CN102355196A

CN102355196A - 一种lc振荡器

Info

Publication number: CN102355196A
Application number: CN2011102216986A
Authority: CN
Inventors: 赵毅强; 宋益伟; 高兴波; 耿俊峰
Original assignee: Tianjin University
Current assignee: Tianjin University
Priority date: 2011-08-04
Filing date: 2011-08-04
Publication date: 2012-02-15
Anticipated expiration: 2031-08-04
Also published as: CN102355196B

Abstract

本发明公开了一种LC振荡器，涉及模拟电路领域，LC谐振回路第一输出端和电流模正反馈控制模块第一输入端相连，LC谐振回路第二输出端和电流模正反馈控制模块第三输入端相连；电流模正反馈控制模块第二输入端接偏置电流；所述电流模正反馈控制模块将反馈电压的变化转化为相应电流的变化，输出第一电流信号、第二电流信号、第三电流信号和第四电流信号并作为所述电流微调模块的输入电流信号；所述电流微调模块对所述输入电流信号进行放大处理，输出第五电流信号和第六电流信号作为LC谐振回路输入电流信号；所述LC谐振回路输出电压正弦信号；所述幅值自动控制模块检测电压正弦信号的振幅值，通过两个阈值相近的电压比较器确定振幅值范围。

Description

一种LC振荡器

技术领域

本发明涉及模拟电路领域，特别涉及一种LC振荡器。

背景技术

传统的LC振荡器电路，主要应用于高频领域，用来产生系统时钟。因此这种应用背景对振荡器的振幅值并无严格要求，即只要振荡器的振幅值满足反相器阈值即可。绝大多数的LC振荡器在IC实现上都采用片内L、C，而对用于传感器激励的LC振荡器则采用外接LC谐振回路。在电路的实现上，传统的差分调谐VCO电路，需含有尾电流源。但尾电流源会引入额外的噪声，且造成电路对电源、地的不对称，产生衬偏调制效应等二级效应，影响波形的对称和振荡波形中心电平的稳定。而且，传统结构的LC振荡电路一般为电压控制模式，无法对电流大小进行精确控制。因此需要针对特定的应用环境设计新的振荡器电路。

对同一批产品，外接LC的Q值很难做到完全一致，因此对于用来产生传感器激励的LC振荡器来说使振荡器振幅值与Q值无关成为必然要求。

电流模结构LC振荡器的一般原理认为，振幅的大小与提供能量补偿的电流大小成正比。因此振幅的调节即是电流的调节。具体的调节办法是：将振荡器所产生的正弦波的幅值通过一定的手段提取出来，再通过两个不同阈值(相距很近)的比较器来确定振幅的范围，然后通过数字控制负反馈的办法实现自动稳幅。这种自动稳幅的LC振荡器在高精度的感应系统中有重要应用。

发明内容

为了满足实际应用中的需要，对电流大小进行精确的控制，本发明提供了一种LC振荡器，详见下文描述：

一种LC振荡器，所述LC振荡器包括：电流模正反馈控制模块、电流微调模块、LC谐振回路和幅值自动控制模块；

LC谐振回路第一输出端和电流模正反馈控制模块第一输入端相连，LC谐振回路第二输出端和电流模正反馈控制模块第三输入端相连；电流模正反馈控制模块第二输入端接偏置电流；所述电流模正反馈控制模块将反馈电压的变化转化为相应电流的变化，输出第一电流信号、第二电流信号、第三电流信号和第四电流信号并作为所述电流微调模块的输入电流信号；所述电流微调模块对所述输入电流信号进行放大处理，输出第五电流信号和第六电流信号作为LC谐振回路输入电流信号；所述LC谐振回路输出电压正弦信号；所述幅值自动控制模块检测电压正弦信号的振幅值，通过两个阈值相近的电压比较器确定振幅值范围，当所述振幅值范围超出预设范围，所述幅值自动控制模块调节所述电流微调模块的电流增益，所述LC谐振回路输出在预设范围内电压正弦信号的振幅值。

