CN104617949A

CN104617949A - 用于压控振荡器的电压电流转换器

Info

Publication number: CN104617949A
Application number: CN201510048186.2A
Authority: CN
Inventors: 宏潇
Original assignee: Shanghai Huahong Grace Semiconductor Manufacturing Corp
Current assignee: Shanghai Huahong Grace Semiconductor Manufacturing Corp
Priority date: 2015-01-30
Filing date: 2015-01-30
Publication date: 2015-05-13

Abstract

本发明公开了一种用于压控振荡器的电压电流转换器，包括：镜像的第一和二电流路径；第一电流路径包括第一NMOS管，其栅极连接控制电压，源极接地，漏极提供第一电流路径的电流；第二电流路径输出镜像电流到电流控制振荡器；控制电压还连接到第二NMOS管的栅极和漏极，第二NMOS管的源极连接到第二电流路径的镜像电流的输出端；当控制电压为使所述第一NMOS管工作于饱和区的值时，第二NMOS管的栅源电压小于阈值电压而关闭；当控制电压升高到接近电源电压而使第一NMOS管进入线性区时，第二NMOS管的栅源电压大于阈值电压而打开并提供补偿电流到第二电流路径的镜像电流的输出端。本发明能提高输出频率信号的频率范围。

Description

用于压控振荡器的电压电流转换器

技术领域

本发明涉及一种半导体集成电路，特别是涉及一种用于压控振荡器的电压电流转换器。

背景技术

压控振荡器(VCO)为锁相环(PLL)的一个组成部分，用于根据输入的控制电压输出一频率信号。现有压控振荡器包括电压电流转换器，通过电压电流转换器将控制电压转换为控制电流，再通过控制电流输入到电流控制振荡器(CCO)实现频率信号的输出，要实现输入的控制电压和输出的频率信号的频率成良好的线性控制关系，需要电压电流转换器的电流和电压之间具有较宽的线性控制范围。如图1所示，是现有用于压控振荡器的电压电流转换器电路图；由NMOS管N101和PMOS管P101串联在电源电压和地之间形成第一电流路径，PMOS管P102组成第二电流路径，PMOS管101和102的栅极连接在一起使第一电流路径和第二电流路径呈镜像电路。控制电压Vctrl输入到NMOS管N101的栅极，第一电流路径的电流大小由控制电压Vctrl控制，第二电流路径输出控制电流Ictrl，控制电流Ictrl随跟随第一电流路径的电流变化。控制电流Ictrl输入到电流控制振荡器101中，电流控制振荡器101的输出端输出频率信号fvco。

图1所示的压控振荡器的工作原理为，控制信号Vctrl由PLL的电荷泵提供，当控制信号Vctrl增加时，控制电路Ictrl也增加，频率信号fvco增加；当控制电压Vctrl降低时，控制电路Ictrl也降低，频率信号fvco降低。当PLL需要一个宽频率范围的锁定频率信号fvco时，需要压控振荡器的增益Kvco具有较好的线性，增益Kvco为频率信号fvco和控制电压Vctrl的比值。当控制电压Vctrl较小时，NMOS管N101会工作于饱和区，这样控制电压Vctrl和控制电流Ictrl具有良好的线性关系；而当控制电压Vctrl接近电源电压VDD时，NMOS管N101会工作于三极管区即线性区，NMOS管N101失去放大功能，使得控制电流Ictrl会饱和，控制电流Ictrl饱和后，频率信号fvco基本不会变化，所以频率信号fvco的频率范围受限。如图2所示，是图1所示现有用于压控振荡器的输入输出的理想曲线和实际曲线比较图；曲线102是理想曲线，频率信号fvco的频率会一直随控制电压Vctrl线性增加；曲线102是实际曲线，频率信号fvco的频率会饱和，即在控制电压Vctrl增加到一定值后增加速度变慢直至不再增加。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种用于压控振荡器的电压电流转换器，能提高输出频率信号的频率范围。

为解决上述技术问题，本发明提供的用于压控振荡器的电压电流转换器，其特征在于，包括：第一电流路径和第二电流路径，所述第二电流路径为所述第一电流路径的镜像路径。

所述第一电流路径包括第一NMOS管，所述第一NMOS管的栅极连接控制电压，所述第一NMOS管的源极接地，所述第一NMOS管的漏极提供所述第一电流路径的电流。

所述第二电流路径输出所述第一电流路径的镜像电流到电流控制振荡器。

所述控制电压还连接到第二NMOS管的栅极和漏极，所述第二NMOS管的源极连接到所述第二电流路径的镜像电流的输出端。

当所述控制电压为使所述第一NMOS管工作于饱和区的值时，所述第二NMOS管的栅源电压小于阈值电压而关闭；当所述控制电压升高到接近电源电压而使所述第一NMOS管进入线性区时，所述第二NMOS管的栅源电压大于阈值电压而打开并提供补偿电流到所述第二电流路径的镜像电流的输出端。

