CN103634001B - 一种压控振荡器及其输出频率控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种压控振荡器及其输出频率控制方法，包括：状态检测电路、数字模拟转换器、振荡电路，其中：所述状态检测电路用于检测压控振荡器的工艺角以及所述压控振荡器所在环境的温度信息，并根据所述工艺角以及所述温度信息生成校调信息，将所述校调信息编译为数字校调信息；所述数字模拟转换器用于将所述数字校调信息转换为模拟电压；所述振荡电路用于将所述模拟电压作为控制电压，控制输出频率保持在额定频率范围。

Description

一种压控振荡器及其输出频率控制方法

技术领域

本发明涉及集成电路技术领域，更具体地说，涉及一种压控振荡器及其输出频率控制方法。

背景技术

随着通信电子领域的迅速发展，对电子设备的性能要求越来越高，尤其是对像振荡器等这种基础部件的要求更是如此。振荡器是许多电子系统的组成部分，应用范围从微处理器中的时钟产生到蜂窝电话中的载波合成。

VCO（Voltage-Controlled Oscillator,压控振荡器)的输出频率与输入控制电压有对应关系，压控振荡器的工作状态或振荡回路的元件参数受输入控制电压的控制，其输出频率是其输入电压的线性函数。发明人发现，在实际应用过程中，压控振荡器的输出频率不稳定。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种压控振荡器及其输出频率控制方法，在现有的VCO基础上，增加PTD（Process/Temperature Decoder，状态检测电路）以及DAC（Digital to Analog Converter，数字模拟转换器）两个部分，使VCO的输出频率稳定。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种压控振荡器，包括：状态检测电路、数字模拟转换器、振荡电路，其中：

所述状态检测电路用于检测压控振荡器的工艺角以及所述压控振荡器所在环境的温度信息，并根据所述工艺角以及所述温度信息生成校调信息，将所述校调信息编译为数字校调信息；

所述数字模拟转换器用于将所述数字校调信息转换为模拟电压；

所述振荡电路用于将所述模拟电压作为控制电压，控制输出频率保持在额定频率范围。

其中，所述状态检测电路包括：第一电流源、第二电流源、第一PMOS管、第一NMOS管、电压-电流转换器、电流比较器、锁存器组、校调信息译码器，其中：

所述第一电流源和所述第二电流源的电流值相等；

所述第一电流源与所述第一PMOS管的源极相连，所述第一PMOS管的栅极与漏极连接接地端，所述第一PMOS管源极的电压作为第一电压；

所述电压-电流转换器的输入端与所述第一PMOS管的源极相连，用于将所述第一电压转换为第一电流；

所述第二电流源与所述第一NMOS管的漏极相连，所述第一NMOS管的源极连接接地端，所述第一NMOS管漏极和栅极相连，所述第一NMOS管的漏极电流作为第二电流；

所述电流比较器的第一输入端与所述电压-电流转换器的输出端相连，所述电流比较器的第二输入端与所述第一NMOS管的栅极相连，用于将所述第一电流进行比例镜像，得到n个与所述第一电流成比例的第一镜像电流，以及将所述第二电流进行比例镜像，得到的n个与所述第二电流成比例的第二镜像电流，并将n个所述第一镜像电流与n个所述第二镜像电流中对应的第二镜像电流进行比较，得到n个比较结果输出至所述电流比较器的n个输出端得到校调信息；

