一种环形振荡器的制作方法

本发明涉及一种半导体集成电路，具体涉及一种环形振荡器。

背景技术：

新型的氧化物薄膜晶体管器件因其优良的性能、简单的制造工艺成为了近年来热门研究对象，但氧化物薄膜晶体管是n型器件，缺乏互补的p型器件，单独由n型管构成的二极管连接负载的反相器，其上拉管处于常开状态，导致功耗高和输出摆幅不足；而且由于氧化物薄膜晶体管迁移率不高，寄生电容较大，导致时钟振荡器的频率较低。

技术实现要素：

为了克服现有氧化物薄膜晶体管构成的环形振荡器性能较差的问题，本发明提供一种由伪cmos自举反相器构成的低功耗全摆幅环形振荡器。

本发明采用如下技术方案：

一种环形振荡器，包括n级伪cmos自举反相器，所述伪cmos自举反相器包括自举电容c1及四个信号端口，所述四个信号端口分别为反相输入口inn、正相输入口inp、第一输出口out1及第二输出口out2，所述自举电容c1的一端连接第一输出口out1，另一端连接第二输出口out2。

所述n级伪cmos自举反相器，n为大于3的奇数，具体连接方式为：

所述第一级至第n-1级伪cmos自举反相器的第一输出口out1与下一级伪cmos自举反相器的反向输入口inn连接，最后第n级伪cmos自举反相器的第一输出口out1与第一级伪cmos自举反相器的反向输入口inn连接，构成环形结构；

所述第一级至第n-2级伪cmos自举反相器的第二输出口out2与第n+2级伪cmos自举反相器的正向输入口inp连接，第n级伪cmos自举反相器的第二输出口out2与第二级伪cmos自举反相器的正向输入口inp连接，所述第n-1级伪cmos自举反相器的第二输出口out2与第一级伪cmos自举反相器的正向输入口inp连接，构成环形结构。

所述伪cmos自举反相器还包括第一晶体管m1、第二晶体管m2、第三晶体管m3及第四晶体管m4，其中第一晶体管及第二晶体管构成第二反相器，第三晶体管及第四晶体管构成第一反相器；

所述第一晶体管m1的漏极与电源vdd连接，其栅极作为正相输入口inp，其源极与第二晶体管m2的漏极连接，作为第二输出口out2，输出电压为第二反相器的输出电压vout2；

第二晶体管m2的栅极作为反相输入口inn，其源极与接地端gnd连接；

第三晶体管m3的漏极与电源vdd连接，其栅极与第一晶体管m1的源极连接，其源极与第四晶体管m4的漏极连接，同时作为第一输出口out1，其输出电压为第一反相器的输出电压vout1；

第四晶体管m4的栅极与第二晶体管m2的栅极连接，其源极与接地端gnd连接。

晶体管为n型薄膜晶体管。

本发明的有益效果：

(1)本发明环形振荡器的反相器使用了较低功耗的伪cmos结构，能够使第一反相器构成互补型的工作方式，即在反相器输出为低时关断第一反相器的上拉管，从而降低功耗；

(2)利用自举电容，提高上拉管的栅极电压，提高输出摆幅，只需单电源供电实现了环形振荡器的全摆幅输出；

(3)在伪cmos反相器的基础上增加了一个控制输入端口和一个输出端口，在构成环形振荡器时通过新的互联方式，引入了环形反馈，能够在反相器输出高电平的时候，关闭第二反相器的上拉管，从而有更低的功耗；由于受到自举电容的作用，能够在反相器输出为低电平的时候，上拉管的栅极电压在某些时刻比电源电压更高，在一定程度上提高了充电速度，对振荡频率有一定的提升效果，最终大大降低了环形振荡器的功耗延迟积。

附图说明

图1是本发明的伪cmos自举反相器的结构示意图；

图2是本发明伪cmos自举反相器的符号；

图3是本发明实施例中环形振荡器的连接示意图；

图4(a)是本发明实施例的第一级反相器的反相输入端口的仿真波形图；

图4(b)是本发明实施例的第一级反相器的正相输入端口的仿真波形图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例

如图1所示为一个伪cmos自举反相器的电路原理图，其由第一晶体管m1、第二晶体管m2、第三晶体管m3、第四晶体管m4以及电容c1构成。其第一晶体管m1和第二晶体管m2构成第二反相器，第一晶体管m1作为上拉管，第二晶体管m2作为下拉管。其第三晶体管m3和第四晶体管m4构成第一反相器，第三晶体管m3作为上拉管，第四晶体管m4作为下拉管。

第一晶体管m1漏极与电源端vdd相连，其栅极作为正相输入口inp，其源极与第二晶体管m2漏极相连，同时作为第二输出口out2，输出电压为第二反相器的输出电压vout2；第二晶体管m2的栅极为反相输入口inn，其源极与接地端gnd相连，第三晶体管m3的漏极与电源端vdd相连，其栅极连接第一晶体管m1的源极，其源极连接第四晶体管m4的漏极，同时作为第一输出口out1，其输出电压为第一反相器的输出电压vout1，第四晶体管m4的栅极与第二晶体管m2的栅极相连，其源极与接地端gnd相连，自举电容c1的一端连接第一输出口out1，另一端连接第二输出口out2，所述自举电容c1用于将第二反相器的输出电压vout2抬升至超过电源电压vdd值。

