CN111446958B - 通过负反馈调节实现数字控制振荡器输出幅值恒定的系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种通过负反馈调节实现数字控制振荡器输出幅值恒定的系统，包括：数字控制振荡器，每一输出端都连接输出缓冲器；还具有一个与比较器连接的输入反馈端口，基于比较器输出的电压比较结果形成负反馈调节，控制数字控制振荡器输出信号的幅度，从而实现数字控制振荡器输出信号幅值恒定；幅值检测电路，根据数字控制振荡器两个输出端的差分信号的正脉冲包络实现幅值检测，输出幅值转换的电压；运算放大器，用于隔离幅值检测电路与比较器，并能够实现电压跟随作用；比较器，用于比较参考电压与幅值转换的电压，并将电压比较的结果反馈给所述数字控制振荡器。该系统确保了数字控制振荡器的输出幅值在PVT等环境因素干扰下依然可以保持恒定。

Description

通过负反馈调节实现数字控制振荡器输出幅值恒定的系统
技术领域
本发明涉及全数字锁相环相关集成设计电路设计领域，尤其涉及通过负反馈调节实现数字控制振荡器输出幅值恒定的系统。
背景技术
在低功耗全数字锁相环系统中，DCO(数字控制振荡器)的功耗随着其输出幅度的增大而增大；当受到工艺偏差和所处环境等因素的干扰时，DCO信号的幅值会发生较大波动，这给设计满足一定功耗指标的DCO带来了困难。同时，由于DCO输出幅值受电路工艺，电压，温度(PVT)等环境因素的影响波动很大，这就给DCO的BUF(输出缓冲器)的设计设计带来了困难。为了减小PVT对DCO输出幅值影响，有些方案是在反相器结构中并联多个NMOS管，通过手动开启BUF中NMOS并联的个数控制反相器的翻转电压以适应DCO幅值的波动。但是，这个过程不仅增加了BUF的功耗和设计难度，而且手动开关BUF中NMOS阵列中NMOS的个数会使系统不能实现自动调节，不利于芯片的整体测试封装和使用。因此有必要对DCO输出的正弦信号进行处理，使其幅值可以通过负反馈环路保持恒定。
发明内容
本发明的目的是提供一种通过负反馈调节实现数字控制振荡器输出幅值恒定的系统，应用于全数字锁相环中，能够通过负反馈调节的方式使得数字控制振荡器输出幅值保持恒定。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种通过负反馈调节实现数字控制振荡器输出幅值恒定的系统，包括：数字控制振荡器、幅值检测电路、运算放大器以及比较器；
数字控制振荡器具有两个输出端，每一输出都连接输出缓冲器；还具有一个与比较器连接的输入反馈端口，基于与输入的电压比较结果反馈至数字控制振荡器，控制数字控制振荡器输出信号的幅度，从而实现数字控制振荡器输出信号幅值恒定；
幅值检测电路的输入端与数字控制振荡器的两个输出端连接；运算放大器的输入端连接幅值检测电路的输出端；比较器的输入端接运算放大器的输出端以及参考电压Va，输出端连接数字控制振荡器的输入反馈端口。
由上述本发明提供的技术方案可以看出，用数字控制振荡器，输出缓冲器，幅值检测电路，电压跟随放大器和比较器，通过这些模块构成一个负反馈系统，实现数字控制振荡器输出幅值恒定，还可以实现自起振和自偏置，确保了数字控制振荡器的输出幅值在PVT等环境因素干扰下依然可以保持恒定。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
图1为本发明实施例提供的一种通过负反馈调节实现数字控制振荡器输出幅值恒定的系统的示意图。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
一种通过负反馈调节实现数字控制振荡器输出幅值恒定的系统，如图1所示，其主要包括：数字控制振荡器S1、幅值检测电路S2、运算放大器S3(隔离缓冲器)以及比较器S4。
1、数字控制振荡器。
本发明实施例中，如图1所示，数字控制振荡器是LC(电容电感)型振荡器，具体结构组成如下：电容阵列C和电感L并联作为DCO差分输出的两个端口(OUT1和OUT2)；两个NMOS管(N1和N2)、两个PMOS管(P1和P2)各自交叉耦合形成对称的两个负阻，两个负阻的一端各自连接电容阵列C、电感L，以抵消LC振荡器的寄生电阻；PMOS管P3是数字控制振荡器的尾电流管，P3的栅极连接输入反馈端口，根据反馈信号用于调节电路中电流大小；PMOS管P3的漏极连接一个电容C1实现噪声滤波，且漏极还连接两个PMOS管(P1和P2)交叉耦合形成的负阻的另一端，源极接VDD。数字控制振荡器具有两个输出端，每一输出端连接有输出缓冲器，输出缓冲器可以将变化的负载和数字控制振荡器的输出隔离，同时还允许数字控制振荡器的输出幅度可以很小；还具有一个与比较器输出端连接的输入反馈端口，基于与输入的电压的比较结果形成负反馈调节，控制数字控制振荡器输出信号的幅度，从而实现数字控制振荡器输出信号幅值恒定。