所述锁存器组的n个输入端与所述电流比较器的n个输出端对应相连，用于将所述校调信息进行锁存；

所述校调信息译码器输入端与所述锁存器组的输出端相连，用于将所述校调信息编译为数字校调信息。

所述数字校调信息为并行二进制信号。

所述电压-电流转换器包括：第二PMOS管、第二NMOS管，其中：

所述第二NMOS管的栅极是所述电压-电流转换器的输入端，所述第二NMOS管的源极连接接地端，所述第二NMOS管的漏极与所述第二PMOS管的栅极相连；

所述第二PMOS管的源极连接电源，所述第二PMOS管的栅极与所述第二PMOS管的漏极相连，且所述第二PMOS管的栅极是所述电压-电流转换器的输出端。

所述电流比较器包括：n个PMOS管、n个NMOS管，n为大于2的整数，其中：

所述n个PMOS管的源极均连接电源，所述n个PMOS管的栅极相连作为电流比较器的第一输入端，用于将接收到的所述第一电流进行比例镜像，得到n个与所述第一电流成比例的第一镜像电流；

所述n个NMOS管的源极均连接接地端，所述n个NMOS管的栅极相连作为所述电流比较器的第二输入端，用于将所述第一NMOS管中的第二电流进行比例镜像，得到的n个与所述第二电流成比例的第二镜像电流；

所述n个PMOS管的漏极分别与所述n个NMOS管中对应的NMOS管的漏极相连作为所述电流比较器的n个输出端。

优选的，所述振荡电路为3级环形压控振荡电路。

一种压控振荡器输出频率控制方法，应用于压控振荡器，该方法包括步骤：

检测压控振荡器的工艺角以及所述压控振荡器所在环境的温度信息，根据所述工艺角以及所述温度信息生成数字校调信息；

将所述数字校调信息转换为模拟电压；

依据所述模拟电压调节所述压控振荡器的输出频率保持在额定频率范围。

优选的，所述步骤检测压控振荡器的工艺角以及所述压控振荡器所在环境的温度信息，根据所述工艺角以及所述温度信息生成数字校调信息包括：

检测压控振荡器的工艺角以及所述压控振荡器所在环境的温度信息，根据所述工艺角以及所述温度信息生成校调信息，并将所述校调信息编译为数字校调信息。

与现有技术相比，本发明所提供的技术方案具有以下优点：

本发明所提供的压控振荡器及其输出频率控制方法，该压控振荡器包括状态检测电路、数字模拟转换器以及振荡电路，状态检测电路检测压控振荡器的工艺角以及压控振荡器所在环境的温度信息，并生成校调信息，将根据校调信息编译为数字校调信息，数字模拟转换器将校调信息转换为模拟电压，作为振荡电路的控制电压，控制振荡电路的输出频率保持在额定的频率范围内。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例中压控振荡器组成框图；

图2为本发明实施例中状态检测电路的电路结构示意图；

图3为本发明实施例中数字模拟转换器的结构示意图；

图4为本发明实施例中3级环形压控振荡器的电路结构示意图；

图5为本发明实施例中的压控振荡器输出频率控制方法流程图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。

正如背景技术所述，现有的压控振荡器输出频率不稳定，发明人发现，造成这种缺陷的原因主要是在压控振荡器电路中，由于受工艺角及所在环境的温度的影响，在其内部电路会产生一定量的性能偏移，使得压控振荡器的输出频率与额定频率产生偏移，从而影响了压控振荡器的输出频率稳定性。

本实施例提供了一种压控振荡器，如图1所示，包括：状态检测电路101、数字模拟转换器102以及振荡电路103，其中：

状态检测电路101用于检测压控振荡器的工艺角以及所述压控振荡器所在环境的温度信息，并根据工艺角以及温度信息生成校调信息，将所述校调信息编译为数字校调信息。

其中，工艺角和温度信息与校调信息之间为预设的对应关系。校调信息与工艺角、温度对应关系的建立，是通过设计合理的PMOS管P1-Pn和NMOS管N1-Nn的宽长比，使得在不同的工艺角和环境温度下的校调信息不同。

数字模拟转换器102用于将所述数字校调信息转换为模拟电压，数字模拟转换器102的输入部分为并行的二进制信号，数字模拟转换器利用基准电压，将该并行二进制信号转换成对应的模拟电压。

