CN101127525A - 一种偏置电路以及压控振荡器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种偏置电路以及压控振荡器，用于提高偏置电路的稳定性。本发明偏置电路包括：误差放大电路，所述误差放大电路的反相输入端接参考电压；压控电流源，所述压控电流源的电压控制端与所述误差放大电路的电压输出端相连，所述压控电流源的电流大小受所述误差放大电路的电压输出端电压的控制；延迟控制电路，所述延迟控制电路的电流输入端与所述压控电流源相连，所述延迟控制电路的输出端与所述误差放大电路的同相输入端相连，所述延迟控制电路的电压输入端与控制电压提供端相连；所述延迟控制电路用于根据所述控制电压调整延迟控制电路的输出电压。此外还提供一种压控振荡器。本发明可以有效地提高偏置电路的稳定性。

Description

一种偏置电路以及压控振荡器

技术领域

本发明涉及电子领域，尤其涉及一种偏置电路以及压控振荡器。

背景技术

随着芯片技术的发展，现实应用中逐渐要求系统能够在只有一路参考时钟的情况下，提供多个频点的时钟以支撑系统应用，这就需要用到输出时钟频率可调的锁相环(PLL，Phase Locked Loop)，要求压控振荡器(VCO，VoltageControlled Oscillator)的振荡频率范围比较宽广且能够稳定运行。

现有技术中的一种偏置电路如图1所示，其中，VCO控制电压(VCOControl Voltage)经过电压-电流转换器(Voltage-to-Current Converter)转换为电流，电流分别输入偏置电路以及延迟单元，电流输入偏置电路后产生反馈电压Vfeedback，Vfeedback加在误差放大器的同相输入端，参考电压输入误差放大器的反相输入端，则误差放大器的输出电压为临时电压V，临时电压V控制压控电阻(VCR，Voltage Controlled Resistor)的阻值，在该技术方案中，VCO的振荡范围和延迟时间有关，而延迟时间又与电流大小以及VCR的阻值有关，所以电路通过电流以及压控电阻的阻值对延迟单元进行延迟控制，以实现VCO的振荡。

但在上述现有技术中，由于存在从控制电压Vc转换为电流I的转换电路，所以当Vc小于电压-电流转换器开关门限值时，会导致输入管不能开启，进而使整个电路不能正常工作；

同时，由于延迟单元需要电流和VCR的共同作用进行延迟控制以实现VCO的振荡，Vc需要转换为I之后，再由I转换为临时电压V，所以存在Vc转换为V的过程，而这个过程可能会引入增益误差，影响VCR阻值的精确性，进而影响VCO的稳定性。

发明内容

本发明实施例提供了一种偏置电路以及压控振荡器，能够提高VCO的稳定性。

本发明实施例提供的偏置电路，包括：误差放大电路，所述误差放大电路的反相输入端接参考电压；压控电流源，所述压控电流源的电压控制端与所述误差放大电路的电压输出端相连，所述压控电流源的电流大小受所述误差放大电路的电压输出端电压的控制；延迟控制电路，所述延迟控制电路的电流输入端与所述压控电流源相连，所述延迟控制电路的输出端与所述误差放大电路的同相输入端相连，所述延迟控制电路的电压输入端与控制电压提供端相连；所述延迟控制电路用于根据所述控制电压调整延迟控制电路的输出电压。

本发明实施例提供的压控振荡器，包括：参考电压提供端，用于提供参考电压；控制电压提供端，用于提供控制电压；偏置电路，用于在参考电压提供端提供的参考电压以及控制电压提供端提供的控制电压的控制下产生输出电压；延迟单元，用于根据所述误差放大电路的输出电压以及控制电压提供端输出的控制电压产生差分信号。

从以上技术方案可以看出，本发明实施例具有以下优点：

由于本发明实施例当误差放大电路开始工作时，在压控电流源管中产生偏置电流，并为延迟控制电路提供偏置电流，同时控制电压直接加载于延迟控制电路，所以在本发明实施例中不需要电压-电流转换电路，所以不会出现输入管不能开启，进而使整个电路不能正常工作的情况，同时也不会产生增益误差，所以提高了偏置电路的稳定性。

