CN103036558B - 压控振荡器 - Google Patents

Abstract

一种压控振荡器，包括：用于将控制电压转换为控制电流的电流源单元；用于对电流源单元输出的控制电流进行镜像，形成工作电流的电流镜单元；用于接收所述电流镜单元提供的工作电流，产生一定频率的周期信号的环形振荡器，其中，所述电流源单元包括第一晶体管，所述第一晶体管的栅极用于接收控制电压，漏极用于输出控制电流，所述电流源单元还包括连接于第一晶体管源极的附加偏置单元，当所述第一晶体管源极的电压大于所述附加偏置单元的开启电压时，所述附加偏置单元处于打开状态，处于打开状态时所述附加偏置单元的电阻随着所述控制电压的增大而减小。本发明扩大了压控振荡器输出信号的频率范围。

Description

压控振荡器

技术领域

本发明涉及集成电路领域，尤其涉及一种压控振荡器。

背景技术

压控振荡器(Voltage-Controlled Oscillator，VCO)是输出频率与输入控制电压有对应关系的振荡电路，可以产生周期性信号，例如：用于产生时钟，还可以用于产生高频电磁波。

参考图1，示出了现有技术压控振荡器一实施例的示意图。所述压控振荡器主要包括电流源单元10、电流镜单元11、环形振荡器12、宽共模差分放大器13(Very Wide Range Common Mode Differential Amplifier，VCDA)，其中，

电流源单元10用于输出电流。具体地，所述电流源单元10包括第一晶体管M1、电阻R1。所述第一晶体管M1为N型MOS管，其栅极G输入控制电压Vctrl，其源极S与电阻R1串联之后与地端Vss相连。所述第一晶体管M1接收所述控制电压Vctrl，在所述控制电压Vctrl大于第一晶体管M1的阈值电压Vth时，第一晶体管M1导通，在漏极D形成漏电流Id。

电流镜单元11用于对电流源单元10输出的电流进行镜像，具体地，电流镜单元11包括第二晶体管M2、第三晶体管M3，所述第二晶体管M2为P型MOS管，所述第二晶体管M2的源极输入电源电压Vdd，其栅极、漏极与第一晶体管M1的漏极D相连；所述第三晶体管为P型MOS管，所述第三晶体管M3的源极输入电源电压Vdd，栅极与第二晶体管M2的栅极相连，漏极与电流控制的环形振荡器12相连。所述第三晶体管M3镜像第二晶体管M2的漏极电流Id，基于第三晶体管M3与第二晶体管M2的宽长比的不同，所述第三晶体管M3可以向电流控制的环形振荡器12提供Id的倍数的工作电流。

环形振荡器12为电流控制的环形振荡器，用于产生一定频率的周期信号，所述环形振荡器12包括奇数个首尾相接的反相器，所述环形振荡器12的振荡周期与单个反相器的延迟时间相关，通常会在反相器上耦接电容器等的储能元件改变反相器的延迟时间，以改变环形振荡器12的振荡周期，进而改变环形振荡器12的输出频率。

电流镜单元11向环形振荡器12提供用于对储能元件进行充电的工作电流，现有技术中发现所述工作电流与环形振荡器12输出的频率的呈线性关系，也就是说，工作电流逐渐增大，所述环形振荡器12输出的频率也逐渐增加。

宽共模差分放大器13用于将环形振荡器12输出的周期信号转换为满幅时钟。

现有技术中，对于第一晶体管M1而言，随着控制电压Vctrl逐渐增大，第一晶体管M1的漏电流Id逐渐增大，第一晶体管M1的源极电压Vs＝Id·R1会增加，这会使第一晶体管M1的栅极G和源极S之间电压Vgs的增大量小于控制电压Vctrl的增大量，而随着控制电压Vctrl的逐渐增大，第一晶体管M1的漏电流Id逐渐增大，第一晶体管M1的漏极D和源极S之间的电压Vds会逐渐增大。