第二反相器的输出电压可关断第一反相器的上拉管从而具有较低功耗，通过添加自举电容以增大输出摆幅。

如图2所示伪cmos自举反相器的符号，包括四个信号端口，分别为：反相输入口inn、正相输入口inp、第一输出口out1及第二输出口out2。

一种环形振荡器，包括n级伪cmos自举反相器，所述n为大于3的奇数，第n级伪cmos自举反相器的第二反相器的上拉管由第n-2级伪cmos自举反相器的第二反相器的输出电压vout2控制开启和关闭，并且，第一级伪cmos自举反相器的第二反相器的上拉管m1由第n-1级伪cmos自举反相器的第二反相器的输出电压vout2控制开启和关闭，第二级伪cmos自举反相器的第二反相器的上拉管由第n级伪cmos自举反相器的第二反相器的输出电压vout2控制开启和关闭。

具体连接方式为：

所述第一级至第n-1级伪cmos自举反相器的第一输出口out1与下一级伪cmos自举反相器的反向输入口inn连接，最后第n级伪cmos自举反相器的第一输出口out1与第一级伪cmos自举反相器的反向输入口inn连接，各级依次连接构成环形结构；

所述第一级至第n-2级伪cmos自举反相器的第二输出口out2与第n+2级伪cmos自举反相器的正向输入口inp连接，第n级伪cmos自举反相器的第二输出口out2与第二级伪cmos自举反相器的正向输入口inp连接，所述第n-1级伪cmos自举反相器的第二输出口out2与第一级伪cmos自举反相器的正向输入口inp连接，各级依次连接构成环形结构。

如图3所示，本实施例中一种环形振荡器，由十一阶伪cmos自举反相器构成，具体连接方式如下：

第一级反相器101的第一输出口out1连接第二级反相器102的反相输入口inn，第二级反相器102的第一输出口out1连接第三级反相器103的反相输入口inp，第三级反相器103的第一输出口out1连接第四级反相器104的反相输入口inp，第四级反相器104的第一输出口out1连接第五级反相器105的反相输入口inp，第五级反相器105的第一输出口out1连接第六级反相器106的反相输入口inp，第六级反相器106的第一输出口out1连接第七级反相器107的反相输入口inp，第七级反相器107的第一输出口out1连接第八级反相器108的反相输入口inp，第八级反相器108的第一输出口out1连接第九级反相器109的反相输入口inp，第九级反相器109的第一输出口out1连接第十级反相器110的反相输入口inp，第十级反相器110的第一输出口out1连接第11级反相器111的反相输入口inp，第十一级反相器111的第一输出口out1连接第一级反相器101的反相输入口inp；

第一级反相器101的第二输出口out2连接第三级反相器103的正相输入口inp，第二级反相器102的第二输出口out2连接第四级反相器104的正相输入口inp，第三级反相器103的第二输出口out2连接第五级反相器105的正相输入口inp，第四级反相器104的第二输出口out2连接第六级反相器106的正相输入口inp，第五级反相器105的第二输出口out2连接第七级反相器107的正相输入口inp，第六级反相器106的第二输出口out2连接第八级反相器108的正相输入口inp，第七级反相器107的第二输出口out2连接第九级反相器109的正相输入口inp，第八级反相器108的第二输出口out2连接第十级反相器104的正相输入口inp，第九级反相器109的第二输出口out2连接第十一级反相器111的正相输入口inp，第十级反相器110的第二输出口out2连接第1级反相器101的正相输入口inp，第十一级反相器111的第二输出口out2连接第二级反相器102的正相输入口inp。

图4(a)显示了第一级反相器101的反相输入口inn的仿真波形图，图4(b)显示了第一级反相器101的正相输入口inp的仿真波形图。仿真设置的电源电压为5v。在时间段1，反相输入口inn为高电平，正相输入口inn的电平处于小于5v的较低水平，因此该通路的电流较低，功耗较低。在时间段2，反相输入口inn为低电平，第二输出口的电平受到了电容自举的作用，可达到大于5v的较高水平，即此时上拉管栅压较高，因此充电速度更快，在一定程度上提高震荡频率。但是由于反馈线给第二输出点out2带来额外的寄生电容，最终的时钟振荡器的频率可能有所降低。即使最终的震荡频率有所下降，该反馈还是大大降低了环形振荡器的功耗延迟积以及提高输出摆幅。

综上所述，本发明实施例的反相器在传统伪cmos反相器的基础上添加了自举电容以提高输出摆幅，并增加正向输入端口和第二输出端口，以控制第二反相器的上拉管的开启和关闭；在传统的环形振荡器的基础上，增加了环形反馈，从而实现了伪cmos反相器的全互补的工作方式，降低环形振荡器的功耗和功耗延迟积。

本发明在伪cmos反相器结构中添加电压自举电容以提高输出摆幅；并在构成环形振荡器时通过引入环形反馈，改善了第二反相器的上拉管的常开状态，实现了低功耗和全摆幅输出。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。