具体的，如图3所示，b₁、b₂...b_n为并行的二进制信号，输入到数字模拟转换器中，数字模拟转换器将基准电压V_REF转换为一组二进制加权电流，该组二进制加权电流通过一个运算放大器生成与并行二进制信号对应的模拟电压V_OUT。

振荡电路103与数字模拟转换器102相连，用于将所述数字模拟转换器102输出的所述模拟电压作为控制电压，以控制输出频率保持在额定频率范围，本实施例中振荡电路优选为3级环形压控振荡电路。

本实施例还公开了一种状态检测电路，电路结构如图2所示，主要包括：第一电流源201、第二电流源202、第一PMOS管Pt、第一NMOS管Nt、电压-电流转换器203、电流比较器204、锁存器组205、校调信息译码器206。其中：

第一电流源201和第二电流源202的电流值It相等。

第一电流源201与第一PMOS管Pt的源极相连，第一PMOS管Pt的栅极与漏极连接接地端，第一PMOS管Pt源极的电压作为第一电压Vgspt。

第二电流源202与第一NMOS管Nt的漏极相连，第一NMOS管Nt的源极连接接地端，第一NMOS管Nt漏极和栅极相连，第一NMOS管Nt漏极的电流作为第二电流In0。

其中，第一PMOS管Pt和第一NMOS管Nt可以具有相同的宽长比。

电压-电流转换器203的输入端与第一PMOS管Pt的源极相连，用于将第一电压Vgspt转换为第一电流Ip0。

具体的，电压-电流转换器203包括：第二PMOS管P0、第二NMOS管N0，其中：

第二NMOS管N0的栅极是电压-电流转换器203的输入端，第二NMOS管N0的源极连接接地端，第二NMOS管N0的漏极与所述第二PMOS管P0的栅极相连；

第二PMOS管P0的源极连接电源，第二PMOS管P0的栅极与第二PMOS管P0的漏极相连，且第二PMOS管P0的栅极是电压-电流转换器203的输出端。

电流比较器204的第一输入端与电压-电流转换器203的输出端相连，电流比较器204的第二输入端与第一NMOS管Nt的栅极相连，用于将第一电流Ip0进行比例镜像，得到n个与所述第一电流Ip0成比例的第一镜像电流Ip1-Ipn，以及将第二电流In0进行比例镜像，得到的n个与第二电流成比例的第二镜像电流In1-Inn，并将n个第一镜像电流Ip1-Ipn与n个第二镜像电流In1-Inn中对应的第二镜像电流In1-Inn进行比较，得到n个比较结果输出至所述电流比较器204的n个输出端得到校调信息C1-Cn。

具体的，电流比较器204包括：n个PMOS管P1-Pn、n个NMOS管N1-Nn，n为大于2的整数，n越大，校调的精度越高。

n个PMOS管P1-Pn的源极均连接电源，P1-Pn的栅极相连作为电流比较器的第一输入端，用于将接收到的所述第一电流Ip0进行比例镜像，得到n个与所述第一电流Ip0成比例的镜像电流Ip1-Ipn，即Ip1=K1*Ip0，Ip2=K2*Ip0…Ipn=Kn*Ip0，其中比例系数K1由P1和P0的宽长比共同决定，同理K2由P2和P0的宽长比共同决定，Kn由Pn和P0的宽长比共同决定

n个NMOS管N1-Nn的源极均连接接地端，n个NMOS管N1-Nn的栅极相连作为所述电流比较器204的第二输入端，用于将第一NMOS管Nt中的第二电流In0进行比例镜像，得到的n个与所述第二电流In0成比例的第二镜像电流In1-Inn；

