CN103414466B - 一种高速的环形压控振荡器 - Google Patents

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方玉明
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Abstract

本发明的一种高速的环形压控振荡器由四级延迟单元串联组成，其中每一级延迟单元的负输出端（Vout-）接下一级延迟单元的正输入端（Vin+），每一级延迟单元的正输出端（Vout+）接下一级延迟单元的负输入端（Vin-）；最后一级延迟单元的负输出端（Vout-）接至第一级延迟单元的负输入端（Vin-），最后一级延迟单元的正输出端（Vout+）接至第一级延迟单元的正输入端（Vin+）。本发明在传统的延迟单元基础上增加有源电感结构，负载端增加一对栅极接地的PMOS管，保证了电路在整个电压范围振荡，为电路提供额外的电流，提高了振荡频率。延迟单元的频率控制通过将控制电压接到一对PMOS管的栅极实现，该PMOS管相当于压控电阻，起调节振荡频率作用。

Description

一种高速的环形压控振荡器
技术领域
本发明属于半导体集成电路设计领域，主要涉及到一种高速的、高调谐线性度的环形压控振荡器。
背景技术
压控振荡器(Voltage-Controlled-Oscillator，VCO)是频率随电压变化的信号源，广泛应用于锁相环、时钟恢复和频率综合电路中，是这些电路的关键部件。在集成电路中，压控振荡器可以分为环形振荡器和电感电容振荡器两大类。电感电容振荡器的噪声性能较好，但需要额外的工艺集成电感，而且占用面积较大。环形振荡器可以采用标准CMOS工艺实现，相对面积较小，同时具有较宽的调谐范围，适合片上系统采用。
环形振荡器可分为单端结构和差分结构两类。单端结构的环形振荡器结构简单，所占芯片面积小，可以实现全摆幅输出，但是对共模噪声及电源电压的噪声抑制能力差，相位噪声差。差分结构的环形振荡器对共模噪声的抑制能力优于单端结构，而且电路结构灵活，环形振荡器普遍采用差分结构实现。图1为传统的延迟单元结构。
环形振荡器的频率主要由环路级数与延迟单元的延迟时间决定，为了提高环形振荡器的振荡频率，目前提出的有针对改进环路结构的前馈技术、矢量叠加法等。由振荡理论可知，将带宽拓展技术应用于延迟单元电路，拓展延迟单元的带宽也会有效提高振荡频率。
发明内容
发明目的：针对现有环形压控振荡器的问题和不足，本发明的目的是提供一种高速、高调谐线性度的环形压控振荡器。
技术方案：为了实现上述发明目的，本发明的高速的环形压控振荡器由四级延迟单元串联组成，其中每一级延迟单元的负输出端Vout-接下一级延迟单元的正输入端Vin+，每一级延迟单元的正输出端Vout+接下一级延迟单元的负输入端Vin-；最后一级延迟单元的负输出端Vout-接至第一级延迟单元的负输入端Vin-，最后一级延迟单元的正输出端Vout+接至第一级延迟单元的正输入端Vin+。
所述的延迟单元包括第一对NMOS管M1a，M1b、第一对PMOS管M2a，M2b、第二对NMOS管M3a，M3b、第二对PMOS管M4a，M4b、第三对PMOS管M5a，M5b，尾电流管M6，其中：
第一对NMOS管M1a，M1b为差分输入对管，其栅极分别接正输入端Vin+和负输入端Vin-，漏极分别接负输出端Vout-和正输出端Vout+，源极接尾电流管M6的漏极；
第一对PMOS管M2a，M2b与第二对NMOS管M3a，M3b为有源电感结构，第一对PMOS管M2a，M2b的栅极接偏置电压Vbias1，源极接电源vdd，漏极分别接第二对NMOS管M3a，M3b的栅极；
第二对NMOS管M3a，M3b的源极分别接负输出端Vout-和正输出端Vout+，漏极接电源vdd；
第二对PMOS管M4a，M4b的栅极接地gnd，源极接电源vdd，漏极分别接负输出端Vout-和正输出端Vout+；
第三对PMOS管M5a，M5b作压控电阻用，其栅极接控制电压Vc，源极接电源vdd，漏极接负输出端Vout-和正输出端Vout+；
尾电流管M6栅极接偏置电压Vbias2，漏极接第一对NMOS管的源极，尾电流管M6源极接地。
有益效果：本发明在延迟单元结构中引入有源电感结构，拓展了延迟单元的带宽，环形振荡器的频率有效提高。采用由栅极电压控制工作在线性区的MOS管的阻值的方式调节频率，与控制尾电流的调节方式相比，输出摆幅在整个调谐范围内稳定。
附图说明
图1是传统的延迟单元结构；
图2是本发明差分结构延迟单元电路图；
图3是本发明环形振荡器电路图；
图4是本发明环形压控振荡器的压控曲线示意图；
图5是本发明环形压控振荡器在Vc=600mV时的相位噪声曲线。
具体实施方式
为了进一步说明本发明的优势，以下将结合附图详细说明本发明的具体实施方式和电路结构。
本发明的高速的环形压控振荡器由四级延迟单元串联组成，其中每一级延迟单元的负输出端Vout-接下一级延迟单元的正输入端Vin+，每一级延迟单元的正输出端Vout+接下一级延迟单元的负输入端Vin-；最后一级延迟单元的负输出端Vout-接至第一级延迟单元的负输入端Vin-，最后一级延迟单元的正输出端Vout+接至第一级延迟单元的正输入端Vin+。
参照图2，所本发明的延迟单元结构包括第一对NMOS管M1a，M1b、第一对PMOS管M2a，M2b、第二对NMOS管M3a，M3b、第二对PMOS管M4a，M4b、第三对PMOS管M5a，M5b，尾电流管M6。其中第一对NMOS管M1a，M1b为差分输入对管，其栅极分别接输入端Vin+和Vin-，漏极分别接输出端Vout-和Vout+，源极接尾电流管M6的漏极；第一对PMOS管M2a，M2b与第二对NMOS管M3a，M3b为有源电感结构，第一对PMOS管M2a，M2b的栅极接偏置电压Vbias1，源极接vdd，漏极分别接第二对NMOS管M3a，M3b的栅极，第二对NMOS管M3a，M3b的源极分别接输出Vout-和Vout+，漏极接vdd；第二对PMOS管M4a，M4b主要为电路提供额外的电流，保证在整个电压范围内电路振荡，其栅极通常接固定的偏置电压，这里将其接地，源极接vdd，漏极分别接输出Vout-和Vout+；第三对PMOS管M5a，M5b作压控电阻用，当其工作在线性区时，其阻值会随栅压的变化而变化，所以将其栅极接控制电压Vc，通过调节其阻值，改变负载的时间常数，调节振荡频率，管子的源极接vdd，漏极接输出端Vout-和Vout+；尾电流管M6栅极接偏置电压Vbias2，漏极接第一对NMOS管的源极，源极接地。
图3是本发明的环形振荡器的电路结构图，电路由四级延迟单元组成，为了满足振荡条件，其中一级交叉连接。
图4是本发明的压控曲线示意图，可以看出在本发明的环形振荡器的中心频率可达6.25G。
图5是本发明在Vc=600mV时的相位噪声曲线，在1M频偏处的相位噪声约为-80dBc/Hz。
综上所述，本发明实现了一个高速的环形压控振荡器。以上仅是本发明的实例，不构成对本发明的任何限制，显然，在本发明的思想下，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，可利用上述揭示的技术内容对电路结构及元器件尺寸进行适当调整或优化，依据本发明的技术是指对以上实施例所作的任何简单修改、等同变换与修饰，均属于本发明技术方案的范围。

