足够低时，MOS晶体管 Mnl截止，开始充电电容器CAP的另一循环，在此期间，节点OSC处的输出电压Vrec的输出为 低。从而，输出电压Vtjsc在高电压和低电压之间振荡。节点Ncap处的最大电压为状态转变电压Vcap (参考图7)，其在存储在充电电容器 CAP (其电容为C)中的电荷被放电之前立即发生。由于充电电容器CAP通过恒定电流Ib充 电，因此充电电容器CAP的充电时间U还参考图7)可以被表示为<formula>formula see original document page 7</formula>[等式 1]在以上等式中，状态转变电压Vcap(等于Vth+AV)为与VDD无关的常量。电流Ib 是与VDD无关的，并且充电电容器CAP的电容C也是与VDD无关的。从而，充电时间TQse (还 参考图7)是不受VDD影响的。这意味着图3所示振荡器的振荡频率也是与VDD无关的。应该认识到，图3所示振荡器还可以有其他变化。例如，电阻器R可具有图4所示 的形式，两个晶体管具有互连的源极/漏极区域，并且它们的栅极连接至电源VDD和VSS或地。节点N3和N4可以分别连接至图3中的节点N3和N4，使得图4所示的电阻器可以替换 图3中的电阻器R。图3所示充电电容器CAP还可以使用一个或多个晶体管替换，每个晶体管均具有 互连以用作一个电容器极板的源极和漏极以及用作另一电容器极板的栅极。在图5所示的 示例性实施例中，电容器由并联的NMOS晶体管和PMOS晶体管形成。图3所示的振荡器可以基本不受处理变化的约束。应该认识到，由于处理变 化，一些晶体管可具有比设计的驱动电流更高的驱动电流，从而被称为快晶体管(fast transistor) 0对应的工艺拐点被称为快-快拐点(fast-fastcorner)。一些其他晶体管 具有比设计的电流更低的电流，从而被称为慢晶体管。对应的处理工艺拐点被称为慢-慢 拐点。在本发明的实施例中，处理变化可以相互抵消，得到基本恒定的充电时间和恒定的振 荡频率。例如，在快-快拐点(PM0S和NMOS晶体管都为快)处，等式1中的状态转变电压 Vcap减小至晶体管Mn2的较低阈值电压。另一方面，电流Ib由于电流Ia的增加而增加， 其由晶体管M1、M2、M3、M4的较高驱动电流所导致。从而，等式1中的(Vcap/Ib)减小。然 而，当充电电容器CAP由诸如图5所示的晶体管形成时，充电电容器CAP的电容C由于等效 栅极氧化物厚度的减小而增加。从而，在等式1中，(Vcap/Ib)的减小至少部分地抵消了电 容C的增加，从而快_快拐点处的充电时间基本接近典型-典型拐点(其为所设计的 工艺拐点)。相反地，在慢-慢工艺拐点处，如等式1所示，状态转变电压Vcap由于晶体管Mn2 更高的阈值电压而增加。另一方面，电流Ib由于晶体管Ml、M2、M3、M4的更低驱动电流而 减小。从而，(Vcap/Ib)增加。然而，当充电电容器CAP由诸如图5所示的晶体管形成时， 电容C减小。从而，参考等式1，(Vcap/Ib)的增加至少部分地抵消了电容器C的减小，因此 慢_慢拐点处的Τ·基本接近典型-典型拐点。从而，图3所示的振荡电路基本不受处理 变化约束。图6示出了可选实施例，其中，充电电容器CAP耦合在电源电压VDD和节点Ncap 之间，而不是在节点Ncap和电源节点VSS之间。图6所示的电路结构本质上与图3中的相 同，因此在此不进行描述。图6所示的振荡器也是不受VDD影响的，并且可以不受处理变化 的约束。图7示意性示出了节点Ncap处的电压(表示为V-Ncap)和发生放电的状态转变 电压Vcap。此外，还示出了节点OSC处的输出电压ν_。