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。

　　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(complementarymetaloxidesemiconductor,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：behzadrazavi著的“模拟cmos集成电路设计(designofanalogcmosintegratedcircuits)”，mcgraw-hill出版(isbn0-07-118839-8))，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us9,252,753)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v225、v315、v45及v135，并分别用以输出电压v0、v90、v180及v270。前馈反相器150、160、170及180用以分别接收电压v180、v0、v270及v90，并分别用以输出电压v315、v135、v45及v225。第一耦合电阻器191用以耦合电压v0至电压v315，第二耦合电阻器192用以耦合电压v90至v45，第三耦合电阻器193用以耦合电压v180至v135，第四耦合电阻器194用以耦合电压v270至v225。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。

　　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“vdd”表示。反相器120的增益高度取决于电源节点vdd的电源电压，越高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vdd的电源电压可能不够高，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。

　　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。

　　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“vdd”表示。为了方便起见，“vdd”也可以表示在电源节点提供的电源电压，以下简称为“电源电压”。也就是，“vdd为0.9伏特”能表示为“电源节点提供的电源电压vdd为0.9伏特”或简称为“电源电压vdd为0.9伏特”。

　　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vgs转换为漏极电流id，转换公式如下所示：

　　于此，“vth”是阈值电压，“k”是常数，“vgs-vth”是决定漏极电流的过驱动电压。在电源电压为“vdd”的电路中，栅极-源极电压vgs将被限制为不高于电源电压vdd，因此漏极电流id被限制为不高于k(vdd-vth)2。式(1)也适于p型晶体管，但是栅极-源极电压vgs的极性需要反转(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。

　　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(ringtopology)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(precedingstage)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v1，并且在第二节点n2输出第二电压v2。p型晶体管mp1用以从第六节点n6接收第六电压v6，并且在第三节点n3输出第三电压v3。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(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v3，并且在第四节点n4输出第四电压v4。p型晶体管mp2用以从第八节点n8接收第八电压v8，并且在第五节点n5输出第五电压v5。电阻器r2在第四节点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v5，并且在第六节点n6输出第六电压v6。p型晶体管mp3用以从第二节点n2接收第二电压v2，并且在第七节点n7输出第七电压v7。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v7，并且在第八节点n8输出第八电压v8。p型晶体管mp4用以从第四节点n4接收第四电压v4，并且在第一节点n1输出第一电压v1。电阻器r4在第八节点n8与第一节点n1之间提供耦合并具有位准移位的功能。

　　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v1，交替后级是指第三级230，第二输入是指第六电压v6，后级是指第二级220，第一输出是指第三电压v3，交替前级是指第三级230，第二输出是指第二电压v2。对于第二级220，n型晶体管是指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v3，交替后级是指第四级240，第二输入是指第八电压v8，后级是指第三级230，第一输出是指第五电压v5，交替前级是指第四级240，第二输出是指第四电压v4。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，电阻器是指电阻器r3，前级是指第二级220，第一输入是指第五电压v5，交替后级是指第一级210，第二输入是指第二电压v2，后级是指第四级240，第一输出是指第七电压v7，交替前级是指第一级210，第二输出是指第六电压v6。对于第四级240，n型晶体管是指n型晶体管mn4，p型晶体管是指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v7，交替后级是指第二级220，第二输入是指第四电压v4，后级是指第一级210，第一输出是指第一电压v1，交替前级是指第二级220，第二输出是指第八电压v8。当第一输入上升至足够高时，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。

　　在一些实施例中，由于电阻器r1的位准移位，第三电压v3能保持高位准，因此n型晶体管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vdd为低时，也能利用n型晶体管mn2强下拉(pull-down)第四电压v4。同理，由于第二电压v2能保持低位准，因此p型晶体管mp3能具有高的工作周期，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vdd为低时，也能利用p型晶体管mp3强上拉(pull-up)第七电压v7。由于电阻器r2的位准移位，第五电压v5能保持高位准，因此n型晶体管mn3能具有高的工作周期，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vdd为低时，也能利用n型晶体管mn3强下拉第六电压v6。同理，由于第四电压v4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vdd为低时，也能利用p型晶体管mp4强上拉第一电压v1。由于电阻器r3的位准移位，第七电压v7能保持高位准，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vdd为低时，也能利用n型晶体管mn4强下拉第八电压v8。同理，由于第六电压v6能保持低位准，因此p型晶体管mp1能具有高的工作周期，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vdd为低时，也能利用p型晶体管mp1强上拉第三电压v3。由于电阻器r4的位准移位，第一电压v1能保持高位准，因此n型晶体管mn1能具有高的工作周期，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vdd为低时，也能利用n型晶体管mn1强下拉第二电压v2。同理，由于第八电压v8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vdd为低时，也能利用p型晶体管mp2强上拉第五电压v5。因此，由于电阻器的位准移位功能，环形振荡器200能利用延长晶体管的工作周期以克服低电源电压的限制。

　　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v1发生低至高的转变事件(transitionevent)；驱使n型晶体管mn1将第二电压v2下拉至接地；驱使p型晶体管mp3将第七电压v7上拉至电源电压vdd；驱使n型晶体管mn4将第八电压v8下拉至接地，并且利用电阻器r4将第一电压v1下拉至接地，从而导致第一电压v1的高至低的转变事件；驱使p型晶体管mp2将第五电压v5上拉至电源电压vdd；驱使n型晶体管mn3将第六电压v6下拉至接地；驱使p型晶体管mp1将第三电压v3上拉至电源电压vdd；驱使n型晶体管mn2将第四电压v4下拉至接地；驱使p型晶体管mp4将第一电压v1上拉至电源电压vdd，从而导致下一个第一电压v1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，从而产生振荡。

　　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us9,252,753)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vdd替换为接地节点，以及每个接地节点替换为电源节点vdd，则环形振荡器200的功能保持相同，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”，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。

　　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vdd为0.77伏特。模拟结果如图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v7、第五电压v5、第三电压v3及第一电压v1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。如图3b所示，第六电压v6、第四电压v4、第二电压v2及第八电压v8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v7、第五电压v5、第三电压v3及第一电压v1保持在高位准的时间比保持在低位准的时间长，从而导致它们控制的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v6、第四电压v4、第二电压v2及第八电压v8保持在低位准的时间比保持在高位准的时间长，从而导致它们控制的p型晶体管具有高的工作周期以输出更多的电荷。

　　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v1，并且在第二节点n2输出第二电压v2；并入第一电阻器(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v3，并且在第四节点n4输出第四电压v4；并入第二电阻器(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v5，并且在第六节点n6输出第六电压v6；并入第三电阻器(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v7，并且在第八节点n8输出第八电压v8；并入第四电阻器(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v6，并且在第三节点n3输出第三电压v3；并入第二第二型晶体管(即，p型晶体管mp2)以从第八节点n8接收第八电压v8，并且在第五节点n5输出第五电压v5；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v2，并且在第七节点n7输出第七电压v7；以及，并入第四第二型晶体管(即，p型晶体管mp4)以从第四节点n4接收第四电压v4，并且在第一节点n1输出第一电压v1。

　　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。

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