环形振荡器及其方法

技术领域

本公开涉及环形振荡器及其方法，特别涉及适于在低电源电压操作的环形振荡器及其方法。

背景技术

本技术领域中技术人员应能理解本公开中所使用的术语，例如“互补式金属氧化物半导体(complementary metal oxide semiconductor,CMOS)”、“N型晶体管(NMOS)”及“P型晶体管(PMOS)”，以及电子电路的基本概念，例如“电压”、“电流”、“电荷”、“反相器(inverter)”、“串级(cascade)”、“振荡器(oscillator)”、“环形振荡器(ringoscillator)”、“振荡(oscillation)”及“频率”。本技术领域中技术人员能识别电阻器符号、接地符号、P型晶体管及N型晶体管的电路符号，并且能分辨P型晶体管或N型晶体管中的“源极”、“栅极”及“漏极”。本技术领域中技术人员能识别包括电阻器、N型晶体管及P型晶体管的电路示意图，并且在示意图中不需要详细描述一个晶体管与另一个晶体管之间如何连接。本技术领域中技术人员还能理解单位，例如吉赫兹(GHz)、微米(μm)、纳米(nm)、伏特(V)、毫伏(mV)、皮秒(ps)及欧姆(Ohm)。类似上述的术语及基本概念于现有技术文献中是显而易见，现有技术文献例如教科书(例如：Behzad Razavi著的“模拟CMOS集成电路设计(Design of Analog CMOS Integrated Circuits)”，McGraw-Hill出版(ISBN 0-07-118839-8))，其反映了本技术领域中技术人员的技术水准，故于此不再详细解释。

图1A为现有环形振荡器的示意图。参照图1A，Lin在美国专利(专利号US 9,252,753)中公开了一种正交输出环形振荡器100。正交输出环形振荡器100包括四个主要反相器110、120、130及140、四个前馈反相器150、160、170及180、第一耦合电阻器191、第二耦合电阻器192、第三耦合电阻器193及第四耦合电阻器194。其中主要反相器110、120、130及140分别用以接收电压V

图1B为图1A的反相器的示意图。参照图1B，反相器101的示意图是主要反相器110、120、130及140以及前馈反相器150、160、170及180的一实施例。反相器101包括N型晶体管MN及P型晶体管MP。反相器101的输入以“input”表示，反相器101的输出以“output”表示。在本公开中，电源节点以“V

因此，期盼的是一种适于在低电源电压操作的环形振荡器及其方法。

发明内容

依据一些实施例，环形振荡器包括第一第一型晶体管、第一电阻器、第二第一型晶体管、第二电阻器、第三第一型晶体管、第三电阻器、第四第一型晶体管、第四电阻器、第一第二型晶体管、第二第二型晶体管、第三第二型晶体管及第四第二型晶体管。第一第一型晶体管用以从第一节点接收第一电压，并且在第二节点输出第二电压。第一电阻器耦接于第二节点与第三节点之间。第二第一型晶体管用以从第三节点接收第三电压，并且在第四节点输出第四电压。第二电阻器耦接于第四节点与第五节点之间。第三第一型晶体管用以从第五节点接收第五电压，并且在第六节点输出第六电压。第三电阻器耦接于第六节点与第七节点之间。第四第一型晶体管用以从第七节点接收第七电压，并且在第八节点输出第八电压。第四电阻器耦接于第八节点与第一节点之间。第一第二型晶体管用以从第六节点接收该第六电压，并且在该第三节点输出该第三电压。第二第二型晶体管用以从第八节点接收第八电压，并且在第五节点输出第五电压。第三第二型晶体管用以从第二节点接收第二电压，并且在第七节点输出第七电压。第四第二型晶体管用以从第四节点接收第四电压，并且在第一节点输出第一电压。

依据一些实施例，环形振荡器包括多个级，所述级以环形拓扑串级排列，各个级具有前级、后级、交替前级及交替后级。各个级包括第一型晶体管、第二型晶体管及电阻器。第一型晶体管用以接收前级输出的第一输入，并且输出第二输出至交替前级。第二型晶体管用以接收交替后级输出的第二输入，并且输出第一输出至后级。电阻器用以在第一输出与第二输出之间提供耦合及位准移位。

