CN111162736B - 压控振荡器 - Google Patents

Abstract

本发明实施例涉及一种压控振荡器，包括：工作电源单元；与工作电源单元连接的谐振器电路单元；与谐振器电路单元连接的有源振荡电路单元；与所述有源振荡电路单元以及所述工作电源单元连接的动态充放电单元，用于动态控制所述有源振荡电路单元的偏置电压；动态充放电单元包括，电流镜、尾电流源以及与所述尾电流源连接的尾电容，所述尾电流源与所述尾电容之间具有连接节点，所述连接节点连接所述有源振荡电路单元且向所述有源振荡电路单元提供偏置电压，所述电流镜用于将所述外部电源的电流镜像至所述连接节点。本发明能够改善压控振荡器的性能。

Description

压控振荡器

技术领域

本发明实施例涉及集成电路技术领域，特别涉及一种压控振荡器。

背景技术

振荡器(Oscillator)是一种能量转换装置，是许多电子系统的主要部分之一。振荡器可以不需要外加激励信号就能自动将直流能量转化为固定频率下的交流能量。

按照振荡器的输出波形划分，振荡器可以分为锯齿波振荡器、方波振荡器以及正弦波振荡器；按照激励方式划分，振荡器可以分为自激振荡器与他激两种振荡器；按照电路结构划分，振荡器可以划分为音叉振荡器、阻容振荡器、以及最常见的晶体振荡器和压控振荡器(VCO)；按照导通角划分，振荡器可以划分为A类振荡器、B类振荡器、AB类振荡器以及C类振荡器。

现有的压控振荡器的性能有待提高。

发明内容

本发明实施例解决的技术问题为提高压控振荡器的性能。

为解决上述技术问题，本发明实施例提供一种压控振荡器，包括：工作电源单元，所述工作电源单元用于基于外部电源提供工作电流；与所述工作电源单元连接的谐振器电路单元，所述谐振器电路单元用于接收所述工作电流并产生振荡频率；与所述谐振器电路单元连接的有源振荡电路单元；与所述有源振荡电路单元以及所述工作电源单元连接的动态充放电单元，用于动态控制所述有源振荡电路单元的偏置电压；所述动态充放电单元包括，电流镜、尾电流源以及与所述尾电流源连接的尾电容，所述尾电流源与所述尾电容之间具有连接节点，所述连接节点连接所述有源振荡电路单元且向所述有源振荡电路单元提供偏置电压，所述电流镜用于将所述外部电源的电流镜像至所述连接节点。

与现有技术相比，本发明实施例提供的技术方案具有以下优点：

本发明实施例提供一种性能优越的压控振荡器，提供连接有源振荡电路以及工作电源单元的动态充放电单元，用于动态控制有源振荡电路的偏置电压；且动态充放电单元包括，电流镜、尾电流源以及与所述尾电流源连接的尾电容，所述尾电流源与所述尾电容之间具有连接节点，所述连接节点连接所述有源振荡电路单元且向所述有源振荡电路单元提供偏置电压，所述电流镜用于将所述外部电源的电流镜像至所述连接节点构成镜像电流，镜像电流与尾电流源通过对尾电容充放电以动态控制有源振荡电路单元的偏置电压，使压控振荡器正常工作。采用如此设计，尾电容和尾电流源占用外部电源的占用量小甚至可以不占用外部电源，因而能够使压控振荡器最大限度的实现大摆幅、低噪声的性能，同时改善压控振荡器的稳定性。因此，本发明实施例提供的压控振荡器的性能得到提高。

另外，有源振荡电路单元包括第一NMOS管以及第二NMOS管，从而构成NMOS管C类压控振荡器。

另外，有源振荡电路包括第二PMOS管以及第三PMOS管，从而构成PMOS管C类压控振荡器。

另外，压控振荡器还包括低通滤波单元，用于滤除电路中的高频噪声，进一步的改善压控振荡器的性能。

附图说明

一个或多个实施例通过与之对应的附图中的图片进行示例性说明，这些示例性说明并不构成对实施例的限定，附图中具有相同参考数字标号的元件表示为类似的元件，除非有特别申明，附图中的图不构成比例限制。

