CN106209028A - 一种适用于低电源电压的环形压控振荡器 - Google Patents

一种适用于低电源电压的环形压控振荡器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种适用于低电源电压的环形压控振荡器，包括检测电路和主体电路；在检测电路中，工艺偏差以及电源电压的波动通过参考电流源以及电流镜转换为电压信号，电压信号经过运算放大器转换为控制电压Vt；在主体电路中，控制电压Vt通过改变该环形压控振荡器的负载使得该环形压控振荡器的工作频率相对于工艺偏差以及电源电压稳定；主体电路中的可控反相器，通过并联一个固定衬底电位的PMOS管来改善该环形压控振荡器的调谐线性度。本发明提出的环形压控振荡器适用于低电压低功耗的设计要求，并且相对工艺偏差稳定。

Description

一种适用于低电源电压的环形压控振荡器
技术领域
本发明涉及一种抗工艺偏差的低电源电压环形振荡器，属于压控振荡器技术。
背景技术
在射频通信系统中，频率合成器负责产生本振信号，是射频收发机中的核心模块，电荷泵锁相环是实现频率合成器的一种广泛且成熟的结构。压控振荡器作为锁相环电路的主要模块，其功耗水平在整个系统中占据了可观的份额。因此为了实现整体电路的低功耗，压控振荡器的低功耗设计非常重要。此外，压控振荡器的相位噪声性能、抗工艺偏差性能以及抗电源电压波动的性能对于锁相环的性能也非常重要。
鉴于以上背景，降低电源电压是有效降低整个射频收发机功耗非常有效的方法，近年来对于低电源电压下压控振荡器的研究应用越来越广泛。环形振荡器相比于LC振荡器具有更低的功耗以及更小的面积，因此更适合在低功耗通信系统的应用。一种前馈型环形振荡器的被提出并应用，前馈型环形振荡器可以工作在偶数级，产生正交信号，这个性能对于通信系统非常重要。然而前馈型环形振荡器的主体环路以及前馈环路均由反相器构成，在低电源电压下受到工艺偏差以及电源电压波动的影响非常明显，其振荡频率的偏差非常大。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种带有检测电路的前馈型环形振荡器，该振荡器可以工作在低电源电压下，并且对于工艺偏差以及电源电压波动的变化不敏感；所采用的检测电路通过对NMOS管以及PMOS管阈值电压的变化以及电源电压的波动进行检测并通过运算放大器转换为控制电压，控制电压通过改变前馈型振荡器的负载电容的大小从而控制其振荡频率相对稳定。
技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种适用于低电源电压的环形压控振荡器，包括检测电路和主体电路；在检测电路中，工艺偏差以及电源电压的波动通过参考电流源以及电流镜转换为电压信号，电压信号经过运算放大器转换为控制电压Vt；在主体电路中，控制电压Vt通过改变该环形压控振荡器的负载使得该环形压控振荡器的工作频率相对于工艺偏差以及电源电压稳定；主体电路中的可控反相器，通过并联一个固定衬底电位的PMOS管来改善该环形压控振荡器的调谐线性度。
具体的，所述检测电路包括第一参考电流源I1、第一NMOS管NM1、第二NMOS管NM2、第一PMOS管PM1、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4和第一运算放大器OP1；
第一参考电流源I1的正端接电源电压VDD，第一参考电流源I1的负端接第一NMOS管NM1的漏极；第一NMOS管NM1的栅极接参考电流源I1的负端和第二NMOS管NM2的栅极，第一NMOS管NM1的漏极接参考电流源I1的负端，第一NMOS管NM1的源极接地；第二NMOS管NM2的栅极接第一NMOS管NM1的栅极，第二NMOS管NM2的漏极接第一PMOS管PM1的漏极，第二NMOS管NM2的源极接地；第一PMOS管PM1的栅极接第二NMOS管NM2的漏极，第一PMOS管PM1的漏极接第二NMOS管NM2的漏极，第一PMOS管PM1的源极接电源电压VDD；第一电阻R1的正极接输入参考电压Vref，第一电阻R1的负极接第一运算放大器OP1的正输入端；第二电阻R2的正极接第二NMOS管NM2的漏极，第二电阻R2的负极接第一运算放大器OP1的正输入端；第三电阻R3的正极接第一NMOS管NM1的栅极，第三电阻R3的负极接第一运算放大器OP1的负输入端；第四电阻R4的正极接第一运算放大器OP1的负输入端，第四电阻R4的负极接控制电压Vt；第一运算放大器OP1的正输入端接第一电阻R1的负极和第二电阻R2的负极，第一运算放大器OP1的负输入端接第三电阻R3的负极和第四电阻R4的正极，第一运算放大器OP1的输出端接控制电压Vt。
