CN109818576A - 一种动态调整型低功耗低相位噪声压控振荡器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种动态调整型低功耗低相位噪声压控振荡器，包括压控振荡器本体，压控振荡器本体包括一第1电路、一第2电路、一变容二极管数组电路、一高质量电感器、一偏置控制电路、一第2偏置电路，以及一反馈电路，第1电路及第2电路被组态成一组交叉耦合互补对，反馈电路被耦合至交叉耦合互补对；反馈电路包括一比较电路，比较电路包括一第1差动输入、一第2差动输入、一第3差动输入、一第4差动输入、一第1输出节点及一第2输出节点。本发明压控振荡器实现了在制程、电压以及温度变化下的启动功能，并为物联网系统单芯片的射频收发器架构提供极低的功耗，压控振荡器可达成比环形振荡器VCO组态更低的相位噪声。
Description
技术领域
本发明属于无线系统压控振荡器技术领域，具体涉及一种动态调整型低功耗低相位噪声压控振荡器。
背景技术
无线系统越来越侧重于其功耗能力的表现。低功耗无线系统备受青睐，因为这通常直接意味无线装置具有较长的电池寿命或者无线系统的整体功耗具有较佳的表现。压控振荡器 (VCOs)也不例外。用以评估压控振荡器的指标包括功耗以及相位噪声。压控振荡器十分需要低功耗及低相位噪声，物联网系统则需求更高，其中，压控振荡器被动态调整以因应运作时所产生的制程、电压以及温度变异。综合以上所述，此项领域有必要提供具有低功耗及低相位噪声的压控振荡器以供物联网装置及系统单芯片使用。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有技术的缺点，提供一种动态调整型低功耗低相位噪声压控振荡器。
为了解决上述技术问题，本发明提供了如下的技术方案：一种动态调整型低功耗低相位噪声压控振荡器，包括压控振荡器本体，所述压控振荡器本体包括一第1电路、 一第2电路、一变容二极管数组电路、一高质量电感器、一偏置控制电路、一第2偏置电路，以及一反馈电路，所述第1电路及所述第2电路被组态成一组交叉耦合互补对，反馈电路被耦合至交叉耦合互补对。
作为本发明的一种优选技术方案，第1电路为一第一交叉耦合场效晶体管，且第一交叉耦合场效晶体管为一p型金属氧化物半导体交叉耦合 FET。
作为本发明的一种优选技术方案，第2电路为一第二交叉耦合场效晶体管，且第二交叉耦合场效晶体管为一n型金属氧化物半导体交叉耦合FET。
作为本发明的一种优选技术方案，偏置控制电路被耦合至所述第1电路及所述第2电路，且偏置控制电路被组态以提供一偏置供应给第2电路。
作为本发明的一种优选技术方案，偏置控制电路包括一交流电耦合电容偏置电路。
作为本发明的一种优选技术方案，第2偏置电路被耦合至所述第1电路并被组态以提供一偏置供应给第1电路。
作为本发明的一种优选技术方案，第2偏置电路为一偏置尾电流源电路。
作为本发明的一种优选技术方案，变容二极管数组电路被耦合至交叉耦合互补对。
作为本发明的一种优选技术方案，高质量电感器被耦合至交叉耦合互补对。
作为本发明的一种优选技术方案，反馈电路经由高质量电感器被耦合至交叉耦合互补对。
作为本发明的一种优选技术方案，反馈电路包括一比较电路，比较电路包括一第1差动输入、一第2差动输入、一第3差动输入、一第4差动输入、一第1 输出节点及一第2输出节点，比较电路为一运算放大器比较电路，比较电路包括一对比较器(Comp1及Comp2)，Comp1包括一第1 差动输入 (+)、一第2 差动输入 (-) 以及一第1 输出节点，其中Comp2包括一第3 差动输入 (+)、一第4 差动输入 (-) 以及一第2 输出节点，参考发生器电路 221被耦合至第2差动输入(ref1)及第3差动输入(ref2)。
作为本发明的一种优选技术方案，第2电路被组态成class-C模式。
本发明所达到的有益效果是：本发明实现了物联网系统单芯片的压控振荡器，在一或多个层面上，压控振荡器实现了在制程、电压以及温度变化下的启动功能，并为物联网系统单芯片的射频收发器架构提供极低的功耗。就本技术言之，以相仿的面积大小来说，压控振荡器可达成比环形振荡器VCO组态更低的相位噪声。偏置控制电路调整该压控振荡器电路的偏置电压以提供控制压控振荡器电路之整体增益。通过控制压控振荡器之整体增益可以动态控制压控振荡器电路，并以根据压控振荡器电路温度、电压、及制程的改变所产生的变化调整其增益值。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。
