CN114257177A - 压控振荡器及其锁相环 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种压控振荡器及其锁相环，压控振荡器包括：电压电流转换电路，将控制电压转换为中间电流；噪声消除电路，对中间电流的第一采样电流滤波得到滤波电流，根据滤波电流和中间电流的第二采样电流产生补偿电流，并根据补偿电流和中间电流产生控制电流；电流控制振荡电路，根据控制电流产生对应的振荡频率。本申请通过采用滤波方式提供了补偿电流进而消除电压电流转换电路提供的中间电流的噪声电流，并向电流控制振荡电路提供噪声电流去除后的控制电流以获得对应的振荡频率，提升了压控振荡器的电源抑制能力。

Description

压控振荡器及其锁相环

技术领域

本发明涉及集成电路技术领域，更具体地，涉及一种压控振荡器及其锁相环。

背景技术

压控振荡器(VCO，Voltage Controlled Oscillator)是锁相环(PLL，Phase-lockedLoop)中最重要的模块之一，压控振荡器的性能直接反映了锁相环的性能。压控振荡器的各性能指标中噪声是对性能影响较大的指标之一。压控振荡器的噪声可以分为随机噪声和电源噪声。随机噪声主要包含器件的热噪声和闪烁噪声。电源噪声是压控振荡器确定性抖动的来源之一，通过提高压控振荡器的电源噪声性能可以提高压控振荡器的电源抑制能力。

压控振荡器的电源抑制是重要参数之一，在高性能低抖动时钟发生电路中，随着半导体工艺的发展，芯片的供电电压越来越低，传统提高压控振荡器电源抑制的方式存在各种缺点和限制。例如目前提供的压控振荡器，通常采用低压差线性稳压器结合稳压电容，以提高压控振荡器的电源抑制性能，然而这种方式一方面需要额外的高电源为低压差线性稳压器供电，增加电路复杂程度；另一方面虽然低压差线性稳压器可以提高低频的电源抑制，但对于降低或消除更高频电源噪声需要较大的稳压电容，这将会增加压控振荡器的面积。

因此，亟需提供一种可以提升电源抑制能力的压控振荡器及其锁相环。

发明内容

为了解决上述现有技术存在的问题，本申请通过采用噪声消除技术以向电流控制振荡电路提供噪声电流去除后的控制电流，提升压控振荡器的电源抑制能力。

根据本发明的一方面，提供了一种压控振荡器，包括：

电压电流转换电路，将控制电压转换为中间电流；

噪声消除电路，对所述中间电流的第一采样电流滤波得到滤波电流，以及根据所述滤波电流和所述中间电流的第二采样电流产生补偿电流，并根据所述补偿电流和所述中间电流产生控制电流；以及

电流控制振荡电路，与所述噪声消除电路连接，并根据所述控制电流产生对应的振荡频率。

可选地，所述噪声消除电路包括：

采样模块，对所述中间电流采样并输出第一采样电流和第二采样电流；以及

补偿模块，对所述第一采样电流滤波并生成滤波电流，根据所述第二采样电流和所述滤波电流生成补偿电流，并基于所述补偿电流和所述中间电流产生所述控制电流。

可选地，所述补偿模块包括：

滤波单元，与所述采样模块连接以接收所述第一采样电流，用于滤除所述第一采样电流中的噪声电流并输出滤波电流；以及

补偿单元，与所述电压电流转换电路连接以接收所述中间电流，与所述采样模块连接以接收所述第二采样电流，与所述滤波单元连接以接收所述滤波电流，根据所述第二采样电流和所述滤波电流的差电流产生所述补偿电流，并基于所述补偿电流补偿生成所述控制电流，

所述补偿电流为所述差电流的镜像电流。

可选地，所述补偿电流中的噪声电流与所述中间电流的噪声电流的大小相等、方向相反。

可选地，所述滤波单元包括：

滤波网络；

第一电流镜，包括第一MOS管和第二MOS管，所述第一MOS管的控制端与所述第一MOS管的第一端连接并接收所述第一采样电流，所述第一MOS管的第二端接地，所述第二MOS管的控制端经由所述滤波网络与所述第一MOS管的控制端连接，所述第二MOS管的第一端输出所述滤波电流，所述第二MOS管的第二端接地。