具体的，所述主体电路包括第三NMOS管NM3、第四NMOS管NM4、第五NMOS管NM5、第六NMOS管NM6、第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7、第八电阻R8、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第四电容C4、第一反相器INV1、第二反相器INV2、第三反相器INV3、第四反相器INV4、第一可控反相器INVC1、第二可控反相器INVC2、第三可控反相器INVC3和第四可控反相器INVC4；
第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7和第八电阻R8的正极接控制电压Vt，第五电阻R5的负极接第三NMOS管NM3的栅极，第六电阻R6的负极接第四NMOS管NM4的栅极，第七电阻R7的负极接第五NMOS管NM5的栅极，第八电阻R8的负极接第六NMOS管NM6的栅极；第三NMOS管NM3、第四NMOS管NM4、第五NMOS管NM5和第六NMOS管NM6的源极与漏极均接地；第一电容C1的上极板接第四反相器INV4的输出端和第二可控反相器INVC2的输入端，第一电容C1的下极板接第三NMOS管NM3的栅极；第二电容C2的上极板接第三反相器INV3的输出端和第一可控反相器INVC1的输入端，第二电容C2的下极板接第四NMOS管NM4的栅极；第三电容C3的上极板接第二反相器INV2的输出端和第四可控反相器INVC4的输入端，第三电容C3的下极板接第五NMOS管NM5的栅极；第四电容C4的上极板接第一反相器INV1的输出端和第三可控反相器INVC3的输入端，第四电容C4的下极板接第六NMOS管NM6的栅极；第一反相器INV1的输入端接第三反相器INV3的输出端和第四可控反相器INVC4的输出端，第一反相器INV1的输出端接第三反相器INV3的输入端和第三可控反相器INVC3的输入端；第二反相器INV2的输入端接第四反相器INV4的输出端和第一可控反相器INVC1的输出端，第二反相器INV2的输出端接第四反相器INV4的输入端和第四可控反相器INVC4的输入端；第三反相器INV3的输入端接第一反相器INV1的输出端和第二可控反相器INVC2的输出端，第三反相器INV3的输出端接第一反相器INV1的输入端和第一可控反相器INVC1的输入端；第四反相器INV4的输入端接第二反相器INV2的输出端和第三可控反相器INVC3的输出端，第四反相器INV4的输出端接第二反相器INV2的输入端和第二可控反相器INVC2的输入端；第一可控反相器INVC1、第二可控反相器INVC2、第三可控反相器INVC3和第四可控反相器INVC4的控制端接控制电压Vc。
具体的，所述第一可控反相器INVC1、第二可控反相器INVC2、第三可控反相器INVC3、第四可控反相器INVC4的结构相同，均包括第七NMOS管NM7、第二PMOS管PM2和第三PMOS管PM3；
第七NMOS管NM7的栅极接输入端in，第七NMOS管NM7的漏极接输出端out，第七NMOS管NM7的源极接地；第二PMOS管PM2的栅极接输入端in，第二PMOS管PM2的漏极接输出端out，第二PMOS管PM2的源极接电源电压VDD；第三PMOS管PM3的栅极接输入端in，第三PMOS管PM3的漏极接输出端out，第三PMOS管PM3的源极接电源电压VDD，第三PMOS管PM3的衬底接控制电压Vc。