在附图中：
图1为本发明实施例1压控振荡器的示范方块图；
图2为本发明实施例2反馈电路控制子系统的示范方块图；
图3为本发明压控振荡器操作程序的第一流程图；
图4为本发明压控振荡器操作程序的第二流程图；
图5为本发明实施例3电子系统示例图。
图中标号：100、压控振荡器本体；111、第1电路；112、第2电路；113、变容二极管数组电路；114、高质量电感器；115、偏置控制电路；116、第2偏置电路；120、反馈电路；124、第2滤波电路；200、反馈控制子系统；221、参考发生器电路；222、比较电路；223、偏移电流源；225、第1滤波电路；226、交换器；500、电子系统；510、处理器；516、网络接口；522、单芯片装置；526、显示控制器；528、显示器；530、输入设备；532、内存；534、编译码器；536、扬声器；538、麦克风；540、无线控制器；542、天线；544、电源供应器；546、相机；550、收发器；554、指令；556、数据；560、前端接口；590、相机控制器。
具体实施方式
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“竖直”、“上”、“下”、“水平”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1：如图1所示，本发明提供一种动态调整型低功耗低相位噪声压控振荡器，包括压控振荡器本体100，压控振荡器本体100包括一第1电路111、 一第2电路112、一变容二极管数组电路113、一高质量电感器114、一偏置控制电路115、一第2偏置电路116，以及一反馈电路120，第1电路111及第2电路112被组态成一组交叉耦合互补对，反馈电路120被耦合至交叉耦合互补对；第1电路111为一第一交叉耦合场效晶体管，且第一交叉耦合场效晶体管为一p型金属氧化物半导体交叉耦合 FET；第2电路112为一第二交叉耦合场效晶体管，且第二交叉耦合场效晶体管为一n型金属氧化物半导体交叉耦合 FET；偏置控制电路115被耦合至第1电路111及第2电路112，且偏置控制电路115被组态以提供一偏置供应给第2电路112，偏置控制电路115包括一交流电耦合电容偏置电路；第2偏置电路116被耦合至第1电路111并被组态以提供一偏置供应给第1电路111，第2偏置电路116为一偏置尾电流源电路；变容二极管数组电路113被耦合至交叉耦合互补对；高质量电感器114被耦合至交叉耦合互补对，反馈电路120经由高质量电感器114被耦合至交叉耦合互补对。
在某些层面上，压控振荡器100利用一互补式交叉耦合组态来降低VCO启动条件的电流。互补式交叉耦合组态包括第一交叉耦合场效晶体管组态111、第二交叉耦合场效晶体管组态112、变容二极管数组电路113，以及高质量电感器114。第一交叉耦合场效晶体管组态111可为一组p型金属氧化物半导体(PMOS)晶体管(M1-M2)，而第二交叉耦合场效晶体管组态112可为一组n型金属氧化物半导体(NMOS)晶体管(M3-M4)。
在本技术的某些层面上，互补式交叉耦合组态包括一偏置控制电路115及一反馈控制电路120，偏置控制电路115可在独立于第一交叉耦合场效晶体管组态111的情况下提供一偏压予第二交叉耦合场效晶体管组态112。在某些层面上，第二交叉耦合场效晶体管组态112在独立于第一交叉耦合场效晶体管组态111的情况下被偏置时，可提供偏置于第二交叉耦合场效晶体管组态112，并分开控制第二交叉耦合场效晶体管组态112的增益值以增加某些程度的自由性，且第二交叉耦合场效晶体管组态112被做成class C模式组态以节省电力。第2偏置电路116为一偏置尾电流源电路，偏置尾电流源电路为一顶端偏置尾电流源，且电流源可提供电压供应给第一交叉耦合场效晶体管组态111及第二交叉耦合场效晶体管组态112，其目的是要用控制PVT 变异的方式省去最坏条件下的余裕设计。举例来说，运作时，就电流源所提供之特定电流，交叉耦合互补对提供两次增益以和传统组态成NMOS晶体管对第二交叉耦合场效晶体管组态112进行比较，互补式交叉耦合对所提供之增益被用以降低启动条件的压控振荡器电流。变容二极管数组113为一可程序设计的缓存器。举例来说，以例示目的，而非限制目的，变容二极管数组113可为一5位的缓存器以涵盖宽带范围的最大值 (如220MHz/Volt)。
