本公开提供一种环形振荡器及其方法。环形振荡器包括以环形拓扑串级排列的多个级，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第一输入，并且输出第二输出至交替前级，其中第一输入为前级的输出。第二型晶体管用以接收第二输入，并且输出第一输出至后级，其中第二输入为交替后级的输出。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。

　　(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 CN 113271085 A (43)申请公布日 2021.08.17 (21)申请号 2.9 (22)申请日 2020.07.20 (30)优先权数据 16/791,009 2020.02.14 US (71)申请人 瑞昱半导体股份有限公司 地址 中国台湾新竹市 (72)发明人 林嘉亮 (74)专利代理机构 隆天知识产权代理有限公司 72003 代理人 黄艳郑特强 (51)Int.Cl. H03K 3/03 (2006.01) H03K 3/011 (2006.01) 权利要求书2页 说明书9页 附图5页 (54)发明名称 环形振荡器及其方法 (57)摘要 本公开提供一种环形振荡器及其方法。环形 振荡器包括以环形拓扑串级排列的多个级，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第一输入，并且输出第二输 出至交替前级，其中第一输入为前级的输出。第 二型晶体管用以接收第二输入，并且输出第一输 出至后级，其中第二输入为交替后级的输出。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。 A 5 8 0 1 7 2 3 1 1 N C CN 113271085 A 权利要求书 1/2页 1.一种环形振荡器，包括： 一第一第一型晶体管，用以从一第一节点接收一第一电压，并且在一第二节点输出一 第二电压； 一第一电阻器，耦接于该第二节点与一第三节点之间； 一第二第一型晶体管，用以从该第三节点接收一第三电压，并且在一第四节点输出一 第四电压； 一第二电阻器，耦接于该第四节点与一第五节点之间； 一第三第一型晶体管，用以从该第五节点接收一第五电压，并且在一第六节点输出一 第六电压； 一第三电阻器，耦接于该第六节点与一第七节点之间； 一第四第一型晶体管，用以从该第七节点接收一第七电压，并且在一第八节点输出一 第八电压； 一第四电阻器，耦接于该第八节点与该第一节点之间； 一第一第二型晶体管，用以从该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； 一第二第二型晶体管，用以从该第八节点接收该第八电压，并且在该第五节点输出该 第五电压； 一第三第二型晶体管，用以从该第二节点接收该第二电压，并且在该第七节点输出该 第七电压；及 一第四第二型晶体管，用以从该第四节点接收该第四电压，并且在该第一节点输出该 第一电压。 2.如权利要求1所述的环形振荡器，其中，该第一第一型晶体管、该第二第一型晶体管、 该第三第一型晶体管及该第四第一型晶体管分别是一N型晶体管，该第一第二型晶体管、该 第二第二型晶体管、该第三第二型晶体管及该第四第二型晶体管分别是一P型晶体管。 3.如权利要求1所述的环形振荡器，其中，该第一第一型晶体管、该第二第一型晶体管、 该第三第一型晶体管及该第四第一型晶体管分别是一P型晶体管，该第一第二型晶体管、该 第二第二型晶体管、该第三第二型晶体管及该第四第二型晶体管分别是一N型晶体管。 4.一种环形振荡器，包括多个级，所述多个级以一环形拓扑串级排列，各个级具有一前 级、一后级、一交替前级及一交替后级，各个级包括： 一第一型晶体管，用以接收从该前级输出的一第一输入，并且输出一第二输出至该交 替前级； 一第二型晶体管，用以接收从该交替后级输出的一第二输入，并且输出一第一输出至 该后级；及 一电阻器，用以在该第一输出与该第二输出之间提供耦合及位准移位。 5.如权利要求4所述的环形振荡器，其中，该第一型晶体管是一N型晶体管，该第二型晶 体管是一P型晶体管。 6.如权利要求4所述的环形振荡器，其中，该第一型晶体管是一P型晶体管，该第二型晶 体管是一N型晶体管。 7.