CN105811969B - 一种采用叠层电流管的高精度数控环形振荡器 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种采用叠层电流管的高精度数控环形振荡器，包括：一细调阵列，包括多个阵列单元，每个阵列单元包括方向一致的多个阵列MOS管，所述阵列单元按照所述阵列MOS管的宽度W方向串联，按照所述阵列MOS管的长度L方向并联；与所述细调阵列并联的一固定电流电路。能够在有限的最小电流下，实现更高的频率精度；该细调阵列的阵列单元经过了优化，可以使得电流变化的速率很快，即从输入电流控制码切换发生到输出电流变化完成经历的时间很短，使得振荡器满足工作在高速率下的要求。

Description

一种采用叠层电流管的高精度数控环形振荡器
技术领域
本发明涉及集成电路技术领域，尤其涉及数控振荡器，具体涉及一种采用叠层电流管的高精度数控环形振荡器。
背景技术
锁相环是现代电子系统的核心电路之一，是最常见的频率源。集成电路(Integrated Circuits,IC)工艺技术的发展，使得数字化锁相环技术成为可能。相比于模拟锁相环，数字锁相环的特性受工艺、电压和温度波动的影响较小，有着更好的稳定性。
数字锁相环利用数字码来控制振荡器，其输出频率不像压控振荡器一样是连续值，只能是不同控制码对应的一系列分立频率值。在数字锁相环中，这些分立的频率值与所需的频率之间存在着误差，即数控振荡器的量化误差。这些量化误差会在环路中引入额外的量化噪声，最终叠加到锁相环的最终频率，导致输出相噪声的恶化。因此，数控振荡器输出的频率精度越高，其量化误差也就越小，从而对相噪声的影响也就越小。
图1是典型的电流型环形振荡器(以下简称电流型环振)，VDD表示电源，DCO core表示振荡核心，其振荡频率可表示为：
其中，I表示电流源提供电流大小,n表示反相器级数，C表示反相器每个节点上的电容大小，一般可以认为反相器每个节点的电容大小相等，U表示电源电压。从式(1)可以看出，改变振荡频率主要有三种方法：改变电流源电流型、改变节点电容环振、改变电源电压。这其中，改变电流源有其他两种方法不可比拟的优势，那就是电流源与振荡频率呈线性关系，所以多数数控环振通过改变电流源改变振荡频率。然而，集成电路中，电流源的精度不可能是无限提高的，所带来的振荡频率的精度也就是有限的。以55nm工艺下1.2G振荡器为例，假使振荡器消耗电流为300uA，则改变1uA电流可以改变频率2.5MHz。就实际情况而言，电流精度最高做到百纳安量级，继续做高则一方面电流管工作区域渐渐工作在亚阈值区域导致电流镜像准确度下降，另一方面泄漏电流的大小也渐渐可以和镜像电流相比拟。
发明内容
针对数控振荡器的频率精度问题，本发明的目的是提出了一种采用叠层电流管的高精度数控环形振荡器，能够在有限的最小电流下，实现更高的频率精度；电流阵列的阵列单元经过了优化，可以使得电流变化的速率很快，即从输入电流控制码切换发生到输出电流变化完成经历的时间很短，使得振荡器满足工作在高速率下的要求。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种采用叠层电流管的高精度数控环型振荡器，包括：
一细调阵列，包括多个阵列单元，每个阵列单元包括方向一致的多个阵列MOS管，所述阵列单元按照所述阵列MOS管的宽度W方向串联，按照所述阵列MOS管的长度L方向并联；
与所述细调阵列并联的一固定电流电路。
进一步地，还包括一振荡核心，所述细调阵列的输出电流灌入所述振荡核心；
一电压跟随电路，与所述细调阵列连接；
一电流校准电路，用以为所述细调阵列提供基准电流。
进一步地，还包括一粗调阵列，其包括并联的多个电流切换阵列单元。
进一步地，还包括与所述细调阵列连接的一电流切换阵列，其包括并联的多个电流切换阵列单元。
进一步的，所述电流切换阵列单元包括3个电流切换MOS管，其中1个为电流偏置管，4个为开关管；所述阵列MOS管的数量为5个，其中1个为电流偏置管，4个为开关管。
进一步地，所述固定电流电路包括叠层并联的多个大长宽比MOS管。
进一步地，所述大长宽比MOS管的长宽比是所述阵列MOS的长宽比的10倍以上。
进一步地，所述振荡核心包括多级伪差分反相器，在先一级伪差分反相器的输入接入在后一级伪差分反相器的输出。
进一步地，每一级所述伪差分反相器的输出包括一对互补反相器。
通过采取上述技术方案，本发明利用MOS管组成的阵列单元叠层式阵列布置构成的电流阵列作为细调阵列来提高数控振荡器的频率精度。与现有的高精度数控振荡器方案相比，本发明的优点在于：