附图说明

图1为现有技术中偏置电路示意图；

图2为本发明实施例中偏置电路总体示意图；

图3为本发明实施例中偏置电路第一实施例示意图；

图4为本发明实施例中偏置电路第二实施例示意图；

图5为本发明实施例中压控振荡器实施例示意图；

图6为本发明实施例中压控振荡器中的延迟单元示意图。

具体实施方式

本发明实施例提供了一种偏置电路以及压控振荡器，用于提高VCO稳定性。

本发明实施例中提供的偏置电路可以应用于PLL中，能使得VCO的振荡范围较宽且电路性能稳定，可以理解的是，该偏置电路还可用于其他需要拓宽VCO振荡范围的情况下。

请参阅图2，本发明实施例中偏置电路主要包括以下部分：

误差放大电路201，误差放大电路的反相输入端接参考电压；

压控电流源202，压控电流源202的电压控制端与误差放大电路201的电压输出端相连，压控电流源202的电流大小受误差放大电路201的电压输出端电压的控制；

延迟控制电路203，延迟控制电路203的电流输入端与压控电流源202相连，延迟控制电路203的输出端与误差放大电路201的同相输入端相连，延迟控制电路203的电压输入端与控制电压提供端相连；

延迟控制电路203用于根据所述控制电压调整延迟控制电路的输出电压。

下面对本发明实施例中的偏置电路实施例进行详细描述，在下面的描述中，压控电流源为金属-氧化物-半导体型场效应管(MOSFET，Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect-Transistor)(后简称MOS管)，可以理解的是，该压控电流源还可以由其他方式实现。

根据构成VCR的MOS管类型可以将本发明实施例中偏置电路分为两种情况：

一、NMOS管做VCR：

请参阅图3，本发明实施例中偏置电路第一实施例包括如图所示的12个MOS管；

其中，T1至T5构成误差放大电路301，T7至T12构成延迟控制电路302；

误差放大电路301的电压输出端与PMOS管T6的栅极相连；

T6的漏极与延迟控制电路302的电流输入端相连，源极与工作电压VDD提供端相连；

当T6的栅极上加载有VBP时，T6管内产生偏置电流，T6为延迟控制电路302提供偏置电流；

延迟控制电路的输出端与误差放大电路的同相输入端相连。

下面介绍误差放大电路301结构：

误差放大电路301包括：同相输入端，反相输入端，电压输出端以及T1至T5；

PMOS管T1的栅极与PMOS管T2的栅极相连构成电流镜作为误差放大电路301的有源负载，T1的源极与T2的源极共同与工作电压VDD提供端相连；

NMOS管T3的栅极与误差放大电路301的同相输入端相连，T3的漏极与T1的漏极相连，T3的源极与T5的漏极相连；

NMOS管T4的栅极与误差放大电路301的反相输入端相连，与参考电压V_ref相连，T4的漏极与T2的漏极相连，T4的源极与T5的漏极相连；

T2的漏极与T4的漏极相连，与误差放大电路301的电压输出端相连；

在本实施例中，误差放大电路301的偏置电流源由栅极接一固定电压VB1的NMOS管T5构成，当然，此偏置电流源也可由其它方式提供，如与带隙基准相关的电流源等。

在此实施例中，T5的栅极与外部偏置电压提供端相连，漏极与T3的源极以及T4的源极相连，源极与地相连；

当T5的栅极上加载有偏置电压VB1时，T5管内可产生误差放大电路301工作电流，为误差放大电路301提供工作电流。

下面介绍延迟控制电路302结构：

延迟控制电路302包括：输出端，T6至T12；

延迟控制电路302中T7，T9，T10处于截止状态；

T6为延迟控制电路302提供偏置电流；

T6的漏极与PMOS管T8的源极相连，T8的栅极与地相连，T8的漏极与VCR及延迟控制电路302的输出端相连；

在本实施例中，VCR由NMOS管T11与NMOS管T12组成：

T11的源极与NMOS管T12的源极相连，T11的漏极与T12的漏极连接，并于T8的漏极相连，T11与T12共同构成VCR，其中，T12的栅极与漏极相连，源极与地相连；可以理解的是，VCR还可以由其他方式实现。