一种环形振荡方法，包括： 2 2 CN 113271085 A 权利要求书 2/2页 合并多个级，各个级包括一第一型晶体管、一第二型晶体管及一电阻器； 串级排列所述多个级为一环形拓扑，各个级具有一前级、一后级、一交替前级及一交替 后级； 使用该第一型晶体管，接收从该前级输出的一第一输入，并且输出一第二输出至该交 替前级； 使用该第二型晶体管，接收从该交替后级输出的一第二输入，并且输出一第一输出至 该后级；及 使用该电阻器，在该第一输出与该第二输出之间提供耦合及位准移位。 8.如权利要求7所述的环形振荡方法，其中，该第一型晶体管是一N型晶体管，该第二型 晶体管是一P型晶体管。 9.如权利要求7所述的环形振荡方法，其中，该第一型晶体管是一P型晶体管，该第二型 晶体管是一N型晶体管。 10.一种环形振荡方法，包括： 并入一第一第一型晶体管以从一第一节点接收一第一电压，并且在一第二节点输出一 第二电压； 并入一第一电阻器以耦接该第二节点至一第三节点； 并入一第二第一型晶体管以从该第三节点接收一第三电压，并且在一第四节点输出一 第四电压； 并入一第二电阻器以耦接该第四节点至一第五节点； 并入一第三第一型晶体管以从该第五节点接收一第五电压，并且在一第六节点输出一 第六电压； 并入一第三电阻器以耦接该第六节点至一第七节点； 并入一第四第一型晶体管以从该第七节点接收一第七电压，并且在一第八节点输出一 第八电压； 并入一第四电阻器以耦接该第八节点至该第一节点； 并入一第一第二型晶体管以从该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； 并入一第二第二型晶体管以从该第八节点接收该第八电压，并且在该第五节点输出该 第五电压； 并入一第三第二型晶体管以从该第二节点接收该第二电压，并且在该第七节点输出该 第七电压；及 并入一第四第二型晶体管以从该第四节点接收该第四电压，并且在该第一节点输出该 第一电压。 3 3 CN 113271085 A 说明书 1/9页 环形振荡器及其方法 技术领域 [0001] 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 [0002] 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(ring  oscillator)”、“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。 [0003] 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 、V 、V 及V ，并分别用以输出电压V 、V 、V 及V 。前馈反相器150、 225 315 45 135 0 90 180 270 160、170及180用以分别接收电压V 、V 、V 及V ，并分别用以输出电压V 、V 、V 及V 。 180 0 270 90 315 135 45 225 第一耦合电阻器191用以耦合电压V 至电压V ，第二耦合电阻器192用以耦合电压V 至V ， 0 315 90 45 第三耦合电阻器193用以耦合电压V 至V ，第四耦合电阻器194用以耦合电压V 至V 。 180 135 270 225 四个耦合电阻器能有效地防止主要反相器与前馈反相器之间的竞争(contention)，从而减 轻因上述竞争产生的电路速率损耗及功率浪费。为了使环形振荡器正确地运行，四个主要 反相器110、120、130及140以及四个前馈反相器150、160、170及180必须提供足够高的增益 以维持振荡。 [0004] 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 ”表示。反相器120的增益高度取决于电源节点V 的电源电压，越高 DD DD 的电源电压产生越高的增益，越低的电源电压产生越低的增益。因此，由于电源节点V 的电 DD 源电压可能不够高，主要反相器110、120、130及140以及前馈反相器150、160、170及180的增 4 4 CN 113271085 A 说明书 2/9页 益相对较小，不具有足够高的增益，使得正交输出环形振荡器100不适于在低电源电压操 作。 [0005] 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 [0006] 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。 [0007] 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。 [0008] 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。 [0009] 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。 5 5 CN 113271085 A 说明书 3/9页 附图说明 [0010] 图1A示出一现有环形振荡器的示意图。 [0011] 图1B示出图1A中反相器的示意图。 [0012] 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。 [0013] 图3A示出图2中环形振荡器的模拟波形的示意图。 [0014] 图3B示出图2中环形振荡器的额外模拟波形的示意图。 [0015] 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。 [0016] 符号说明 [0017] 100：正交输出环形振荡器 [0018] 110：主要反相器 [0019] 120：主要反相器 [0020] 130：主要反相器 [0021] 140：主要反相器 [0022] 150：前馈反相器 [0023] 160：前馈反相器 [0024] 170：前馈反相器 [0025] 180：前馈反相器 [0026] 191：第一耦合电阻器 [0027] 192：第二耦合电阻器 [0028] 193：第三耦合电阻器 [0029] 194：第四耦合电阻器 [0030] V ：电压 0 [0031] V ：电压 45 [0032] V ：电压 90 [0033] V ：电压 135 [0034] V ：电压 180 [0035] V ：电压 225 [0036] V ：电压 270 [0037] V ：电压 315 [0038] 101：反相器 [0039] MN：N型晶体管 [0040] MP：P型晶体管 [0041] 200：环形振荡器 [0042] 210：第一级 [0043] 220：第二级 [0044] 230：第三级 [0045] 240：第四级 [0046] MN1：N型晶体管 [0047] MN2：N型晶体管 6 6 CN 113271085 A 说明书 4/9页 [0048] MN3：N型晶体管 [0049] MN4：N型晶体管 [0050] MP1：P型晶体管 [0051] MP2：P型晶体管 [0052] MP3：P型晶体管 [0053] MP4：P型晶体管 [0054] N1：第一节点 [0055] N2：第二节点 [0056] N3：第三节点 [0057] N4：第四节点 [0058] N5：第五节点 [0059] N6：第六节点 [0060] N7：第七节点 [0061] N8：第八节点 [0062] R1：电阻器 [0063] R2：电阻器 [0064] R3：电阻器 [0065] R4：电阻器 [0066] V ：第一电压 1 [0067] V ：第二电压 2 [0068] V ：第三电压 3 [0069] V ：第四电压 4 [0070] V ：第五电压 5 [0071] V ：第六电压 6 [0072] V ：第七电压 7 [0073] V ：第八电压 8 [0074] V ：电源节点 DD [0075] V ：电源电压 DD [0076] 401：步骤 [0077] 402：步骤 [0078] 403：步骤 [0079] 404：步骤 [0080] 405：步骤 具体实施方式 [0081] 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。 [0082] 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 7 7 CN 113271085 A 说明书 5/9页 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”。 [0083] 在本公开中，电源节点以“V ”表示。为了方便起见，“V ”也可以表示在电源节点 DD DD 提供的电源电压，以下简称为“电源电压”。也就是，“V 为0.9伏特”能表示为“电源节点提供 DD 的电源电压V 为0.9伏特”或简称为“电源电压V 为0.9伏特”。 DD DD [0084] 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。 [0085] 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 转换为漏极电流I ，转换公式如下所示： gs d [0086] [0087] 于此，“V ”是阈值电压，“K”是常数，“V -V ”是决定漏极电流的过驱动电压。在电 th gs th 源电压为“V ”的电路中，栅极-源极电压V 将被限制为不高于电源电压V ，因此漏极电流 DD gs DD 2 I被限制为不高于K(V -V ) 。式(1)也适于P型晶体管，但是栅极-源极电压V 的极性需要 d DD th gs 反转(即，栅极-源极电压被源极-栅极电压代替)。在低电源电压的电路中，由于天生缺乏电 压高的过驱动电压，因此晶体管难以输出大漏极电流。在本公开中，利用延长过驱动电压的 持续时间，并从而延长漏极电流的持续时间，借此在低电源电压的情况下，克服因缺乏高过 驱动电压而无法输出大漏极电流的限制。晶体管的工作周期是晶体管导通以输出漏极电流 的时间的百分比。晶体管输出的总电荷是晶体管的漏极电流的时间积分。例如，如果因为较 低的电源电压而使漏极电流减少了20％，但是漏极电流的持续时间或晶体管的工作周期延 长了20％，则晶体管输出的总电荷能保持不变。这样，利用增加工作周期来补偿电流的减 少，则能克服低电源电压的限制。 [0088] 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(succeeding  stage)，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。 [0089] 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 ，并且在第二节点N2输出 1 8 8 CN 113271085 A 说明书 6/9页 第二电压V 。P型晶体管MP1用以从第六节点N6接收第六电压V ，并且在第三节点N3输出第三 2 6 电压V 。电阻器R1在第二节点N2与第三节点N3之间提供耦合(coupling)并具有位准移位 3 (level-shifting)的功能。第二级220包括N型晶体管MN2、P型晶体管MP2及电阻器R2。N型晶 体管MN2用以从第三节点N3接收第三电压V ，并且在第四节点N4输出第四电压V 。P型晶体管 3 4 MP2用以从第八节点N8接收第八电压V ，并且在第五节点N5输出第五电压V 。电阻器R2在第 8 5 四节点N4与第五节点N5之间提供耦合并具有位准移位的功能。第三级230包括N型晶体管 MN3、P型晶体管MP3及电阻器R3。N型晶体管MN3用以从第五节点N5接收第五电压V ，并且在 5 第六节点N6输出第六电压V 。P型晶体管MP3用以从第二节点N2接收第二电压V ，并且在第七 6 2 节点N7输出第七电压V 。电阻器R3在第六节点N6与第七节点N7之间提供耦合并具有位准移 7 位的功能。第四级240包括N型晶体管MN4、P型晶体管MP4及电阻器R4。N型晶体管MN4用以从 第七节点N7接收第七电压V ，并且在第八节点N8输出第八电压V 。P型晶体管MP4用以从第四 7 8 节点N4接收第四电压V ，并且在第一节点N1输出第一电压V 。电阻器R4在第八节点N8与第一 4 1 节点N1之间提供耦合并具有位准移位的功能。 [0090] 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 ， 1 交替后级是指第三级230，第二输入是指第六电压V ，后级是指第二级220，第一输出是指第 6 三电压V ，交替前级是指第三级230，第二输出是指第二电压V 。对于第二级220，N型晶体管 3 2 是指N型晶体管MN2，P型晶体管是指P型晶体管MP2，电阻器是指电阻器R2，前级是指第一级 210，第一输入是指第三电压V ，交替后级是指第四级240，第二输入是指第八电压V ，后级是 3 8 指第三级230，第一输出是指第五电压V ，交替前级是指第四级240，第二输出是指第四电压 5 V 。对于第三级230，N型晶体管是指N型晶体管MN3，P型晶体管是指P型晶体管MP3，电阻器是 4 指电阻器R3，前级是指第二级220，第一输入是指第五电压V ，交替后级是指第一级210，第 5 二输入是指第二电压V ，后级是指第四级240，第一输出是指第七电压V ，交替前级是指第一 2 7 级210，第二输出是指第六电压V 。