CN107332557B - 一种具有温度补偿的环形压控振荡器 - Google Patents

一种具有温度补偿的环形压控振荡器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种具有温度补偿的环形压控振荡器，包含PTAT电流源(1)、CTAT电流源(2)、电流加法电路(3)、偏置电路(4)、数控电流源阵列(5)和电流饥饿型环形压控振荡器(6)。PTAT电流源(1)产生的与绝对温度成正比的电流和CTAT电流源(2)产生的与绝对温度成反比的电流在电流加法电路(3)相加，形成与温度相关的电流；偏置电流(4)从电流加法电路(3)拷贝电流后为数控电流源阵列(5)提供偏置，数控电流源阵列(5)输出的电流粗调电流饥饿型环形压控振荡器(6)的频率；控制电压对电流饥饿型环形压控振荡器(6)进行细调；电流加法电路(3)中与温度相关的电流镜像到数控电流源阵列(5)中，补偿环形振荡器由于温度变化导致的频率变化。本发明有效的减小环形压控振荡器工作频率受温度变化的影响。

Description

一种具有温度补偿的环形压控振荡器
技术领域
本发明涉及压控振荡器技术领域，具体涉及一种具有温度补偿的环形压控振荡器。
背景技术
环形振荡器因其面积小、调谐频率范围宽而被广泛应用于产生时钟的锁相环中。为了优化锁相环的噪声性能，压控振荡器采用多根调谐曲线来覆盖要求的频率范围，以减小振荡器的电压-频率的增益。
自动频率校准电路在锁相环闭环工作前会选取一个最优的子频带，锁相环闭环工作会锁定这条子频带上的某一个频率点。芯片温度的改变会导致预先选定好的最优子频带的频率发生变化，进而导致锁相环锁定的频率点偏离该子带的中心点，甚至目标频率不在该子带上。因此温度引起的频率变化会恶化锁相环性能，可能引起锁相环失锁。
该环形压控振荡器通过与绝对温度成正比的电流源的输出电流和与绝对温度成反比的电流源的输出电流加权，为环形压控振荡器提供补偿电流，可以有效的抵消温度对振荡频率的影响。
发明内容
为了解决环形振荡器由于温度变化导致的频率变化，避免锁相环性能的恶化和失锁。本发明提供了具有温度补偿的环形压控振荡器。它具有结构简单、补偿效果好等特点。
本发明采用的技术方案为：一种具有温度补偿的环形压控振荡器，PTAT电流源，用于产生与绝对温度成正比的电流；CTAT电流源，用于产生与绝对温度成反比的电流；电流加法电路，用于将PTAT电流源输出的电流和CTAT电流源输出的电流相加；偏置电路拷贝电流加法电路中的电流，并提供给数控电流源整列；数控电流源阵列输出的电流控制电流饥饿型环形压控振荡器频率；电流饥饿型环形压控振荡器的控制电压对其频率进行细调。电流加法电路由一个N型电流源构成；偏置电路包括一个镜像N型电流源，一个偏置P型电流源和一个P型开关；数控电流源阵列包括P型电流源阵列和P型开关阵列。所述N型电流源由N型场效应管构成；所述偏置P型电流源和P型电流源阵列均由P型场效应管构成；所述P型开关和P型开关阵列均由P型场效应管构成。电流加法电路的N型场效应管源端接地，其漏端和栅端连接，并连接到PTAT电流源的电流输出端和CTAT电流源的电流输出端；偏置电路中的N型场效应管源端接地，其栅端连接电流加法电路的栅端，其漏端连接偏置P型电流源中P型场效应管的漏端；偏置P型电流源中的P型场效应管的漏端与栅端连接，其源端与P型开关中的P型场效应管的漏端连接；P型开关中的P型场效应管的源端连接电源，其栅端连接地；数控电流源阵列中的P型电流源阵列的P型场效应管的栅端均与偏置P型电流源的P型场效应管的栅端连接，其漏端均与电流饥饿型环形压控振荡器连接，其源端分别与P型开关阵列中对应的P型场效应管的漏端连接；P型开关阵列的P型场效应管的栅端接控制信号，其源端接电源。
本发明的原理在于：
在闭环工作前，自动频率校准电路在锁相环闭环工作前会选取一个最优的子频带，目标频率该在子频带的中心位置附近。在固定电流为数控电流源阵列提供偏置的情况下，由于温度的变化，会导致压控振荡器频率的变化，目标频率偏移到选定的最优子频带的两端位置，甚至子频带外。频率的偏移会造成锁相环性能的恶化，甚至造成锁相环失锁。