进一步的改进是，所述第一电流路径还包括第一PMOS管，所述第一PMOS管的栅极和漏极连接所述第一NMOS管的漏极并连接到所述第二电流路径，所述第一PMOS管的源极连接电源电压。

进一步的改进是，所述第二电流路径包括第二PMOS管，所述第二PMOS管的源极连接电源电压，所述第二PMOS管的栅极连接到所述第一电流路径，所述第二PMOS管的漏极输出镜像电流。

进一步的改进是，所述第二电流路径还包括第三PMOS管，所述第三PMOS管的源极连接所述第二PMOS管的漏极，所述第三PMOS管的漏极输出镜像电流，所述第三PMOS管的栅极接偏置电压，由所述第二PMOS管和所述第三PMOS管组成共源共栅电流源。

进一步的改进是，电压电流转换器还包括由第四PMOS管和第三NMOS管组成的反馈路径，所述第四PMOS管的源极接电源电压，所述第四PMOS管的栅极接所述第三PMOS管的源极，所述第四PMOS管的漏极、所述第三NMOS管的漏极和所述第三PMOS管的栅极相连接，所述第三NMOS管的源极接地，所述第三NMOS管的栅极连接所述控制电压。

本发明通过第二NMOS管的设置，能够在控制电压接近电源电压并使第一NMOS管工作于线性区时打开并提供一补偿电流到输出的镜像电流中，由于第一NMOS管工作于线性区后不再具有放大效果，第二电流路径的电流会饱和，本发明通过在此时提供一补偿电流到镜像电流中能够使得镜像电流在第二电流路径的饱和电流的基础上继续增加，从而使得输出的频率信号的频率范围得到扩展。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：

图1是现有用于压控振荡器的电压电流转换器电路图；

图2是图1所示现有用于压控振荡器的输入输出的理想曲线和实际曲线比较图；

图3是本发明实施例用于压控振荡器的电压电流转换器电路图；

图4是本发明实施例的电压电流转换器输出电流和输入电压曲线和现有曲线的比较图；

图5是本发明实施例的压控振荡器的输入输出曲线和现有曲线的比较图；

图6是本发明实施例的用于压控振荡器输出频率的仿真曲线。

具体实施方式

如图3所示，是本发明实施例用于压控振荡器的电压电流转换器电路图；本发明实施例用于压控振荡器的电压电流转换器包括：第一电流路径和第二电流路径，所述第二电流路径为所述第一电流路径的镜像路径。

所述第一电流路径包括第一NMOS管N1，所述第一NMOS管N1的栅极连接控制电压Vctrl，所述第一NMOS管N1的源极接地，所述第一NMOS管N1的漏极提供所述第一电流路径的电流。

所述第二电流路径输出所述第一电流路径的镜像电流到电流控制振荡器1。

所述控制电压Vctrl还连接到第二NMOS管N3的栅极和漏极，所述第二NMOS管N3的源极连接到所述第二电流路径的镜像电流的输出端。

当所述控制电压Vctrl为使所述第一NMOS管N1工作于饱和区的值即为一较低值时，所述第二NMOS管N3的栅源电压小于阈值电压而关闭；当所述控制电压Vctrl升高到接近电源电压VDD而使所述第一NMOS管N1进入线性区时，所述第二NMOS管N3的栅源电压大于阈值电压而打开并提供补偿电流到所述第二电流路径的镜像电流的输出端。

所述第一电流路径还包括第一PMOS管P1，所述第一PMOS管P1的栅极和漏极连接所述第一NMOS管N1的漏极并连接到所述第二电流路径，所述第一PMOS管P1的源极连接电源电压VDD。

所述第二电流路径包括第二PMOS管P2，所述第二PMOS管P2的源极连接电源电压VDD，所述第二PMOS管P2的栅极连接到所述第一电流路径即连接所述PMOS管P1的栅极，所述第二PMOS管P2的漏极输出镜像电流。

所述第二电流路径还包括第三PMOS管P3，所述第三PMOS管P3的源极连接所述第二PMOS管P2的漏极，所述第三PMOS管P3的漏极输出镜像电流，所述第三PMOS管P3的栅极接偏置电压，由所述第二PMOS管P2和所述第三PMOS管P3组成共源共栅电流源。

电压电流转换器还包括由第四PMOS管P4和第三NMOS管N2组成的反馈路径，该反馈路径用于提高输出阻抗。所述第四PMOS管P4的源极接电源电压VDD，所述第四PMOS管P4的栅极接所述第三PMOS管P3的源极，所述第四PMOS管P4的漏极、所述第三NMOS管N2的漏极和所述第三PMOS管P3的栅极相连接，所述第三NMOS管N2的源极接地，所述第三NMOS管N2的栅极连接所述控制电压Vctrl。

