CN106452364B - 一种宽调谐范围八相位压控振荡器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种新型八相位压控振荡器的实现方式，包括4个压控振荡器电路单元、耦合电容单元和缓冲电路电路单元等，其中，4个振荡器电路单元分别包含两个差分输出信号，继而共有八路输出信号，振荡器单元通过耦合电容单元进行耦合，八相位信号经缓冲单元输出，八相位压控振荡器电路中的振荡器单元基于差分有源电感的方案来实现，有源电感相对传统无源电感大大节约了芯片面积，同时基于有源电感感值可调性，实现压控振荡器的宽调谐范围特性。

Description

一种宽调谐范围八相位压控振荡器
技术领域
本发明涉及一种应用于亚速率结构时钟数据恢复电路(CDR)中的八相位压控振荡器。
背景技术
随着数据速率的提高，电路已经能够工作在微波毫米波频段，由于速度、抖动、信号完整性、噪声等因素的影响，超高速CDR电路的设计面临着越来越大的挑战。近年来，随着CMOS工艺的快速发展，利用其集成度高、功耗小的优点，采用亚微米CMOS工艺的几十Gb/sCDR电路已经成功实现。超高速CDR电路的芯片面积一般相对较大，恢复出时钟和数据信号的抖动偏高，误码率偏大。为了突破工艺的限制，多种超高速的CDR电路结构已经提出来，目前对于几十Gb/s速率级的超高速CDR电路的设计国际上普遍采用半速率和1/4速率电路结构，从而缓解电路的设计压力。
对于1/4速率电路结构的CDR芯片，八相位压控振荡器模块电路对整体芯片的性能起着关键的作用。对于采用电感的八相位压控振荡器来说，至少需要八个电感，而无源螺旋电感通常占用较大的芯片面积，单个电感占用的芯片面积一般为200×200～300×300μm2，大大增加了芯片的面积，从而增加了成本。
发明内容
发明目的：针对上述现有技术，提出一种宽调谐范围八相位压控振荡器，
技术方案：一种宽调谐范围八相位压控振荡器，包括4个压控振荡器单元、耦合电容单元和缓冲电路单元；4个振荡器单元产生振荡输出差分信号，继而共有八路输出信号Vout1+，Vout1-，Vout2+，Vout2-，Vout3+，Vout3-，Vout4+和Vout4-，振荡器单元之间通过耦合电容单元进行耦合，产生八相位信号通过缓冲单元输出最终的输出信号V1+，V1-，V2+，V2-，V3+，V3-，V4+和V4-；
其中，所述压控振荡器单元包括PMOS管M5和M6，NMOS管M1、M2、M3、M4、M7和M8，以及累积型MOS变容管Cvar1和Cvar2；NMOS管M7和NMOS管M8源极接地，NMOS管M7的漏极连接NMOS管M8的栅极并连接输出信号正端Vout+，NMOS管M8的漏极连接NMOS管M7的栅极并连接输出信号负端Vout-，NMOS管M1和NMOS管M3的源极互连并连接所述输出信号正端Vout+，NMOS管M2和NMOS管M4的源极互连并连接所述输出信号负端Vout-，NMOS管M1和NMOS管M3的栅极互连并连接NMOS管M2和PMOS管M5的漏极，NMOS管M2和NMOS管M4的栅极互连并连接NMOS管M1和PMOS管M6的漏极，NMOS管M3的漏极和PMOS管M5的源极互连并连接电源VDD，NMOS管M4的漏极和PMOS管M6的源极互连并连接电源VDD，PMOS管M5和PMOS管M6的栅极互连并连接控制信号Vctrl1，累积型MOS变容管Cvar1的栅极连接所述差分输出信号正端Vout+，累积型MOS变容管Cvar2的栅极连接所述差分输出信号负端Vout-，累积型MOS变容管Cvar1和Cvar2的漏极和源极互联并连接控制信号Vctrl2。