可选地，所述补偿单元包括：

第二电流镜，包括第三MOS管和第四MOS管，所述第三MOS管的控制端与所述第三MOS管的第一端连接并接收所述第二采样电流和所述滤波电流，所述第三MOS管的第二端接地，所述第四MOS管的控制端与所述第三MOS管的控制端连接，所述第四MOS管的第一端输出所述补偿电流，所述第四MOS管的第二端接地。

可选地，所述采样模块获取所述第一采样电流和所述第二采样电流的采样系数均为

所述第一电流镜的电流比例为1：b，所述第二电流镜的电流比例为1：a，

其中，a>1，b<1。

可选地，所述电压电流转换电路包括：

第五MOS管，所述第五MOS管的控制接收所述控制电压，所述第五MOS管的第一端输出第一电流，所述第五MOS管的第二端接地；

第三电流镜，包括第六MOS管和第七MOS管，所述第六MOS管的控制端与所述第六MOS管的第一端连接并接收所述第一电流，所述第六MOS管的第二端接收电源电压，所述第七MOS管的控制端与所述第六MOS管的控制端连接，所述第七MOS管的第一端输出所述中间电流，所述第七MOS管的第二端接收所述电源电压。

可选地，所述采样模块包括：

第八MOS管，所述第八MOS管的控制与所述第七MOS管的控制端连接，所述第八MOS管的第一端输出第一采样电流，所述第八MOS管的第二端接收所述电源电压；

第九MOS管，所述第九MOS管的控制与所述第七MOS管的控制端连接，所述第九MOS管的第一端输出第二采样电流，所述第九MOS管的第二端接收所述电源电压。

可选地，所述滤波网络包括：

电阻，一端与所述第一MOS管的控制端连接，另一端与所述第二MOS管的控制端连接；以及

电容，一端与所述电阻的另一端连接，另一端接地。

根据本发明的另一方面，提供了一种锁相环，包括：所述压控振荡器。

本发明实施例提出的压控振荡器，通过采用滤波结合镜像电流的方式消除电压电流转换电路提供的中间电流的噪声电流，并向电流控制振荡电路提供噪声电流去除后的控制电流以获得对应的振荡频率，提升了压控振荡器的电源抑制能力、且受PVT影响小。

进一步地，控制电压上的纹波通过第五MOS管转化为噪声电流叠加在中间电流中，进而可以通过上述噪声消除电路一并去除，以减小压控振荡器输出时钟的确定性抖动。在提高电源噪声抑制的同时，也能减小控制电压上的纹波所引起的确定性抖动(DJ)。

进一步地，本申请还提供了电源抑制能力较高的锁相环。

附图说明

通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚。

图1示出了本申请第一实施例提供的压控振荡器的框图。

图2示出了本申请第二实施例提供的压控振荡器的结构示意图。

图3示出了本申请第三实施例提供的压控振荡器的电路示意图。

图4示出本申请实施例提供的压控振荡器与现有压控振荡器的电源抑制指标的波形示意图。

具体实施方式

以下将参照附图更详细地描述本发明。在各个附图中，相同的元件采用类似的附图标记来表示。为了清楚起见，附图中的各个部分没有按比例绘制。此外，在图中可能未示出某些公知的部分。

在下文中描述了本发明的许多特定的细节，例如器件的结构、材料、尺寸、处理工艺和技术，以便更清楚地理解本发明。但正如本领域的技术人员能够理解的那样，可以不按照这些特定的细节来实现本发明。

应理解，本申请实施例中的A与B连接/耦接，表示A与B可以串联连接或并联连接，或者A与B通过其他的器件，本申请实施例对此不作限定。

本发明提出了一种可以用于提高低电源电压控制的压控振荡器的电源抑制的方案，下面将结合附图对本申请提供的压控振荡器的实施例进行描述。

图1示出了本申请第一实施例提供的压控振荡器的框图。图2示出了本申请第二实施例提供的压控振荡器的结构示意图。图3示出了本申请第三实施例提供的压控振荡器的电路示意图。

如图1所示，压控振荡器1000包括电压电流转换电路1100、噪声消除电路1200和电流控制振荡电路1300。电压电流转换电路1100用于将控制电压Vctrl转换为中间电流I2。噪声消除电路1200对中间电流I2的第一采样电流I3滤波得到滤波电流，以及根据滤波电流和中间电流I2的第二采样电流I4产生补偿电流Icomp，并根据补偿电流Icomp和中间电流I2产生控制电流Ictrl。电流控制振荡电路1300与噪声消除电路1200连接，并根据控制电流Ictrl产生对应的振荡频率CLK。