所述电流模正反馈控制模块，包括：第一对称电路和第二对称电路，其中，

所述第一对称电路包括：M1～M20共20个MOS管，电源、第一偏置电流提供1.5uA的偏置电流，V0为2.5V的恒定直流偏置、V2为所述LC谐振回路的输出电压，用来产生所述LC谐振回路振荡所需的电流，M5源级接地，漏极上分别连接M13的漏极和M14的漏极，M13的源级上分别连接M10的漏极和M11的漏极，M10和M11的源级分别接电源；M14的源级上分别连接M17的漏极和M18的漏极，M17和M18的源级分别接电源；M8和M10采用二级管连接方式，M13的栅极由V0控制，M14的栅极接V2；

所述第二对称电路包括：M21～M40共20个MOS管，电源、第二偏置电流提供1.5uA的偏置电流，V0为2.5V的恒定直流偏置、V1为所述LC谐振回路的输出电压，用来产生所述LC谐振回路振荡所需的电流，M25源级接地，漏极上分别连接M32的漏极和M33的漏极，M32的源级上接M30的漏极和M31的漏极，M30和M31源级分别接电源；M33的源级上分别连接M37的漏极和M38的漏极，M37和M38的源级分别接电源；M38和M30采用二级管连接方式，M32的栅极由V0控制，M33的栅极接V1。

所述电流微调模块包括：第三对称电路和第四对称电路，其中，

所述第三对称电路包括：M1～M20共20个MOS管，M6、M15中流过的电流为常导通；M2、M3、M4、M5中的电流分别由开关n_fa、n_fb、n_sa、n_sb控制；M19、M18、M17、M16中的电流分别由开关fa、fb、sa、sb控制，M1和M20中的电流由所述第一电流信号和所述第二电流信号提供，所有支路的电流供给V1；

所述第四对称电路包括：M21～M4共20个MOS管，M26、M35中流过的电流为常导通；M22、M23、M24、M25中的电流分别由开关n_fa、n_fb、n_sa、n_sb控制；M39、M38、M37、M36中的电流分别由开关fa、fb、sa、sb控制，M21和M40中的电流由所述第三电流信号和所述第四电流信号提供，所有支路的电流供给V1。

所述LC谐振回路为外接的电感线圈和外接电容，用于完成电路振荡所需要的正反馈；所述LC谐振回路第一输出端和第二输出端，用于输出反馈电压的接收能量补偿电流。

所述幅值自动控制模块包括：3个PMOS管M1、M2和M3、3个电阻R1、R2和R3、一个电容C1，

其中R1、R2一端接电源，另一端分别接M1、M2的源级，M1、M2的漏极相连并接M3的源级，M3的漏极接地，M1、M2的栅极分别接所述LC谐振回路的输出电压，M3的栅极接偏置电压，M1、M2和M3的公共节点接R3一端，R3另一端接C1，C1另一端接地，输出端为R3与C1的公共节点。

本发明提供的技术方案的有益效果是：

本发明提供了一种LC振荡器，本发明实现了振荡幅度与LC谐振回路的品质因数Q、外部条件无关，满足了高精度、高可靠性的传感系统对振荡源的要求；本发明基于CMOS工艺实现，具有很好的集成性和易实现性，且集成在芯片内部也可作为芯片的时钟源，可节省芯片开支；本发明中各个模块的功能相对独立，在外部条件(L、C等)改变或芯片要求改变时可通过更改其中的偏置电流(Ibias)、电流微调模块的增益以及幅值自动控制模块两个比较器的阈值电压，完成芯片的自适应调整；采用电流模结构工作的LC谐振回路，由于LC谐振回路的振荡幅度直接与其接收的能量补偿大小(即电流大小)有关，通过控制注入给LC谐振回路的电流大小可以直观的控制LC谐振回路输出信号的幅值大小；区别于一般的LC谐振回路，本发明采用一种电流模式的正反馈回路，以中心电平2.5V为反相点，保证了电流模工作时振荡的中心电平稳定在2.5V，为后续信号处理提供方便。