然而，随着Vctrl的逐渐增大，Vs逐渐增大，这会造成电压Vds的增大量大于Vgs的增大量，最终导致Vds＞Vgs-Vth，从而使第一晶体管M1进入饱和区，进入饱和区的第一晶体M1的漏电流Id不再随着Vctrl的增大而增大，这样电流镜单元11镜像的电流不再增大，也就是说向环形振荡器12提供的工作电流不再增大，那么环形振荡器12输出的频率也不再增加。

这样对压控振荡器而言，随着控制电压Vctrl增大，所输出信号的频率不再增加，所述压控振荡器进入饱和区，这使压控振荡器所输出信号的频率范围较小。

在公开号为CN101030756A的中国专利申请中公开了一种包括电流源单元的压控振荡器，用于降低功率，但是所述中国专利申请公开的技术方案仍无法解决上述压控振荡器输出信号频率范围较小的问题。

发明内容

本发明解决的技术问题是提供一种压控振荡器，增大其输出信号的频率范围。

为了解决上述问题，本发明提供一种压控振荡器，包括：用于将控制电压转换为控制电流的电流源单元；用于对电流源单元输出的控制电流进行镜像，形成工作电流的电流镜单元；用于接收所述电流镜单元提供的工作电流，产生一定频率的周期信号的环形振荡器，其中，所述电流源单元包括第一晶体管，所述第一晶体管的栅极用于接收控制电压，漏极用于输出控制电流，所述电流源单元还包括连接于第一晶体管源极的附加偏置单元，当所述第一晶体管源极的电压大于所述附加偏置单元的开启电压时，所述附加偏置单元处于打开状态，处于打开状态时所述附加偏置单元的电阻随着所述控制电压的增大而减小。

可选地，所述第一晶体管为NMOS管，其源极与第一电阻串联并连接于地端，所述附加偏置单元包括第五晶体管，所述第五晶体管为N型MOS管，所述第五晶体管的栅极、漏极与所述第一晶体管的源极相连，所述第五晶体管的源极连接于地端。

可选地，所述第一晶体管为NMOS管，其源极与第一电阻串联并连接于地端，所述附加偏置单元包括第五晶体管和第二电阻，所述第五晶体管为N型MOS管，所述第五晶体管的栅极、漏极与所述第一晶体管的源极相连，所述第五晶体管的源极与第二电阻串联之后连接于地端。

可选地，所述电流镜单元包括第二晶体管和第三晶体管，其中，所述第二晶体管为P型MOS管，所述第二晶体管的漏极与第一晶体管的漏极相连，源极连接电源，栅极与漏极相连；所述第三晶体管为P型MOS管，所述第三晶体管的漏极与环形振荡器相连，输出工作电流，源极连接电源，栅极与第二晶体管的栅极相连。

可选地，所述电流镜单元用于形成为第一晶体管漏极电流倍数的工作电流。

可选地，所述环形振荡器包括奇数个首尾相接的电流型反相器。

可选地，还包括与环形振荡器相连的第四晶体管，用于滤除地端对环形振荡器的干扰信号，所述第四晶体管为P型MOS管，所述第四晶体管的源极连接于环形振荡器，其栅极和漏极均连接于地端。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：通过在电流源单元中设置附加偏置单元，当所述第一晶体管源极的电压大于所述附加偏置单元的开启电压时，所述附加偏置单元处于打开状态，处于打开状态时所述附加偏置单元的电阻随着所述控制电压的增大而减小，使电流源单元中加载控制电压的晶体管处于线性工作区域，从而使压控振荡器处于线性工作区域，进而扩大了压控振荡器输出信号的频率范围。

附图说明

图1是现有技术压控振荡器一实施例的示意图；

图2是本发明压控振荡器第一实施例的示意图；

图3是本发明压控振荡器输出频率和控制电压的关系示意图。

具体实施方式

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。

其次，本发明利用示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，所述示意图只是实例，其在此不应限制本发明保护的范围。