实施例2：如图2所示，本发明提供一种动态调整型低功耗低相位噪声压控振荡器，反馈电路120被耦合所述偏置尾电流源电路，反馈电路120为一共模块态，反馈电路120具有反馈控制子系统200，反馈控制子系统200包括一比较电路222、一参考发生器电路221、一第1滤波电路225、一组交换器226、一偏移电流源223及一第2滤波电路124；比较电路222为一运算放大器比较电路，比较电路222包括一对比较器(Comp1及Comp2)，Comp1包括一第1 差动输入 (+)、一第2 差动输入 (-) 以及一第1 输出节点，其中Comp2 包括一第3 差动输入(+)、一第4 差动输入 (-) 以及一第2 输出节点；参考发生器电路 221被耦合至第2差动输入(ref1)及第3差动输入(ref2)。在某些层面上，第1滤波电路225包括一输入节点以及一第3 输出节点，其中，输入节点被耦合至高质量电感器114，且第3输出节点被耦合至第1差动输入及第4差动输入；交换器226包括一连接至所述第1输出节点的第1交换器以及一连接至所述第2输出节点的第2交换器，第1交换器被连接至比较电路222comp1的第1输出节点，第2交换器被连接至比较电路222comp2的第2输出节点。
回馈控制子系统200可组态成一共模回馈控制组态。运作时，回馈控制子系统200从高质量电感器114感测电压并将电压与参考发生器电路221提供的参考电压(如ref1及ref2)进行比较以完成校正动作。且组(Comp1及Comp2)比较器226被用以提供磁滞控制。
在本技术的某些层面上，第2滤波电路124为偏置RC滤波电路，偏置RC滤波电路产生偏置电压给电流源。此外，偏置RC 滤波电路可控制电流源闸极上的电阻值，以改变角频以及近距相位噪声。第2交叉耦合晶体管组态112的偏置电压可经由对偏置控制电路115的Iref1及Iref2的偏置电流程序设计来进行程序设计，如图1所示。因此，Iref1及Iref2可以作为能隙的两个电流源并具备一些程序设计能力以独立控制第2 交叉耦合晶体管组态112的偏置电压。
实施例3：如图5所示，本发明压控振荡器应用于电子系统中，电子系统500可以是一套网关装置、机顶盒、计算机、电话，个人数字助理(PDA)、服务器、交换器、路由器、基地台、接收器、或任何其他可以在网络上传送信号的电子装置。电子系统500可以是代理设备或多个智能装置，或作为代理设备或多个智能装置的一部分。举例来说，电子系统500可以是一传感器或一主动式装置。电子系统包括各种类型的计算机可读取介质以及各种其他类型计算机可读取介质的接口。
电子系统500包括一处理器 510，如数字基频。处理器 510可经由一收发器550耦合至一计算机可读取储存介质，如内存532，收发器550包括一压控振荡器及压控振荡器子系统，此外处理器 510可置于收发器550外部。
电子系统500经由一网络接口516耦合至一网络。循此方式，电子系统500可为计算机网络的一部分，举例来说，局域网络(LAN)、广域网(WAN)、或内部网络、或网络的网络，举例来说，因特网。电子系统500之任何或者所有的部件皆可用于本发明。网络接口516可包括手机接口、无线上网(WiFi)接口、红外线(Infrared)接口、无线射频辨识(RFID) 接口、ZigBee接口、蓝芽(Bluetooth)接口、以太网络接口、同轴接口、光学接口、或普遍来说任何可以用于设备通信的通讯接口。
内存532可储存可由处理器510执行的指令554、可供处理器 510存取数据556，内存 532为一可供处理器 510透过收发器550存取挥发性内存。编译码器534亦可耦合至处理器510，扬声器536及麦克风538可耦合至编译码器534，无线控制器540可以耦合至处理器510，无线控制器540可以经由收发器550进一步耦合至天线542，相机546可耦合至相机控制器590，相机控制器590可耦合至处理器 510。处理器 510、内存532、显示控制器526、相机控制器590、编译码器534、无线控制器540、以及收发器550包括于系统级封装或系统单芯片装置522中。可将一输入设备530及一电源供应器544耦合至系统单芯片装置522 。再者。显示器528、输入设备530、相机 546、扬声器536、麦克风538、天线542、以及电源供应器544位于系统单芯片装置522外侧。然而，显示器528、输入设备530、相机 546、扬声器536、麦克风538、天线542、以及电源供应器544可以耦合至系统单芯片装置522 的部件。在一特定的范例中，处理器 510及内存532被耦合至收发器550。
