一种粗调和细调相结合的环形压控振荡器电路的利记博彩app
【专利摘要】本发明涉及一种粗调和细调相结合的环形压控振荡器电路。通过在环形压控振荡器中引入粗调，振荡器的频带被分成多个相互交叠的子频带，有效降低了覆盖特定频带所需的调谐增益，从而使环形压控振荡器对衬底噪声等环境噪声的敏感度大大降低。粗调采用延迟单元输出端并接开关电阻的方式来实现，通过开关电阻的接入或断开，输出端的RC时间常数发生相应改变；根据环形振荡器震荡频率与延迟单元输出端RC时间常数成反比的关系，震荡频率实现粗调。由于引入的电阻与标准数字集成工艺兼容，该环形压控振荡器也与标准数字集成电路工艺兼容。本发明的环形压控振荡器具有一种低调谐增益、宽频带输出且与标准数字集成电路工艺完全兼容的优点。
【专利说明】一种粗调和细调相结合的环形压控振荡器电路
【技术领域】
[0001] 本发明属于微电子学【技术领域】，涉及一种粗调和细调相结合的环形压控振荡器电 路。
【背景技术】
[0002] 伴随着集成电路工艺的快速发展，微处理器的工作速度越来越高，因此需要相应 的电路来产生高性能的时钟信号。在较低频率下，通常采用有源或无源晶振来产生稳定的 时钟信号。但当频率升高到几百兆赫兹乃至千兆赫兹频率时，需要利用锁相环路的倍频作 用来产生高频时钟信号。
[0003] 锁相环路由压控振荡器、分频器、鉴频鉴相器、电荷泵和环路滤波器构成，其中压 控振荡器是锁相环的关键电路。常见的压控振荡器有电容电感型压控振荡器和环形压控振 荡器。电容电感型压控振荡器由于电容电感的滤波作用，相位噪声性能优越；但由于电容电 感回路的窄带特性，输出频率范围受限。另外，由于片上集成电感占用较大的面积，其成本 也较高；最后，电容电感型压控振荡器需要用到片上电容、电感及变容管，与标准的数字电 路不兼容。因此，电各电感型压控振荡器通常作为无线收发系统的本振信号。环形压控振 荡器由若干级反相放大器构成一个反馈回路，当满足一定的环路增益和相位条件时，振荡 器起振。由于反相放大器可以由多种不含电感、电容的电路实现，因此环形振荡器与标准数 字工艺兼容，是现代高速时钟电路的最佳选择。同时，由于环形压控振荡器的输出频率范围 很宽，同一个时钟产生电路可以同时满足不同时钟系统的要求。但由于环路较小的品质因 数，环形压控振荡器的相位噪声或时钟抖动性能较差；另外，很大的调谐增益也使振荡器对 周边环境的噪声相当敏感，这对用于数字电路时钟产生的环形振荡器来说相当严重。因此， 如何保持环形振荡器宽频带输出、与数字电路工艺兼容等优点的同时降低环形振荡器的调 谐增益成为实现高性能时钟信号的关键。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的是提供一种低调谐增益、宽频带输出且与标准数字集成电路工艺完 全兼容的环形振荡器电路。本发明实现了一种粗调和细调相结合的环形压控振荡器：通过 减小反相放大器中压控管的宽长比来减小环形压控振荡器的调谐增益；通过在反相放大器 的输出端引入开关电阻阵列来实现多个子频带，利用多个子频带实现宽频带输出；由于引 入的电阻与标准数字集成工艺兼容，该环形压控振荡器也与标准数字集成电路工艺兼容。
[0005] 本发明包括四级延迟单元，每级延迟单元包括四个NM0S管、四个PM0S管和一个开 关阻阵列。
[0006] 开关电阻阵列包括并联的多个开关单元，每个开关单元包括前开关电阻、后开关 电阻和开关，前开关电阻的一端与开关的一端连接，后开关电阻的一端与开关的另一端连 接；每个开关单元中的前开关电阻的另一端与第一 NM0S管的漏极、第三NM0S管的漏极、第 一 PM0S管的漏极、第三PM0S管的漏极连接，作为延迟单元的反相输出端；每个开关单元中 的后开关电阻的另一端与第二NMOS管的漏极、第四NMOS管的漏极、第二PMOS管的漏极、第 四PM0S管的漏极连接，作为延迟单元的同相输出端；第一 