1)频率精度高：通过改变阵列单元的叠层数目，可以将数控振荡器的频率精度提高1个数量级；
2)相应速度快，传统电流型环形振荡器如果使用电流型结构，为了进一步提高精度往往采用sigma-delta调制器，而这通常需要对输出电流进行滤波以保证输出频率的稳定，这种滤波限制了振荡器的响应速度。如果要求输出频率越稳定，则要求低通滤波的截止频率越低，最终导致振荡器响应速度越低。
3)可与其他高精度方案相结合：现有的高精度数控振荡器方案之间难以有效的结合。而本发明的细调阵列，可灵活采用已有的高精度方案，例如可以和sigma-delta调制器或者可变电容结合以进一步提高数控振荡器精度。
附图说明
图1是背景技术中常规的基于电流型结构的环形振荡器的结构示意图；
图2是本发明一实施例中采用叠层电流管的高精度数控环形振荡器的结构示意图；
图3是本发明一实施例中单个阵列单元的结构示意图；
图4是本发明一实施例中采用的振荡器核心的结构示意图；
图5是本发明另一实施例中采用叠层电流管的高精度数控环形振荡器的结构示意图；
图6是传统电流切换阵列单元的结构示意图。
具体实施方式
本发明所述的低功耗高精度的数控振荡器具体实施方案如下：
如图2所示，在一实施例中，提供的采用叠层电流管的高精度数控环型振荡器，包括：
位于图中右侧由多个阵列单元unit1～unit16组成的细调阵列，每个阵列单元包括方向一致的多个阵列MOS管，所述阵列单元按照所述阵列MOS管的宽度W方向串联，按照所述阵列MOS管的长度L方向并联；
阵列单元在长度L方向上面的所叠层数越多，则频率精度越高。例如叠层数为8，则频率精度可提高8倍。根据频率精度要求和设定的最小电流精度即可以确定叠层管数目。具体而言，叠层的阵列单元数目可以决定单位电流的大小，于是可以决定频率精度的大小，由事先要求的频率精度即可以得到需要的阵列单元数目。
根据计算结果表明，叠层的阵列单元的新结构的电流线性度依然可以比拟传统电流型环型振荡器环型振荡器，变化单位电流的大小为：
其中为单位电流大小，I为固定总电流大小，ΔW为单个阵列单元宽度，ΔL为单个阵列单元管长度，W为阵列总的等效宽度，L为阵列总的等效长度。从(2)可以看出，单位电流大小和细调阵列所处的位置并没有关系，所以细调阵列的电流线性度与传统电流型环振相比并没有降低。
如图3所示，每个叠层的阵列单元包括五个MOS管，其中一个为偏置管M1，另外为四个开关管M2、M3、M4、M5，这种单元结构避免了开关管的时钟馈通效应，提高了数控电流环振输入控制码到输出频率的响应速度。开关管的具体工作原理为：某时刻M4和M2导通，且M3、M5关断，偏置管M1的电流从UP流入，流出到DN；否则M3、M5导通，且M4和M2关断，偏置管M1的电流从UP_S流入，流出到DN_S。这样电流从电源VDD经过数个这样的阵列单元，最终会流入到VC端进入振荡器核心，调高振荡器频率，或者流入VC_S端，不进入振荡器核心，降低振荡器频率。
阵列单元在长度L方向上从1个变成多个，因此在输出电流上面需要并联一个固定电流电路以保证线性度，如图2左侧方框中与所述细调阵列并联的固定电流电路，从图中可以看出，该固定电流电路由4个叠层并联的MOS管构成。
上述实施例为较典型的实施例，用以说明本发明的核心技术构思。
在另一实施例中，提供了一种更为复杂的结构，描述了完整的采用叠层电流管的高精度数控环型振荡器。
如图5所示：电流校准电路为粗调阵列和细调阵列提供基准电流Icalib1及Icalib2，使得振荡频率适中；粗调阵列和细调阵列的输出电流Icoarse和Ifine灌入振荡核心；电压跟随电路确保细调阵列中的阵列单元接入振荡器后不至由于电荷分享而使得振荡器频率出现短时间突变，此电压跟随电路需要与细调阵列连接。另外，虽图中为绘示，但图中的细调阵列同样并联一电流稳定电路，其结构与图中所示类似。
具体地，其中粗调阵列采用传统结构，由如图6所示的电流切换阵列单元并联而成。本实施例中，振荡器的输入控制码一共有11位，其中，输入控制码位数由频率范围和频率精度决定，以保证振荡器的输出频率范围。这11位输入控制码分为三部分：其中低5位，中3位，高3位分别一起编码，三部分输入控制码分别由二进制码译为温度计码，输出温度计码，以提高振荡器输出频率的线性度。
其中控制码的三部分中低5位采用细调阵列的叠层结构提高频率精度，由图中unit1～unit32构成；低5位的阵列单元unit1～unit32同样是采用如图3所示的结构。与传统开关管不同的是电流偏置管M1的漏(D)端多出了2个开关管。因为电流偏置管M1的漏(D)端不再像传统的电流偏置管那样直接接到了电源端。另外，低5位的细调阵列和数个宽长比很大的MOS管并联(可参考图2)，其中，大宽长比的MOS管宽长比是低5位阵列单元中电流偏置管宽长比的32倍以提高电流与输入控制码的线性度；当然，根据实际需求，其倍数不限于32倍，大于10倍即可。