当延迟控制电路302正常运行时，T11的栅极上加载有外部控制电压，T11的漏极与T12漏极以及延迟控制电路302输出端相连，T11的源极与地相连；

T9和T10构成的子电路结构与T11和T12构成的子电路结构对称。

在上述的电路结构中，T1，T2，T6，T7以及T8为PMOS管，T3，T4，T5，T9，T10，T11以及T12为NMOS管。

下面描述一下本实施例电路运行过程：

当偏置电压VB1，参考电压Vref，工作电压VDD以及控制电压Vc均产生时，误差放大电路开始正常工作，T5提供误差放大电路正常工作所需要的电流，在误差放大电路输出端产生电压VBP，则在T6中产生偏置电流，T6通过T6的漏极将产生的偏置电流输入至延迟控制电路中T8的源极，当Vc增大时，VCR变小，假如此时T6提供的电流不变化，则延迟控制电路输出的Vamp变小；Vamp接误差放大电路的同相输入端，当Vamp变小时，误差放大电路的输出VBP也变小，VBP变小使得T6提供的电流增大，从而Vamp也增大，最后Vamp保持和Vref同样的电压幅值。这样VCR变小，T6电流增大，使得VCO振荡幅值保持恒定，而根据延迟原理可知，延迟时间和T6中电流成反比，和VCR的阻值成正比，所以当VCR变小，T6电流增大时，延迟时间降低，振荡频率升高。

反之，当Vc减小时，通过和上述同样的反馈回路，使得Vamp最后稳定在和Vref同样的电压幅值。

二、PMOS管做VCR：

请参阅图4，本发明实施例中偏置电路第二实施例包括如图所示的12个开关管；

其中，T1至T5构成误差放大电路401，T7至T12构成延迟控制电路402；

误差放大电路401的电压输出端与T6的栅极相连；

T6的漏极与延迟控制电路402的电流输入端相连，源极与地相连；

当T6的栅极上加载有VBP时，T6管内产生偏置电流，T6为延迟控制电路402提供偏置电流；

延迟控制电路402的输出端与误差放大电路401的同相输入端相连。

下面介绍误差放大电路401结构：

误差放大电路401包括：同相输入端，反相输入端，电压输出端以及T1至T5；

T1的栅极与T2的栅极相连构成电流镜作为误差放大电路401的有源负载，T1的源极与T2的源极共同与地相连；

T3的栅极与误差放大电路401的同相输入端相连，T3的漏极与T1的漏极相连，T3的源极与T5的漏极相连；

T4的栅极与误差放大电路401的反相输入端相连，T4的漏极与T2的漏极相连，T4的源极与T5的漏极相连；

T2的漏极与T4的漏极共同与误差放大电路401的电压输出端相连；

T5作为第二压控电流源管，T5的栅极与外部偏置电压提供端相连，漏极与T3的源极以及T4的源极相连，源极与工作电压VDD提供端相连；

当T5的栅极上加载有偏置电压VB1时，T5管内产生误差放大电路401工作电流。

下面介绍延迟控制电路402结构：

延迟控制电路402包括：输出端，T6至T12；

延迟控制电路402中T7，T9，T10处于截止状态；

T6为延迟控制电路402提供偏置电流；

T6的漏极与T8的源极相连，T8的栅极与工作电压VDD提供端相连，T8的漏极与VCR及延迟控制电路402的输出端相连；

在本实施例中，VCR由PMOS管T11与PMOS管T12组成：

T11的源极与T12源极的相连，T11的漏极与T12的漏极相连，T11与T12共同构成VCR，其中，T12的栅极与自身源极相连，同时源极与工作电压VDD提供端相连；可以理解的是，VCR还可以由其他方式实现。

当延迟控制电路402正常运行时，T11的栅极上加载有外部控制电压，T11的漏极与T12漏极以及延迟控制电路402输出端相连，T11的源极与工作电压VDD提供端相连；

T9和T10构成的子电路结构与T11和T12构成的子电路结构对称。

在上述的电路结构中，T1，T2，T6，T7以及T8为N管，T3，T4，T5，T9，T10，T11以及T12为P管。

下面描述一下本实施例电路运行过程：

当偏置电压VB1，参考电压Vref，工作电压VDD以及控制电压Vc均产生时，误差放大电路开始正常工作，T5提供误差放大电路正常工作所需要的电流，在误差放大电路输出端产生电压VBP，则在T6中产生偏置电流，T6通过T6的漏极将产生的偏置电流输入至延迟控制电路中T8的源极。