n个PMOS管P1-Pn的漏极分别与n个NMOS管N1-Nn中对应的NMOS管N1-Nn的漏极相连作为电流比较器204的n个输出端。

锁存器组205的n个输入端与电流比较器204的n个输出端对应相连，用于将校调信息C1-Cn锁存。

校调信息译码器206输入端与锁存器组205的输出端相连，用于将校调信息C1-Cn编译为数字校调信息b1-bn，该数字校调信息b1-bn为并行二进制信号。

上述状态检测电路的工作原理为：

当压控振荡器通电时，第一电流源201与第二电流源202输出电流值均为It，由第一PMOS管Pt得到第一电压Vgspt，该第一电压Vgspt通过PMOS管P0和NMOS管N0转换为第一电流Ip0，Ip0经过n个PMOS管P1-Pn进行比例镜像，得到n个与第一电流Ip0成比例的第一镜像电流Ip1-Ipn；

第一NMOS管Nt漏极的第二电流In0，In0经过n个NMOS管N1-Nn进行比例镜像得到与第二电流In0成比例的第二镜像电流In1-Inn；

n个PMOS管P1-Pn中的电流Ip1-Ipn分别与n个NMOS管N1-Nn中的电流In1-Inn对应比较，得到n个比较结果，即Ip1与In1比较得到的比较结果C1，并从第一输出端（P1和N1的漏极）输出；Ip2与In2比较，得到的比较结果C2从第二输出端（P2和N2的漏极）输出；依次类推，Ipn与Inn比较，得到比较结果Cn，从第n个输出端（Pn和Nn的漏极）输出。

将电流比较器产生的比较结果C1-Cn输入到锁存器组205中锁存，即得到n位的校调信息，其中，n为大于2的整数，n越大，校调的精度越高，校调信息译码器206将校调信息编译为数字校调信息b1-bn，其中，校调信息C1-Cn若低于0.1倍的电源电平则为逻辑数字“0”，若高于0.9倍的电源电平则为逻辑数字“1”。

例如：假设状态检测电路中n的值为4。

A、工艺角为正常的压控振荡器所在环境温度初始为常温（25摄氏度），此时，状态检测电路中Ip1<In1、Ip2<In2、Ip3>In3、Ip4>In4,则C1、C2、C3、C4输出为低电平、低电平、高电平、高电平，数字校调信息即为0011。当所述压控振荡器所在环境温度升高时（假设温度为125摄氏度），第一PMOS管Pt与第一NMOS管Nt性能均变化，且变化幅度不同，假设Pt与Nt性能变化后，状态检测电路中Ip1<In1、Ip2<In2、Ip3<In3、Ip4<In4，则C1、C2、C3、C4输出全为“低电平”，该数字校调信息即为0000，也就是说，数字校调信息从0011变为0000，数模转换器转化后的模拟电压VOUT变小。

B、环境温度为常温时（25摄氏度），取第一压控振荡器与第二压控振荡器，其中，第一压控振荡器的工艺角为PMOS normal、NMOS normal，此时，第一压控振荡器中第一状态检测电路内Ip1<In1、Ip2<In2、Ip3>In3、Ip4>In4，则C1、C2、C3、C4输出为低电平、低电平、高电平、高电平，第一数字校调信息即为0011；第二压控振荡器的工艺角为PMOS normal、NMOSslow，由于工艺角NMOS工艺角为slow，Nt的阈值电压较高，此时，第二压控振荡器中第二状态检测电路内Ip1<In1、Ip2<In2、Ip3<In3、Ip4<In4，则C1、C2、C3、C4输出全为低电平，数字校调信息即为0000。