在第一实施例中，压控振荡器1000采用电压电流转换电路1100结合电流控制振荡电路1300的电路结构产生想要的振荡频率范围，并采用噪声消除电路1200消除电压电流转换电路1100产生的中间电流I2中的噪声电流(电源噪声对电流的影响)以得到受电源噪声影响很小的控制电流Ictrl，进而将控制电流Ictrl提供至电流控制振荡电路1300中实现压控振荡器的功能。更进一步地，噪声消除电路1200包括采样模块1210和补偿模块1220。采样模块1210与电压电流转换电路1100连接并对中间电流I2采样以输出第一采样电流I3和第二采样电流I4。补偿模块1220对第一采样电流I3滤波并生成滤波电流，以及根据第二采样电流I4和滤波电流生成补偿电流Icomp，并基于补偿电流Icomp补偿中间电流I2以生成控制电流。进一步地，补偿电流Icomp中的噪声电流与中间电流I2的噪声电流的大小相等、方向相反，进而补偿后得到的控制电流Ictrl中不包含噪声电流，进而提升了压控振荡器1000的电源抑制能力。

更进一步地，在第二实施例中，如图2所示。噪声消除电路1200中的补偿模块1220包括滤波单元1221和补偿单元1222。滤波单元1221与采样模块1210连接以接收第一采样电流I3，用于滤除第一采样电流I3中的噪声电流并输出滤波电流I5。补偿单元1222与电压电流转换电路1100连接以接收中间电流I2，与采样模块1210连接以接收第二采样电流I4，与滤波单元1221连接以接收滤波电流I5，根据第二采样电流I4和滤波电流I5的差电流产生补偿电流Icomp，并基于补偿电流Icomp补偿生成控制电流Ictrl。

更进一步地，在第三实施例中，如图3所示。噪声消除电路1200中的补偿模块1220中的滤波单元1221包括滤波网络和第一电流镜。第一电流镜包括第一MOS管Mn3和第二MOS管Mn4，第一MOS管Mn3的控制端与第一MOS管Mn3的第一端连接并接收第一采样电流I3，第一MOS管Mn3的第二端接地，第二MOS管Mn4的控制端经由滤波网络与第一MOS管Mn3的控制端连接，第二MOS管Mn4的第一端输出滤波电流I5，第二MOS管Mn4的第二端接地。滤波网络包括电阻R和电容C，电阻R的一端与第一MOS管Mn3的控制端连接，电阻R的另一端与第二MOS管Mn4的控制端连接。电容C的一端与电阻R的另一端连接，电容C的另一端接地。噪声消除电路1200中的补偿模块1220中的补偿单元1222包括第二电流镜。第二电流镜包括第三MOS管Mn5和第四MOS管Mn6，第三MOS管Mn5的控制端与第三MOS管Mn5的第一端连接并接收第二采样电流I4和滤波电流I5，第三MOS管Mn5的第二端接地，第四MOS管Mn6的控制端与第三MOS管Mn5的控制端连接，第四MOS管Mn6的第一端输出补偿电流Icomp，第四MOS管Mn6的第二端接地。进一步地，采样模块1210获取第一采样电流I3和第二采样电流I4的采样系数均为

第一电流镜的电流比例为1：b，第二电流镜的电流比例为1：a，其中，a>1，b<1。

电压电流转换电路1100包括第五MOS管Mn1和第三电流镜。第五MOS管Mn1的控制接收控制电压Vctrl，第五MOS管Mn1的第一端输出第一电流I1，第五MOS管Mn1的第二端接地。第三电流镜包括第六MOS管Mp1和第七MOS管Mp2，第六MOS管Mp1的控制端与第六MOS管Mp1的第一端连接并与第五MOS管Mn1的第一端连接以接收第一电流I1，第六MOS管Mp1的第二端接收电源电压VDD。第七MOS管Mp2的控制端与第六MOS管Mp1的控制端连接，第七MOS管Mp2的第一端输出中间电流I2，第七MOS管Mp2的第二端接收电源电压VDD。

噪声消除电路1200中的采样模块1210包括第八MOS管Mp3和第九MOS管Mp4。第八MOS管Mp3的控制与第七MOS管Mp2的控制端连接，第八MOS管Mp3的第一端输出第一采样电流I3，第八MOS管Mp3的第二端接收电源电压VDD。第九MOS管Mp4的控制与第七MOS管Mp2的控制端连接，第九MOS管Mp4的第一端输出第二采样电流I4，第九MOS管Mp4的第二端接收电源电压VDD。