当Vc增大时，VCR变大，加入此时T6提供的电流不变化，则延迟控制电路输出的Vamp变小；Vamp接误差放大电路的同相输入端，当Vamp变小时，误差放大电路的输出VBP也变小，VBP变小使得T6提供的电流变小，从而Vamp增大，最后Vamp保持和Vref同样的电压幅值。这样VCR增大，T6电流变小，使得VCO振荡幅值保持恒定，而根据延迟原理可知，延迟时间和T6中电流成反比，和VCR的阻值成正比，所以当VCR增大，T6电流变小时，延迟时间增大，振荡频率降低。

反之，当Vc减小时，延迟时间减少，振荡频率升高，通过和上述同样的反馈回路，使得Vamp最后稳定在和Vref同样的电压幅值。

DC的延迟时间和偏置电流I成反比，和VCR成正比，当Vc增大时，VCR变小，偏置电流增大，都使得延迟时间变小；当Vc减小时，VCR变大，偏置电流减小，都使得延迟时间变大，从而获得较大的频率范围。

根据上述描述的两个实施例可知，本发明实施例中的偏置电路不需要电压-电流转换电路，所以不会出现输入管不能开启，进而使整个电路不能正常工作的情况，同时也不会产生增益误差，所以提高了偏置电路的稳定性。

请参阅图5，本发明实施例中提供的压控振荡器包括：

参考电压提供端501，用于提供参考电压；

控制电压提供端503，用于提供控制电压；

偏置电路502，用于在参考电压提供端501提供的参考电压以及控制电压提供端503提供的控制电压的控制下产生输出电压；

延迟单元504，用于根据偏置电路502的输出电压以及控制电压提供端503输出的控制电压产生差分信号。

其中，偏置电路502包括：

误差放大电路，误差放大电路的反相输入端接参考电压；

压控电流源，压控电流源的电压控制端与误差放大电路的电压输出端相连，压控电流源的电流大小受误差放大电路的电压输出端电压的控制；

控制电路，延迟控制电路的电流输入端与压控电流源相连，延迟控制电路的输出端与误差放大电路的同相输入端相连，延迟控制电路的电压输入端与控制电压提供端相连；

延迟控制电路用于根据所述控制电压调整延迟控制电路的输出电压。

本实施例中偏置电路502的具体实现方式与图2所示的实现方式一致，此处不再赘述。

本实施例中，压控振荡器中的延迟单元504的具体结构如图6所示，其中的MOS管T6至T12的功能以及工作流程与图3中描述的T6至T12的功能以及工作流程一致，此处不再赘述。

下面描述本发明实施例中压控振荡器运行流程：

首先将偏置电路产生的电压VBP，Vc连接到VCO的各个延迟单元对应的节点上，VCO中的延迟单元个数为N(N＞＝3的正整数)，本实施例中以N＝3为例说明VCO的工作原理：

将第N个延迟单元的同相输出端(VO+)，反相输出端(VO-)分别连接到到第1个延迟单元的反相输入端(VI-)，同相输入端(VI+)，产生180度的相移。

第1个延迟单元的VO+，VO-连接第2个延迟单元的VI+，VI-，依次类推直至第N个延迟单元，从第1个延迟单元到第N个延迟单元，每个延迟单元产生180/N相移，共产生180相移，这样即形成正反馈，只要每个延迟单元的增益满足 $A\≥\sqrt{1+{\tan }^2\frac{\mathrm{\π}}{N}}$ ，即可满足振荡条件，形成振荡。

可以理解的是，同样可以如下方式实现：

将第N个延迟单元的同相输出端(VO+)，反相输出端(VO-)分别连接到到第1个延迟单元的反相输入端(VI+)，同相输入端(VI-)。

第1个延迟单元的VO+，VO-连接第2个延迟单元的VI-，VI+，依次类推直至第N个延迟单元。

每个延迟单元的延迟时间td正比于每个延迟单元后的负载电容C，振荡幅度Vamp，反比于尾电流Ictrl，通过偏置电路改变尾电流即可实现对频率的改变。

具体实现中VCO电路连接方式很多，上述描述的仅一个具体的连接实例。

以上对本发明所提供的一种偏置电路以及压控振荡器进行了详细介绍，对于本领域的一般技术人员，依据本发明实施例的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种偏置电路，其特征在于，包括：

