CN104300971B - 一种频率稳定的环形振荡器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种频率稳定的环形振荡器，包括工作电源、电流发生单元和延迟单元，其中：所述电流发生单元用于向所述延迟单元输出电流信号，所述电流信号与所述工作电源的电压成正比；所述延迟单元包括N级相同的延迟子单元，各级延迟子单元都具有输入端和输出端，各级的输出端与下一级的输入端连接，最末级的输出端与第一级的输入端连接，其中N是大于等于3的奇数，所述延迟子单元的延迟时间，与工作电源的电压成正比，与流经所述延迟子单元的电流成反比。本发明环形振荡器的振荡频率与电源电压变化无关，提高了振荡频率的稳定性，并且电路结构简单、易于实现。

Description

一种频率稳定的环形振荡器

技术领域

本发明涉及电子电路领域，具体涉及一种频率稳定的环形振荡器。

背景技术

振荡器是电子系统的重要组成部分，自其诞生之日起就一直在通信、机械、电子以及航海航空等领域扮演着十分重要的角色。压控振荡器(VCO，Voltage ControlledOscillator)是一种振荡频率可随外加控制电压变化而变化的可调信号源，被广泛的应用于现代通信系统中，特别是在锁相环、时钟恢复和频率综合等电路中，VCO已经成为影响整个系统性能的关键部件。

环形振荡器作为VCO的一种，可以通过调节振荡器的级数方便地获得不同相位的一系列时钟信号。环形振荡器的基本结构都比较简单，一般由多级反相器组成，每一级的输出端和输入端首尾相接，构成环状，在其中任何一个连接的位置都可以引出输出信号。以三级反相器组成的环形振荡器为例，假定某一时刻T0，反相器X输入端变为高电平，则反相器X输出端(反相器Y输入端)在非门延迟时间Td后(T＝T0+Td)变为低电平，T＝T0+2Td后反相器Y输出端(反相器Z输入端)变为高电平，T＝T0+3Td后反相器Z输出端(即反相器X输入端)由高电平变为低电平，此时反相器X输入端电平与T0时正好相反。依次类推，6Td后反相器X输入端又变回高电平完成一个周期的振荡，如此往复。由此可以看出，对于单端电路来说，总的反相器级数必须是奇数，不然电路就会进入“闩锁”状态，无法产生振荡电流。如果Td代表每级反相器的延迟时间，N代表反相器的级数，那么整个振荡器的振荡频率f可以由下式确定：

然而，传统的环形振荡器通常采用基准电流偏置的工作方式，这样会使得振荡器对电源电压的变化非常敏感，导致振荡器噪声大，振荡频率线性度差等问题。因此，在实际应用中，振荡器电路通常接在稳压电路(如低压差线性稳压器，LDO)的后面使用。这样虽然为振荡器电路提供了更加稳定的电源电压，一定程度上提高了振荡频率的稳定性，但是稳压电路增加了整个电路系统的复杂性，提高了工艺难度和器件成本。

发明内容

本发明的目的在于提出一种频率稳定的环形振荡器，解决环形振荡器频率容易随电源电压变化产生波动的问题，使环形振荡器稳定的输出振荡频率，并且环形振荡器的结构简单、易于制造、成本低廉。

本发明公开了一种频率稳定的环形振荡器，包括工作电源、电流发生单元和延迟单元，其中：

所述电流发生单元用于向所述延迟单元输出电流信号，所述电流信号与所述工作电源的电压成正比；

所述延迟单元包括N级相同的延迟子单元，各级延迟子单元都具有输入端和输出端，各级的输出端与下一级的输入端连接，最末级的输出端与第一级的输入端连接，其中N是大于等于3的奇数，所述延迟子单元的延迟时间，与工作电源的电压成正比，与流经所述延迟子单元的电流成反比。

进一步地，所述环形振荡器还包括电流镜像单元，连接在所述电流发生单元与所述延迟单元之间，用于将所述电流发生单元输出的电流信号镜像输入到所述延迟单元中。

进一步地，所述电流发生单元包括第一电阻器、第二电阻器、第三电阻器、运算放大器和第一NMOS管，其中：

所述第一电阻器连接于所述工作电源和所述运算放大器的正输入端之间；

所述第二电阻器连接于所述运算放大器的正输入端和地线之间；

所述第三电阻器连接于所述运算放大器的负输入端和地线之间；

所述第一NMOS管的栅极与所述运算放大器的输出端连接，所述第一NMOS管的源极与所述运算放大器的负输入端连接，所述第一NMOS管的漏极与所述电流镜像单元的输入端连接。