NM0S管的栅极作为延迟单元的第 一同相输入端，第二NMOS管的栅极作为延迟单元的第一反相输入端；第一 PM0S管的栅极作 为延迟单元的第二反相输入端；第二PM0S管的栅极作为延迟单元的第二同相输入端；第三 NMOS管的源极与第四PM0S管的栅极连接，第四NMOS管的源极与第三PM0S管的栅极连接； 第三NMOS管的栅极和第四NMOS管的栅极连接，作为外部电压控制端；第一 PM0S管、第二 PM0S管、第三PM0S管和第四PM0S管的源极连接外部电源电压VDD，第一 NMOS管、第二NMOS 管的源极接地。
[0007] 第一级延迟单元的第一同相输入端、第四级延迟单元的同相输出端、第二级延迟 单元的第二同相输入端连接；第一级延迟单元的第一反相输入端、第四级延迟单元的反相 输出端、第二级延迟单元的第二反相输入端连接；第二级延迟单元的第一同相输入端、第一 级延迟单元的反相输出端、第三级延迟单元的第二同相输入端连接；第二级延迟单元的第 一反相输入端、第一级延迟单元的同相输出端、第三级延迟单元的第二反相输入端连接；第 三级延迟单元的第一同相输入端、第二级延迟单元的反相输出端、第四级延迟单元的第二 同相输入端连接；第三级延迟单元的第一反相输入端、第二级延迟单元的同相输出端、第四 级延迟单元的第二反相输入端连接；第四级延迟单元的第一同相输入端、第三级延迟单元 的反相输出端、第一级延迟单元的第二反相输入端连接，作为环形振荡器的反相输出端；第 四级延迟单元的第一反相输入端、第三级延迟单元的同相输出端、第一级延迟单元的第二 同相输入端连接，作为环形振荡器的同相输出端；第一级延迟单元、第二级延迟单元、第三 级延迟单元、第四级延迟单元中的每个开关接外部数字控制信号；第一级延迟单元的外部 电压控制端与第二级延迟单元的外部电压控制端、第三级延迟单元的外部电压控制端、第 四级延迟单元中的外部电压控制端连接并作为环形压控振荡器的电压控制端。
[0008]本发明实现了一种粗调和细调相结合的环形压控振荡器：通过减小反相放大器中 压控管的宽长比来减小环形压控振荡器的调谐增益；通过在反相放大器的输出端引入开关 电阻阵列来实现多个子频带，利用多个子频带实现宽频带输出；由于引入的电阻与标准数 字集成工艺兼容，该环形压控振荡器也与标准数字集成电路工艺兼容。
【专利附图】
【附图说明】
[0009]图1为本发明的结构示意图； 图2为图1中延迟单元的结构示意图； 图3为图2中延迟单元的等效电路图； 图4为本发明环形振荡器电路流片测试得到的控制电压-频率曲线； 图5为本发明环形振荡器电路流片测试得到的相位噪声曲线。
【具体实施方式】
[0010]下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的说明。
[0011]本发明提供一种粗调和细调相结合的环形压控振荡器。通过在环形压控振荡器中 引入粗调，振荡器的频带被分成多个相互交叠的子频带，有效降低了覆盖特定频带所需的 调谐增益，从而使环形压控振荡器对衬底噪声等环境噪声的敏感度大大降低。粗调采用延 迟单元输出端并接开关电阻的方式来实现，通过开关电阻的接入或断开，输出端的RC时间 常数发生相应改变；根据环形振荡器震荡频率与延迟单元输出端RC时间常数成反比的关 系，震荡频率实现粗调。
[0012] 如图1所示为本发明的粗调和细调相结合的环形压控振荡器的电路框图,包括四 级延迟单元、电压控制端、同相/反相输出端和开关控制端。如图2所示为本发明的延迟单 元结构，包括四个NM0S管、四个PM0S管和一个开关阻阵列。