附图说明

图1为本发明提供的一种LC振荡器的结构示意图；

图2为本发明提供的电流模正反馈控制模块的结构示意图；

图3为本发明提供的电流微调模块的结构示意图；

图4为本发明提供的幅值自动控制模块的结构示意图。

附图中所列部件列表如下所示：

1：电流模正反馈控制模块； 2：电流微调模块；

3：LC谐振回路； 4：幅值自动控制模块；

8：LC谐振回路3第一输出端； 9：LC谐振回路3第二输出端；

5：电流模正反馈控制模块1第一输入端； Ibias：偏置电流；

6：电流模正反馈控制模块1第二输入端； VSS、GND：地：

I3：第一电流信号； I4：第二电流信号；

I5：第三电流信号； I6：第四电流信号；

I1：第五电流信号； I2：第六电流信号；

Vout：电压正弦信号； M1～M20：MOS管；

VDD：电源； Ibias1：第一偏置电流；

Ibias2：第二偏置电流； V0：2.5V的恒定直流偏置；

V1：LC谐振回路3一个端点9输出电压； R1～R3：电阻；

C1：电容；开关：fa、sa、n_fa、n_sa、fb、sb、n_fb、n_sb； V2：LC谐振回路3一个端点8输出电压。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

为了满足实际应用中的需要，本发明实施例提供了一种LC振荡器，详见下文描述：

一种LC振荡器，参见图1，包括：电流模正反馈控制模块1、电流微调模块2、LC谐振回路3和幅值自动控制模块4；

LC谐振回路3第一输出端8和电流模正反馈控制模块1第一输入端5相连，LC谐振回路3第二输出端9和电流模正反馈控制模块1第三输入端7相连；电流模正反馈控制模块1第二输入端6接偏置电流Ibias；电流模正反馈控制模块1将反馈电压的变化转化为相应电流的变化，输出第一电流信号I3、第二电流信号I4、第三电流信号I5和第四电流信号I6并作为电流微调模块2的输入电流信号；电流微调模块2对输入电流信号进行放大处理，输出第五电流信号I1和第六电流信号I2作为LC谐振回路3输入电流信号；LC谐振回路3输出电压正弦信号Vout，为电流模正反馈控制模块1提供反馈电压；幅值自动控制模块4检测电压正弦信号的Vout振幅值，通过两个阈值相近的电压比较器确定振幅值的范围，当振幅值的范围超出预设范围，幅值自动控制模块4调节电流微调模块2的电流增益，使LC谐振回路3输出在预设范围内电压正弦信号的Vout振幅值，当振幅值的范围超出预设范围时，电流微调模块2的电流增益不变，LC谐振回路3的输出正弦信号幅值不变。

即电流模正反馈控制模块1输入信号为LC谐振回路3的两端电压，输出第一电流信号I3、第二电流信号I4、第三电流信号I5和第四电流信号I6。

其中，参见图2，电流模正反馈控制模块1用于实现整个电路的正反馈控制，并完成振荡，将LC谐振回路3中的振荡电压转化为电流模正反馈控制模块1所需的反馈电流，由两个完全对称的电路(第一对称电路和第二对称电路)构成(详见图2)，分别为LC谐振回路3的两个端点提供电流，在第一对称电路和第二对称电路中，输出的两路电流相互推挽，从而使总注入电流呈交变方式变化，即半个周期注入电流，半个周期抽取电流。由于反馈电压完全相反，电流模正反馈控制模块1中的第一对称电路和第二对称电路始终处于完全相反的工作状态，从而使整个电路完成电流模式的振荡。

该电流模正反馈控制模块1，包括：第一对称电路和第二对称电路，其中，

第一对称电路包括：M1～M20共20个MOS管，电源VDD、第一偏置电流Ibias1，Ibias1提供1.5uA的偏置电流，V0为2.5V的恒定直流偏置、V2为LC谐振回路3另外一个端点8的输出电压，用来产生LC谐振回路振荡所需的电流，VSS地，地之外主要有7个端口(分别为：Ibias1、V0、V2、I3、I3’、I4和I4’)；其中，为了克服电流镜像时的沟道长度调制效应，采用两组相同电流进行镜像，第一电流信号I3和I3’(I3和I3’电流信号大小相等)、第二电流信号I4和I4’(I4和I4’电流信号大小相等)；