有益效果：本发明提供的适用于低电源电压的环形压控振荡器，利用前馈型环形振荡器的结构，使得振荡器能够工作在0.65V电源电压下，并且具有较低的功耗。而且本发明提出的检测电路以及控制负载电容的电路显著提升了振荡器对于工艺偏差以及电源电压波动稳定性。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2(a)为本发明的环形振荡器在0.65V电源电压下不同工艺角下的调谐曲线仿真图；
图2(b)为传统前馈型环形振荡器0.65V电源电压下不同工艺角下调谐曲线仿真图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
一种适用于低电源电压的环形压控振荡器，包括检测电路和主体电路；在检测电路中，工艺偏差以及电源电压的波动通过参考电流源以及电流镜转换为电压信号，电压信号经过运算放大器转换为控制电压Vt；在主体电路中，控制电压Vt通过改变该环形压控振荡器的负载使得该环形压控振荡器的工作频率相对于工艺偏差以及电源电压稳定；主体电路中的可控反相器，通过并联一个固定衬底电位的PMOS管来改善该环形压控振荡器的调谐线性度。
如图1所示，所述检测电路包括第一参考电流源I1、第一NMOS管NM1、第二NMOS管NM2、第一PMOS管PM1、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4和第一运算放大器OP1。
检测电路的结构为：第一参考电流源I1的正端接电源电压VDD，第一参考电流源I1的负端接第一NMOS管NM1的漏极；第一NMOS管NM1的栅极接参考电流源I1的负端和第二NMOS管NM2的栅极，第一NMOS管NM1的漏极接参考电流源I1的负端，第一NMOS管NM1的源极接地；第二NMOS管NM2的栅极接第一NMOS管NM1的栅极，第二NMOS管NM2的漏极接第一PMOS管PM1的漏极，第二NMOS管NM2的源极接地；第一PMOS管PM1的栅极接第二NMOS管NM2的漏极，第一PMOS管PM1的漏极接第二NMOS管NM2的漏极，第一PMOS管PM1的源极接电源电压VDD；第一电阻R1的正极接输入参考电压Vref，第一电阻R1的负极接第一运算放大器OP1的正输入端；第二电阻R2的正极接第二NMOS管NM2的漏极，第二电阻R2的负极接第一运算放大器OP1的正输入端；第三电阻R3的正极接第一NMOS管NM1的栅极，第三电阻R3的负极接第一运算放大器OP1的负输入端；第四电阻R4的正极接第一运算放大器OP1的负输入端，第四电阻R4的负极接控制电压Vt；第一运算放大器OP1的正输入端接第一电阻R1的负极和第二电阻R2的负极，第一运算放大器OP1的负输入端接第三电阻R3的负极和第四电阻R4的正极，第一运算放大器OP1的输出端接控制电压Vt。
所述主体电路包括第三NMOS管NM3、第四NMOS管NM4、第五NMOS管NM5、第六NMOS管NM6、第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7、第八电阻R8、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第四电容C4、第一反相器INV1、第二反相器INV2、第三反相器INV3、第四反相器INV4、第一可控反相器INVC1、第二可控反相器INVC2、第三可控反相器INVC3和第四可控反相器INVC4。
主体电路的结构为：第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7和第八电阻R8的正极接控制电压Vt，第五电阻R5的负极接第三NMOS管NM3的栅极，第六电阻R6的负极接第四NMOS管NM4的栅极，第七电阻R7的负极接第五NMOS管NM5的栅极，第八电阻R8的负极接第六NMOS管NM6的栅极；第三NMOS管NM3、第四NMOS管NM4、第五NMOS管NM5和第六NMOS管NM6的源极与漏极均接地；第一电容C1的上极板接第四反相器INV4的输出端和第二可控反相器INVC2的输入端，第一电容C1的下极板接第三NMOS管NM3的栅极；第二电容C2的上极板接第三反相器INV3的输出端和第一可控反相器INVC1的输入端，第二电容C2的下极板接第四NMOS管NM4的栅极；第三电容C3的上极板接第二反相器INV2的输出端和第四可控反相器INVC4的输入端，第三电容C3的下极