Claims (1)

1.一种高速的环形压控振荡器，其特征在于该环形压控振荡器由四级延迟单元串联组成，其中每一级延迟单元的负输出端(Vout-)接下一级延迟单元的正输入端(Vin+)，每一级延迟单元的正输出端(Vout+)接下一级延迟单元的负输入端(Vin-)；最后一级延迟单元的负输出端(Vout-)接至第一级延迟单元的负输入端(Vin-)，最后一级延迟单元的正输出端(Vout+)接至第一级延迟单元的正输入端(Vin+)；
所述的延迟单元包括第一对NMOS管(M1a，M1b)、第一对PMOS管(M2a，M2b)、第二对NMOS管(M3a，M3b)、第二对PMOS管(M4a，M4b)、第三对PMOS管(M5a，M5b)，尾电流管(M6)，其中：
第一对NMOS管(M1a，M1b)为差分输入对管，其栅极分别接正输入端(Vin+)和负输入端(Vin-)，漏极分别接负输出端(Vout-)和正输出端(Vout+)，源极接尾电流管(M6)的漏极；
第一对PMOS管(M2a，M2b)与第二对NMOS管(M3a，M3b)分别构成有源电感，第一对PMOS管(M2a，M2b)的栅极接偏置电压Vbias1，源极接电源(vdd)，漏极分别接第二对NMOS管(M3a，M3b)的栅极；
第二对NMOS管(M3a，M3b)的源极分别接负输出端(Vout-)和正输出端(Vout+)，漏极接电源(vdd)；
第二对PMOS管(M4a，M4b)的栅极接地(gnd)，源极接电源(vdd)，漏极分别接负输出端(Vout-)和正输出端(Vout+)；
第三对PMOS管(M5a，M5b)作压控电阻用，其栅极接控制电压(Vc)，源极接电源(vdd)，漏极接负输出端(Vout-)和正输出端(Vout+)；
尾电流管(M6)栅极接偏置电压Vbias2，漏极接第一对NMOS管的源极，尾电流管(M6)源极接地。
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