进一步地，所述延迟子单元是电流饥饿型延迟子单元。

进一步地，所述电流饥饿型延迟子单元包括第一PMOS管、第二PMOS管、第二NMOS管和第三NMOS管，其中：

所述第一PMOS管的源极与所述工作电源连接，所述第一PMOS管的漏极与所述第二PMOS管的源极连接；

所述第二PMOS管的栅极与第二NMOS管的栅极连接形成所述延迟子单元的输入端，所述第二PMOS管的漏极与所述第二NMOS管的漏极连接形成所述延迟子单元的输出端；

所述第二NMOS管的源极与第三NMOS管的漏极连接，所述第三NMOS管的源极与地线连接。

进一步地，所述电流镜像单元包括第三PMOS管、第四PMOS管和第四NMOS管，其中：

所述第三PMOS管和所述第四PMOS管的栅极相连接，所述第三PMOS管和所述第四PMOS管的源极都与工作电源相连接；

所述第四PMOS管的漏极与第四NMOS管的漏极连接；

所述第四NMOS管与所述第一级延迟子单元的第二NMOS管的栅极相连接，所述第四NMOS管与所述第一级延迟子单元的第二NMOS管的源极都与地线相连接。

进一步地，所述N级相同的延迟子单元中每一级的第一PMOS管的栅极都与所述电流镜像单元的第三PMOS管和第四PMOS管的栅极连接。

进一步地，所述N级相同的延迟子单元中每一级的第三NMOS管的栅极都与所述电流镜像单元的第四NMOS管的栅极连接。

本发明的环形振荡器使用电流发生单元输出一个与电源电压成正比的电流信号，并将这个电流信号提供给环形振荡器的延迟单元作为充放电电流，使得工作电源电压与充放电电流的比值成为一个常数，这样振荡器的延迟时间与工作电源的电压变化无关，即环形振荡器所输出的振荡波的频率与工作电源的电压变化无关，大幅降低了环形振荡器的相位噪声，使得环形振荡器可以输出频率稳定的振荡信号，进一步提高了相关器件的可靠性。

附图说明

图1是本发明第一实施例的环形振荡器的结构示意图。

图2是本发明第一实施例的环形振荡器的电路图。

图3是本发明第一实施例的延迟子单元的电路图。

图4是本发明第二实施例的环形振荡器的电路图。

图5是本发明第二实施例的环形振荡器的输出波形仿真图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部。

第一实施例

图1是本发明第一实施例的频率稳定的环形振荡器的结构示意图。如图1所示，所述频率稳定的环形振荡器包括工作电源11、电流发生单元12和延迟单元14。所述电流发生单元12的用于向所述延迟单元14输出电流信号，所述电流信号与工作电源11的电压VCC成正比。

图2是本发明第一实施例的环形振荡器的电路图。如图2所示，所述延迟单元14包括N级相同的延迟子单元141(图2中只画出了第一级和第N级，中间的N-2级未示出)，各级延迟子单元141都具有输入端和输出端，各级的输出端与下一级的输入端连接，最末级的输出端与第一级的输入端连接(图2中都用A点表示)，其中N是大于等于3的奇数。所述延迟子单元141的延迟时间，与工作电源11的电压VCC成正比，与流经所述延迟子单元141的电流成反比。

本发明实施例的环形振荡器还包括电流镜像单元13，连接在所述电流发生单元12与所述延迟单元14之间，用于将所述电流发生单元12输出的电流信号镜像输入到所述延迟单元14中。

如图2所示，电流发生单元12包括第一电阻器、第二电阻器、第三电阻器、运算放大器和第一NMOS管，其中：

第一电阻器R1，其连接于所述工作电源11和所述运算放大器OP1的正输入端之间；第二电阻器R2，其连接于所述运算放大器OP1的正输入端和地线之间，这样第一电阻器R1和第二电阻器R2对工作电源11进行分压，使得放大器的正输入端的电压为V1，则

