CN105409114A - 具有在非常宽调谐范围中的线性增益的vco - Google Patents

Abstract

展示了具有线性增益的振荡电路。振荡电路可以包括弛张振荡器和电流补偿组块。弛张振荡器包括电容器，可操作用于向电容器递送第一电流的电阻器的配对，以及适用于产生具有第一预定水平的第一电流的第一电流源。电流补偿组块包括第二电流源，以及耦合至第二电流源并且适用于将超过了弛张振荡器中第一预定水平的电流引导远离电容器并且至第二电流源的交叉耦合的晶体管配对。提出的振荡电路产生在宽调谐范围中的具有线性增益的输出信号。

Description

具有在非常宽调谐范围中的线性增益的VCO

优先权声明

本申请要求享有2013年7月30日提交的主体名称为“VCOWITHLINEARGAINOVERAVERYWIDETUNINGRANGE”的美国非临时申请No.13/954,277的优先权，并且该申请被转让给受让人并且在此通过引用明确地并入本文。

技术领域

本公开涉及电子电路，并且更特别地涉及一种电压受控振荡器(VCO)。

背景技术

电压受控振荡器(VCO)是其振荡频率由电压输入控制的电子振荡器。输入电压可以确定瞬时振荡频率。VCO也可以连接至锁相环(PLL)电路。通常，振荡器可以被设计具有非常大的频率范围。然而，振荡器增益趋向于跨越整个频率范围是非线性的。例如，LCVCO(其中L表示电感器以及C表示电容器)将在3x频率范围中具有高达10x的VCO增益变化。类似的问题可以出现在环形振荡器中。VCO增益也可以对于工艺、电压和温度(PVT)的变化是敏感的。应该注意，VCO增益的宽变化可以导致PLL带宽的变化，这可以导致在PLL范围中的大的抖动变化。

在本领域中用于补偿VCO增益中的非线性的技术是已知的，诸如对于数字PLL的增益估算和校正(也已知作为VeyronPLL)，将VCO增益变化与电荷泵电流变化匹配(例如在基于复制品的环形振荡器中)，等等。然而，这些技术可以依赖于在PLL中VCO输出中非线性的校正。因此希望实施在非常宽的调谐范围中的具有线性增益的VCO。

发明内容

根据本发明一个实施例的一种振荡电路部分地包括：弛张振荡器和电流补偿组块。弛张振荡器可以部分地包括电容器、可操作用于向电容器递送第一电流的电阻器的配对，以及适用于产生具有第一预定水平的第一电流的第一电流源。电流补偿组块部分地包括第二电流源，以及耦合至第二电流源并且适用于引导(steer)超过弛张振荡器中第一预定水平的电流远离电容器并且去往第二电流源的交叉耦合的晶体管的第一配对。

在电流补偿组块中交叉耦合的晶体管的第一配对部分地包括第一晶体管和第二晶体管，第一晶体管具有耦合至第二电流源的源极端子，耦合至电阻器中的第一电阻器的第一端子的漏极端子，以及耦合至电阻器中的第二电阻器的第一端子的栅极端子，第二晶体管具有耦合至第二电流源的源极端子，耦合至第一电阻器的第一端子的栅极端子，以及耦合至第二电阻器的第一端子的漏极端子。

在一个实施例中，振荡电路进一步包括形成比较器的交叉耦合的晶体管的第二配对。交叉耦合的晶体管的第二配对中的第一晶体管具有耦合至电容器的第一端子的源极端子，耦合至电阻器的第二电阻器的第一端子的栅极端子，以及耦合至电阻器的第一电阻器的第一端子的漏极端子。晶体管的第二配对中的第二晶体管具有耦合至电容器的第二端子的源极端子，耦合至第一电阻器的第一端子的栅极端子，以及耦合至第二电阻器的第一端子的漏极端子。

在一个实施例中，补偿组块适用于将跨电容器的电压维持至由电阻器的配对的电阻与第一预定电流水平确定的值。

根据本发明的一个实施例的一种用于线性化弛张振荡器的输出的方法部分地包括：将具有高达预定水平的值的电流的第一分量递送至部分在弛张振荡器中的电容性元件，并且引导超过预定水平的电流的第二分量远离电容性元件。