图1为一种C类压控振荡器的电路结构示意图；

图2为本发明一实施例提供的压控振荡器的功能框图；

图3为本发明一实施例提供的压控振荡器的电路结构图；

图4为本发明另一实施例提供的压控振荡器的电路结构示意图。

具体实施方式

由背景技术可知，现有的压控振荡器的性能有待提高。

图1为一种C类压控振荡器的电路结构示意图。

参考图1，C类压控振荡器包括：PMOS管MP1，PMOS管MP1的源极与电源电压源VDD连接；运算放大器10，运算放大器10的反向输入端连接参考电压源Vref，输出端与PMOS管MP1的栅极连接，同相输入端与PMOS管MP1的漏极连接；与PMOS管MP1的漏极连接的选频电路单元，选频电路单元包括电感结构L0以及与电感结构L0并联的电容，所述电容包括相串联的第一电容C1和第二电容C2，且第一电容C1负极与第二电容C2负极连接；振荡电路单元，振荡电路单元包括第一NMOS管MN1和第二NMOS管MN2，第一NMOS管MN1漏极与电感结构L0一端A连接，第一NMOS管MN1栅极通过第三电容C3与电感结构L0另一端B连接，第二NMOS管MN2漏极与电感结构L0另一端B连接，第二NMOS管MN2栅极通过第四电容C4与电感结构L0一端A连接，且第一NMOS管MN1源极与第二NMOS管MN2的源极与偏置电流源I0连接；第一NMOS管MN1栅极经由第一电阻R1连接偏置电压源Vbias，第二NMOS管MN2栅极经由第二电阻R2连接偏置电压源Vbias。

其中，电感结构L0包括相串联的两个电感，且两个电感的连接节点与运算放大器10的同相输入端连接。

上述的C类压控振荡器中，需要在第一NMOS管MN1源极与第二NMOS管MN2漏极之间耦接一个尾电容C0，用来动态的调制偏置电压源Vbias的电压。然而，尾电容C0的设置不仅浪费的电源电压VDD的电压空间，如尾电容C0和偏置电流源I0会占用电源电压VDD至少200毫伏的电压空间，而且会导致压控振荡器的稳定性变差，使得压控振荡器的性能对工作偏置点以及尾电容的取值及其敏感，相应会限制其在电子产品中的应用。

为解决上述问题，本发明实施例提供一种压控振荡器，利用电流镜将外部电源的电流镜像至尾电流源与尾电容的连接节点处，从而动态的调节有源振荡电路单元的偏置电压，实现对压控振荡器总电流的精确控制。如此，有利于减小占用外部电源电压量，从而最大限度的实现大摆幅以及低噪声的优势，且压控振荡器的性能对偏置电压以及尾电容的取值较宽容。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的各实施例进行详细的阐述。然而，本领域的普通技术人员可以理解，在本发明各实施例中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于以下各实施例的种种变化和修改，也可以实现本申请所要求保护的技术方案。

图2为本发明一实施例提供的压控振荡器的功能框图，图3为本发明一实施例提供的压控振荡器的电路结构图。

参考图2及图3，本实施例提供的压控振荡器包括：工作电源单元20，所述工作电源单元20用于基于外部电源VDD提供工作电流；与所述工作电源单元20连接的谐振器电路单元21，所述谐振器电路单元21用于接收所述工作电流并产生振荡频率；与所述谐振器电路单元21连接的有源振荡电路单元22；与所述有源振荡电路单元22以及所述工作电源单元20连接的动态充放电单元23，用于动态控制所述有源振荡电路22的偏置电压；所述动态充放电单元23包括，电流镜、尾电流源I0以及与所述尾电流源I0连接的尾电容C0，所述尾电流源I0与所述尾电容C0之间具有连接节点bias，所述连接节点bias连接所述有源振荡电路22并向所述有源振荡电路单元22提供偏置电压，所述电流镜用于将所述外部电源VDD的电流镜像至所述连接节点bias。

以下将结合附图对本实施例提供的压控振荡器进行详细说明。

本实施例提供的压控振荡器为C类压控振荡器。由于电流镜将外部电源镜像至尾电流源与尾电容的连接节点处形成镜像电流，因而镜像电流和尾电流源I0一起通过尾电容C0进行充放电以形成负反馈，从而动态的调整有源振荡电路单元22的偏置电压，实现对压控振荡器的总电流精确控制；并且，采用本实施例提供的压控振荡器，压控振荡器工作时无需占用外部电源电压，且电路性能稳定性高，能够最大限度的实现大摆幅、低噪声的优势。