其中，R1和R2代表所述第一电阻器R1和第二电阻器R2的电阻值，VCC代表所述工作电源11的电压值。

第三电阻器R3，其连接于所述运算放大器OP1的负输入端和地线之间；第一NMOS管MP1的栅极与所述运算放大器OP1的输出端连接，第一NMOS管MP1的源极与所述运算放大器OP1的负输入端连接，第一NMOS管MP1的漏极与所述电流镜像单元13的输入端连接。这样第一NMOS管MP1构成运算放大器OP1的负反馈电路，此时所述第一NMOS管MP1的源极端电压与所述运算放大器OP1的正输入端电压一致，即为V1。

此时加载在第三电阻器R3上的电压也为V1，则第三电阻器R3上的电流为I，即

其中，R3代表所述第三电阻器R3电阻值。

由上式(3)可以看出，第三电阻器R3上的电流I与工作电源11的电压VCC成正比例关系，并可以通过调整所述三个电阻器R1、R2和R3的阻值大小来改变所述第三电阻器R3上的电流I与工作电源11的电压VCC的比值。当所述三个电阻器R1、R2和R3的阻值选定以后，所述第三电阻器R3上的电流I与工作电源11的电压VCC的比值就是一个常数。

本发明实施例的环形振荡器所包括的延迟子单元141是电流饥饿型延迟子单元，其包括第一PMOS管、第二PMOS管、第二NMOS管和第三NMOS管，其中：

第一PMOS管MP1的源极与所述工作电源连接，第一PMOS管MP1的漏极与第二PMOS管MP2的源极连接；所述第二PMOS管MP2的栅极与第二NMOS管MN2的栅极连接形成所述延迟子单元141的输入端，所述第二PMOS管MP2的漏极与所述第二NMOS管MN2的漏极连接形成所述延迟子单元141的输出端；所述第二NMOS管MN2的源极与第三NMOS管MN3的漏极连接，所述第三NMOS管MN3的源极与地线连接。

需要具体说明的是，所谓电流饥饿就是指电路单元的电流受到电流源的钳制而不能达到其应有的最大值。图3为延迟子单元141的电路图。

如图3所示，延迟子单元141的第二PMOS管MP2和第二NMOS管MN2的串联形成一个CMOS反相器。通常PMOS管作为负载管，NMOS管作为输入管,这种配置可以大幅降低功耗，因为在两种逻辑状态中，两个晶体管中的一个总是截止的。具体地，两个MOS管的开启电压分别为VGS(P)<0和VGS(N)>0，通常为了保证正常工作，要求工作电源电压VCC>|VGS(P)|+VGS(N)。若输入电压Vi为低电平(如0V)，则负载管导通，输入管截止，输出电压Vo接近VCC。若输入电压Vi为高电平(如VCC)，则输入管导通，负载管截止，输出电压Vo接近0V。这样，当输入为低电平时输出为高电平；输入为高电平时输出为低电平，电路实现了非逻辑运算，是反相器。CMOS反相器在工作时，总有一个MOS管处于截止状态，流过的电流为极小的漏电流，所以静态功耗极低。由于其阈值电平近似为0.5VB3，输入信号变化时，过渡变化陡峭，所以低电平噪声容限和高电平噪声容限近似相等，且随电源电压升高，抗干扰能力增强。同时由于阈值电压随VCC变化而变化，所以允许VB3有较宽的变化范围，并且输入阻抗高，带负载能力强。

如图3所示，延迟子单元141的第一PMOS管MP1控制电容的充电电流I1，第三NMOS管MN3控制电容的放电电流I2，也就是说第一PMOS管MP1和第三NMOS管MN3共同控制第二PMOS管MP2和第二NMOS管MN2所组成的反相器处于电流饥饿状态。电流饥饿型延迟结构通过在延迟器件两端加上电流源和电流漏结构，利用恒定电流对节点电容进行充放电。为保证每一级延迟子单元141的充电时间与放电时间一致，每一级的充电电流I1和放电电流I2必须相等，大小由输入控制电压设定，并通过电流镜被镜像到环形振荡器的每一级中。

电流镜也称为镜像电流源(Current Source)，当在它的输入端输入一个参考电流时，输出端将输出一个大小和方向都等于参考电流方向的输出电流。电流镜原理基本原理就是如果两个相同MOS管的栅源电压相等，那么沟道电流也相同。电流镜通常用作将输入支路的电流拷贝到输出支路，给其他子系统提供电流。在本发明实施例中，电流镜像单元13的作用就是为每一级延迟子单元141提供稳定可靠、大小一致的充放电电流。