对于本发明的具有温度补偿的环形压控振荡器，通过PTAT电流源产生与绝对温度成正比的电流和CTAT电流源产生与绝对温度成反比的电流在电流加法电路上加权，产生与温度相关的偏置电流，提供给数控电流源阵列。数控电流源阵列中的电流随温度变化，抵消环形压控振荡器由于温度导致的频率变化。
本发明与现有技术相比的优点和积极效果为：
1、本发明在传统的宽带电流饥饿型环形压控振荡器的基础上，使用PTAT电流源的输出电流和CTAT电流源的输出电流加权产生随温度变化的偏置电流，用于偏置控制环形振荡器振荡频率的数控电流源，补偿环形振荡器由于温度变化而导致的频率变化；
2、本发明提供的具有温度补偿的环形压控振荡器，在应用到锁相环中，不会由于温度变化导致锁相环性能严重恶化和失锁；
附图说明
图1是锁相环频率综合器的示意图；
图2是本发明提出的具有温度补偿的环形压控振荡器结构；
图3是电流加法电路中电流随温度的变化曲线；
图4是固定偏置电流下环形压控振荡器振荡频率随温度的变化曲线；
图5是基于本发明的环形压控振荡器振荡频率随温度的变化曲线。
具体实施方式
以下参照附图详细描述本发明的具体实施方式。
如图2所示，一种具有温度补偿的环形压控振荡器，包括：PTAT电流源1，用于产生与绝对温度成正比的电流；CTAT电流源2，用于产生与绝对温度成反比的电流；电流加法电路3，用于将PTAT电流源1输出的电流和CTAT电流源2输出的电流相加；偏置电路4拷贝电流加法电路3中的电流，并提供给数控电流源整列；数控电流源阵列5输出的电流控制电流饥饿型环形压控振荡器6频率；电流饥饿型环形压控振荡器6的控制电压对其频率进行细调。电流加法电路3由一个N型电流源构成；偏置电路4包括一个镜像N型电流源，一个偏置P型电流源7和一个P型开关8；数控电流源阵列5包括P型电流源阵列9和P型开关阵列10。所述N型电流源由N型场效应管构成；所述偏置P型电流源和P型电流源阵列均由P型场效应管构成；所述P型开关和P型开关阵列均由P型场效应管构成。电流加法电路3的N型场效应管源端接地，其漏端和栅端连接，并连接到PTAT电流源1的电流输出端和CTAT电流源2的电流输出端；偏置电路4中的N型场效应管源端接地，其栅端连接电流加法电路(3)的栅端，其漏端连接偏置P型电流源7中P型场效应管的漏端；偏置P型电流源7中的P型场效应管的漏端与栅端连接，其源端与P型开关8中的P型场效应管的漏端连接；P型开关8中的P型场效应管的源端连接电源，其栅端连接地；数控电流源阵列5中的P型电流源阵列9的P型场效应管的栅端均与偏置P型电流源7的P型场效应管的栅端连接，其漏端均与电流饥饿型环形压控振荡器6连接，其源端分别与P型开关阵列10中对应的P型场效应管的漏端连接；P型开关阵列10的P型场效应管的栅端接控制信号，其源端接电源。
图2是本发明提出的具体实现电路的一个实例，使用与温度有关的电流源PTAT电流源和CTAT电流源输出电流的加权为电流饥饿型环形压控振荡器提供偏置电流。此电路的仿真是基于180nm CMOS工艺，使用1.8V供电电压。
本发明提供的具有温度补偿的环形压控振荡器如图1所示。1中的PTAT电流源用于产生与绝对温度成正比的电流；2中的CTAT电流源用于产生与绝对温度成反比的电流。PTAT电流源的输出电流和CTAT电流源的输出电流通过3中的N0相加；N0中的电流大小跟随温度的增加而增大；4中的N1拷贝3中N0的电流，并提供给7中的P0；9中的电流源阵列P11～P1k从P0中拷贝电流，为电流饥饿型环形压控振荡器提供电流；因此9中的电流源阵列P11～P1k中的电流随着温度的增加而增大；随温度增加的电流用于补偿6中电流饥饿型环形压控振荡器由于温度增加而减小的频率量，以稳定6中电流饥饿型环形压控振荡器的振荡频率。
通过使用1中的PTAT电流源的输出电流和2中的CTAT电流源的输出电流加权为5中的数控电流源阵列提供随温度变化的偏置电流，补偿了6中电流饥饿型环形压控振荡器的频率减小量。图3是1中的PTAT电流源的输出电流和2中的CTAT电流源的输出电流在电流加法电路上的电流之和随温度的变化。图4是使用固定电流为数控电流源提供偏置电流情况下6中电流饥饿型环形压控振荡器的振荡频率随温度的变化。图5是改进后的6中电流饥饿型环形压控振荡器的振荡频率随温度的变化。可以看出，使用为数控电流源提供与温度有关的偏置电流，可以有效的减小环形压控振荡器由于温度变化导致的频率变化。