本实施例还公开了一种压控振荡电路的电路结构示意图，如图5所示为该电路结构示意图。

所述压控振荡电路为3级环形压控振荡电路，由3个相同的增益级组成，每个增益级由两个相同电阻，两个相同宽长比的NMOS管(栅极电容为C)，以及第三个NMOS管组成。

具体的，增益级中两个电阻的一端均与电源V_DD相连，另一端分别与两个相同尺寸的NMOS管的漏极相连后并联（R1和M1的漏极相连与R2和M2的漏极相连后并联；R3和M4的漏极相连与R4和M5的漏极相连后并联；R5和M7的漏极相连与R6和M8的漏极相连后并联），两个相同尺寸的NMOS管的源极相连后与第三个NMOS管的漏极相连（M1的源极与M2的源极相连后与M3的漏极相连；M4的源极与M5的源极相连后与M6的漏极相连；M7的源极与M8的源极相连后与M9的漏极相连），第三个NMOS管的源极连接接地端，栅极为该3级环形压控振荡器的输入端（M3、M6、M9的宽长比成比例，M3、M6、M9的源极均连接接地端，M3、M6、M9的栅极均为该3级环形压控振荡器的输入端，输入电压Vcont即为上述数字模拟转换器102转换电压V_OUT，经过M3转换为电流I，该电流控制该3级环形压控振荡器中三个增益级，该3级环形压控振荡器输出频率为f=2*I/（V_DD*C）），其中，第一增益级41中的M1的栅极、M2的栅极分别与第三增益级43中M8的漏极、M7的漏极相连，第二增益级42中的M4的栅极、M5的栅极分别与第一增益级41中M2的漏极、M1的漏极相连，第三增益级43中的M7的栅极、M8的栅极分别与第二增益级42中的M5的漏极、M4的漏极相连。

例如：压控振荡器（假设该压控振荡器中振荡电路中的M3、M6、M9为相同参数的NMOS管）所在环境温度初始为常温（25摄氏度），其输出频率保持在额定范围内，当所述压控振荡器所在环境温度升高时（假设温度为125摄氏度），M3内电流I升高，根据计算公式f=2*I/（V_DD*C）可知，输出频率变高，此时，由上述实施例可知，振荡电路控制电压Vcont=V_OUT是随温度升高而变小的，从而使得控制电流I变小，进而使得该压控振荡电路输出频率趋于额定范围内。

相应于上述的压控振荡器，本发明还提供了一种压控振荡器输出频率控制方法，应用于压控振荡器，如图5所示，该方法包括步骤：

501，检测压控振荡器的工艺角以及所述压控振荡器所在环境的温度信息，根据所述工艺角以及所述温度信息生成数字校调信息。

需要说明的是，该检测是循环的。首先是检测压控振荡器的工艺角以及其所在环境的温度信息，根据所述工艺角以及所述温度信息生成数字校调信息；而后由于工艺角是确定的，所以后续主要检测该压控振荡器所在环境温度信息，该检测过程为循环过程。

502，将所述数字校调信息转换为模拟电压。

503，依据所述模拟电压调节所述压控振荡器的输出频率保持在额定频率范围。

其中，上述步骤检测压控振荡器的工艺角以及所述压控振荡器所在环境的温度信息，根据所述工艺角以及所述温度信息生成数字校调信息中包括：检测压控振荡器的工艺角以及所述压控振荡器所在环境的温度信息，根据所述工艺角以及所述温度信息生成校调信息，并将所述校调信息编译为数字校调信息。

压控振荡器的输出频率受其工艺角及其所在环境温度影响的，当其所在环境温度变化时，输出频率随之变化，该模拟电压作为压控振荡器的控制电压，该模拟电压包含有工艺角和温度变化信息，与压控振荡器输出频率所受的影响相抵消，保持其输出频率保持在额定范围。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (7)