清楚地，利用基本与处理和电压变 化无关的恒定Τ·，输出电压的频率也与处理和电压变化无关。本发明的实施例具有非常好的实验和仿真结果。仿真结果揭示了，当电源电压从 0. 9V改变至1. 3V时，振荡频率的变化小于约百分之二，典型变化小于约百分之一，因此振 荡频率具有非常好的VDD独立性。另一方面，在快_快拐点和慢_慢拐点之间，振荡频率的 变化仅为百分之八以下。本发明的实施例的其他有益特征为，振荡器电路比较简单，并且芯 片面积使用和功耗很低。虽然已经详细描述了本发明及其优点，但是应该明白，在不脱离所附权利要求限 定的本发明的精神和范围的情况下，在此可以作出多种改变、替换、和更改。而且，本发明的 范围不旨在限于说明书中所描述的处理、机器、制造、和事物、手段、方法和步骤的结合。本 领域技术人员从本发明的披露、当前存在或以后开发的处理、机器、制造、事物、手段、方法或步骤的结合能够容易地想到，根据本发明可以利用与在此描述的对应实施例执行基本相 同的功能或实现基本相同的结果。从而，所附权利要求旨在包括在这样的处理、机器、制造、 事物、手段、方法或步骤的组合内。另外，每个权利 要求构成独立的实施例，并且多种权利要 求和实施例的组合均在本发明的范围内。
权利要求
一种振荡器，包括正电源节点，用于提供正电源电压；恒定电流源，提供第一恒定电流并耦合至所述正电源节点，其中，所述第一恒定电流与所述正电源节点无关；电容器；充电电流源，被配置为提供第二恒定电流以给所述电容器充电，其中，所述第二恒定电流是所述第一恒定电流的镜像；以及恒定电流源反相器，具有作为所述第一恒定电流的镜像的第三恒定电流，其中，所述恒定电流源反相器被配置为将所述振荡器控制为处于恒定状态转变电压的转变状态。
2.根据权利要求1所述的振荡器，其中，所述恒定电流源反相器包括第一 NMOS晶体管，被配置为当所述第一 NMOS晶体管的栅极电压达到所述恒定状态转 变电压时，改变状态，其中，所述第三恒定电流流过所述第一 NMOS晶体管的源极-漏极路 径；以及其中，所述振荡器还包括第二 NMOS晶体管，具有连接至所述第一 NMOS晶体管的栅极 的漏极，其中，所述第二 NMOS晶体管被配置为对处于“接通”状态的电容器进行放电，其中，所述恒定电流源反相器包括=PMOS晶体管，具有流过所述PMOS晶体管的源 极_漏极路径的所述第三恒定电流。
3.根据权利要求2所述的振荡器，其中，所述电容器耦合在所述正电源电压和所述第 一 NMOS晶体管的所述栅极之间。
4.根据权利要求2所述的振荡器，其中，所述电容器耦合在地和所述第一NMOS晶体管 的所述栅极之间。
5.根据权利要求1所述的振荡器，其中，所述恒定电流源、所述充电电流节点以及所述 恒定电流源中的每一个均包括具有相互连接的栅极的MOS晶体管。
6.根据权利要求1所述的振荡器，其中，所述电容器包括MOS电容器，所述MOS电容器 包括互连以用作第一电容器极板的源极和漏极以及用作第二电容器极板的栅极。
7.根据权利要求1所述的振荡器，其中，所述恒定电流源包括 第一 PMOS晶体管，包括第一源极和连接至第一漏极的第一栅极； 第二 PMOS晶体管，包括连接至所述第一栅极的第二栅极和第二漏极；第一 NMOS晶体管，包括第三栅极以及连接至所述第二漏极和所述第三栅极的第三漏 极；以及第二 NMOS晶体管，包括连接至所述第三栅极的第四栅极和连接至所述第一漏极的第 四漏极。