[0013] 开关电阻阵列包括并联的多个开关单元，每个开关单元包括前开关电阻、后开 关电阻Rn-2和开关sn，前开关电阻Rh的一端与开关S n的一端连接，后开关电阻1^_2的一端 与开关sn的另一端连接；每个开关单元中的前开关电阻Rn-i的另一端与第一 NM0S管NM1的 漏极、第三NM0S管NM3的漏极、第一 PM0S管PM1的漏极、第三PM0S管PM3的漏极连接，作 为延迟单元的反相输出端Vout-;每个开关单元中的后开关电阻R n_2的另一端与第二NM〇S 管NM2的漏极、第四NM0S管NM4的漏极、第二PM0S管PM2的漏极、第四PM0S管PM4的漏极 连接，作为延迟单元的同相输出端Vout+;第一 NM0S管NM1的栅极作为延迟单元的第一同 相输入端Vinl+，第二NM0S管NM2的栅极作为延迟单元的第一反相输入端Vinl-;第一 PM0S 管PM1的栅极作为延迟单元的第二反相输入端Vin2-;第二PM0S管PM2的栅极作为延迟单 元的第二同相输入端Vin2+ ;第三NM0S管NM3的源极与第四PM0S管PM4的栅极连接，第四 NM0S管NM4的源极与第三PM0S管PM3的栅极连接；第三NM0S管剛3的栅极和第四nM〇S 管NM4的栅极连接，作为外部电压控制端Vtune ;第一 PM0S管PM1、第二PM0S管PM2、第三 PM0S管PM3和第四PM0S管PM4的源极连接外部电源电压VDD，第一 NM0S管NM1、第二NM〇s 管NM2的源极接地。
[0014] 第一级延迟单元1的第一同相输入端Vinl+、第四级延迟单元4的同相输出端 Vout+、第二级延迟单元2的第二同相输入端Vin2+连接；第一级延迟单元1的第一反相 输入端Vinl-、第四级延迟单元4的反相输出端Vout-、第二级延迟单元2的第二反相输入 端Vin2-连接；第二级延迟单元2的第一同相输入端Vinl+、第一级延迟单元1的反相输 出端Vout-、第三级延迟单元3的第二同相输入端Vin2+连接；第二级延迟单元2的第一 反相输入端Vinl-、第一级延迟单元1的同相输出端Vout+、第三级延迟单元3的第二反相 输入端Vin 2-连接；第三级延迟单元3的第一同相输入端Vinl+、第二级延迟单元2的反相 输出端Vout-、第四级延迟单元4的第二同相输入端Vin 2+连接；第三级延迟单元3的第一 反相输入端Vinl-、第二级延迟单元2的同相输出端Vout+、第四级延迟单元4的第二反相 输入端Vin2-连接；第四级延迟单元4的第一同相输入端Vinl+、第三级延迟单元3的反 相输出端Vout-、第一级延迟单元1的第二反相输入端Vint连接，作为环形振荡器的反相 输出端Vosc-;第四级延迟单元4的第一反相输入端Vinl-、第三级延迟单元3的同相输出 端Vout+、第一级延迟单元1的第二同相输入端Vin2+连接，作为环形振荡器的同相输出端 Vosc+ ; 根据图3所不的延迟单元等效电路，环形振荡器的震荡频率可以表不为： ,知+I浐 - (公式。 其中，R〇为延迟单元输出端的输出电阻，4为延迟单元输出端的负载电容，IS1为流过 匪1管电流的峰值，IS2为流过PM1管电流的峰值，IS2为流过NM3管电流的峰值。从上式可 以看出，环形振荡器的振荡频率可以通过改变延迟单元输出端的输出电阻来改变。因此，通 过在输出端引入开关电阻阵列，可以实现震荡频率的粗调。电压Vtime通过控制NM3和NM4 来实现由PM3和PM4构成的锁存器的反馈强度，从而实现震荡频率的细调。
[0015] 从震荡频率的公式可以推出环形振荡器的调谐增益为： J = ~~i _ ir \ Γι α* (公式 2) 因此，减小PM3/PM4管的宽长比来减小IS3，可以实现调谐增益Kvc。的下降。
[0016] 通过本发明的实施，环形振荡器的调谐增益可以有效降低，同时保持输出频带范 围和与标准数字电路工艺的兼容性不变，使该结构适用于数字时钟产生等噪声复杂环境的 应用。图4所示为本发明的环形压控振荡器流片测试得到的控制电压-频率的曲线图，从图 中可以看出振荡器的输出频率范围覆盖480MHz到1100MHz，调谐范围达78% ;由于采用了粗 调和细调相结合的技术，整个输出频率范围由4个子频带覆盖，最大的调谐增益为170MHz/ V，这个值比传统压控振荡器的调谐增益大大降低。在实际的应用中，可以增加开关电阻阵 列的位数来进一步减小调谐增益。图5所示为本发明的环形压控振荡器流片测试得到的输 出相位噪声曲线，输出频率为4%MHz时的相位噪声为-120dBc/Hz，比现有文献报道的环形 振荡器相位噪声性能好很多。