以上是数字控制振荡器的结构介绍，下面针对其恒定幅值输出原理进行介绍。
本发明实施例中，数字控制振荡器的输入是频率控制字，频率控制字通过改变总电容的大小来决定数字振荡器输出正弦波信号的频率的大小。
数字控制振荡器输出的正弦波信号幅值的大小取决于电路中的电流，本发明通过负反馈调节来恒定输出信号幅度，即使在PVT的影响下，数字控制振荡器输出信号的幅值仍可以因负反馈调节的存在而保持恒定。
数字控制振荡器的功耗的表达式为：
Figure BDA0002439360930000031
其中，w是角频率，Vpeak是数字控制振荡器输出信号的幅值，L是数字控制振荡器的电感，QL是电感的品质因子。通过上式可知，通过恒定的输出信号幅值实现控制数字控制振荡器的功耗。
负反馈调节包括如下三种情况：
第一种情况：如果参考电压Va与幅值转换的电压相同，则比较器输出的值不变，此时不用改变数字控制振荡器电流的大小，对应数字控制振荡器输出的幅值也保持不变；
第二种情况：如果幅值转换的电压小于参考电压Va，则比较器输出变小，反馈到数字控制振荡器后，降低数字控制振荡器中相应PMOS管(具体为PMOS管P3)的栅极电压，增大数字控制振荡器的电流，从而增加数字控制振荡器的输出信号的幅值，直到数字控制振荡器的输出信号幅值增大到其对应的转换电压和参考电压Va相同为止；
第三种情况：如果幅值转换的电压大于参考电压Va，则比较器输出变大，反馈到数字控制振荡器后，增大数字控制振荡器中相应PMOS管的栅极电压，降低数字控制振荡器的电流，从而减小数字控制振荡器输出信号的幅值，直到数字控制振荡器的输出信号幅值减小到其对应的转换电压和参考电压Va相同为止。
此外，还通过负反馈调节实现数字控制振荡器的自起振和自偏置，过程如下：上电启动时，数字控制振荡器形成的LC振荡器处于起振阶段，数字控制振荡器输出信号的幅值为0；此时，幅值检测电路检测到的信号幅值也为0，并输出相应电压信号，电压信号经运算放大器(缓冲隔离器)输入至比较器中，此时比较器的输出变小，并反馈给所述数字控制振荡器，增大控制振荡器的电流使得数字控制振荡器实现自起振和自偏置。
2、幅值检测电路。
幅值检测电路的输入端与数字控制振荡器的两个输出端(OUT1和OUT2)连接，根据数字控制振荡器两个输出端的差分信号的正脉冲包络实现幅值检测，输出由电压幅值转换而来的电压(记作转换电压)。
本发明实施例中，所述幅值检测电路包括：一个电容C2与两个PMOS管(即，P4与P5)；两个PMOS管的栅极和漏极交叉耦合连接，每一PMOS管接收数字控制振荡器的一路输出端的输出信号；电容C2的一端与幅值检测电路中两个PMOS管的共同漏极连接，另一端接地。
如图1所示，当数字控制振荡器差分输出端OUT1与OUT2的电压差值大于阈值电压Vth时候，两个PMOS管周期性地交替打开或关闭；其中一个PMOS管因数字控制振荡器一端的输出的瞬时负波形开启，另一个PMOS管因数字控制振荡器的另一端输出的正波形关闭；因此，只有开启的PMOS通过正波形对幅值检测电路中的电容C2充电。
当数字控制振荡器两个输出端OUT1与OUT2的差分信号的差值小于阈值电压Vth时候，两个PMOS管会同时开启。此时，数字控制振荡器中的两个输出端通过PMOS管P4和P5对幅值检测电路中的电容C2同时充电。总之，幅值检测电路通过DCO输出差分信号的正脉冲包络实现幅值检测。
3、运算放大器(电压跟随器)。
本发明实施例中，运算放大器(电压跟随器)的输入端连接幅值检测电路的输出端，用于隔离幅值检测电路与比较器，具体为隔离幅值检测电路中的RC充电电路和比较器的输入参考电压，并能够实现电压跟随。
结构如下：运算放大器(电压跟随器)的正输入端与幅值检测电路输出端连接，负输入端与输出端连接，运算放大器的输出端还与比较器的一个输入端连接。
4、比较器。
本发明实施例中，比较器的输入端接运算放大器的输出端和参考电压Va，输出端连接数字控制振荡器的输入反馈端口，用于比较参考电压与幅值转换的电压的大小，并将电压比较的结果反馈给所述数字控制振荡器。
结构如下：比较器的正输入端与运算放大器的输出端连接，负输入端接收参考电压，输出端连接数字控制振荡器；所述比较器还具有一个电源控制端，根据输入的控制信号来开启或关闭比较器的电源。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种通过负反馈调节实现数字控制振荡器输出幅值恒定的系统，其特征在于，包括：数字控制振荡器、幅值检测电路、运算放大器以及比较器；