电压电流转换电路1100中的第五MOS管Mn1将控制电压Vctrl转换为第一电流I1。第三电流镜的电流比例为1：k，用于调节压控振荡器1000的增益，进而由第三电流镜输出的中间电流I2为第一电流I1的K倍。其中，电压电流转换电路1100输出的中间电流I2受电源噪声影响，中间电流I2包含了直流分量I2DC和交流分量I2AC，即I2＝I2DC+I2AC，其中，交流分量I2AC是噪声电流。进一步地，第三电流镜中的第七MOS管Mp2与噪声消除电路1200中的采样模块1210中的第八MOS管Mp3比例为a：1(a>1)，第三电流镜中的第七MOS管Mp2与噪声消除电路1200中的采样模块1210中的第九MOS管Mp4比例为a：1(a>1)。即，第一采样电流I3和第二采样电流I4相等，且I3＝I4＝1/a*(I2DC+I2AC)。噪声消除电路1200中的补偿模块1220中的滤波单元1221中的第一电流镜的电流比例为1：b(b<1)。第一采样电流I3流经第一MOS管Mn3并经由滤波网络低通滤波后滤除了第一采样电流I3中的交流分量，进而使得流过第二MOS管Mn4的滤波电流I5＝b/a*I2DC。噪声消除电路1200中的补偿模块1220中的补偿单元1222中的第二电流镜的电流比例为1：a。流经第二电流镜中的第三MOS管Mn5的电流I6为第二采样电流I4和滤波电流I5的差电流，即I6＝(1-b)/a*I2DC+1/a*I2AC。b<1，因此流过第三MOS管Mn5的电流包含了交流分量和用于DC建立的直流分量。流经第二电流镜中的第四MOS管Mn6的补偿电流Icomp＝(1-b)*I2DC+I2AC。因其补偿电流Icomp与中间电流I2的方向相反，由补偿单元1222输出的控制电流Ictrl＝I2-Icomp＝b*I2DC。即最终由噪声消除电路1200提供至电流控制振荡电路1300中的控制电流Ictrl中不包含交流分量(噪声电流)。进而提高了压控振荡器1000的电源噪声抑制性能。b值取值合适可以实现高效率消除中间电流的噪声电流且不受PVT影响。

需要说明的是，在提高电源噪声抑制的同时，也能减小控制电压Vctrl上的纹波所引起的确定性抖动(DJ)。具体地，控制电压Vctrl上的纹波通过第五MOS管Mn1转化为噪声电流叠加在中间电流I2中，进而可以通过上述噪声消除电路1200一并去除，以减小压控振荡器1000输出时钟的确定性抖动。

需要说明的是，上述MOS管的控制端为栅极，第一端和第二端分别为源极和漏极，或者分别为漏极和源极。

图4示出本申请实施例提供的压控振荡器与现有压控振荡器的电源抑制指标的波形示意图。

如图4所示，波形S1为本申请提供的压控振荡器1000的电源抑制参数的波形，波形S2为由普通电流镜结合电流控制振荡电路构成的压控振荡器的电源抑制参数的波形。为清楚说明本申请，示例性地，压控振荡器1000中的参数取值为：k＝5，a＝20，b＝9/10，R＝2Mohm，C＝5pF，滤波网络对应的频率为f＝1/(2pi*R*C)＝16kHz。对于频率低于16kHz的电源噪声，噪声消除电路1200是无法消除的，从结果可以看到波形S1和波形S2几乎重合。对于频率高于16kHz的电源噪声，噪声消除电路1200可以将噪声进行消除，最大的噪声衰减例如可以达到约12.9dB；对于高频的噪声，实际为寄生电容的分压，噪声消除电路无法将其消除，两者曲线几乎重合，后续例如可通过在电流控制振荡电路的输入端的节点增加去耦电容来提高高频电源抑制的性能。

本申请还提供一种锁相环，包含上述压控振荡器1000。

同时，本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的结构和方法，可以使用不同的配置方法或调节方法对每个结构或该结构的合理变形来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本申请的范围。并且，应理解，本申请实施例中前述的图的放大器各个部件之间的连接关系为示意性举例，并不对本申请实施例造成任何限制。