板接第五NMOS管NM5的栅极；第四电容C4的上极板接第一反相器INV1的输出端和第三可控反相器INVC3的输入端，第四电容C4的下极板接第六NMOS管NM6的栅极；第一反相器INV1的输入端接第三反相器INV3的输出端和第四可控反相器INVC4的输出端，第一反相器INV1的输出端接第三反相器INV3的输入端和第三可控反相器INVC3的输入端；第二反相器INV2的输入端接第四反相器INV4的输出端和第一可控反相器INVC1的输出端，第二反相器INV2的输出端接第四反相器INV4的输入端和第四可控反相器INVC4的输入端；第三反相器INV3的输入端接第一反相器INV1的输出端和第二可控反相器INVC2的输出端，第三反相器INV3的输出端接第一反相器INV1的输入端和第一可控反相器INVC1的输入端；第四反相器INV4的输入端接第二反相器INV2的输出端和第三可控反相器INVC3的输出端，第四反相器INV4的输出端接第二反相器INV2的输入端和第二可控反相器INVC2的输入端；第一可控反相器INVC1、第二可控反相器INVC2、第三可控反相器INVC3和第四可控反相器INVC4的控制端接控制电压Vc。
所述第一可控反相器INVC1、第二可控反相器INVC2、第三可控反相器INVC3、第四可控反相器INVC4的结构相同，均包括第七NMOS管NM7、第二PMOS管PM2和第三PMOS管PM3；第七NMOS管NM7的栅极接输入端in，第七NMOS管NM7的漏极接输出端out，第七NMOS管NM7的源极接地；第二PMOS管PM2的栅极接输入端in，第二PMOS管PM2的漏极接输出端out，第二PMOS管PM2的源极接电源电压VDD；第三PMOS管PM3的栅极接输入端in，第三PMOS管PM3的漏极接输出端out，第三PMOS管PM3的源极接电源电压VDD，第三PMOS管PM3的衬底接控制电压Vc。所述可控反相器与反相器为有比电路通过设计两种反相器的尺寸，控制两种反相器的驱动能力，从而控制振荡器的工作频率。
图2(a)为本发明的环形振荡器在0.65V电源电压下不同工艺角下的调谐曲线，图2(b)为没有检测电路情况下传统前馈型环形振荡器相同电源电压下不同工艺角下调谐曲线的仿真图。可以看出本发明提供的环形振荡器在不同工艺角下的振荡频率偏差远远小于传统结构，并且在任何工艺角下均可以覆盖到中心频率。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种适用于低电源电压的环形压控振荡器，其特征在于：包括检测电路和主体电路；在检测电路中，工艺偏差以及电源电压的波动通过参考电流源以及电流镜转换为电压信号，电压信号经过运算放大器转换为控制电压Vt；在主体电路中，控制电压Vt通过改变该环形压控振荡器的负载使得该环形压控振荡器的工作频率相对于工艺偏差以及电源电压稳定；主体电路中的可控反相器，通过并联一个固定衬底电位的PMOS管来改善该环形压控振荡器的调谐线性度。
2.根据权利要求1所述的适用于低电源电压的环形压控振荡器，其特征在于：所述检测电路包括第一参考电流源I1、第一NMOS管NM1、第二NMOS管NM2、第一PMOS管PM1、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4和第一运算放大器OP1；
第一参考电流源I1的正端接电源电压VDD，第一参考电流源I1的负端接第一NMOS管NM1的漏极；第一NMOS管NM1的栅极接参考电流源I1的负端和第二NMOS管NM2的栅极，第一NMOS管NM1的漏极接参考电流源I1的负端，第一NMOS管NM1的源极接地；第二NMOS管NM2的栅极接第一NMOS管NM1的栅极，第二NMOS管NM2的漏极接第一PMOS管PM1的漏极，第二NMOS管NM2的源极接地；第一PMOS管PM1的栅极接第二NMOS管NM2的漏极，第一PMOS管PM1的漏极接第二NMOS管NM2的漏极，第一PMOS管PM1的源极接电源电压VDD；第一电阻R1的正极接输入参考电压Vref，第一电阻R1的负极接第一运算放大器OP1的正输入端；第二电阻R2的正极接第二NMOS管NM2的漏极，第二电阻R2的负极接第一运算放大器OP1的正输入端；第三电阻R3的正极接第一NMOS管NM1的栅极，第三电阻R3的负极接第一运算放大器OP1的负输入端；第四电阻R4的正极接第一运算放大器OP1的负输入端，第四电阻R4的负极接控制电压Vt；第一运算放大器OP1的正输入端接第一电阻R1的负极和第二电阻R2的负极，第一运算放大器OP1的负输入端接第三电阻R3的负极和第四电阻R4的正极，第一运算放大器OP1的输出端接控制电压Vt。