如上述，所有的偏置电流由一个基准电流源镜像而来，片上连线和MOS管寄生电阻电容以及MOS管的阈值等随着工艺角、温度等条件的变化会存在较大的绝对值偏差，从而影响振荡器输出的最终频率。因此需要对基准电流源进行校正，使得振荡频率不随工艺角和温度等条件的变化而变化，因而接入图中的电流校准模块。
中3位由图中M1～M8构成，结构采用图6所示电流切换阵列单元并联而成；高3位为粗调阵列，同样由采用图6所示电流切换阵列单元并联而成。
结合图5，输入有两个端口：VC和VC_S，其中VC端口仅有电压输入，并没有输入电流，VC_S端口需要跟随VC端口的电压，所以VC_S端口需要有抽取或者提供电流的能力用以改变VC_S端口的电压。电压跟随电路由一个运算放大器和一个抽取电流的MOS管构成。VC端口的电压变化速率很快，但是电压变化范围较小，电压跟随电路不要求非常精确的在极短时间内使得VC_S端电压跟随VC端电压，仅要求在几十纳秒的量级内大致跟随电压即可。所以对于运算放大器的带宽和输入电压失调设计要求比较低。输入VC没有电流抽取能力，而输入VC_S有电流抽取能力。
中3位和高3位的阵列单元由传统的切换电流的单元构成，如图6所示，以提高振荡器的频率覆盖范围。即有一个电流偏置管M1和两个开关管M2、M3构成，开关管控制电流流入振荡器或者流入到电压跟随电路中。电压跟随电路的作用是保持VC_S节点电压与VC节点的电压一致，这样可以消除电流偏置管在切换过程中电荷的充放电而导致的瞬间电流的突变。具体工作原理如下：当SW为高，SWN为低时，该单位电流流入VC节点，振荡核心电流增加，于是频率升高；当SW为低，SWN为高时，该单位电流流入VC_S节点，振荡核心电流减小，于是频率下降。
结合上述实施例可知，本发明通过增加单位电流切换精度，从而提高数控环形振荡器的频率精度。与传统电流型环形振荡器的不同在于：以往的电流型环振仅通过改变电流管的宽度W以改变电流大小，从而最终改变环振的频率大小，但仅仅通过改变电流管宽度的做法使得环振的频率精度受限；本发明不仅改变电流阵列宽度W，而且还等效改变电流阵列长度L，从而大大提高了改变电流的精度，进而提高数控振荡器的频率精度一个数量级。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，本领域的普通技术人员可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围，本发明的保护范围应以权利要求所述为准。

Claims (7)

1.一种采用叠层电流管的高精度数控环型振荡器，其特征在于，包括：
一细调阵列，包括多个阵列单元，每个阵列单元包括方向一致的多个阵列MOS管，所述阵列单元按照所述阵列MOS管的宽度W方向串联，按照所述阵列MOS管的长度L方向并联；
与所述细调阵列并联的一固定电流电路；
与所述细调阵列连接的一电流切换阵列，其包括并联的多个电流切换阵列单元。
2.如权利要求1所述的采用叠层电流管的高精度数控环型振荡器，其特征在于，还包括一振荡核心，所述细调阵列的输出电流灌入所述振荡核心；
一电压跟随电路，与所述细调阵列连接；
一电流校准电路，用以为所述细调阵列提供基准电流。
3.如权利要求2所述的采用叠层电流管的高精度数控环型振荡器，其特征在于，还包括一粗调阵列，其包括并联的多个电流切换阵列单元。
4.如权利要求3所述的采用叠层电流管的高精度数控环型振荡器，其特征在于，所述电流切换阵列单元包括3个电流切换MOS管，其中1个为电流偏置管，2个为开关管；所述阵列MOS管的数量为5个，其中1个为电流偏置管，4个为开关管。
5.如权利要求1所述的采用叠层电流管的高精度数控环型振荡器，其特征在于，所述固定电流电路包括叠层并联的多个大长宽比MOS管；所述大长宽比MOS管的长宽比是所述阵列MOS的长宽比的10倍以上。
6.如权利要求2所述的采用叠层电流管的高精度数控环型振荡器，其特征在于，所述振荡核心包括多级伪差分反相器，在先一级伪差分反相器的输入接入在后一级伪差分反相器的输出。
7.如权利要求6所述的采用叠层电流管的高精度数控环型振荡器，其特征在于，每一级所述伪差分反相器的输出包括一对互补反相器。
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