参考图2，示出了本发明压控振荡器第一实施例的示意图。

本发明压控振荡器在控制电压Vctrl的控制下输出不同频率的时钟信号，具体地，所述压控振荡器主要包括电流源单元100、电流镜单元101、环形振荡器102、宽共模差分放大器103，其中，

电流源单元100用于将控制电压转换为控制电流。所述电流源单元100包括第一晶体管M1、连接于第一晶体管M1源极的第一电阻R1，所述电流源单元100还包括并联于所述第一电阻R1两侧的附加偏置单元105。

具体地，所述第一晶体管M1为N型MOS管，其栅极G输入控制电压Vctrl，其源极S与第一电阻R1串联之后与地端Vss相连，其漏极D与第二晶体管M2的漏极相连。

本实施例中，所述附加偏置单元105包括第五晶体管M5和第二电阻R2，所述第五晶体管M5为N型MOS管，所述第五晶体管M5以二极管方式连接，此处所述以二极管方式连接指的是所述第五晶体管M5的栅极和漏极相连。

所述附加偏置单元105并联于所述第一电阻R1的两端，具体地，所述第五晶体管M5的栅极(漏极)连接于第一晶体管M1的源极，所述第五晶体管M5的源极与第二电阻R2串联之后连接于地端Vss。

对于电流源单元100而言，其输入端为第一晶体管M1的栅极G，其输出端为第一晶体管M1的漏极，在第一晶体管M1栅极G上加载控制电压Vctrl，在第一晶体管M1漏极输出控制电流。

电流镜单元101用于对电流源单元100输出的控制电流进行镜像，镜像后的电流作为环形振荡器102的工作电流。本实施例中，所述电流镜单元101用于镜像第一晶体管M1漏极输出的控制电流。具体地，电流镜单元101包括第二晶体管M2、第三晶体管M3，其中，

所述第二晶体管M2为P型MOS管，所述第二晶体管M2的漏极用于接收第一晶体管M1的漏极电流，所述第二晶体管M2的源极用于接收电源电压Vdd，栅极与漏极相连；

所述第三晶体管M3为P型MOS管，所述第三晶体管M3的源极用于接收电源电压Vdd，其栅极与第二晶体管M2的栅极相连，其漏极与环形振荡器102相连。所述第三晶体管M3镜像第二晶体管M2的漏极电流Id(也就是第一晶体管M1的漏极电流)，基于第三晶体管M3与第二晶体管M2的宽长比的不同，所述第三晶体管M3可以形成第二晶体管M2的漏极电流Id(第一晶体管M1的漏极电流)倍数的工作电流。

环形振荡器102为电流控制的环形振荡器，所述环形振荡器102接收所述电流镜单元101提供的工作电流，产生一定频率的周期信号。

本实施例中，所述环形振荡器102包括奇数个首尾相接的电流型反相器：第1反相器X(1)、第2反相器......第2n+1反相器X(2n+1)，其中n为大于或等于0的整数。所述环形振荡器102的振荡周期与第1反相器X(1)、第2反相器......第2n+1反相器X(2n+1)的延迟时间相关。通过改变反相器的延迟时间，可以改变环形振荡器102的振荡周期，进而改变环形振荡器102的输出频率。

具体地，所述电流型反相器为接收工作电流，受所述工作电流控制的反相器，所述奇数个电流型反相器之间相互连接之外，每个电流型反相器还分别包括与电流镜单元101相连接用于接收工作电流的输入端、以及与地端Vss相连接的低电压端。

电流镜单元101向环形振荡器102提供用于对储能元件(例如电容)进行充电的工作电流，工作电流逐渐增大，可改变反相器的延迟时间进而改变环形振荡器102的输出频率，从而增大环形振荡器102输出频率的范围。