附图说明

图1图示了根据本公开的某些实施例的数字电路的框图。

图2图示了根据本公开的某些实施例的在宽频率范围中的具有线性增益的振荡电路的示例性示意图。

图3图示了根据本公开的某些实施例的在如图2中所示振荡电路的示例性示意图中所选择节点的电压波形的示例性集合。

图4图示了根据本公开某些实施例的用于产生具有在宽频率范围中的线性增益的振荡信号的示例性流程图。

图5图示了其中可以实施本公开的一个或多个方面的示例性计算系统。

具体实施方式

字词“示例性”在此用于意味着“用作示例、实例或说明”。在此描述作为“示例性”的任何实施例或设计无需构造为在其他实施例或设计之上的优选或有利的实施例或设计。

对于已知作为电压受控振荡器(VCO)的电路元件而言，电压-频率增益是非常关键的。电压-频率增益直接地影响锁相环(PLL)的带宽，这继而影响PLL的集成噪声或抖动。在大多数LC和环形振荡器结构中，VCO增益可以在工艺-电压和温度(PVT)变化和调谐范围中以幅度的量级而改变。调谐范围指代由VCO支持的最小频率和最大频率之间的差值。

通常，弛张振荡器或VCO的设计可以包括调整电流、电阻性负载和电容器值。通常，这些方法将仅导致在相对于振荡器频率的非常小频率范围中的恒定的VCO增益特性。因此，振荡器可以示出在其他频率中的非线性行为。

可以使用不同的方法补偿在较大频率范围中的VCO增益的非线性。例如，可以基于VCO的估算增益而调整PLL参数。另一方法可以是使用VCO和电荷泵(CP)的自适应偏置而抵偿VCO中增益变化。然而，这些方法在硬件中可能是昂贵的。本公开的某些实施例提出了一种用于设计具有在宽调谐范围中的线性增益的VCO的方法。

图1图示了根据本公开的某些实施例的数字电路100的框图。通常，数字电路可以是诸如蜂窝电话、基站、计算机等的数字装置的一部分。数字电路可以包括数字时钟发生器102，其通过缓冲器108连接至数字逻辑(例如CPU)110。数字时钟发生器可以包括PLL104，VCO106和缓冲器108。PLL和VCO可以产生数字时钟并且将其通过数字时钟布线而发送至数字逻辑110。通常，VCO可以是弛张振荡器，诸如RC弛张振荡器，其中R表示电阻器以及C表示电容器。弛张振荡器是广泛已知的并且也通常称作施密特触发器、RC振荡器或多路振动器。

对于某些方面而言，在RC弛张振荡器或任何其他类型弛张振荡器中，可以通过将晶体管的并联交叉耦合的差分配对连接至振荡器负载而实现在宽调谐范围中的恒定或近似恒定的VCO增益。作为结果，可以通过减小弛张振荡器的核心中的电流，并且同时(或近似同时)以基本上等同量增大交叉耦合的差分配对中电流而实现振荡器中的频率调谐。

图2图示了根据本公开的某些实施例的在宽频率范围中的具有线性增益的振荡电路200的示例性示意图。振荡电路200示出为包括振荡器210和电流补偿组块230。振荡器210可以是传统的弛张振荡器，其可以包括电阻器212、214，晶体管216、218、220、220、222，以及电流源224。

弛张振荡器210如下所述操作。晶体管216、218操作作为比较器，由此使能电流从任一节点N₁(示出为具有电压V₁)经由电容器226流动至节点N₂(示出为具有电压V₂)，或者从节点N₂经由电容器226至节点N₁。如图所示，晶体管216的源极端子连接至晶体管222的漏极端子以及电容器226的一个端子；晶体管216的栅极端子连接至电阻器214以及晶体管218的漏极端子；以及晶体管216的漏极端子连接至晶体管218的栅极端子以及电阻器212的一个端子。

