CN102158223B - 压控振荡器 - Google Patents

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Abstract

一种压控振荡器，包括：控制单元，用于根据控制电压，控制输入电流值；电流镜像单元，用于将所述输入电流镜像至振荡电路的输入端；振荡电路，用于根据所述输入电流，提供与所述控制电压相关的振荡频率；初始电流设置单元，用于提供初始工作阶段所述振荡电路的电流值。本发明通过在电路的不同位置设置用以提供初始电流的初始电流设置单元，使得所述压控振荡器能够在低频阶段提供具有清晰的多条子曲线的VCO曲线，从而具有出色的低频表现。

Description

压控振荡器
技术领域
本发明涉及锁相环技术，特别是锁相环电路中的压控振荡器。
背景技术
锁相环(PLL，Phase-Locked Loop)是一种常用的闭环电路，利用外部输入的参考信号控制环路内部振荡信号的频率和相位。锁相环电路在工作的过程中，当输出信号的频率与输入信号的频率相等时，输出电压与输入电压保持固定的相位差值。目前，参考图1，锁相环电路通常是由鉴相器(PD)101、环路滤波器(LF)102和压控振荡器(VCO)103三部分组成。
其中，压控振荡器是锁相环电路中的关键部件，压控振荡器的VCO曲线能够较为直接反映出该压控振荡器通过控制电压调节频率的特性。一般来说，当VCO曲线的斜率越大，虽然能够较小范围的电压调节较大范围的频率，但是较容易产生抖动现象，造成控制的不稳定；而当VCO曲线较为平缓时，虽然有效地抑制了抖动所带来的不良影响，但通过控制电压所能调节的频率范围受到了限制。
为了平衡控制电压与调节频率之间的关系，人们通过对压控振荡器电路进行改进设计，以期产生如图2所示的多条平行的VCO曲线，从而在避免抖动现象的同时，尽可能地扩大控制电压可调节频率的范围。
现有技术中，参考图3，一种常见的具有多条VCO曲线的压控振荡器电路100至少包括：PMOS管101和102的源极、衬底相互连接并连接至电源电压VDD，PMOS管101的漏极连接至PMOS管101的栅极、PMOS管102的栅极和NMOS管103的源极，PMOS管102的漏极连接石英振荡器104的一端；NMOS管103的栅极连接控制电压Vcrt，NMOS管103的衬底连接至地线；开关K1和电阻R1串联连接、开关K2和电阻R2串联连接、开关K3和电阻R3串联连接以及开关K4和电阻R4串联连接，并且，开关K1-K4的一端相互连接并连接至NMOS管103的源极，而电阻R1-R4的另一端相互连接，并与石英振荡器104的另一端相连接至地线。
参考图4，图4所示为压控振荡器电路100的VCO曲线，不难看出，由于MOS管存在非线性区，并且通过电阻R1-R4来改善VCO曲线，使得VCO曲线在初始阶段呈现出非线性的状态。另外，在线性区域，由于采用电阻R1-R4对该压控振荡器电路进行调节，具有不同的跨导，使得在高频阶段VCO曲线的斜率增大，容易产生抖动。
发明内容
本发明解决的问题是提供了一种压控振荡器，所述压控振荡器具有明显可区分的多条子曲线的VCO曲线。
为解决上述问题，本发明提供了一种压控振荡器，包括：控制单元，用于根据控制电压，控制输入电流值；电流镜像单元，用于将所述输入电流镜像至振荡电路的输入端；振荡电路，用于根据所述输入电流，提供与所述控制电压相关的振荡频率；初始电流设置单元，用于提供初始工作阶段所述振荡电路的电流值。
可选的，所述压控振荡器包括：第一PMOS管和第二PMOS管，所述第一PMOS管和第二PMOS管的源极相互连接并连接至电源电压VDD，所述第一PMOS管的栅极与所述第二PMOS管的栅极相互连接并连接至所述第一PMOS管的漏极；所述第二PMOS管的漏极连接用于提供振荡频率的振荡电路；第一电流源并联在所述第二PMOS管的两端，且所述第一电流源的一端与所述振荡电路的输入端相互连接；第一NMOS管的栅极连接控制电压，所述第一NMOS管的源极连接所述第一PMOS管的漏极，所述第一NMOS管的漏极与一个或多个并联的电阻相连接。
可选的，所述压控振荡器还可包括：一个或多个并联的第二NMOS管，其源极相互连接并连接至所述第一PMOS管的漏极，用于提供初始电流。
可选的，所述压控振荡器还可包括：一个或多个并联的第二电流源，其一端相互连接并连接至所述第一PMOS管的漏极，用于提供初始电流。
与现有技术相比，本发明通过在电路的不同位置设置用以提供初始电流的初始电流设置单元，使得所述压控振荡器能够在低频阶段提供具有清晰的多条子曲线的VCO曲线，从而具有出色的低频表现。
附图说明
图1是现有技术中锁相环电路的结构示意图；
图2是理论VCO曲线示意图；
图3是现有技术中压控振荡器的电路示意图；
图4是与如图3所示压控振荡器电路所对应的VCO曲线示意图；
图5是本发明压控振荡器一种实施方式的结构示意图；
图6是本发明压控振荡器一种具体实施方式的电路示意图；
图7是与如图6所示压控振荡器电路所对应的VCO曲线示意图；
图8是本发明压控振荡器另一种具体实施方式的电路示意图。
具体实施方式