依据一些实施例，环形振荡方法包括：合并多个级，各个级包括第一型晶体管、第二型晶体管及电阻器；串级排列所述级为环形拓扑，各个级具有前级、后级、交替前级及交替后级；使用第一型晶体管，接收从前级输出的第一输入，并且输出第二输出至交替前级；使用第二型晶体管，接收从交替后级输出的第二输入，并且输出第一输出至后级；以及，使用电阻器，在第一输出与第二输出之间提供耦合及位准移位。

依据一些实施例，环形振荡方法包括：并入第一第一型晶体管以从第一节点接收第一电压，并且在第二节点输出第二电压；并入第一电阻器以耦接第二节点至第三节点；并入第二第一型晶体管以从第三节点接收第三电压，并且在第四节点输出第四电压；并入第二电阻器以耦接第四节点至第五节点；并入第三第一型晶体管以从第五节点接收第五电压，并且在第六节点输出第六电压；并入第三电阻器以耦接第六节点至第七节点；并入第四第一型晶体管以从第七节点接收第七电压，并且在第八节点输出第八电压；并入第四电阻器以耦接第八节点至第一节点；并入第一第二型晶体管以从第六节点接收第六电压，并且在第三节点输出第三电压；并入第二第二型晶体管以从第八节点接收第八电压，并且在第五节点输出第五电压；并入第三第二型晶体管以从第二节点接收第二电压，并且在第七节点输出第七电压；以及，并入第四第二型晶体管以从第四节点接收第四电压，并且在第一节点输出第一电压。

附图说明

图1A示出一现有环形振荡器的示意图。

图1B示出图1A中反相器的示意图。

图2为根据本公开一些实施例所示出的环形振荡器的示意图。

图3A示出图2中环形振荡器的模拟波形的示意图。

图3B示出图2中环形振荡器的额外模拟波形的示意图。

图4为根据本公开一些实施例所示出的环形振荡方法的流程图。

符号说明

100：正交输出环形振荡器

110：主要反相器

120：主要反相器

130：主要反相器

140：主要反相器

150：前馈反相器

160：前馈反相器

170：前馈反相器

180：前馈反相器

191：第一耦合电阻器

192：第二耦合电阻器

193：第三耦合电阻器

194：第四耦合电阻器

V

V

V

V

V

V

V

V

101：反相器

MN：N型晶体管

MP：P型晶体管

200：环形振荡器

210：第一级

220：第二级

230：第三级

240：第四级

MN1：N型晶体管

MN2：N型晶体管

MN3：N型晶体管

MN4：N型晶体管

MP1：P型晶体管

MP2：P型晶体管

MP3：P型晶体管

MP4：P型晶体管

N1：第一节点

N2：第二节点

N3：第三节点

N4：第四节点

N5：第五节点

N6：第六节点

N7：第七节点

N8：第八节点

R1：电阻器

R2：电阻器

R3：电阻器

R4：电阻器

V

V

V

V

V

V

V

V

V

V

401：步骤

402：步骤

403：步骤

404：步骤

405：步骤

具体实施方式

本公开涉及环形振荡器。尽管在说明书中描述了数个被认为是实施本公开的优选模式，但应理解本公开仍可以诸多方式来实现，且不应限定于下述的特定实施例或实现下述特征的特定方式。在实施例中，公知细节将不再被赘述或讨论，以避免模糊本公开重点。

本公开是从工程方面(即，从本技术领域中技术人员的观点)来进行表述。例如，“X等于Y”是表示“X与Y之间的差异小于特定的工程/实务允许误差”。“X明显小于Y”是表示“X与Y之间的比例小于特定的工程/实务允许误差”。“X为零”是表示“X小于特定的工程/实务允许误差”。

在本公开中，电源节点以“V

本公开提出一些实施例，用于克服环形振荡器因低电源电压造成的操作限制。

在一些实施例中，N型晶体管是一种电压转电流的转换装置，能将栅极-源极电压V

于此，“V

图2为根据本公开一些实施例所示出的环形振荡器的示意图。在一些实施例中，参照图2，环形振荡器200包括以环形拓扑(ring topology)串级排列的第一级210、第二级220、第三级230及第四级240。由于环形拓扑串级排列的方式，每个级(第一级210、第二级220、第三级230及第四级240)具有一个前级(preceding stage)及一个后级(succeedingstage)，其中前级的前级被称为“交替前(alternate-preceding)”级，后级的后级被称为“交替后(alternate-succeeding)”级。更具体地，第一级210是第二级220的前级，并且第一级210是第三级230的交替前级。第二级220是第三级230的前级，并且第二级220是第四级240的交替前级。第三级230是第四级240前级，并且第三级230是第一级210的交替前级。第四级240是第一级210的前级，并且第四级240是第二级220的交替前级。另一方面，第一级210是第四级240的后级，并且第一级210是第三级230的交替后级。第二级220是第一级210的后级，并且第二级220是第四级240的交替后级。第三级230是第二级220的后级，并且第三级230是第一级210的交替后级。第四级240是第三级230的后级，并且第四级240是第二级220的交替后级。