本实施例中，以有源振荡电路包括两个NMOS管为例进行说明。

有源振荡电路单元22包括第一NMOS管MN1以及第二NMOS管MN2，所述动态充放电单元23动态控制所述第一NMOS管MN1栅极的偏置电压以及所述第二NMOS管MN2栅极的偏置电压；所述第一NMOS管MN1的源极与所述第二NMOS管MN2的源极均接地。

本实施例中，有源振荡电路单元22还包括：第三电容C3，所述第三电容C3正极与第一NMOS管MN1漏极连接，所述第三电容C3负极与第二NMOS管MN2栅极连接；第四电容C4，所述第四电容C4正极与第二NMOS管MN2漏极连接，所述第四电容C4负极与第一NMOS管MN1栅极连接。

有源振荡电路单元22还包括：第一电阻R1，所述第一电阻R1一端与第一NMOS管MN1栅极连接，另一端与所述连接节点bias连接；第二电阻R2，所述第二电阻R2一端与NMOS管MN1栅极连接，另一端与所述连接节点bias连接。

电流镜包括：第一PMOS管MP1，所述第一PMOS管MP1漏极与外部电源VDD连接；第三NMOS管MN3，所述第三NMOS管MN3漏极与第一PMOS管MP1漏极连接，且第三NMOS管MN3漏极与第三NMOS管MN3栅极连接；第四NMOS管MN4，所述第四NMOS管MN4栅极与第三NMOS管MN3栅极连接，第四NMOS管MN4漏极与所述连接节点bias连接。

其中，第三NMOS管MN4源极接地GND，第四NMOS管MN4源极接地GND。

谐振器电路单元21包括：第一电感L1，所述第一电感L1一端与所述工作电源单元20连接，所述第一电感L1另一端与所述第一NMOS管MN1的漏极连接；第二电感L2，所述第二电感L2一端与所述工作电源单元20连接，所述第二电感L2另一端与所述第二NMOS管MN2的漏极连接；第一电容C1，所述第一电容C1正极与所述第一NMOS管MN1的漏极连接；第二电容C2，所述第二电容C2正极与所述第二NMOS管MN2的漏极连接，且所述第二电容C2负极与所述第一电容C1负极连接。

本实施例中，谐振器电路单元21为LC谐振电路，为有源振荡电路22提供振荡频率。更具体的，第一电感L1一端接收工作电源单元20提供的工作电流，第二电感L2一端接收工作电源单元20提供的工作电流。

为了减小外部电源电压上的噪声干扰，本实施例中，所述工作电源单元20具有稳压功能，工作电源单元20包括LDO(low dropout regulator)稳压器。工作电源单元20包括：输入PMOS管MP2，所述输入PMOS管MP2的源极与外部电源VDD连接，所述输入PMOS管MP2的栅极与所述第一PMOS管MP1栅极连接；运算放大器(Opeational Amplifier)OA，所述运算放大器OA的反向输入端输入参考电压源Vref，所述运算放大器OA的同相输入端与输入PMOS管MP2的漏极连接并与所述谐振器电路单元21连接，用于向所述谐振器电路单元21提供工作电源，所述运算放大器OA的输出端与所述输入PMOS管MP2的栅极连接。

本实施例中，运算放大器OA的输出端、输入PMOS管MP2的栅极以及第一PMOS管MP1的栅极三者相连接，使得电流镜与运算放大器能够构成负反馈电路，从而闭环的控制第一NMOS管MN1栅极的偏置电压或者第二NMOS管MN2栅极的偏置电压。

所述尾电容C0的一端与连接节点bias连接，另一端接地GND。

压控振荡器还可以包括：低通滤波单元，用于滤除高频噪声。在压控振荡器起振并保持稳定之后，只需要利用非常低的带宽来跟踪电源电压VDD的变化，因此可以采用低通滤波单元将整个电路环路噪声全部滤除，而不会对压控振荡器的相位噪声带来影响。

所述低通滤波单元可以为：滤波电阻，所述滤波电阻串联在所述尾电容C0与第四NMOS管MN4源极之间，具体地，滤波电阻一端与尾电容C0负极连接，另一端与第四NMOS管MN4源极连接。

