CN103066921B - 带有反馈的压控振荡器及电路 - Google Patents

带有反馈的压控振荡器及电路 Download PDF

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Abstract

一种压控振荡器，包括第一MOS管、第二MOS管、第三MOS管、第四MOS管、LC谐振单元、第五MOS管、第六MOS管、第七MOS管、第八MOS管和参考电流源，所述第五MOS管和所述第六MOS管的栅极分别连接所述压控振荡器的差分输出电压的两个输出端，所述第五MOS管和所述第六MOS管的漏极接电源电压，所述第五MOS管和所述第六MOS管的源极接所述参考电流源以及所述第七MOS管的漏极和栅极，所述第七MOS管和所述第八MOS管构成电流镜，并通过所述第八MOS管向差分振荡电路提供偏置电流。一种电路，包括所述压控振荡器。通过对压控振荡器的动态偏置，降低了它的直流功耗。

Description

带有反馈的压控振荡器及电路
技术领域
本发明属于模拟电路设计领域，特别涉及一种带有反馈的压控振荡器及电路。
背景技术
使用偏置电流源的、全差分的负阻型LC压控振荡器（VCO）具有能输出差分振荡信号，输出信号的幅度受偏置电流源控制、因而比较稳定，频率精度高，相位噪声小等特点，在时钟发生电路等方面具有广泛的应用。
典型的VCO电路如图1所示，其中IB为偏置电流源，通过MN6、MN5管构成的电流镜给振荡电路提供偏置电流。然而该偏置电流IB是静态电流，在VCO工作的过程中始终保持不变，因此该电流增加了VCO的直流功耗。
发明内容
本发明的目的在于提出一种带有反馈的压控振荡器,具有较小的直流功耗。
另一目的在于提供具有该压控振荡器的电路。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种压控振荡器，包括第一MOS管、第二MOS管、第三MOS管、第四MOS管和LC谐振单元，所述第一MOS管和所述第二MOS管构成一个差分负阻电路，所述第三MOS管和所述第四MOS管构成另一个差分负阻电路，两个差分负阻电路和所述LC谐振单元并联构成差分振荡电路，还包括第五MOS管、第六MOS管、第七MOS管、第八MOS管和参考电流源，所述第五MOS管和所述第六MOS管的栅极分别连接所述压控振荡器的差分输出电压的两个输出端，所述第五MOS管和所述第六MOS管的漏极接电源电压，所述第五MOS管和所述第六MOS管的源极接所述参考电流源以及所述第七MOS管的漏极和栅极，所述第七MOS管和所述第八MOS管构成电流镜，并通过所述第八MOS管向所述差分振荡电路提供偏置电流。
所述第一MOS管和所述第二MOS管为PMOS管，所述第三MOS管、所述第四MOS管、所述第五MOS管、所述第六MOS管、所述第七MOS管和所述第八MOS管为NMOS管。
一种电路，包括所述的压控振荡器。
本发明的有益技术效果：
本发明的压控振荡器自动检测输出电压的变化：差分输出电压相等时，反馈电路提供给振荡电路的偏置电流较小；差分输出电压的差越大，反馈电路提供给振荡电路的偏置电流越大。通过这一动态偏置的方式，VCO具有较小的直流功耗及较大的输出振幅。本发明提出的动态偏置电路结构简单，响应速度快，参考电流可远小于图1电路中的偏置电流。
附图说明
图1是使用偏置电流源的经典负阻型LC VCO的电路原理图；
图2是本发明实施例的带有反馈的VCO的电路原理图；
图3是带有反馈的VCO的差分输出信号及MN7管反馈电流的仿真结果。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明提出的带有反馈的压控振荡器的实施例作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。
在一个实施例里，带有反馈的VCO电路如图2所示，包括第一MOS管MP1、第二MOS管MP2、第三MOS管MN3、第四MOS管MN4、LC谐振单元、第五MOS管MN5、第六MOS管MN6、第七MOS管MN7、第八MOS管MN8和参考电流源IREF。为使描述简便，以下将第一至第八MOS管分别称为MP1管、MP2管、MN3管、MN4管、MN5管、MN6管、MN7管和MN8管。