流过PMOS管M10、M11、M17、M18的电流之和等于流过NMOS管M5的电流；M10和M11中的电流受V0的控制，M17和M18中的电流受V2的控制，由于V2是振荡器一端的电压，所以在V2因为LC谐振回路3之间的能量交换而变化时，上述4个MOS管(M10、M11、M17、M18)中的电流也随之变化，最后产生出第一电流信号I3、第二电流信号I4分别供给电流微调模块2，第一电流信号I3和第二电流信号I4经过放大后的总和作为对LC谐振回路3的第五电流信号I1；

NMOS管M5源级接VSS地，漏极上分别连接PMOS M13的漏极和PMOSM14的漏极，M13的源级上分别连接PMOS M10的漏极和PMOSM11的漏极，M10和M11的源级分别接电源VDD；M14的源级上分别连接PMOS M17的漏极和PMOS M18的漏极，M17和M18的源级分别接电源VDD；M8和M10采用二级管连接方式(栅极漏极短接)，M13的栅极由2.5V恒定直流偏置控制，M14的栅极接V2。

第二对称电路包括：M21～M40共20个MOS管，电源VDD、第二偏置电流Ibias2，Ibias2提供1.5uA的偏置电流，V0为2.5V的恒定直流偏置、V1为LC谐振回路3一个端点9的输出电压，用来产生LC谐振回路振荡所需的电流，VSS地，地之外主要有7个端口(分别为：Ibias2、V0、V1、I5、I5’、I6和I6’)；第三电流信号I5和I5’(I5和I5’电流信号大小相等)、第四电流信号I6和I6’(I6和I6’电流信号大小相等)；

NMOS管M25源级接VSS地，漏极上分别连接PMOSM32的漏极和PMOSM33的漏极，M32的源级上接PMOS M30的漏极和PMOSM31的漏极，M30和M31源级分别接电源VDD；M33的源级上分别连接PMOSM37的漏极和PMOS M38的漏极，M37和M38的源级分别接电源VDD，M38和M30采用二级管连接方式，M32的栅极由固定电平V0控制，M33的栅极接V1。

其中，MOS管M1～M40的具体长宽比可根据所用工艺作相应的变化，对称位置的MOS管尺寸相同。

其中，参见图3，电流微调模块3主要是通过一组开关(8个)控制流向LC谐振回路3的电流大小，从而控制振荡器的振幅大小；电流微调模块3用来放大电流，将电流大小控制在8I～20I之间(I为I3、I4、I5、I6的最大电流)，并通过改变电流大小来控制供给LC谐振回路3的电流大小，从而控制振幅大小；电流微调模块3的输出信号为I1、I2，同时电流微调模块3还受到幅值自动控制模块4的控制信号的控制。

电流微调模块3，包括：8个开关，fa、sa、n_fa和n_sa；fb、sb、n_fb和n_sb，40个MOS管，用来增大或减小总电流；初始状态下，一半开关打开(fa、sa、n_fa、n_sa)，另外的开关闭合(fb、sb、n_fb、n_sb)。然后当LC谐振回路3能够稳定振荡时，由于LC谐振回路3的品质因数Q有一个变化范围，因而振幅不一定会在预定的范围内，这样会影响后续使用该激励源的传感系统的精度。因此，利用电流微调模块3增大或减小总电流大小，可以实现稳定幅值的目的。4组开关(fa、sa、n_fa、n_sa和fb、sb、n_fb、n_sb)对电流模正反馈控制模块1提供的电流进行放大和比例控制。电流微调模块3由两个完全一致的模块组成，每个模块由10个NMOS和10个PMOS组成，以控制第一电流信号I3和第二电流信号I4的模块为例，有一组常开的电流镜M6和M15，其余四组为可控制电流镜，使用时可通过实际需要增加或减少可控电流镜的数量，但需要保证一组常开电流镜为LC谐振回路供电，另外一部分开关与所述部分完全相同。