图3图示了根据本公开一些实施例的在振荡电路200的示例性示意图中所选择节点的电压波形300的示例集合。同时参照图2和图3，可以看出，例如当电压V₂斜坡下降时，电压V₁保持恒定，直至V₂达到预定的值，在该点处晶体管218导通，接着使得V₂保持在恒定水平。在下一个周期期间，V₁斜坡下降，而同时V₂保持恒定。V₁的斜坡下降继续，直至V₁达到预定的值(例如－Vc)，在该点处晶体管216导通，接着使得V₁保持在恒定水平。

在传统的弛张振荡器中以及缺乏电流补偿组块230时，节点N2处使得晶体管218(或216)导通所需的电压降的量可以由(I_bias-△I)*R_L限定，其中I_bias是由电流源224提供的固定电流，△I是在切换期间流过电流源224的可变电流，以及R_L表示电阻器212和214的值。应该注意，电流源224均提供I_bias和-ΔI电流。备选地，电流源224可以由两个分立电流源替代，一个提供固定电流I_bias，以及另一个提供电流△I。此外，电压受控振荡器或弛张振荡器中的电压输入可以使用电压至电流转换器而转换为电流。作为示例，电压输入可以转换为△I。

电压V₁和V₂为了发生振荡而必须斜坡下降的量确定了振荡频率。如熟知的那样，弛张振荡器210具有在宽频率范围中的非线性增益。

应该注意，在更通用的振荡电路中，晶体管220和222可以从图2的示例性示意图中移除，并且电流源可以替换为连接至216和218的源极端子的幅度为I_bias-ΔI的两个电流源。

电流补偿组块230适用于将电压V₁和V₂维持在+Vc和－Vc的上界和下界内。例如，当V₁保持恒定时，电压V₂从+Vc改变至－Vc。类似的，当V₂保持恒定时，电压V₁从+Vc改变至－Vc。根据本发明，由I_bias*R_L确定电压±V_c。

如从图3可见，电流补偿组块230包括交叉耦合的晶体管232、234的配对，其耦合至电阻器212、214，以及适用于提供和/或吸收电流ΔI的电流源236。因此，在弛张振荡器210中切换期间可以产生的超过I_bias的任何电流被引导至电流补偿组块230。因此，流过弛张振荡器210的电阻器212、214的电流维持在I_bias，接着分别使得电压V₁和V₂的上界和下界在+Vc和-Vc处。如从图2可见，电流补偿组块230包括连接至RC振荡器的输出节点的交叉耦合的晶体管232、234的配对，以及适用于使得由振荡电路210引导的电流流动的电流源236。

对于某些方面而言，VCO的频率(例如F_CVO)可以写作如下：

$Fvco=\frac{I_{bias}-\mathrm{\Δ}I}{4C_{ti\min g}{V}_c},$

V_c＝I_biasR_L

其中C表示定时电容器，Vc表示定时电容器上电压的最大幅度，以及R_L表示电阻性负载。本公开的某些方面提出了一种方法，将电阻性负载上的IR压降(其中I表示电流以及R表示电阻)保持恒定或近似恒定。因此，Vc是恒定或近似恒定的。结果，频率变为穿过振荡器核心的电流的线性函数。提出的振荡器可以工作在宽频率范围(例如3x或4x)中，并且维持集成的相位噪声近似恒定。此外，抖动正比于集成相位噪声，并且反比于振荡器频率。

图4图示了根据本公开的某些实施例的用于产生具有在宽频率范围中的线性增益的振荡信号的示例性流程图。在402处，具有高达预定水平的值的电流的第一分量被递送至布置在弛张振荡器中的电容性元件。在404处，超过预定水平的电流的第二分量被引导远离电容性元件。对于某些实施例而言，电流的第二分量可以小于电流的第一分量。振荡输出信号可以使用弛张振荡器而产生。