8.一种振荡器，包括 正电源节点；恒定电流源，耦合至所述正电源节点，其中，所述恒定电流源被配置为提供与所述正电 源节点的变化无关的第一恒定电流； 电容器充电节点；电容器，耦合至所述电容器充电节点；充电电流源，被配置为提供第二恒定电流，以对所述电容器进行充电，其中，所述第二恒定电流与所述正电源节点的变化无关；以及 恒定电流源反相器，包括 第一 PMOS晶体管；和第一 NMOS晶体管，其中，所述振荡器被配置为提供流过所述第一 PMOS晶体管的源 极-漏极路径并且与所述正电源节点的变化无关的第三恒定电流，并且其中，所述第一 NMOS电容器包括连接至所述电容器充电节点的栅极。
9.根据权利要求8所述的振荡器，其中，所述恒定电流源包括具有承载所述第一恒定 电流的第一源极-漏极路径的第二 PMOS晶体管，所述充电电流源包括具有承载所述第二恒 定电流的第二源极-漏极路径的第三PMOS晶体管，并且其中，所述第一 PMOS晶体管、所述 第二 PMOS晶体管以及所述第三PMOS晶体管的栅极互连。
10.根据权利要求8所述的振荡器，还包括放电晶体管，具有耦合在所述电容器充电 节点和地之间的源极_漏极路径。其中，所述振荡器还包括控制电路，所述控制电路包括 两个串联的反相器；以及在所述两个反相器之一的输出处的所述振荡器的输出，其中，所述放电晶体管的栅极 连接至所述两个反相器中的另外一个反相器的输出。
11.根据权利要求8所述的振荡器，其中，所述电容器包括MOS电容器，包括互连以用 作第一电容器极板的源极和漏极以及用作第二电容器极板的栅极。
12.一种振荡器，包括 输出节点；正电源节点；恒定电流源，耦合至所述正电源节点，其中，所述恒定电流源被配置为提供与所述正电 源节点处的正电源电压无关的第一恒定电流，并且其中，所述恒定电流源包括第一 PMOS电 容器，所述第一 PMOS电容器包括承载所述第一恒定电流的第一源极-漏极路径； 第二 PMOS晶体管；第三PMOS晶体管，其中，所述第一 PMOS晶体管、第二 PMOS晶体管、以及第三PMOS晶体 管的栅极互连；电容器充电节点，耦合至所述第二 PMOS晶体管的漏极； 电容器，耦合至所述电容器充电节点； 放电晶体管，耦合在所述电容器充电节点和地之间；以及第一 NMOS晶体管，包括耦合至所述电容器充电节点的栅极以及连接至所述第三PMOS 晶体管的漏极并耦合至所述输出节点的漏极。
13.根据权利要求12所述的振荡器，其中，所述电容器包括MOS电容器，所述MOS电容 器包括互连以用作第一电容器极板的源极和漏极以及用作第二电容器极板的栅极，其中，所述充电晶体管的栅极通过反相器耦合至所述输出节点。
14.根据权利要求12所述的振荡器，其中，所述恒定电流源包括第四PMOS晶体管，包括连接至所述第一 PMOS晶体管的第一栅极的第二栅极和第二漏极；第二 NMOS晶体管，包括第三栅极以及连接至所述第二漏极和所述第三栅极的第三漏极；以及第三NMOS晶体管，包括连接至所述第三栅极的第四栅极和连接至所述第一漏极的第 四漏极。
15.根据权利要求12所述的振荡器，其中，所述恒定电流源还包括与第四PMOS晶体管 的源极串联耦合的电阻器。
全文摘要
本发明公开了与处理变化无关的VDD独立振荡器，包括正电源节点，用于提供正电源电压；以及恒定电流源，提供第一恒定电流并耦合至正电源节点。第一恒定电流与正电源节点无关。该振荡器还包括充电电流源，被配置为提供第二恒定电流以给电容器充电，其中，第二恒定电流是第一恒定电流的镜像。该振荡器还包括恒定电流源反相器，具有作为第一恒定电流的镜像的第三恒定电流。恒定电流源反相器被配置为将振荡器控制到处于恒定状态转变电压的转变状态。
文档编号H03K3/0231GK101826840SQ20101010653
公开日2010年9月8日 申请日期2010年1月28日 优先权日2009年2月9日
发明者陈彝梓 申请人:台湾积体电路制造股份有限公司