本发明实施例的环形振荡器的电流镜像单元13包括第三PMOS管、第四PMOS管和第四NMOS管，其中：

第三PMOS管MP3和第四PMOS管MP4形成一对电流镜像，则所述第三PMOS管和所述第四PMOS管的栅极相连接，所述第三PMOS管和所述第四PMOS管的源极都与工作电源相连接，此时所述第三PMOS管MP3的漏极电流即所述第三电阻器R3的电流I被镜像到所述第四PMOS管MP4的漏极，即所述第四PMOS管MP4的漏极电流为I；所述第四PMOS管MP4的漏极与第四NMOS管MN4的漏极连接，则所述第四NMOS管MN4的漏极电流也为I；所述第四NMOS管MN4与所述第一级延迟子单元141的第二NMOS管MN2形成一对电流镜像，则所述第四NMOS管与所述延迟子单元的第三NMOS管的栅极相连接，所述第四NMOS管与所述延迟子单元的第三NMOS管的源极都与地线相连接，此时所述第四NMOS管MN4的漏极电流I被镜像到所述延迟子单元141的第三NMOS管MN3的漏极，即所述延迟子单元141的第三NMOS管MN3的漏极电流也为I。

需要特别说明的是，所述第三PMOS管MP3的栅极和漏极直接相连接，所述第四NMOS管MN4的栅极和漏极直接相连接，使得所述第三PMOS管MP3和所述第四NMOS管MN4的栅源极间电压等于源漏极间电压，这样可以保证MOS管一直工作在恒流区，而不会进入可变电阻区。

对于电流饥饿型延迟子单元141来说，此时充电电流I1和放电电流I2相等，都等于所述第三电阻器R3的电流I，则其延迟时间Td的计算方法如下：

将前文所述(3)式带入上式，即得到

其中，CL代表整个延迟子单元121的负载电容值。计算电流饥饿型子单元141的延迟时间Td的详细推导方法，本领域技术人员已公知，在这里不再赘述

本发明实施例所述的环形振荡器中，所述N级相同的延迟子单元141中每一级的第一PMOS管MP1的栅极都与所述电流镜像单元13的第三PMOS管和第四PMOS管的栅极连接(图2中用VB1点表示),这样电流镜像单元13为每一级延迟子单元141提供相同的镜像电流I作为充电电流。

本发明实施例所述的环形振荡器中，所述N级相同的延迟子单元中141每一级的第三NMOS管MN3的栅极都与所述电流镜像单元13的第四NMOS管MN4的栅极连接(图1中用VB2点表示)，这样电流镜像单元13为每一级延迟子单元141提供相同的镜像电流I作为放电电流。

此时，整个环形振荡器的频率

本发明实施例的环形振荡器采用了电阻器和运算放大器相结合的方式，利用电阻对工作电源进行分压进而为运算放大器提供输入信号，然后利用运算放大器的负反馈原理，为环形振荡器提供稳定的充放电电流，使得工作电源电压与充放电电流的比值成为一个仅与电阻值和电容值相关的常数，这样振荡器的延迟时间即与工作电源的电压变化无关，大幅降低了环形振荡器的相位噪声，环形振荡器可以输出频率稳定的振荡信号，进一步提高了相关器件的可靠性，并且整个环形振荡器仅用一个运算放大器、一个MOS管和三个电阻器就实现了稳频功能，其结构简单、易于制造、成本低廉，适合广泛应用。

第二实施例

图4是本发明第二实施例的环形振荡器的电路图。本实施例的环形振荡器包括工作电源21、电流发生单元22、电流镜像单元23和延迟单元24，其中：所述电流发生单元22用于向所述延迟单元24输出电流信号，所述电流信号与所述工作电源21的电压VCC成正比；所述延迟单元24包括三级相同的延迟子单元241，各级延迟子单元241都具有输入端和输出端，各级的输出端与下一级的输入端连接，第三级的输出端与第一级的输入端连接(图4中用点A表示)。所述延迟子单元241的延迟时间，与工作电源21的电压VCC成正比，与流经所述延迟子单元241的电流成反比。电流镜像单元23连接在所述电流发生单元22与所述延迟单元24之间，用于将所述电流发生单元22输出的电流信号镜像输入到所述延迟单元24中。本发明第二实施例的基本原理和计算公式都与第一实施例完全一致，这里不再赘述。