电流微调模块包括：第三对称电路和第四对称电路，其中，第三对称电路包括：M1～M20共20个MOS管，M6、M15中流过的电流为常导通；M2、M3、M4、M5中的电流分别由开关n_fa、n_fb、n_sa、n_sb控制；M19、M18、M17、M16中的电流分别由开关fa、fb、sa、sb控制，M1和M20中的电流由第一电流信号和第二电流信号提供，所有支路的电流供给V1；

第四对称电路包括：M21～M40共20个MOS管，M26、M35中流过的电流为常导通；M22、M23、M24、M25中的电流分别由开关n_fa、n_fb、n_sa、n_sb控制；M39、M38、M37、M36中的电流分别由开关fa、fb、sa、sb控制，M21和M40中的电流由第三电流信号和第四电流信号提供，所有支路的电流供给V1。

其中，LC谐振回路3为外接的电感线圈和外接电容，完成电路振荡所需要的正反馈；有两个引出端8(LC谐振回路3的第一输出端)和9(LC谐振回路3的第二输出端)，用于输出反馈电压的接收能量补偿电流；由以上叙述可知，LC谐振回路3的振幅受电流大小的影响，当供给LC谐振回路3的总电流增大时，输出正弦波的振幅增加；相反，总电流减小时，正弦波的振幅减小。

其中，参见图4，幅值自动控制模块4检测LC谐振回路3输出的电压正弦信号Vout的振幅，并通过两个阈值相近的比较器确定振荡幅值的范围，如果幅值在预定的范围内(很窄)，则不做调整，如果幅值超出预定的范围，则通过数字负反馈的方式，通过电流微调模块2的开关组调节第五电流信号I1和第六电流信号I6，直至振幅稳定在预设范围内。幅值自动控制模块4的输入信号为LC谐振回路3两端的电压，输出信号为控制电流微调模块2的数字信号。幅值自动控制模块4主要工作原理是：首先获得一个与电压正弦信号Vout幅值相关的电压值，然后通过两个电压比较器，确定幅值是否在预设的范围内。若检测出电压正弦信号Vout幅值超出预设的范围，则通过数组控制单元去调节电流微调模块的电流增益，从而影响振幅直至其稳定在预设范围内。

幅值自动控制模块4包括：3个PMOS管M1、M2和M3、3个电阻R1、R2和R3、一个电容C1组成，

其中R1、R2一端接电源VDD，另一端分别接PMOS管M1、M2的源级，M1、M2的漏极相连并接PMOS M3的源级，M3的漏极接GND地，M1、M2的栅极分别接LC谐振回路3的输出电压V1、V2，M3的栅极接偏置电压Vbias，M1、M2、M3的公共节点接R3一端，R3另一端接C1，C1另一端接GND地，输出端V0为R3与C1的公共节点。

两个源跟随器的合并(3个PMOS管M1、M2和M3组成)使得该电路成为一个两路交替导通的全波整流电路。M3与R3节点处的电压为全波整流后的电压波形。最后通过一个低通滤波器(R3和C1)将全波整流后的波形滤为原来值的有效值。该有效值与正弦波的峰值有一个固定比例关系，通过两个Vref可调的比较器可以确定输出波形峰值的范围。

综上所述，本发明实施例提供了一种LC振荡器，本发明实施例实现了振荡幅度与LC谐振回路的品质因数Q、外部条件无关，满足了高精度、高可靠性的传感系统对振荡源的要求；本发明实施例基于CMOS工艺实现，具有很好的集成性和易实现性，且集成在芯片内部也可作为芯片的时钟源，可节省芯片开支；本发明实施例中各个模块的功能相对独立，在外部条件(L、C等)改变或芯片要求改变时可通过更改其中的偏置电流(Ibias)、电流微调模块的增益以及幅值自动控制模块两个比较器的阈值电压，完成芯片的自适应调整；采用电流模结构工作的LC谐振回路，由于LC谐振回路的振荡幅度直接与其接收的能量补偿大小(即电流大小)有关，通过控制注入给LC谐振回路的电流大小可以直观的控制LC谐振回路输出信号的幅值大小；区别于一般的LC谐振回路，本发明实施例采用一种电流模式的正反馈回路，以中心电平2.5V为反相点，保证了电流模工作时振荡的中心电平稳定在2.5V，为后续信号处理提供方便。