工作原理：如图3所示，本发明运作时，交叉耦合晶体管组态111及第2 交叉耦合晶体管组态112被绑至偏置尾电流源。偏置控制电路 115可再利用来自偏置尾电流源的电流并将第2交叉耦合晶体管组态112设定为class C模式以节省电力。在某些层面上，高质量电感器114的中心抽头被连接至比较电路222并感测输出电压(如输出共模电压)；比较器电路222将输出电压与参考电路221的参考电压(ref1及ref2)进行比较以控制偏移电流源223的值。因此，视比较结果而定，偏移电流源223会使电流从偏置电流源116流入或流出。
如图4所示，本发明运作时，共模感测滤波器225经由高质量电感器 114感测交叉耦合互补对的输出共模电压。比较器222将共模感测滤波器225的输出共模电压与参考发生器电路221的参考电压(ref1及ref2)进行比较。依据比较器222的输出，偏移电流源223的程序设计值或变容二极管数组124的电阻及电容的值，以及电流偏置电路 115的电压供应偏置将动态调整交叉耦合互补对的增益，以减轻压控振荡器因PVT变异造成性能改变所带来的影响。
最后应说明的是：以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种动态调整型低功耗低相位噪声压控振荡器，其特征在于，包括压控振荡器本体(100)，所述压控振荡器本体(100)包括一第1电路(111)、 一第2电路(112)，以及一反馈电路(120)，所述第1电路(111)及所述第2电路(112)被组态成一组交叉耦合互补对，所述反馈电路(120)被耦合至交叉耦合互补对；所述第2电路(112)为一第二交叉耦合场效晶体管，且第二交叉耦合场效晶体管为一n型金属氧化物半导体交叉耦合 FET；所述反馈电路(120)包括：
一比较电路(222)，所述比较电路(222)包括一第1差动输入、一第2差动输入、一第3差动输入、一第4差动输入、一第1 输出节点及一第2输出节点，且比较电路(222)为一运算放大器比较电路；
一耦合至所述第2差动输入及所述第3差动输入的参考发生器电路(221)；
一包括一输入节点及一第3输出节点的第1滤波电路(225)，所述输入节点被耦合至所述高质量电感器(114)，且所述第3输出节点被耦合至所述第1差动输入及所述第4差动输入；
一组交换器(226)，所述交换器(226)包括一连接至所述第1输出节点的第1交换器以及一连接至所述第2输出节点的第2交换器；
一耦合至所述第1交换器及所述第2交换器的偏移电流源(223)；以及一耦合至所述第1输出节点及第2输出节点的第2滤波电路(124)。
2.如权利要求1所述的一种动态调整型低功耗低相位噪声压控振荡器，其特征在于，所述第1电路(111)为一第一交叉耦合场效晶体管，且第一交叉耦合场效晶体管为一p型金属氧化物半导体交叉耦合 FET。
3.如权利要求1所述的一种动态调整型低功耗低相位噪声压控振荡器，其特征在于，其进一步包括一偏置控制电路(115)，所述偏置控制电路(115)被耦合至所述第1电路(111)及所述第2电路(112)，且偏置控制电路(115)被组态以提供一偏置供应给第2电路(112)，所述偏置控制电路(115)包括一交流电耦合电容偏置电路。
4.如权利要求5所述的一种动态调整型低功耗低相位噪声压控振荡器，其特征在于，其进一步包括一第2偏置电路(116)，所述第2偏置电路(116)被耦合至所述第1电路(111)并被组态以提供一偏置供应给第1电路(111)，且第2偏置电路(116)为一偏置尾电流源电路。
5.如权利要求1所述的一种动态调整型低功耗低相位噪声压控振荡器，其特征在于，其进一步包括一变容二极管数组电路(113)，所述变容二极管数组电路(113)被耦合至交叉耦合互补对。
6.如权利要求1所述的一种动态调整型低功耗低相位噪声压控振荡器，其特征在于，其进一步包括一高质量电感器(114)，所述高质量电感器(114)被耦合至交叉耦合互补对。
7.如权利要求6所述的一种动态调整型低功耗低相位噪声压控振荡器，其特征在于，所述反馈电路(120)经由所述高质量电感器(114)被耦合至交叉耦合互补对。
8.如权利要求7所述的一种动态调整型低功耗低相位噪声压控振荡器，其特征在于，所述反馈电路(120)被耦合所述偏置尾电流源电路。
9.如权利要求8所述的一种动态调整型低功耗低相位噪声压控振荡器，其特征在于，所述反馈电路(120)为一共模块态。
10.如权利要求1所述的一种动态调整型低功耗低相位噪声压控振荡器，其特征在于，其进一步包括无数个可程序设计偏置电路。
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