误差放大电路，所述误差放大电路的反相输入端接参考电压；

压控电流源，所述压控电流源的电压控制端与所述误差放大电路的电压输出端相连，所述压控电流源的电流大小受所述误差放大电路的电压输出端电压的控制；

延迟控制电路，所述延迟控制电路的电流输入端与所述压控电流源相连，所述延迟控制电路的输出端与所述误差放大电路的同相输入端相连，所述延迟控制电路的电压输入端与控制电压提供端相连；

所述延迟控制电路用于根据所述控制电压调整延迟控制电路的输出电压。

2.根据权利要求1所述的偏置电路，其特征在于，

所述压控电流源为NMOS管，所述压控电流源管的栅极与所述误差放大电路的电压输出端相连，漏极与所述延迟控制电路的电流输入端相连，源极与地相连。

3.根据权利要求1所述的偏置电路，其特征在于，

所述压控电流源为PMOS管，所述压控电流源管的栅极与所述误差放大电路的电压输出端相连，漏极与所述延迟控制电路的电流输入端相连，源极与工作电压提供端相连。

4.根据权利要求2或3所述的偏置电路，其特征在于，所述误差放大电路包括：

同相输入端；

反相输入端；

电压输出端；

第一MOS管；

第二MOS管，所述第二MOS管的栅极与第一MOS管的栅极相连，第二MOS管的源极与第一MOS管的源极相连，第一MOS管的栅极和自身漏极相连；

第三MOS管，所述第三MOS管的栅极与所述同相输入端相连，漏极与所述第一MOS管的漏极相连；

第四MOS管，所述第四MOS管的栅极与所述反相输入端相连，漏极与所述第二MOS管的漏极相连，所述第二MOS管的漏极与第四MOS管的漏极与所述电压输出端相连；

第五MOS管，所述第五MOS管的栅极接偏置电压，漏极与所述第三MOS管的源极以及所述第四MOS管的源极相连；

当所述压控电流源管为NMOS管时，第五MOS管的源极与工作电压提供端相连；

当所述压控电流源管为PMOS管时，第五MOS管的源极与地相连。

5.根据权利要求1所述的偏置电路，其特征在于，

所述延迟控制电路包括：

输出端；

第六MOS管，漏极与所述输出端相连，源极与所述压控电流源相连，栅极与地相连；

压控电阻，所述压控电阻与第六MOS管相连，所述压控电阻的电压控制端上加载有控制电压。

6.根据权利要求5所述的偏置电路，其特征在于，所述压控电阻包括：

第七MOS管，所述第七MOS管的栅极上加载有控制电压；

第八MOS管，所述第八MOS管的漏极与第七MOS管的漏极相连，源极与第七MOS管的源极相连并与地相连，栅极与自身漏极相连。

7.根据权利要求1所述的偏置电路，其特征在于，

所述延迟控制电路包括：

输出端；

第六MOS管，漏极与所述输出端相连，源极与所述压控电流源相连，栅极与工作电压提供端相连；

压控电阻，所述压控电阻与第六MOS管相连，所述压控电阻的电压控制端上加载有控制电压。

8.根据权利要求7所述的偏置电路，其特征在于，所述压控电阻包括：

第七MOS管，所述第七MOS管的栅极上加载有控制电压；

第八MOS管，所述第八MOS管的漏极与第七MOS管的漏极相连，源极与第七MOS管的源极相连并与工作电压提供端相连，栅极与自身源极相连。

9.一种压控振荡器，其特征在于，包括：

参考电压提供端，用于提供参考电压；

控制电压提供端，用于提供控制电压；

偏置电路，用于在参考电压提供端提供的参考电压以及控制电压提供端提供的控制电压的控制下产生输出电压；

延迟单元，用于根据所述误差放大电路的输出电压以及控制电压提供端输出的控制电压产生差分信号。

10.根据权利要求9所述的压控振荡器，其特征在于，所述偏置电路包括：

误差放大电路，所述误差放大电路的反相输入端接参考电压；

压控电流源，所述压控电流源的电压控制端与所述误差放大电路的电压输出端相连，所述压控电流源的电流大小受所述误差放大电路的电压输出端电压的控制；

延迟控制电路，所述延迟控制电路的电流输入端与所述压控电流源相连，所述延迟控制电路的输出端与所述误差放大电路的同相输入端相连，所述延迟控制电路的电压输入端与控制电压提供端相连；

所述延迟控制电路用于根据所述控制电压调整延迟控制电路的输出电压。

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