3.根据权利要求2所述的适用于低电源电压的环形压控振荡器，其特征在于：所述主体电路包括第三NMOS管NM3、第四NMOS管NM4、第五NMOS管NM5、第六NMOS管NM6、第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7、第八电阻R8、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第四电容C4、第一反相器INV1、第二反相器INV2、第三反相器INV3、第四反相器INV4、第一可控反相器INVC1、第二可控反相器INVC2、第三可控反相器INVC3和第四可控反相器INVC4；
第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7和第八电阻R8的正极接控制电压Vt，第五电阻R5的负极接第三NMOS管NM3的栅极，第六电阻R6的负极接第四NMOS管NM4的栅极，第七电阻R7的负极接第五NMOS管NM5的栅极，第八电阻R8的负极接第六NMOS管NM6的栅极；第三NMOS管NM3、第四NMOS管NM4、第五NMOS管NM5和第六NMOS管NM6的源极与漏极均接地；第一电容C1的上极板接第四反相器INV4的输出端和第二可控反相器INVC2的输入端，第一电容C1的下极板接第三NMOS管NM3的栅极；第二电容C2的上极板接第三反相器INV3的输出端和第一可控反相器INVC1的输入端，第二电容C2的下极板接第四NMOS管NM4的栅极；第三电容C3的上极板接第二反相器INV2的输出端和第四可控反相器INVC4的输入端，第三电容C3的下极板接第五NMOS管NM5的栅极；第四电容C4的上极板接第一反相器INV1的输出端和第三可控反相器INVC3的输入端，第四电容C4的下极板接第六NMOS管NM6的栅极；第一反相器INV1的输入端接第三反相器INV3的输出端和第四可控反相器INVC4的输出端，第一反相器INV1的输出端接第三反相器INV3的输入端和第三可控反相器INVC3的输入端；第二反相器INV2的输入端接第四反相器INV4的输出端和第一可控反相器INVC1的输出端，第二反相器INV2的输出端接第四反相器INV4的输入端和第四可控反相器INVC4的输入端；第三反相器INV3的输入端接第一反相器INV1的输出端和第二可控反相器INVC2的输出端，第三反相器INV3的输出端接第一反相器INV1的输入端和第一可控反相器INVC1的输入端；第四反相器INV4的输入端接第二反相器INV2的输出端和第三可控反相器INVC3的输出端，第四反相器INV4的输出端接第二反相器INV2的输入端和第二可控反相器INVC2的输入端；第一可控反相器INVC1、第二可控反相器INVC2、第三可控反相器INVC3和第四可控反相器INVC4的控制端接控制电压Vc。
4.根据权利要求3所述的适用于低电源电压的环形压控振荡器，其特征在于：所述第一可控反相器INVC1、第二可控反相器INVC2、第三可控反相器INVC3、第四可控反相器INVC4的结构相同，均包括第七NMOS管NM7、第二PMOS管PM2和第三PMOS管PM3；
第七NMOS管NM7的栅极接输入端in，第七NMOS管NM7的漏极接输出端out，第七NMOS管NM7的源极接地；第二PMOS管PM2的栅极接输入端in，第二PMOS管PM2的漏极接输出端out，第二PMOS管PM2的源极接电源电压VDD；第三PMOS管PM3的栅极接输入端in，第三PMOS管PM3的漏极接输出端out，第三PMOS管PM3的源极接电源电压VDD，第三PMOS管PM3的衬底接控制电压Vc。
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