[0017] 尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例做了详细介绍，但应当认识到上述的 描述不应该被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明 的多种修改和替换都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限 定。
【权利要求】
1. 一种粗调和细调相结合的环形压控振荡器电路，包括四级延迟单元，其特征在于： 每级延迟单元包括四个NMOS管、四个PMOS管和一个开关电阻阵列； 所述的开关电阻阵列包括并联的多个开关单元，每个开关单元包括前开关电阻、后开 关电阻和开关，如开关电阻的一端与开关的一端连接，后开关电阻的一端与开关的另一端 连接；每个开关单元中的前开关电阻的另一端与第一 NMOS管的漏极、第三NMOS管的漏极、 第一 PMOS管的漏极、第三PMOS管的漏极连接，作为延迟单元的反相输出端；每个开关单元 中的后开关电阻的另一端与第二NMOS管的漏极、第四匪0S管的漏极、第二PMOS管的漏极、 第四PMOS管的漏极连接，作为延迟单元的同相输出端；第一NMOS管的栅极作为延迟单元的 第一同相输入端，第二NMOS管的栅极作为延迟单元的第一反相输入端；第一 PMOS管的栅极 作为延迟单元的第二反相输入端；第二PMOS管的栅极作为延迟单元的第二同相输入端；第 三NMOS管的源极与第四PMOS管的栅极连接，第四NMOS管的源极与第三PMOS管的栅极连 接；第三NMOS管的栅极和第四NMOS管的栅极连接，作为外部电压控制端；第一 PMOS管、第 二PMOS管、第三PMOS管和第四PMOS管的源极连接外部电源电压VDD，第一 NMOS管、第二 NMOS管的源极接地。
2. 根据权利要求1所述的一种粗调和细调相结合的环形压控振荡器电路，其特征在 于：第一级延迟单元的第一同相输入端、第四级延迟单元的同相输出端、第二级延迟单元的 第二同相输入端连接；第一级延迟单元的第一反相输入端、第四级延迟单元的反相输出端、 第二级延迟单元的第二反相输入端连接；第二级延迟单元的第一同相输入端、第一级延迟 单元的反相输出端、第三级延迟单元的第二同相输入端连接；第二级延迟单元的第一反相 输入端、第一级延迟单元的同相输出端、第三级延迟单元的第二反相输入端连接；第三级延 迟单元的第一同相输入端、第二级延迟单元的反相输出端、第四级延迟单元的第二同相输 入端连接；第三级延迟单元的第一反相输入端、第二级延迟单元的同相输出端、第四级延迟 单元的第二反相输入端连接；第四级延迟单元的第一同相输入端、第三级延迟单元的反相 输出端、第一级延迟单元的第二反相输入端连接，作为环形振荡器的反相输出端；第四级延 迟单元的第一反相输入端、第三级延迟单元的同相输出端、第一级延迟单元的第二同相输 入端连接，作为环形振荡器的同相输出端；第一级延迟单元、第二级延迟单元、第三级延迟 单元、第四级延迟单元中的每个开关接外部数字控制信号；第一级延迟单元的外部电压控 制端与第二级延迟单元的外部电压控制端、第三级延迟单元的外部电压控制端、第四级延 迟单元中的外部电压控制端连接并作为环形压控振荡器的电压控制端。
【文档编号】H03L7/099GK104300972SQ201410521369
【公开日】2015年1月21日 申请日期:2014年9月30日 优先权日:2014年9月30日
【发明者】高海军, 孙玲玲 申请人:杭州电子科技大学