发明人在总结了大量的实践经验之后，提出了一种新型的压控振荡器，通过设置用以提供初始电流的电路，从而能够提供低频阶段的具有清晰的多条子曲线的VCO曲线，使得所述压控振荡器具有出色的低频表现。
参考图5，本发明压控振荡器的一种实施方式可包括：控制单元501，用于根据控制电压，控制输入电流值；电流镜像单元502，用于将所述输入电流镜像至振荡电路的输入端；振荡电路503，用于根据所述输入电流，提供与所述控制电压相关的振荡频率；初始电流设置单元504，用于提供所述振荡电路初始工作阶段的电流值。
参考图6，本发明压控振荡器200的一种具体实施方式至少可包括：PMOS管201和PMOS管202的源极相互连接并连接至电源电压VDD，PMOS管201的漏极连接至PMOS管201的栅极、PMOS管202的栅极、NMOS管203的源极；电流源205并联在PMOS管202的两端，且电流源205的一端与PMOS管202的漏极、以及石英振荡器204的一端相互连接；NMOS管203的栅极连接控制电压Vctr，NMOS管203的衬底接地；开关T1与电阻R11串联连接且开关T2与电阻R12串联连接，开关T1-T2的一端相互连接并连接至NMOS管203的源极以及电阻R13的一端；电阻R11-R13的另一端相互连接，并与石英振荡器204的另一端以及地线相连接。
具体地，PMOS管201和PMOS管202形成电流镜，当在NMOS管203上施加控制电压Vctr时，NMOS管203的源极电流通过PMOS管201，镜像至PMOS管202，并通过PMOS管202的漏极进行输出，从而实现通过调整控制电压Vctr，以调节输出的电流Iout。石英振荡器204根据所输入的输出电流Iout产生振荡频率f。其中，根据图6所示的压控振荡器的结构，所述振荡频率f和所述控制电压Vctr的关系如图7的VCO曲线所示。
其中，电流源205用于为石英振荡器204提供初始工作的电流值，其输出的电流直接输入至石英振荡器204，提高了初始工作阶段石英振荡器204的电流值，从而可将如图7所示VCO曲线中的多条子曲线明显的区分出来，使得所述压控振荡器在低频阶段具有出色的表现。
其中，可通过开关T1和T2的设置以及对电阻R11-R13的阻值进行调整，选择NMOS管203漏极所连接电阻的阻值，调整NMOS管203的源极电流，从而调整PMOS管202漏极输出的输出电流Iout，使得所产生的VCO曲线具有恰当的跨导。具体地，可选择R11，或R12，或R13，或三者的组合，甚至更多与R11或R12或R13相互并联的电阻的组合；其中，所选取的电阻值越小，具有的跨导越大。由于MOS管在工作的初始阶段存在一段非线性工作区，通过减小所选取的电阻值，可尽可能地缩短所述非线性工作区。
其中，石英振荡器204仅用于示例；在具体的电路中，输出电流Iout也可输入至其它振荡电路，以产生振荡频率。
在本发明压控振荡器的另一种具体实施方式中，所述初始电流设置单元504还可包括：与PMOS管201相连接的初始电流设置单元。
具体来说，参考图8，所述压控振荡器还可包括：并联连接的NMOS管206-207，以及分别于NMOS管206、207串联连接的开关T3、T4。其中，NMOS管开关T3的一端连接至NMOS管206的源极，开关T4的一端连接至NMOS管207的源极，开关T3-T4的另一端相互连接并连接至PMOS管201的漏极，NMOS管206的漏极和NMOS管207的漏极相互连接并连接至地线。
其中，当向NMOS管206的栅极施加导通电压VBN时，开关T3闭合，NMOS管206导通，其源极电流通过PMOS管201镜像至PMOS管202，并输入至石英振荡器204，从而增加初始工作阶段石英振荡器204的电流值。NMOS管207的工作过程与NMOS管206类似。NMOS管206和NMOS管207分别起到增加初始电流的作用，可根据具体设计要求仅设置一个NMOS管，或设置两个NMOS管的并联，例如图8所示的NMOS管206和NMOS管207，甚至设置多于两个的NMOS管的并联，以提供较大的初始电流。在其它的具体实施方式中，还可采用电流源，例如，可采用一个或多个电流源，替换如图8所示的NMOS管206和/或NMOS管207。
相较于现有技术，本发明提出了一种新型的压控振荡器，本发明的上述各个实施方式通过在电路的不同位置设置用以提供初始电流的初始电流设置单元，从而使得所述压控振荡器能够在低频阶段提供具有清晰的多条子曲线的VCO曲线，从而具有出色的低频表现。另外，本发明压控振荡器的各个实施方式还包括通过减小连接于由控制电压控制的MOS管一端的电阻的阻值，缩短了MOS管的非线性工作段，使得MOS管尽早进入线性工作区，从而有效的改善了所述压控振荡器的工作表现。另一方面，本发明实现简单方便，具有较强的可操作性。
虽然本发明已通过较佳实施例说明如上，但这些较佳实施例并非用以限定本发明。本领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，应有能力对该较佳实施例做出各种改正和补充，因此，本发明的保护范围以权利要求书的范围为准。