对于某些实施例而言，交叉耦合的晶体管的第一配对可以耦合至电容性元件。交叉耦合的晶体管的第一配对可以将跨越电容性元件的电压与预定的值比较。

对于某些实施例而言，交叉耦合的晶体管的第二配对可以耦合至弛张振荡器。超过预定水平的电流的第二分量可以通过交叉耦合的晶体管的第二配对被引导并且远离电容性元件。对于某些实施例而言，可以将跨越电容性元件的电压维持至由布置在弛张振荡器中电阻器的电阻与第一预定电流水平限定的值。

如上所述的方法、系统和装置是示例。各个实施例可以省略、替换或添加如合适的各个工序或部件。例如，在备选配置中，所述方法可以以不同于所述的顺序而执行，和/或可以添加、省略和/或组合各个阶段。此外，参照某些实施例所述的特征可以在各个其他实施例中组合。实施例的不同方面和元件可以以类似的方式而组合。此外，技术发展，并且因此许多元件是并未将本公开的范围限制于那些具体示例的示例。

已经描述了以上多个方面，现在参照图5描述其中可以实施这些方面的计算系统的示例。根据一个或多个方面，如图5中所示计算机系统可以包括作为计算装置的一部分，其可以实施、执行和/或运行在此所述的任何和/或所有特征、方法和/或方法步骤。例如，处理器510、存储器535和通信子系统530的一个或多个可以用于实施如图2和图4中所示任何或全部组块。例如，计算机系统500可以表示手持式装置的一些部件。手持式装置可以是具有输入感测单元的任何计算装置，诸如相机和/或显示单元。手持式装置的示例包括但不限于视频游戏控制台、桌面、智能电话以及移动装置。在一些实施例中，系统500配置用于实施如上所述的装置100或200。图5提供了可以执行各个其他实施例所提供方法的计算机系统500的一个实施例，如在此所述，和/或可以用作主机计算机系统、远程信息站/终端、销售点装置、移动装置、机顶盒、和/或计算机系统。图5仅意味着提供各个部件的通常化示意说明，如合适的可以利用其任何和/或全部。

计算机系统500示出为包括可以经由总线505(或者可以另外是通信的，如合适的)而电耦合的硬件元件。硬件元件可以包括一个或多个处理器510，包括但不限于一个或多个通用处理器和/或一个或多个专用处理器(诸如数字信号处理芯片，图像加速处理器，和/或等等)；一个或多个输入装置515，其可以包括但不限于相机、鼠标、键盘和/或等等；以及一个或多个输出装置520，其可以包括但不限于显示单元、打印机和/或等等。

计算机系统500也可以包括通信子系统530，其可以包括但不限于调制解调器，网卡(无线或有线)，红外通信装置，无线通信装置和/或芯片集(诸如装置、802.11装置，WiFi装置、WiMax装置、蜂窝通信设备等)和/或等等。通信子系统530可以允许与网络(诸如以下所述的网络，列举一个示例)、其他计算机系统和/或在此所述的任何其他装置交换数据。在许多实施例中，计算机系统500可以进一步包括非临时工作存储器535，其可以包括RAM或ROM装置，如上所述。

计算机系统500也可以包括软件元件，示出为当前位于工作存储器535内，包括操作系统540、装置驱动器、可执行库，和/或诸如一个或多个应用程序545的其他代码。

已经描述了各个示例。这些和其他示例在以下权利要求的范围内。

Claims (20)

1.一种振荡电路，包括：

弛张振荡器，包括：

电容器；

电阻器的配对，可操作用于向所述电容器递送第一电流；以及

第一电流源，适用于产生具有第一预定水平的所述第一电流；以及

电流补偿组块，包括：

第二电流源；以及

交叉耦合的晶体管的第一配对，耦合至所述第二电流源并且适用于将超过所述弛张振荡器中的所述第一预定水平的电流引导远离所述电容器并且去往所述第二电流源。

2.根据权利要求1所述的振荡电路，其中，所述弛张振荡器进一步包括：

形成比较器的交叉耦合的晶体管的第二配对。

3.根据权利要求2所述的振荡电路，其中，

交叉耦合的晶体管的所述第二配对中的第一晶体管具有耦合至所述电容器的第一端子的源极端子，耦合至所述电阻器中的第二电阻器的第一端子的栅极端子，以及耦合至所述电阻器中的第一电阻器的第一端子的漏极端子；以及