如图3所示，当较小时，所述第一NMOS管N1工作于饱和区，所述第二NMOS管N3的栅源电压为Vctrl-Vcco，这时Vcco较大而Vctrl较小，所述第二NMOS管N3的栅源电压小于阈值电压而关闭，这些控制电流Ictrl单独由镜像电流Ip提供，而由于所述第一NMOS管N1工作于饱和区，所述第一NMOS管N1具有较好的放大性能，故镜像电流Ip能够跟随控制电压Vctrl线性变化，输出频率和输入的控制电压Vctrl之间具有良好的线性关系。

而当所述控制电压Vctrl升高到接近电源电压VDD而使所述第一NMOS管N1进入线性区时，所述第二NMOS管N3的栅源电压即Vctrl-Vcco会随着Vctrl增加而大于所述第二NMOS管N3的阈值电压而使所述第二NMOS管N3打开，这时所述第二NMOS管N3会提供一补偿电流In，由补偿电流In和镜像电流Ip叠加形成控制电流Ictrl，虽然所述第一NMOS管N1进行线性区后镜像电流Ip本身不再随控制电压Vctrl而线性增加，但是补偿电流In和镜像电流Ip叠加形成的控制电流Ictrl和控制电压Vctrl之间依然能够保持一段线性变化的范围，这会使得输出的频率信号fcvo的频率范围得到扩展。

如图4所示，是本发明实施例的电压电流转换器输出电流和输入电压曲线和现有曲线的比较图；曲线201是本发明实施例电压电流转换器输出电流和输入电压曲线，曲线202是现有曲线，可以看出在曲线202很快就饱和，而曲线201的线性变化范围延伸到1.5V以上。

如图5所示，是本发明实施例的压控振荡器的输入输出曲线和现有曲线的比较图；曲线203是本发明实施例的电压电流转换器输出电流和输入电压曲线，曲线204是现有曲线，可以看出本发明实施例输出的频率信号fvco的频率能够扩展到160MHz以上，和现有电路相比，本发明实施例能使频率范围提高23％以上。如图6所示，是本发明实施例的用于压控振荡器输出频率的仿真曲线，可以看出，控制电压VC从1V到1.5V之间都能输出良好的频率信号且频率会逐渐增加。而由图5的曲线204看出，现有技术频率信号的频率不到1.5V就已经饱和了。

以上通过具体实施例对本发明进行了详细的说明，但这些并非构成对本发明的限制。在不脱离本发明原理的情况下，本领域的技术人员还可做出许多变形和改进，这些也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种用于压控振荡器的电压电流转换器，其特征在于，包括：第一电流路径和第二电流路径，所述第二电流路径为所述第一电流路径的镜像路径；

所述第一电流路径包括第一NMOS管，所述第一NMOS管的栅极连接控制电压，所述第一NMOS管的源极接地，所述第一NMOS管的漏极提供所述第一电流路径的电流；

所述第二电流路径输出所述第一电流路径的镜像电流到电流控制振荡器；

所述控制电压还连接到第二NMOS管的栅极和漏极，所述第二NMOS管的源极连接到所述第二电流路径的镜像电流的输出端；

2.如权利要求1所述用于压控振荡器的电压电流转换器，其特征在于：所述第一电流路径还包括第一PMOS管，所述第一PMOS管的栅极和漏极连接所述第一NMOS管的漏极并连接到所述第二电流路径，所述第一PMOS管的源极连接电源电压。

3.如权利要求1或2所述用于压控振荡器的电压电流转换器，其特征在于：所述第二电流路径包括第二PMOS管，所述第二PMOS管的源极连接电源电压，所述第二PMOS管的栅极连接到所述第一电流路径，所述第二PMOS管的漏极输出镜像电流。

4.如权利要求3所述用于压控振荡器的电压电流转换器，其特征在于：所述第二电流路径还包括第三PMOS管，所述第三PMOS管的源极连接所述第二PMOS管的漏极，所述第三PMOS管的漏极输出镜像电流，所述第三PMOS管的栅极接偏置电压，由所述第二PMOS管和所述第三PMOS管组成共源共栅电流源。

5.如权利要求4所述用于压控振荡器的电压电流转换器，其特征在于：电压电流转换器还包括由第四PMOS管和第三NMOS管组成的反馈路径，所述第四PMOS管的源极接电源电压，所述第四PMOS管的栅极接所述第三PMOS管的源极，所述第四PMOS管的漏极、所述第三NMOS管的漏极和所述第三PMOS管的栅极相连接，所述第三NMOS管的源极接地，所述第三NMOS管的栅极连接所述控制电压。