低通滤波单元还可以为：低通电阻电容滤波器，所述低通电阻电容滤波器串联在第一NMOS管MN1栅极与尾电容C0负极之间，还串联在第二NMOS管MN2栅极与尾电容C0负极之间。

本实施例提供的压控振荡器中，输入PMOS管MP2栅极与第一PMOS管MP1栅极连接，并通过第三NMOS管MN3和第四NMOS管MN4构成电流镜，将压控振荡器的外部电源VDD的直流电流镜像至连接节点bias形成镜像电流，镜像电流与尾电流源I0通过对尾电容C0充放电以动态控制第一NMOS管MN1栅极的偏置电压，且动态控制第二NMOS管MN2栅极的偏置电压，从而使压控振荡器正常工作。

并且，采用上述的动态充放电单元23的设计，尾电容C0和尾电流源I0不需要占用外部电源VDD，因而能够使压控振荡器最大限度的实现大摆幅、低噪声的性能，且压控振荡器的稳定性得到改善。

本发明另一实施例还提供一种压控振荡器，与前一实施例不同的是，本实施例中，有源振荡电路单元包括两个PMOS管。以下将对本实施例提供的压控振荡器进行详细说明。

图4为本发明另一实施例提供的压控振荡器的电路结构示意图。

参考图4，压控振荡器包括：工作电源单元、谐振器电路单元、有源振荡电路单元以及动态充放电单元；所述动态充放电单元包括，电流镜、尾电流源以及与所述尾电流源连接的尾电容，所述尾电流源与所述尾电容之间具有连接节点bias，所述连接节点bias连接所述有源振荡电路单元且向所述有源振荡电路单元提供偏置电压，所述电流镜用于将所述外部电源的电流镜像至所述连接节点bias。

以下将结合附图对本实施例提供的压控振荡器进行详细说明。

有源振荡电路单元包括：第二PMOS管MP2以及第三PMOS管MP3，动态充放电单元动态控制第二PMOS管MP2栅极的偏置电压以及第三PMOS管MP3栅极的偏置电压；且第二PMOS管MP2源极与第三PMOS管MP3源极连接，并与工作电源单元连接。

本实施例中，有源振荡电路单元还包括：第三电容C3，第三电容C3正极与第二PMOS管MP2的漏极连接，第三电容C3负极与第三PMOS管MP2栅极连接；第四电容C4，第四电容C4正极与第三PMOS管MP3漏极连接，第四电容C4负极与第二PMOS管MP2栅极连接。

有源振荡电路还包括：第一电阻R1，第一电阻R1一端与第三PMOS管MP3栅极连接，另一端与所述连接节点bias连接；第二电阻R2，第二电阻R2一端与第二PMOS管MP2栅极连接，另一端与连接节点bias连接。

电流镜包括：第一PMOS管MP1，第一PMOS管MP1源极与外部电源VDD连接，第一PMOS管MP1漏极与连接节点bias连接。

工作电源单元包括：输入PMOS管MP4，输入PMOS管MP4的源极与外部电源VDD连接，输入PMOS管MP4的栅极与第一PMOS管MP1栅极连接；运算放大器OA，运算放大器OA的反向输入端输入参考电压源Vref，运算放大器OA的同相输入端与输入PMOS管MP4的漏极连接并与谐振器电路单元连接，用于向谐振器电路单元提供工作电源，运算放大器OA的输出端与所述输入PMOS管MP4的栅极连接。

本实施例中，所述尾电容C0一端与连接节点bias连接，另一端接地GND；所述尾电流源I0一端与连接节点bias连接，另一端接地GND。

输入PMOS管MP4栅极连接第一PMOS管MP1栅极，且第一PMOS管MP1漏极与外部电源VDD连接，从而将压控振荡器的外部电源VDD的直流电流镜像至连接节点bias形成镜像电流，镜像电流与尾电流源I0通过对尾电容C0充放电以动态控制第二PMOS管MP2栅极的偏置电压，且动态控制第三PMOS管MP2栅极的偏置电压，从而使压控振荡器正常工作。

并且，本实施例中，运算放大器OA的输出端、输入PMOS管MP4栅极以及第一PMOS管MP1栅极三者连接，使得电流镜与输入PMOS管MP4能够构成负反馈，从而闭环的控制第二PMOS管MP2栅极的偏置电压或者第三PMOS管MP3栅极的偏置电压。