宽共模差分放大器103用于将环形振荡器102输出的周期信号转换为满幅时钟，与现有技术相同在此不再赘述。

需要说明的是，本实施例中，压控振荡器还包括与环形振荡器102相连的第四晶体管M4，所述第四晶体管M4为P型MOS管，所述第四晶体管M4以二极管方式连接，具体地，所述第四晶体管M4的源极连接于环形振荡器102中各个电流型反相器的低电压端，所述第四晶体管M4的栅极和漏极均连接于地端Vss。所述第四晶体管M4用于滤除地端Vss对环形振荡器102的干扰信号。

下面结合参考图2，介绍本发明压控振荡器扩大输出周期信号频率的工作原理。

对于电流源单元100而言，随着其输入端控制电压Vctrl的逐渐增大，第一晶体管M1的漏电流Id逐渐增大，第一晶体管M1的源极电压Vs＝Id·R1会增加，当源极电压Vs达到第五晶体管M5的阈值电压Vth5时，第五晶体管M5导通。而第五晶体管M5导通之后，随着控制电压Vctrl的增大，所述第五晶体管M5的电阻逐渐下降，所述第五晶体管M5、第二电阻R2的等效电阻减小，所述附加偏置单元105的电流逐渐增大。基于第五晶体管M5与第二电阻R2串联后与电阻R1并联，那么第五晶体管M5、第二电阻R2、电阻R1的等效电阻小于R1，对于源极电压Vs而言，虽然漏电流Id增大，但是由于等效电阻小于R1，那么源极电压Vs保持相对稳定。

这样，对于第一晶体管M1而言，随着Vctrl的逐渐增大，Vs相对稳定，Vgs增长得速度较快，满足Vds＜Vgs-Vth的关系，从而使第一晶体管M1工作于线性区域，这样，第一晶体M1的漏电流Id随着Vctrl的增大而增大，电流镜单元101输出的控制电流逐渐增大(第五晶体管M5的电阻逐渐减小，相应地，所述第五晶体管M5与第二电阻R2串联的支路电流不断增大)，相应地，电流镜单元101镜像的电流逐渐增大，也就是说，电流镜单元101向环形振荡器102提供的工作电流逐渐增大，由于环形振荡器102的工作电流与其输出的频率的呈线性关系，随着工作电流逐渐增大，所述环形振荡器102输出的频率逐渐增加。

由此可见，本发明压控振荡器中，随着控制电压Vctrl的逐渐增大，其输出的频率逐渐增加，压控振荡器线性工作区域增大，本发明压控振荡器输出的周期信号的频率范围增大。

参考图3，示出了本发明压控振荡器输出频率和控制电压Vctrl的关系示意图。

图3中，曲线200为现有技术压控振荡器输出频率和控制电压的关系曲线，曲线201为本发明压控振荡器输出频率和控制电压的关系曲线。

如曲线200所示，对于现有技术的压控振荡器，随着控制电压Vctrl的从0开始逐渐增加，其开始处于线性工作区，压控振荡器输出的时钟信号的频率逐渐增加。当控制电压Vctrl增加到1.0V时，压控振荡器进入饱和区，其输出的时钟信号的频率不再变化，压控振荡器输出信号的频率大致在0～150赫兹的范围内。

而对于本发明的压控振荡器，如曲线201所示，随着控制电压Vctrl的从0开始逐渐增加，压控振荡器输出的时钟信号的频率逐渐增加，当控制电压Vctrl增加到3.0V时，仍处于线性工作区，本发明压控振荡器输出信号的频率大致在0～300赫兹的范围内。