通过上述分析可以看出，本发明使用PTAT电流源的输出电流和CTAT电流源的输出电流加权为数控电流源阵列提供随温度变化的偏置电流，补偿了电流饥饿型环形压控振荡器由于温度变化导致频率的减小量。
本发明未详细公开的部分属于本领域的公知技术。
尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的专利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (1)

1.一种具有温度补偿的环形压控振荡器，其特征在于：该环形压控振荡器包括：PTAT电流源(1)，用于产生与绝对温度成正比的电流；CTAT电流源(2)，用于产生与绝对温度成反比的电流；电流加法电路(3)，用于将PTAT电流源(1)输出的电流和CTAT电流源(2)输出的电流相加；偏置电路(4)拷贝电流加法电路(3)中的电流，并提供给数控电流源阵列(5)；数控电流源阵列(5)输出的电流控制电流饥饿型环形压控振荡器(6)频率；电流饥饿型环形压控振荡器(6)的控制电压对其频率进行细调；电流加法电路(3)由一个N型电流源构成；偏置电路(4)包括一个镜像N型电流源，一个偏置P型电流源(7)和一个P型开关(8)；数控电流源阵列(5)包括P型电流源阵列(9)和P型开关阵列(10)；所述N型电流源由N型场效应管构成；所述偏置P型电流源(7)和P型电流源阵列(9)均由P型场效应管构成；所述P型开关(8)和P型开关阵列(10)均由P型场效应管构成；电流加法电路(3)的N型场效应管N0源端接地，其漏端和栅端连接，并连接到PTAT电流源(1)的电流输出端和CTAT电流源(2)的电流输出端；偏置电路(4)中的N型场效应管N1源端接地，其栅端连接电流加法电路(3)的栅端，其漏端连接偏置P型电流源(7)中P型场效应管P0的漏端；偏置P型电流源(7)中的P型场效应管P0的漏端与栅端连接，其源端与P型开关(8)中的P型场效应管的漏端连接；P型开关(8)中的P型场效应管的源端连接电源，其栅端连接地；数控电流源阵列(5)中的P型电流源阵列(9)的P型场效应管P11~P1k的栅端均与偏置P型电流源(7)的P型场效应管P0的栅端连接，其漏端均与电流饥饿型环形压控振荡器(6)连接，其源端分别与P型开关阵列(10)中对应的P型场效应管的漏端连接；P型开关阵列(10)的P型场效应管的栅端接控制信号，其源端接电源；
其中的PTAT电流源用于产生与绝对温度成正比的电流；CTAT电流源用于产生与绝对温度成反比的电流，PTAT电流源的输出电流和CTAT电流源的输出电流通过电流加法电路(3)中的N0相加；N0中的电流大小跟随温度的增加而增大；偏置电路(4)中的N1拷贝电流加法电路(3)中N0的电流，并提供给偏置P型电流源(7)中的P0；P型电流源阵列(9)中的电流源阵列P11~P1k从P0中拷贝电流，为电流饥饿型环形压控振荡器提供电流；因此P型电流源阵列(9)中的电流源阵列P11~P1k中的电流随着温度的增加而增大；随温度增加的电流用于补偿电流饥饿型环形压控振荡器(6)中电流饥饿型环形压控振荡器由于温度增加而减小的频率量，以稳定电流饥饿型环形压控振荡器(6)中电流饥饿型环形压控振荡器的振荡频率；
通过使用PTAT电流源的输出电流和CTAT电流源的输出电流加权为数控电流源阵列(5)中的数控电流源阵列提供随温度变化的偏置电流，补偿了电流饥饿型环形压控振荡器(6)中电流饥饿型环形压控振荡器的频率减小量，PTAT电流源的输出电流和CTAT电流源的输出电流在电流加法电路上的电流之和随温度的变化，使用为数控电流源提供与温度有关的偏置电流，有效的减小环形压控振荡器由于温度变化导致的频率变化；
该具有温度补偿的环形压控振荡器使用PTAT电流源的输出电流和CTAT电流源的输出电流加权产生随温度变化的偏置电流，用于偏置控制环形压控振荡器振荡频率的数控电流源，补偿环形压控振荡器由于温度变化而导致的频率变化；
该具有温度补偿的环形压控振荡器在应用到锁相环中，不会由于温度变化导致锁相环性能严重恶化和失锁。
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