数字控制振荡器具有两个输出端，每一输出都连接输出缓冲器；还具有一个与比较器连接的输入反馈端口，基于与输入的电压比较结果反馈至数字控制振荡器，控制数字控制振荡器输出信号的幅度，从而实现数字控制振荡器输出信号幅值恒定；
幅值检测电路的输入端与数字控制振荡器的两个输出端连接；运算放大器的输入端连接幅值检测电路的输出端；比较器的输入端接运算放大器的输出端以及参考电压Va，输出端连接数字控制振荡器的输入反馈端口；
所述数字控制振荡器是LC型振荡器，包括：电容阵列、电感、两个NMOS管、三个PMOS管、两个输出缓冲器以及一个电容；其中：
电容阵列和电感并联作为数字控制振荡器差分输出的两个端口；两个NMOS管和两个PMOS管各自交叉耦合形成对称的两个负阻，两个负阻的一端各自连接电容阵列、电感；数字控制振荡器的尾电流管是一个POMS管，其栅极连接输入反馈端口，根据反馈信号调节电路中电流大小，漏极连接一个电容以及两个PMOS管交叉耦合形成的负阻另一端，源极接VDD；
每一输出缓冲器的输入端独自连接一个数字控制振荡器的输出端，每一输出缓冲器的输出端与负载连接；
所述幅值检测电路包括：一个电容与两个PMOS管；两个PMOS管的栅极和漏极交叉耦合连接，每一PMOS管接收数字控制振荡器的一路输出端的输出信号；电容的一端与两个PMOS管的共同漏极连接，另一端接地；
所述幅值检测电路的输入端与数字控制振荡器的两个输出端OUT1和OUT2连接，根据数字控制振荡器两个输出端的差分信号的正脉冲包络实现幅值检测，输出由幅值转换而来的电压，记作转换电压；
当数字控制振荡器差分输出端OUT1与OUT2的电压差值大于阈值电压Vth时候，两个PMOS管周期性地交替打开或关闭；其中一个PMOS管因数字控制振荡器一端的输出的瞬时负波形开启，另一个PMOS管因数字控制振荡器的另一端输出的正波形关闭；此时，只有开启的PMOS通过正波形对幅值检测电路中的电容充电；
当数字控制振荡器两个输出端OUT1与OUT2的差分信号的差值小于阈值电压Vth时候，两个PMOS管会同时开启；此时，数字控制振荡器中的两个输出端通过PMOS管对幅值检测电路中的电容同时充电。
2.根据权利要求1所述的一种通过负反馈调节实现数字控制振荡器输出幅值恒定的系统，其特征在于，所述运算放大器的正输入端与幅值检测电路输出端连接，负输入端与输出端连接，运算放大器的输出端还与比较器的一个输入端连接。
3.根据权利要求1所述的一种通过负反馈调节实现数字控制振荡器输出幅值恒定的系统，其特征在于，所述比较器的正输入端与运算放大器的输出端连接，负输入端接收参考电压Va，输出端连接数字控制振荡器；所述比较器还具有一个电源控制端，根据输入的控制信号来开启或关闭比较器的电源。
4.根据权利要求1所述的一种通过负反馈调节实现数字控制振荡器输出幅值恒定的系统，其特征在于，所述数字控制振荡器输出信号的幅值还通过负反馈调节实现自起振和自偏置，过程如下：上电启动时，数字控制振荡器形成的LC振荡器处于起振阶段，数字控制振荡器输出信号的幅值为0；此时，幅值检测电路检测到的信号幅值也为0，并输出相应电压信号，电压信号经运算放大器输入至比较器中，此时比较器的输出变小，并反馈给所述数字控制振荡器，增大控制振荡器的电流使得数字控制振荡器实现自起振和自偏置。
5.根据权利要求1所述的一种通过负反馈调节实现数字控制振荡器输出幅值恒定的系统，其特征在于，负反馈调节包括如下三种情况：
第一种情况：如果参考电压Va与幅值转换的电压相同，则比较器输出的值不变，此时不用改变数字控制振荡器电流的大小，对应数字控制振荡器输出的幅值也保持不变；
第二种情况：如果幅值转换的电压小于参考电压Va，则比较器输出变小，反馈到数字控制振荡器，降低数字控制振荡器中相应PMOS管的栅极电压，增大数字控制振荡器的电流，从而增加数字控制振荡器的输出信号的幅值，直到数字控制振荡器的输出信号幅值增大到其对应的转换电压和参考电压Va相同为止；
第三种情况：如果幅值转换的电压大于参考电压，则比较器输出变大，反馈到数字控制振荡器后，增大数字控制振荡器中相应PMOS管的栅极电压，降低数字控制振荡器的电流，从而减小数字控制振荡器输出信号的幅值，直到数字控制振荡器的输出信号幅值减小到其对应的转换电压和参考电压Va相同为止。
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