需要说明的是，通过选择不同的第一电阻R1、第二电阻R2以及第五晶体管M5电阻的阻值，可以改变第一电阻R1、第二电阻R2以及第五晶体管M5电阻的等效电阻。

继续参考图3，图中曲线202示出了本发明压控振荡器第二实施例对应的输出频率和控制电压的关系示意图。

与压控振荡器第一实施例相比，本发明压控振荡器第二实施例中，第一电阻R1、第二电阻R2以及第五晶体管M5电阻的等效电阻较大，相应地，相对于第一实施例，第二实施例中第一晶体管M1的漏电流Id较小，进而电流镜单元101向环形振荡器102提供数值较小的工作电流，这样随着控制电压Vctrl的电压的逐渐增大，环形振荡器单元102的工作电路逐渐增大。但是，环形振荡器102的工作电流增加较为平缓，相应地，环形振荡器102的输出频率相对较小(如图3所示的曲线202斜率较小，也就是说随着控制电压Vctrl的增大，压控振荡器输出频率较为平缓地增加)。

环形振荡器102的工作电流平缓增加，可以抑制压控振荡器输出频率抖动(Jitter)的现象。

需要说明的是，上述实施例中，所述附加偏置单元105包括第五晶体管M5和第二电阻R2，但是本发明并不限制于此，还可以只包括第五晶体管M5，所述第五晶体管M5并联于所述第一电阻R1的两端，具体地，所述第五晶体管M5为N型MOS管，所述N型MOS管的栅极和漏极均连接于第一晶体管M1的源极，所述N型MOS管的源极连接于地端Vss。

为了解决现有技术中的问题，本发明提供一种压控振荡器，通过在电流源单元中设置附加偏置单元105，使电流源单元中加载控制电压的晶体管处于线性工作区域，从而使压控振荡器处于线性工作区域，进而扩大了压控振荡器输出信号的频率范围。

此外，通过增大第一电阻R1、第二电阻R2以及第五晶体管M5电阻的等效电阻，还可以改善压控振荡器输出频率抖动的现象。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (6)

1.一种压控振荡器，其特征在于，包括：

用于将控制电压转换为控制电流的电流源单元；

用于对电流源单元输出的控制电流进行镜像，形成工作电流的电流镜单元；

用于接收所述电流镜单元提供的工作电流，产生一定频率的周期信号的环形振荡器，其中，

所述电流源单元包括第一晶体管，所述第一晶体管的栅极用于接收控制电压，漏极用于输出控制电流，所述电流源单元还包括连接于第一晶体管源极的附加偏置单元，当所述第一晶体管源极的电压大于所述附加偏置单元的开启电压时，所述附加偏置单元处于打开状态，处于打开状态时所述附加偏置单元的电阻随着所述控制电压的增大而减小；

所述第一晶体管为NMOS管，其源极与第一电阻串联并连接于地端，所述附加偏置单元包括第五晶体管，所述第五晶体管为NMOS管，所述第五晶体管以二极管方式连接，其中第五晶体管的栅极、漏极与所述第一晶体管的源极相连，所述第五晶体管的源极连接于地端。

2.如权利要求1所述的压控振荡器，其特征在于，所述附加偏置单元还包括第二电阻，所述第五晶体管的源极与第二电阻串联之后连接于地端。

3.如权利要求1或2所述的压控振荡器，其特征在于，所述电流镜单元包括第二晶体管和第三晶体管，其中，

所述第二晶体管为P型MOS管，所述第二晶体管的漏极与第一晶体管的漏极相连，源极连接电源，栅极与漏极相连；

所述第三晶体管为P型MOS管，所述第三晶体管的漏极与环形振荡器相连，输出工作电流，源极连接电源，栅极与第二晶体管的栅极相连。

4.如权利要求3所述的压控振荡器，其特征在于，所述电流镜单元用于形成为第一晶体管漏极电流倍数的工作电流。

5.如权利要求1所述的压控振荡器，其特征在于，所述环形振荡器包括奇数个首尾相接的电流型反相器。

6.如权利要求3所述压控振荡器，其特征在于，还包括与环形振荡器相连的第四晶体管，用于滤除地端对环形振荡器的干扰信号，所述第四晶体管为P型MOS管，所述第四晶体管的源极连接于环形振荡器，其栅极和漏极均连接于地端。