进一步的，所述耦合电容单元包含电容C1～C8，耦合电容耦合振荡器输出信号以实现八相位信号输出，其中C1两端分别连接压控振荡器单元1输出信号Vout1+和压控振荡器单元2输出信号Vout2+，C2两端分别连接压控振荡器单元1输出信号Vout1-和压控振荡器单元2输出信号Vout2-，C3两端分别连接压控振荡器2输出信号Vout2+和压控振荡器3输出信号Vout3+，C4两端分别连接压控振荡器单元2输出信号Vout2-和压控振荡器单元3输出信号Vout3-，C5两端分别连接压控振荡器单元3输出信号Vout3+和压控振荡器单元4输出信号Vout4+，C6两端分别连接压控振荡器单元3输出信号Vout3-和压控振荡器单元4输出信号Vout4-，C7两端分别连接压控振荡器单元4输出信号Vout4+和压控振荡器单元1输出信号Vout1-，C8两端分别连接压控振荡器单元4输出信号Vout4-和压控振荡器单元1输出信号Vout1+。
进一步的，所述缓冲电路单元由两级差分缓冲电路组成，包含NMOS管M1～M6，电阻R1～R4；NMOS管M5和NMOS管M6的源极互连接地，NMOS管M5和NMOS管M6的栅极互连并连接偏置电压Vb，NMOS管M1和NMOS管M2的源极互连并连接NMOS管M5的漏极，NMOS管M1栅极连接振荡器单元输出信号的正端Vout+，NMOS管M2的栅极连接振荡器单元输出信号的负端Vout-，NMOS管M1的漏极连接电阻R1的一端，NMOS管M2的漏极连接R2的一端，NMOS管M3和NMOS管M4的源极互连并连接NMOS管M6的漏极，NMOS管M3的栅极连接NMOS管M1的漏极，NMOS管M4的栅极连接NMOS管M2的漏极，NMOS管M3的漏极连接电阻R3的一端，NMOS管M4的漏极连接R4的一端，电阻R1、R2、R3和R4的另一端互连并接电源VDD。
有益效果：(1)传统八相位压控振荡器采用的电感类型基本上是无源螺旋电感，可用螺旋电感通常占用较大的芯片面积，单个电感占用的芯片面积一般为200×200～300×300μm2；本发明应用于亚速率结构时钟数据恢复电路(CDR)中的八相位压控振荡器，采用有源电感，总体芯片面积为525μm×475μm，大大节约了芯片面积。
(2)有源电感的感值可以通过外部电压来进行调控，可以实现电感值的有效调节，使压控振荡器具有较宽的调谐范围。
附图说明
图1是本发明八相位压控振荡器的电路结构方框图；
图2是本发明中压控振荡器单元的电路原理图；
图3是本发明中缓冲电路原理图；
图4是本发明八相位压控振荡器的压控频率曲线。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做更进一步的解释。
如图1所示，一种宽调谐范围八相位压控振荡器，包括4个压控振荡器单元、耦合电容单元以及4个缓冲电路单元。4个振荡器单元产生振荡输出差分信号，继而共有八路输出信号Vout1+，Vout1-，Vout2+，Vout2-，Vout3+，Vout3-，Vout4+和Vout4-，振荡器单元之间通过耦合电容单元进行耦合，产生八相位信号通过缓冲单元输出最终的输出信号V1+，V1-，V2+，V2-，V3+，V3-，V4+和V4-。
其中，荡器单元2产生差分振荡信号Vout2+和Vout2-，八相位压控振荡器单元3产生差分振荡信号Vout3+和Vout3-，八相位压控振荡器单元4产生差分振荡信号Vout4+和Vout4-，信号端Vout1+和Vout2+之间采用电容C1进行耦合，信号端Vout1-和Vout2-之间采用电容C2耦合，信号端Vout2+和信号端Vout3+之间采用电容C3耦合，信号端Vout2-和Vout3-之间采用电容C4耦合，信号端Vout3+和Vout4+之间采用电容C5耦合，信号端Vout3-和Vout4-之间采用电容C6耦合，信号端Vout4+和Vout1-之间采用电容C7耦合，信端号Vout4-和Vout1+之间采用电容C8耦合。Vout1+，Vout2+，Vout3+和Vout4+之间的相位差约为45°，Vout1-，Vout2-，Vout3-和Vout4-之间的相位差约为45°。振荡信号Vout1+和Vout1-通过缓冲电路单元1输出差分信号V1+和V1-，振荡信号Vout2+和Vout2-通过缓冲电路单元2输出差分信号V2+和V2-，振荡信号Vout3+和Vout3-通过缓冲电路单元3输出差分信号V3+和V3-，振荡信号Vout4+和Vout4-通过缓冲电路单元1输出差分信号V4+和V4-。