Claims (6)

1.一种压控振荡器，其特征在于，包括：
电流镜像单元，用于将输入电流镜像至振荡电路的输入端；
振荡电路，用于根据所述输入电流，提供与控制电压相关的振荡频率；
初始电流设置单元，用于提供初始工作阶段所述振荡电路的电流值；
控制单元，用于根据控制电压，控制输入电流值；
其中，所述电流镜像单元包括：第一PMOS管和第二PMOS管，所述第一PMOS管和第二PMOS管的源极相互连接并连接至电源电压VDD，所述第一PMOS管的栅极与所述第二PMOS管的栅极相互连接并连接至所述第一PMOS管的漏极，所述第二PMOS管的漏极连接用于提供振荡频率的振荡电路；
所述初始电流设置单元包括第一电流源，并联在所述第二PMOS管的两端，且所述第一电流源的一端与所述振荡电路的输入端相互连接；
所述控制单元包括第一NMOS管和一个或多个并联的电阻，该第一NMOS管的栅极连接控制电压，所述第一NMOS管的源极连接所述第一PMOS管的漏极，所述第一NMOS管的漏极与一个或多个并联的电阻相连接。
2.如权利要求1所述的压控振荡器，其特征在于，所述控制单元还包括：一个或多个与所述电阻分别串联的开关。
3.如权利要求1所述的压控振荡器，其特征在于，所述初始电流设置单元还包括：一个第二NMOS管或多个相互并联的第二NMOS管，其源极相互连接并连接至所述第一PMOS管的漏极，用于提供初始电流。
4.如权利要求3所述的压控振荡器，其特征在于，所述初始电流设置单元还包括：一个与所述第二NMOS管串联的开关或多个与所述多个相互并联的第二NMOS管分别串联的开关。
5.如权利要求1所述的压控振荡器，其特征在于，所述初始电流设置单元还包括：一个第二电流源或多个相互并联的第二电流源，其一端相互连接并连接至所述第一PMOS管的漏极，用于提供初始电流。
6.如权利要求5所述的压控振荡器，其特征在于，所述初始电流设置单元还包括：一个与所述第二电流源串联的开关或多个与所述多个相互并联的第二电流源分别串联的开关。
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