晶体管的所述第二配对中的第二晶体管具有耦合至所述电容器的第二端子的源极端子，耦合至所述第一电阻器的所述第一端子的栅极端子，以及耦合至所述第二电阻器的第一端子的漏极端子。

4.根据权利要求1所述的振荡电路，其中，所述电流补偿组块适用于将跨越所述电容器的电压维持至由电阻器的配对的电阻与所述第一预定电流水平所限定的值。

5.根据权利要求1所述的振荡电路，其中，所述电流补偿组块中的交叉耦合的晶体管的所述第一配对包括

第一晶体管，具有耦合至所述第二电流源的源极端子、耦合至所述电阻器中的第一电阻器的第一端子的漏极端子、以及耦合至所述电阻器中的第二电阻器的第一端子的栅极端子，以及

第二晶体管，具有耦合至所述第二电流源的源极端子、耦合至所述第一电阻器的所述第一端子的栅极端子、以及耦合至所述第二电阻器的所述第一端子的漏极端子。

6.根据权利要求1所述的振荡电路，其中，所述电阻器的配对的第二端子耦合至电源电压。

7.一种用于使弛张振荡器的输出线性化的方法，包括：

将具有高达预定水平的值的电流的第一分量递送至布置在所述弛张振荡器中的电容性元件；以及

将超过所述预定水平的电流的第二分量引导远离所述电容性元件。

8.根据权利要求7所述的方法，进一步包括：

将交叉耦合的晶体管的第一配对耦合至所述电容性元件。

9.根据权利要求8所述的方法，进一步包括：

使用交叉耦合的晶体管的所述第一配对将跨越所述电容性元件的电压与预定值比较。

10.根据权利要求7所述的方法，进一步包括：

将跨越所述电容性元件的电压维持至由布置在所述弛张振荡器中的电阻器的电阻与所述第一预定电流水平所限定的值。

11.根据权利要求7所述的方法，其中，将超过所述预定水平的电流的第二分量引导远离所述电容性元件包括：

将交叉耦合的晶体管的第二配对耦合至所述弛张振荡器；以及

将超过所述预定水平的电流的所述第二分量引导通过交叉耦合的晶体管的所述第二配对。

12.根据权利要求7所述的方法，其中，电流的所述第二分量小于电流的所述第一分量。

13.根据权利要求7所述的方法，进一步包括：

使用所述弛张振荡器产生振荡输出信号。

14.一种用于线性化弛张振荡器的输出的设备，包括：

用于将具有高达预定水平的值的电流的第一分量递送至布置在所述弛张振荡器中的电容性元件的装置；以及

用于将超过所述预定水平的电流的第二分量引导远离所述电容性元件的装置。

15.根据权利要求14所述的设备，进一步包括：

用于将交叉耦合的晶体管的第一配对耦合至所述电容性元件的装置。

16.根据权利要求15所述的设备，进一步包括：

用于使用交叉耦合的晶体管的所述第一配对将跨越所述电容性元件的电压与预定值比较的装置。

17.根据权利要求14所述的设备，进一步包括：

用于将跨越所述电容性元件的电压维持至由布置在所述弛张振荡器中的电阻器的电阻与所述第一预定电流水平所限定的值的装置。

18.根据权利要求14所述的设备，其中，用于将超过所述预定水平的电流的第二分量引导远离所述电容性元件的装置包括：

用于将交叉耦合的晶体管的所述第二配对耦合至所述弛张振荡器的装置；以及

用于将超过所述预定水平的电流的第二分量引导通过交叉耦合的晶体管的所述第二配对的装置。

19.根据权利要求14所述的设备，其中，电流的所述第二分量小于电流的所述第一分量。

20.根据权利要求14所述的设备，进一步包括：

用于使用所述弛张振荡器产生振荡输出信号的装置。