在一些实施例中，每一级(例如，第一级210、第二级220、第三级230及第四级240)包括N型晶体管、P型晶体管及电阻器。具体而言，第一级210包括N型晶体管MN1、P型晶体管MP1及电阻器R1。N型晶体管MN1用以从第一节点N1接收第一电压V

在一些实施例中，每一级接收第一输入及第二输入，第一输入是从前级输出，第二输入是从交替后级输出，每一级输出第一输出至后级，并且每一级输出第二输出至交替前级。更详细地来说，每一级的N型晶体管用以接收第一输入，并输出第二输出，每一级的P型晶体管用以接收第二输入，并输出第一输出。每一级的电阻器用以在第一输出与第二输出之间提供耦合及位准移位。于此，对于第一级210，N型晶体管是指N型晶体管MN1，P型晶体管是指P型晶体管MP1，电阻器是指电阻器R1，前级是指第四级240，第一输入是指第一电压V

在一些实施例中，由于电阻器R1的位准移位，第三电压V

在一些实施例中，环形振荡器200的振荡周期描述如下。当第一电压V

在一些实施例中，需特别注意的是，电阻器R1能避免N型晶体管MN1及P型晶体管MP1之间的直接竞争，电阻器R2能避免N型晶体管MN2及P型晶体管MP2之间的直接竞争，电阻器R3能避免N型晶体管MN3及P型晶体管MP3之间的直接竞争，电阻器R4能避免N型晶体管MN4及P型晶体管MP4之间的直接竞争，因此保留Lin在美国专利(专利号US 9,252,753)中启示的环形振荡器的相同优点。

在一些实施例中，需特别注意的是，环形振荡器200包括多个P型晶体管及多个N型晶体管。如果每个P型晶体管替换为N型晶体管，每个N型晶体管替换为P型晶体管，每个电源节点V

在一些实施例中，环形振荡器200是四级环形振荡器，但是本公开的启示能应用于大于二的任何数量的级，例如三级(three-stage)、四级(four-stage)、五级(five-stage)、六级(six-stage)、七级(seven-stage)等。

在一些实施例中，在环形振荡器200中，对于各个级，交替前级与交替后级是碰巧相同。但是这只是巧合，是在四级的情况才会发生的特殊实施例。一般而言，除了四级的特殊实施例外，交替前级与交替后级是不同的。

图3A及图3B分别为本公开一些实施例的图2的环形振荡器200的模拟波形的示意图。参照图3A及图3B，作为示例而非限制，在一些实施例中，环形振荡器200是使用28纳米互补式金属氧化物半导体(CMOS)工艺技术制造。N型晶体管MN1、MN2、MN3及MN4的通道宽度与通道长度分别为32微米与45纳米。P型晶体管MP1、MP2、MP3及MP4的通道宽度与通道长度分别为16微米与30纳米。电阻器R1、R2、R3及R4分别为75欧姆。电源电压V

图4为根据本公开一些实施例所示出的环形振荡方法的流程图。参照图4，在一些实施例中，环形振荡方法包括以下步骤：合并多个级，各个级包括第一型晶体管、第二型晶体管及电阻器(步骤401)；串级排列所述级为环形拓扑，各个级具有前级、后级、交替前级及交替后级(步骤402)；使用第一型晶体管，接收从前级输出的第一输入，并且输出第二输出至交替前级(步骤403)；使用第二型晶体管，接收从交替后级输出的第二输入，并且输出第一输出至后级(步骤404)；以及，使用电阻器在第一输出与第二输出之间提供耦合及位准移位(步骤405)。

继续参照图2，在一些实施例中，环形振荡方法包括：并入第一第一型晶体管(即，N型晶体管MN1)以从第一节点N1接收第一电压V

虽然本公开的技术内容已经以优选实施例公开如上，然其并非用以限定本公开，任何本领域技术人员，在不脱离本公开的构思所作些许的变动与润饰，皆应涵盖于本公开的范围内，因此本公开的专利保护范围当视权利要求所界定者为准。