需要具体说明的是，本实施例中所述电流发生单元22的第一电阻器R1的阻值与第二电阻器R2的阻值大小相同，均为500KΩ，第三电阻器R3的阻值为22KΩ。

所述延迟子单元241是电流饥饿型延迟子单元。所述电流饥饿型延迟子单元241包括第一PMOS管MP1、第二PMOS管MP2、第二NMOS管MN2和第三NMOS管MN3，这四个MOS管组成的延迟子单元241的负载电容CL大约为0.1pF。

将上述所有数值带入第一实施例中的公式(6)，则得到本实施例所述的环形振荡器的频率f，

由公式(7)可以看出，无论电源电压值VCC的大小如何变化，整个环形振荡器所输出的震荡波的频率始终保持在76MHz。

图5是本发明第二实施例的环形振荡器的输出波形仿真图，图中展示了输出的振荡波形与电源电压伏值的关系。如图5所示，曲线α的工作电源电压值VCC为2.5V，曲线β的工作电源电压值VCC为1.8V，曲线γ的工作电源电压值VCC为1.5V。从图5中可以看出，虽然上述三条曲线α、β和γ的电源电压值VCC各不相同，但是环形振荡器所输出的振荡波的延迟时间Td基本相同，即振荡波的频率f保持不变，更进一步证实了本发明实施例的环形振荡器的频率与工作电源的电压变化无关，大幅降低了环形振荡器的相位噪声，环形振荡器可以输出频率稳定的振荡信号，提高了相关器件的可靠性。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (3)

1.一种频率稳定的环形振荡器，其特征在于，包括工作电源、电流发生单元和延迟单元，其中：

所述电流发生单元用于向所述延迟单元输出电流信号，所述电流信号与所述工作电源的电压成正比；

所述延迟单元包括N级相同的延迟子单元，各级延迟子单元都具有输入端和输出端，各级的输出端与下一级的输入端连接，最末级的输出端与第一级的输入端连接，其中N是大于等于3的奇数，所述延迟子单元的延迟时间，与工作电源的电压成正比，与流经所述延迟子单元的电流成反比；所述的环形振荡器，还包括电流镜像单元，连接在所述电流发生单元与所述延迟单元之间，用于将所述电流发生单元输出的电流信号镜像输入到所述延迟单元中；

所述电流发生单元包括第一电阻器、第二电阻器、第三电阻器、运算放大器和第一NMOS管，其中：

所述第一电阻器连接于所述工作电源和所述运算放大器的正输入端之间；

所述第二电阻器连接于所述运算放大器的正输入端和地线之间；

所述第三电阻器连接于所述运算放大器的负输入端和地线之间；

所述第一NMOS管的栅极与所述运算放大器的输出端连接，所述第一NMOS管的源极与所述运算放大器的负输入端连接，所述第一NMOS管的漏极与所述电流镜像单元的输入端连接；

所述延迟子单元是电流饥饿型延迟子单元；

所述电流饥饿型延迟子单元包括第一PMOS管、第二PMOS管、第二NMOS管和第三NMOS管，其中：

所述第一PMOS管的源极与所述工作电源连接，所述第一PMOS管的漏极与所述第二PMOS管的源极连接；

所述第二PMOS管的栅极与第二NMOS管的栅极连接形成所述延迟子单元的输入端，所述第二PMOS管的漏极与所述第二NMOS管的漏极连接形成所述延迟子单元的输出端；

所述第二NMOS管的源极与第三NMOS管的漏极连接，所述第三NMOS管的源极与地线连接；

所述电流镜像单元包括第三PMOS管、第四PMOS管和第四NMOS管，其中：

所述第三PMOS管和所述第四PMOS管的栅极相连接，所述第三PMOS管和所述第四PMOS管的源极都与工作电源相连接；

所述第四PMOS管的漏极与第四NMOS管的漏极连接；

所述第四NMOS管与所述延迟子单元的第三NMOS管的栅极相连接，所述第四NMOS管与所述延迟子单元的第三NMOS管的源极都与地线相连接。

2.如权利要求1所述的环形振荡器，其特征在于，所述N级相同的延迟子单元中每一级的第一PMOS管的栅极都与所述电流镜像单元的第三PMOS管和第四PMOS管的栅极连接。

3.如权利要求1所述的环形振荡器，其特征在于，所述N级相同的延迟子单元中每一级的第三NMOS管的栅极都与所述电流镜像单元的第四NMOS管的栅极连接。