八相位压控振荡器电路中的振荡器单元基于差分有源电感的方案来实现，如图2所示，振荡器单元电路产生振荡信号Vout+和Vout-，包括NMOS管M1，M2，M3，M4，M7和M8，PMOS管M5和M6，以及累积型MOS变容管Cvar1和Cvar2。NMOS管M7和NMOS管M8构成交叉耦合差分放大器用来产生负阻，NMOS管M7和NMOS管M8的源极接地，NMOS管M7的漏极接NMOS管M8的栅极并接输出信号正端Vout+，NMOS管M8的漏极接NMOS管M7的栅极并接输出信号负端Vout-。NMOS管M1和NMOS管M3的源极互连并连接输出信号正端Vout+，NMOS管M2和NMOS管M4的源极互连并连接输出信号负端Vout-，NMOS管M1和NMOS管M3的栅极互连并连接NMOS管M2和PMOS管M5的漏极，NMOS管M2和NMOS管M4的栅极互连并连接NMOS管M1和PMOS管M6的漏极，NMOS管M3的漏极和PMOS管M5的源极互连并连接电源VDD，NMOS管M4的漏极和PMOS管M6的源极互连并连接电源VDD。NMOS管M1，M2，M3，M4以及PMOS管M5和M6构成了差分有源电感，PMOS管M5和PMOS管M6的栅极互连并连接控制信号Vctrl1，控制信号Vctrl1实现压控振荡器的粗调，实现有源电感感值和品质因数的变化。积型MOS变容管Cvar1的栅极连接所述差分输出信号正端Vout+，累积型MOS变容管Cvar2的栅极连接所述差分输出信号负端Vout-，累积型MOS变容管Cvar1和Cvar2的漏极和源极互联并连接控制信号Vctrl2，改变控制信号Vctrl2，可以改变累积型变容管Cvar1和Cvar2的电容值，实现压控振荡器的振荡频率细调。
如图3所示，缓冲单元由两级差分缓冲放大器级联组成，第一级差分缓冲放大器包含NMOS管M1、M2、M5和电阻R1、R2；第二级差分缓冲放大器包括NOMOS管M3、M4、M6和电阻R3、R4。NMOS管M5和NMOS管M6的源极互连并接地，NMOS管M5和NMOS管M6的栅极互连并接偏置电压Vb，为两级差分缓冲放大器的尾电流，而NMOS管M1和NMOS管M2的栅极分别接振荡单元产生的信号正端Vout+和负端Vout-，NMOS管M1和NMOS管M2的源极互连并接NMOS管M5的漏极，NMOS管M1和NMOS管M2的漏极分别接电阻R1和R2的一端，电阻R1，R2的另一端互连并接电源VDD，R1和R2为第一级差分缓冲放大器的负载。NMOS管M1的漏极连接M3的栅极，NMOS管M2的漏极连接M4的栅极，NMOS管M3和M4的源极互连并接NMOS管M6的漏极，NMOS管M3和M4的源极互连并接NMOS管M6的漏极NMOS管，NMOS管M3和NMOS管M4的漏极分别接电阻R3和R4的一端，R3和R4的另一端互连并接电源VDD。
本发明由上述电路构成宽调谐范围八相位压控振荡器和传统的八相位压控振荡器相比，优点有：①传统八相位压控振荡器采用的电感类型基本上是无源螺旋电感，单个电感占用的面积一般为200×200～300×300μm2，本发明采用有源电感，总体芯片面积为525μm×475μm，大大节约了芯片面积。②若LC谐振网络具有很高的品质因数，那么ωosc趋近于而在目前CMOS工艺中，无源电感难以得到高的Q值，导致而且有限的Q值也影响了电路的相位噪声。因此本次设计的振荡器通过差分有源电感实现较高的Q值，同时实现宽调谐范围。现说明如下：
宽调谐范围VCO是基于可调有源电感来实现的，参看图2，从直流角度看，M1和M2形成交叉耦合对，M3和M4形成共漏结构。在静态偏置的情况下，M1-M4处于饱和区，至于M5和M6即可工作在饱和区，也可工作在线性区。经过小信号分析后，可得到等效电感Leq和品质因数Q：
其中，Cgs1、Cgs3分别为M1和M3栅源极间电容，gm1和gm3分别是M1和M3的跨导，gds5是M5的漏源极间的输出电导，ω为角频率。
有源电感的感值可以通过外部电压来进行调控，可以实现电感感值的有效调节和较宽的调谐范围，参看图4，调谐范围可达120％。