1.一种压控振荡器，其特征在于，包括：状态检测电路、数字模拟转换器、振荡电路，其中：

所述状态检测电路用于检测压控振荡器的工艺角以及所述压控振荡器所在环境的温度信息，并根据所述工艺角以及所述温度信息生成校调信息，将所述校调信息编译为数字校调信息；

所述数字模拟转换器用于将所述数字校调信息转换为模拟电压；

所述振荡电路用于将所述模拟电压作为控制电压，控制输出频率保持在额定频率范围；

其中，所述状态检测电路包括：第一电流源、第二电流源、第一PMOS管、第一NMOS管、电压-电流转换器、电流比较器、锁存器组、校调信息译码器，其中：

所述第一电流源和所述第二电流源的电流值相等；

所述第一电流源与所述第一PMOS管的源极相连，所述第一PMOS管的栅极与漏极连接接地端，所述第一PMOS管源极的电压作为第一电压；

所述电压-电流转换器的输入端与所述第一PMOS管的源极相连，用于将所述第一电压转换为第一电流；

所述第二电流源与所述第一NMOS管的漏极相连，所述第一NMOS管的源极连接接地端，所述第一NMOS管漏极和栅极相连，所述第一NMOS管的漏极电流作为第二电流；

所述电流比较器的第一输入端与所述电压-电流转换器的输出端相连，所述电流比较器的第二输入端与所述第一NMOS管的栅极相连，用于将所述第一电流进行比例镜像，得到n个与所述第一电流成比例的第一镜像电流，以及将所述第二电流进行比例镜像，得到的n个与所述第二电流成比例的第二镜像电流，并将n个所述第一镜像电流与n个所述第二镜像电流中对应的第二镜像电流进行比较，得到n个比较结果输出至所述电流比较器的n个输出端得到校调信息；

所述锁存器组的n个输入端与所述电流比较器的n个输出端对应相连，用于将所述校调信息进行锁存；

所述校调信息译码器输入端与所述锁存器组的输出端相连，用于将所述校调信息编译为数字校调信息。

2.根据权利要求1所述的压控振荡器，其特征在于，所述数字校调信息为并行二进制信号。

3.根据权利要求1所述的压控振荡器，其特征在于，所述电压-电流转换器包括：第二PMOS管、第二NMOS管，其中：

所述第二NMOS管的栅极是所述电压-电流转换器的输入端，所述第二NMOS管的源极连接接地端，所述第二NMOS管的漏极与所述第二PMOS管的栅极相连；

所述第二PMOS管的源极连接电源，所述第二PMOS管的栅极与所述第二PMOS管的漏极相连，且所述第二PMOS管的栅极是所述电压-电流转换器的输出端。

4.根据权利要求1所述的压控振荡器，其特征在于，所述电流比较器包括：n个PMOS管、n个NMOS管，n为大于2的整数，其中：

所述n个PMOS管的源极均连接电源，所述n个PMOS管的栅极相连作为电流比较器的第一输入端，用于将接收到的所述第一电流进行比例镜像，得到n个与所述第一电流成比例的第一镜像电流；

所述n个NMOS管的源极均连接接地端，所述n个NMOS管的栅极相连作为所述电流比较器的第二输入端，用于将所述第一NMOS管中的第二电流进行比例镜像，得到的n个与所述第二电流成比例的第二镜像电流；

所述n个PMOS管的漏极分别与所述n个NMOS管中对应的NMOS管的漏极相连作为所述电流比较器的n个输出端。

5.根据权利要求1所述的压控振荡器，其特征在于，所述振荡电路为3级环形压控振荡电路。

6.一种压控振荡器输出频率控制方法，应用于权利要求1～5任意一项所述的压控振荡器，其特征在于，该方法包括步骤：

检测压控振荡器的工艺角以及所述压控振荡器所在环境的温度信息，根据所述工艺角以及所述温度信息生成数字校调信息；

将所述数字校调信息转换为模拟电压；

依据所述模拟电压调节所述压控振荡器的输出频率保持在额定频率范围。

7.根据权利要求6所述的压控振荡器输出频率控制方法，其特征在于，所述步骤检测压控振荡器的工艺角以及所述压控振荡器所在环境的温度信息，根据所述工艺角以及所述温度信息生成数字校调信息包括：

检测压控振荡器的工艺角以及所述压控振荡器所在环境的温度信息，根据所述工艺角以及所述温度信息生成校调信息，并将所述校调信息编译为数字校调信息。