对于第四级240，N型晶体管是指N型晶体管MN4，P型晶体 6 管是指P型晶体管MP4，电阻器是指电阻器R4，前级是指第三级230，第一输入是指第七电压 V ，交替后级是指第二级220，第二输入是指第四电压V ，后级是指第一级210，第一输出是指 7 4 第一电压V ，交替前级是指第二级220，第二输出是指第八电压V 。当第一输入上升至足够高 1 8 时，N型晶体管导通并直接下拉第二输出，并利用电阻器间接下拉第一输出，并因电阻器使 得第一输出的位准高于第二输出的位准。当第二输入下降至足够低时，P型晶体管导通并直 接上拉第一输出，并利用电阻间接上拉第二输出，并因电阻器使得第一输出的位准高于第 二输出的位准。这样，第一输出的位准保持高于第二输出位准，因此实现位准移位的功能。 [0091] 在一些实施例中，由于电阻器R1的位准移位，第三电压V 能保持高位准，因此N型 3 晶体管MN2能具有高的工作周期，借此以一长的持续时间从第四节点N4汲取电流。由于从第 四节点N4能汲取高的总电荷，即使当电源电压V 为低时，也能利用N型晶体管MN2强下拉 DD (pull-down)第四电压V 。同理，由于第二电压V能保持低位准，因此P型晶体管MP3能具有高 4 2 9 9 CN 113271085 A 说明书 7/9页 的工作周期，借此以一长的持续时间向第七节点N7注入电流。由于能注入高的总电荷至第 七节点N7，即使当电源电压V 为低时，也能利用P型晶体管MP3强上拉(pull-up)第七电压 DD V 。由于电阻器R2的位准移位，第五电压V能保持高位准，因此N型晶体管MN3能具有高的工 7 5 作周期，借此以一长的持续时间从第六节点N6汲取电流。由于从第六节点N6能汲取高的总 电荷，即使当电源电压V 为低时，也能利用N型晶体管MN3强下拉第六电压V 。同理，由于第 DD 6 四电压V能保持低位准，因此P型晶体管MP4能具有高的工作周期，借此以一长的持续时间 4 向第一节点N1注入电流。由于能注入高的总电荷至第一节点N1为高，即使当电源电压V 为 DD 低时，也能利用P型晶体管MP4强上拉第一电压V 。由于电阻器R3的位准移位，第七电压V能 1 7 保持高位准，因此N型晶体管MN4能具有高的工作周期，借此以一长的持续时间从第八节点 N8汲取电流。由于能从第八节点N8汲取高的总电荷，即使当电源电压V 为低时，也能利用N DD 型晶体管MN4强下拉第八电压V 。同理，由于第六电压V能保持低位准，因此P型晶体管MP1能 8 6 具有高的工作周期，借此以一长的持续时间向第三节点N3注入电流。由于能注入高的总电 荷至第三节点N3，即使当电源电压V 为低时，也能利用P型晶体管MP1强上拉第三电压V 。由 DD 3 于电阻器R4的位准移位，第一电压V 能保持高位准，因此N型晶体管MN1能具有高的工作周 1 期，借此以一长的持续时间从第二节点N2汲取电流。由于能从第二节点N2汲取高的总电荷， 即使当电源电压V 为低时，也能利用N型晶体管MN1强下拉第二电压V 。同理，由于第八电压 DD 2 V 能保持低位准，因此P型晶体管MP2能具有高工作周期，借此以一长的持续时间向第五节 8 点N5注入电流。由于能注入高的总电荷至第五节点N5，即使当电源电压V 为低时，也能利用 DD P型晶体管MP2强上拉第五电压V 。因此，由于电阻器的位准移位功能，环形振荡器200能利 5 用延长晶体管的工作周期以克服低电源电压的限制。 [0092] 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 发生低至高 1 的转变事件(transition event)；驱使N型晶体管MN1将第二电压V 下拉至接地；驱使P型晶 2 体管MP3将第七电压V 上拉至电源电压V ；驱使N型晶体管MN4将第八电压V下拉至接地，并 7 DD 8 且利用电阻器R4将第一电压V 下拉至接地，从而导致第一电压V 的高至低的转变事件；驱使 1 1 P型晶体管MP2将第五电压V 上拉至电源电压V ；驱使N型晶体管MN3将第六电压V下拉至接 5 DD 6 地；驱使P型晶体管MP1将第三电压V 上拉至电源电压V ；驱使N型晶体管MN2将第四电压V 3 DD 4 下拉至接地；驱使P型晶体管MP4将第一电压V 上拉至电源电压V ，从而导致下一个第一电 1 DD 压V 的低至高的转变事件。这样，以重复且周期性的方式发生一个低至高的转变事件，从而 1 产生振荡。 [0093] 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。 [0094] 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 替换为接地节点，以及每个接地节点替换为电源节点V ，则环形振荡器200的功能 DD DD 保持相同，这样，替换后的电路称为“被翻转(flipped)”，其中P型晶体管与N型晶体管的作 用互换，电源与接地的作用也互换，但是功能保持不变。因此，环形振荡器200能“被翻转”， 10 10 CN 113271085 A 说明书 8/9页 并且成为另一实施例，“被翻转”的实施方式对于本技术领域中技术人员在阅读“未被翻转” 的实施例后是显而易见的，因此不再此详述。 [0095] 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。 [0096] 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。 [0097] 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 为0.77伏特。模拟结 DD 果如图3A及图3B所示，于此，振荡频率约为14.25吉赫兹，周期约为70.18皮秒。如图3A所示， 第七电压V 、第五电压V 、第三电压V及第一电压V 具有相同的波形，并且在时间上具有均 7 5 3 1 匀的位移差以形成四相时钟。如图3B所示，第六电压V 、第四电压V 、第二电压V及第八电压 6 4 2 V 具有相同的波形，并且在时间上具有均匀的位移差以形成四相时钟。清楚地，第七电压V 、 8 7 第五电压V 、第三电压V及第一电压V 保持在高位准的时间比保持在低位准的时间长，从而 5 3 1 导致它们控制的N型晶体管具有高的工作周期以输出更多的电荷。另一方面，第六电压V 、 6 第四电压V 、第二电压V及第八电压V 保持在低位准的时间比保持在高位准的时间长，从而 4 2 8 导致它们控制的P型晶体管具有高的工作周期以输出更多的电荷。 [0098] 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)。 [0099] 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 ，并且在第二节点N2输出第二电压V ；并入第 1 2 一电阻器(即，电阻器R1)以耦接第二节点N2至第三节点N3；并入第二第一型晶体管(即，N型 晶体管MN2)以从第三节点N3接收第三电压V ，并且在第四节点N4输出第四电压V ；并入第二 3 4 电阻器(即，电阻器R2)以耦接第四节点N4至第五节点N5；并入第三第一型晶体管(即，N型晶 体管MN3)以从第五节点N5接收第五电压V ，并且在第六节点N6输出第六电压V ；并入第三电 5 6 阻器(即，电阻器R3)以耦接第六节点N6至第七节点N7；并入第四第一型晶体管(即，N型晶体 管MN4)以从第七节点N7接收第七电压V ，并且在第八节点N8输出第八电压V ；并入第四电阻 7 8 器(即，电阻器R4)以耦接第八节点N8至第一节点N1；并入第一第二型晶体管(即，P型晶体管 MP1)以从第六节点N6接收第六电压V ，并且在第三节点N3输出第三电压V ；并入第二第二型 6 3 晶体管(即，P型晶体管MP2)以从第八节点N8接收第八电压V ，并且在第五节点N5输出第五 8 11 11 CN 113271085 A 说明书 9/9页 电压V ；并入第三第二型晶体管(即，P型晶体管MP3)以从第二节点N2接收第二电压V ，并且 5 2 在第七节点N7输出第七电压V ；以及，并入第四第二型晶体管(即，P型晶体管MP4)以从第四 7 节点N4接收第四电压V ，并且在第一节点N1输出第一电压V 。 4 1 [0100] 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。 12 12 CN 113271085 A 说明书附图 1/5页 图1A 图1B 13 13 CN 113271085 A 说明书附图 2/5页 图2 14 14 CN 113271085 A 说明书附图 3/5页 图3A 15 15 CN 113271085 A 说明书附图 4/5页 图3B 16 16 CN 113271085 A 说明书附图 5/5页 图4 17 17

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