本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种LC振荡器，其特征在于，所述LC振荡器包括：电流模正反馈控制模块、电流微调模块、LC谐振回路和幅值自动控制模块；

2.根据权利要求1所述的一种LC振荡器，其特征在于，所述电流模正反馈控制模块，包括：第一对称电路和第二对称电路，其中，

所述第一对称电路包括：(M1)～(M20)共20个MOS管，电源、第一偏置电流提供1.5uA的偏置电流，(V0)为2.5V的恒定直流偏置、(V2)为所述LC谐振回路的输出电压，用来产生所述LC谐振回路振荡所需的电流，(M5)源级接地，漏极上分别连接(M13)的漏极和(M14)的漏极，(M13)的源级上分别连接(M10)的漏极和(M11)的漏极，(M10)和(M11)的源级分别接电源；(M14)的源级上分别连接(M17)的漏极和(M18)的漏极，(M17)和(M18)的源级分别接电源；(M8)和(M10)采用二级管连接方式，(M13)的栅极由(V0)控制，(M14)的栅极接(V2)；

所述第二对称电路包括：(M21)～(M40)共20个MOS管，电源、第二偏置电流提供1.5uA的偏置电流，(V0)为2.5V的恒定直流偏置、(V1)为所述LC谐振回路的输出电压，用来产生所述LC谐振回路振荡所需的电流，(M25)源级接地，漏极上分别连接(M32)的漏极和(M33)的漏极，(M32)的源级上接(M30)的漏极和(M31)的漏极，(M30)和(M31)源级分别接电源；(M33)的源级上分别连接(M37)的漏极和(M38)的漏极，(M37)和(M38)的源级分别接电源；(M38)和(M30)采用二级管连接方式，(M32)的栅极由(V0)控制，(M33)的栅极接(V1)。

3.根据权利要求1所述的一种LC振荡器，其特征在于，所述电流微调模块包括：第三对称电路和第四对称电路，其中，

所述第三对称电路包括：(M1)(M20)共20个MOS管，(M6)、(M15)中流过的电流为常导通；(M2)、(M3)、(M4)、(M5)中的电流分别由开关(n_fa)、(n_fb)、(n_sa)、(n_sb)控制；(M19)、(M18)、(M17)、(M16)中的电流分别由开关(fa)、(fb)、(sa)、(sb)控制，(M1)和(M20)中的电流由所述第一电流信号和所述第二电流信号提供，所有支路的电流供给(V1)；

所述第四对称电路包括：(M21)～(M40)共20个MOS管，(M26)、(M35)中流过的电流为常导通；(M22)、(M23)、(M24)、(M25)中的电流分别由开关(n_fa)、(n_fb)、(n_sa)、(n_sb)控制；(M39)、(M38)、(M37)、(M36)中的电流分别由开关(fa)、(fb)、(sa)、(sb)控制，(M21)和(M40)中的电流由所述第三电流信号和所述第四电流信号提供，所有支路的电流供给(V1)。

4.根据权利要求1所述的一种LC振荡器，其特征在于，所述LC谐振回路为外接的电感线圈和外接电容，用于完成电路振荡所需要的正反馈；所述LC谐振回路第一输出端和第二输出端，用于输出反馈电压的接收能量补偿电流。

5.根据权利要求1所述的一种LC振荡器，其特征在于，所述幅值自动控制模块包括：3个PMOS管(M1)、(M2)和(M3)、3个电阻(R1)、(R2)和(R3)、一个电容(C1)，

其中(R1)、(R2)一端接电源，另一端分别接(M1)、(M2)的源级，(M1)、(M2)的漏极相连并接(M3)的源级，(M3)的漏极接地，(M1)、(M2)的栅极分别接所述LC谐振回路的输出电压，(M3)的栅极接偏置电压，(M1)、(M2)和(M3)的公共节点接(R3)一端，(R3)另一端接(C1)，(C1)另一端接地，输出端为(R3)与(C1)的公共节点。