谐振器电路单元包括：第一电感L1，所述第一电感L1一端与第二PMOS管MP2的漏极连接，所述第一电感L1另一端接地；第二电感L2，所述第二电感L2一端与所述第三PMOS管MP3的漏极连接，所述第二电感L2另一端接地；第一电容C1，所述第一电容C1正极与所述第二PMOS管MP3漏极连接；第二电容C2，所述第二电容C2正极与所述第三PMOS管MP3漏极连接，且所述第二电容C2负极与所述第一电容C1负极连接。

压控振荡器还可以包括：低通滤波单元，用于滤除高频噪声。低通滤波单元可以为：低通电阻电容滤波器，所述低通电阻电容滤波器串联在第二PMOS管MP2栅极与尾电容C0负极之间，还串联在第三PMOS管MP3栅极与尾电容C0负极之间。

本实施例提供的压控振荡器，利用两个PMOS管构成有源振荡电路单元，相应的压控振荡器为PMOS管C类压控振荡器，且电流镜的结构与前一实施例的结构更为简单，与前一实施例提供的NMOS管C类压控振荡器相比，本实施例提供的PMOS管C类压控振荡器性能更优。

本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施方式是实现本发明的具体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各自更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求限定的范围为准。

Claims (5)

1.一种压控振荡器，其特征在于，包括：

工作电源单元，用于接收外部电源并输出工作电流；

与所述工作电源单元连接的谐振器电路单元，所述谐振器电路单元接收所述工作电流并产生振荡频率；

与所述谐振器电路单元连接的有源振荡电路单元；

与所述有源振荡电路单元以及所述工作电源单元连接的动态充放电单元，用于动态控制所述有源振荡电路单元的偏置电压；

所述动态充放电单元包括，电流镜、尾电流源以及与所述尾电流源连接的尾电容，所述尾电流源与所述尾电容之间具有连接节点，所述连接节点连接所述有源振荡电路单元且向所述有源振荡电路单元提供偏置电压，所述电流镜用于将所述外部电源的电流镜像至所述连接节点；

所述有源振荡电路单元包括第一NMOS管以及第二NMOS管，所述动态充放电单元动态控制所述第一NMOS管栅极的偏置电压以及所述第二NMOS管栅极的偏置电压；所述第一NMOS管的源极与所述第二NMOS管的源极均接地；

所述谐振器电路单元包括：第一电感，所述第一电感一端与所述工作电源单元连接，所述第一电感另一端与所述第一NMOS管的漏极连接；第二电感，所述第二电感一端与所述工作电源单元连接，所述第二电感另一端与所述第二NMOS管的漏极连接；

所述电流镜包括：第一PMOS管，所述第一PMOS管源极与外部电源连接；第三NMOS管，所述第三NMOS管漏极与所述第一PMOS管漏极连接，且所述第三NMOS管漏极与所述第三NMOS管栅极连接；第四NMOS管，所述第四NMOS管栅极与第三NMOS管栅极连接，所述第四NMOS管漏极与所述连接节点连接；所述第三NMOS管源极接地，所述第四NMOS管源极接地；

所述工作电源单元包括：输入PMOS管，所述输入PMOS管的源极与外部电源连接，所述输入PMOS管的栅极与所述第一PMOS管栅极连接；运算放大器，所述运算放大器的反向输入端输入参考电压源，所述运算放大器的同相输入端与所述输入PMOS管的漏极连接。

2.如权利要求1所述的压控振荡器，其特征在于，所述谐振器电路单元包括：第一电容，所述第一电容正极与所述第一NMOS管的漏极连接；第二电容，所述第二电容正极与所述第二NMOS管的漏极连接，且所述第二电容负极与所述第一电容负极连接。

3.如权利要求1所述的压控振荡器，其特征在于，所述尾电容的一端与所述连接节点连接，另一端接地。

4.如权利要求1所述的压控振荡器，其特征在于，所述运算放大器的同相输入端还与所述谐振器电路单元连接，用于向所述谐振器电路单元提供工作电源，所述运算放大器的输出端与所述输入PMOS管的栅极连接。

5.如权利要求1所述的压控振荡器，其特征在于，还包括：低通滤波单元。

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