参阅图2，该压控振荡器中，MP1管和MP2管构成一个负阻电路，MN3管和MN4管构成另一个负阻电路，两个负阻电路和LC谐振单元并联构成差分振荡电路，其差分输出电压为Vout1和Vout2。与图1所示的经典VCO电路相比，本实施例的压控振荡器增加了动态偏置电路，该电路包括MN5管、MN6管、MN7管、MN8管及参考电流源IREF，其中MN5管和MN6管的栅极连接VCO的差分输出电压Vout1、Vout2，漏极接电源电压VDD，源极接参考电流源IREF及MN7管的漏极和栅极。MN7管和MN8管构成电流镜，并由MN8管给差分振荡电路提供偏置电流。由于MN5管和MN6管的源极相连，两管中的电流相加，该电流减去参考电流IREF后，剩余的电流通过MN7管、MN8管构成电流镜给VCO的振荡电路部分提供电流。
当振荡器的差分输出电压Vout1和Vout2相等的时候，MN5管和MN6管中的电流也相等，其电流和较小，减去参考电流IREF后，通过电流镜MN7管、MN8管反馈给振荡电路的电流也较小。也就是说，当振荡电路处于平衡点的时候（Vout1等于Vout2的时候），流过它的偏置电流较小。
当振荡器的差分输出电压Vout1和Vout2不等的时候，MN5管和MN6管中的电流和随着其电压差的增大而增大，减去IREF后，通过电流镜MN7管、MN8管反馈给振荡电路的电流也随之增大。这样，反馈回来的大电流可以在输出阻抗上产生大的输出电压信号。
具有差分信号输入的一对MOS管，其电流和随着差分信号的增加而增大，该结果可以通过以下分析而得。工作在饱和区的MOS管其栅源电压和漏极电流之间的关系如公式（1），其中I是漏极电流，VG是MOS管的栅极电压，VS是源极电压，VTH是阈值电压，K是和MOS工艺及尺寸相关的常数。
I=K(VG-VS-VTH)2（1）
对于一对输入差分信号的MOS管来说，当差分信号相等、都是VG的时候，有公式（2）、（3）。当差分信号不等，一个是VG+ΔV，另一个是VG-ΔV时，其电流公式为（4）、（5）。
I1=K(VG-VS-VTH)2（2）
I2=K(VG-VS-VTH)2（3）
I1'=K(VG+ΔV-VS-VTH)2（4）
I2'=K(VG-ΔV-VS-VTH)2（5）
两种情况下的电流差如公式（6）所示。由此可见，随着信号电压差的增加，两个MOS管电流和也增大。由此可以实现根据对VCO的动态电流偏置。
I1'+I2'-I1-I2=2K(ΔV)2（6）
图3上部波形为带有反馈的VCO的差分电压输出信号，说明该VCO能正常工作，产生差分的振荡信号。图3下部波形为流过MN7管的反馈电流。比较上下两波形可见，当差分输出电压相等的时候，反馈电流较小；当差分输出电压较大时，反馈电流也较大。从而说明该动态偏置电路能够正常工作。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种压控振荡器，包括第一MOS管、第二MOS管、第三MOS管、第四MOS管和LC谐振单元，所述第一MOS管和所述第二MOS管构成一个差分负阻电路，所述第三MOS管和所述第四MOS管构成另一个差分负阻电路，两个差分负阻电路和所述LC谐振单元并联构成差分振荡电路，其特征在于,还包括第五MOS管、第六MOS管、第七MOS管、第八MOS管和参考电流源，所述第五MOS管和所述第六MOS管的栅极分别连接所述压控振荡器的差分输出电压的两个输出端，所述第五MOS管和所述第六MOS管的漏极接电源电压，所述第五MOS管和所述第六MOS管的源极接所述参考电流源以及所述第七MOS管的漏极和栅极，所述第七MOS管和所述第八MOS管构成电流镜，并通过所述第八MOS管向所述差分振荡电路提供偏置电流，当所述压控振荡器的差分输出电压相等的时候通过所述第七MOS管和所述第八MOS管反馈的偏置电流最小，当所述压控振荡器的差分输出电压不等的时候，通过所述第七MOS管和所述第八MOS管反馈的偏置电流随着差分输出电压差的增大而增大。
2.如权利要求1所述的压控振荡器，其特征在于,所述第一MOS管和所述第二MOS管为PMOS管，所述第三MOS管、所述第四MOS管、所述第五MOS管、所述第六MOS管、所述第七MOS管和所述第八MOS管为NMOS管。
3.一种电路，其特征在于,包括如权利要求1或2所述的压控振荡器。
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