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 (3)

1.一种宽调谐范围八相位压控振荡器，其特征在于：包括4个压控振荡器单元、耦合电容单元和缓冲电路单元；4个压控振荡器单元产生振荡输出差分信号，继而共有八路输出信号Vout1+，Vout1-，Vout2+，Vout2-，Vout3+，Vout3-，Vout4+和Vout4-，振荡器单元之间通过耦合电容单元进行耦合，产生八相位信号通过缓冲电路单元输出最终的输出信号V1+，V1-，V2+，V2-，V3+，V3-，V4+和V4-；
其中，所述压控振荡器单元包括PMOS管M5和M6，NMOS管M1、M2、M3、M4、M7和M8，以及累积型MOS变容管Cvar1和Cvar2；NMOS管M7和NMOS管M8源极接地，NMOS管M7的漏极连接NMOS管M8的栅极并连接输出信号正端Vout+，NMOS管M8的漏极连接NMOS管M7的栅极并连接输出信号负端Vout-，NMOS管M1和NMOS管M3的源极互连并连接所述输出信号正端Vout+，NMOS管M2和NMOS管M4的源极互连并连接所述输出信号负端Vout-，NMOS管M1和NMOS管M3的栅极互连并连接NMOS管M2和PMOS管M5的漏极，NMOS管M2和NMOS管M4的栅极互连并连接NMOS管M1和PMOS管M6的漏极，NMOS管M3的漏极和PMOS管M5的源极互连并连接电源VDD，NMOS管M4的漏极和PMOS管M6的源极互连并连接电源VDD，PMOS管M5和PMOS管M6的栅极互连并连接控制信号Vctrl1，累积型MOS变容管Cvar1的栅极连接所述差分输出信号正端Vout+，累积型MOS变容管Cvar2的栅极连接所述差分输出信号负端Vout-，累积型MOS变容管Cvar1和Cvar2的漏极和源极互联并连接控制信号Vctrl2。
2.根据权利要求1所述的一种宽调谐范围八相位压控振荡器，其特征在于：所述耦合电容单元包含电容C1~C8，耦合电容耦合振荡器输出信号以实现八相位信号输出，其中C1两端分别连接压控振荡器单元1输出信号Vout1+和压控振荡器单元2输出信号Vout2+，C2两端分别连接压控振荡器单元1输出信号Vout1-和压控振荡器单元2输出信号Vout2-，C3两端分别连接压控振荡器单元2输出信号Vout2+和压控振荡器单元3输出信号Vout3+，C4两端分别连接压控振荡器单元2输出信号Vout2-和压控振荡器单元3输出信号Vout3-，C5两端分别连接压控振荡器单元3输出信号Vout3+和压控振荡器单元4输出信号Vout4+，C6两端分别连接压控振荡器单元3输出信号Vout3-和压控振荡器单元4输出信号Vout4-，C7两端分别连接压控振荡器单元4输出信号Vout4+和压控振荡器单元1输出信号Vout1-，C8两端分别连接压控振荡器单元4输出信号Vout4-和压控振荡器单元1输出信号Vout1+。
3.根据权利要求1或2所述的一种宽调谐范围八相位压控振荡器，其特征在于：所述缓冲电路单元由两级差分缓冲电路组成，包含NMOS管M1~M6，电阻R1~R4；NMOS管M5和NMOS管M6的源极互连接地，NMOS管M5和NMOS管M6的栅极互连并连接偏置电压Vb，NMOS管M1和NMOS管M2的源极互连并连接NMOS管M5的漏极，NMOS管M1栅极连接振荡器单元输出信号的正端Vout+，NMOS管M2的栅极连接振荡器单元输出信号的负端Vout-，NMOS管M1的漏极连接电阻R1的一端，NMOS管M2的漏极连接R2的一端，NMOS管M3和NMOS管M4的源极互连并连接NMOS管M6的漏极，NMOS管M3的栅极连接NMOS管M1的漏极，NMOS管M4的栅极连接NMOS管M2的漏极，NMOS管M3的漏极连接电阻R3的一端，NMOS管M4的漏极连接R4的一端，电阻R1、R2、R3和R4的另一端互连并接电源VDD。
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