应当说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

依照本发明的实施例如上文所述，这些实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施例。显然，根据以上描述，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地利用本发明以及在本发明基础上的修改使用。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (11)

1.一种压控振荡器，其特征在于，包括：

电压电流转换电路，将控制电压转换为中间电流；

噪声消除电路，对所述中间电流的第一采样电流滤波得到滤波电流，以及根据所述滤波电流和所述中间电流的第二采样电流产生补偿电流，并根据所述补偿电流和所述中间电流产生控制电流；以及

电流控制振荡电路，与所述噪声消除电路连接，并根据所述控制电流产生对应的振荡频率。

2.根据权利要求1所述的压控振荡器，其特征在于，所述噪声消除电路包括：

采样模块，对所述中间电流采样并输出第一采样电流和第二采样电流；以及

补偿模块，对所述第一采样电流滤波并生成滤波电流，根据所述第二采样电流和所述滤波电流生成补偿电流，并基于所述补偿电流和所述中间电流产生所述控制电流。

3.根据权利要求2所述的压控振荡器，其特征在于，所述补偿模块包括：

滤波单元，与所述采样模块连接以接收所述第一采样电流，用于滤除所述第一采样电流中的噪声电流并输出滤波电流；以及

补偿单元，与所述电压电流转换电路连接以接收所述中间电流，与所述采样模块连接以接收所述第二采样电流，与所述滤波单元连接以接收所述滤波电流，根据所述第二采样电流和所述滤波电流的差电流产生所述补偿电流，并基于所述补偿电流补偿生成所述控制电流，

所述补偿电流为所述差电流的镜像电流。

4.根据权利要求1所述的压控振荡器，其特征在于，所述补偿电流中的噪声电流与所述中间电流的噪声电流的大小相等、方向相反。

5.根据权利要求3所述的压控振荡器，其特征在于，所述滤波单元包括：

滤波网络；

第一电流镜，包括第一MOS管和第二MOS管，所述第一MOS管的控制端与所述第一MOS管的第一端连接并接收所述第一采样电流，所述第一MOS管的第二端接地，所述第二MOS管的控制端经由所述滤波网络与所述第一MOS管的控制端连接，所述第二MOS管的第一端输出所述滤波电流，所述第二MOS管的第二端接地。

6.根据权利要求5所述的压控振荡器，其特征在于，所述补偿单元包括：

第二电流镜，包括第三MOS管和第四MOS管，所述第三MOS管的控制端与所述第三MOS管的第一端连接并接收所述第二采样电流和所述滤波电流，所述第三MOS管的第二端接地，所述第四MOS管的控制端与所述第三MOS管的控制端连接，所述第四MOS管的第一端输出所述补偿电流，所述第四MOS管的第二端接地。

7.根据权利要求6所述的压控振荡器，其特征在于，所述采样模块获取所述第一采样电流和所述第二采样电流的采样系数均为

所述第一电流镜的电流比例为1：b，所述第二电流镜的电流比例为1：a，

其中，a>1，b<1。

8.根据权利要求2所述的压控振荡器，其特征在于，所述电压电流转换电路包括：

第五MOS管，所述第五MOS管的控制接收所述控制电压，所述第五MOS管的第一端输出第一电流，所述第五MOS管的第二端接地；

第三电流镜，包括第六MOS管和第七MOS管，所述第六MOS管的控制端与所述第六MOS管的第一端连接并接收所述第一电流，所述第六MOS管的第二端接收电源电压，所述第七MOS管的控制端与所述第六MOS管的控制端连接，所述第七MOS管的第一端输出所述中间电流，所述第七MOS管的第二端接收所述电源电压。

9.根据权利要求8所述的压控振荡器，其特征在于，所述采样模块包括：

第八MOS管，所述第八MOS管的控制与所述第七MOS管的控制端连接，所述第八MOS管的第一端输出第一采样电流，所述第八MOS管的第二端接收所述电源电压；

第九MOS管，所述第九MOS管的控制与所述第七MOS管的控制端连接，所述第九MOS管的第一端输出第二采样电流，所述第九MOS管的第二端接收所述电源电压。

10.根据权利要求5所述的压控振荡器，其特征在于，所述滤波网络包括：

电阻，一端与所述第一MOS管的控制端连接，另一端与所述第二MOS管的控制端连接；以及

电容，一端与所述电阻的另一端连接，另一端接地。

11.一种锁相环，其特征在于，包括：

如权利要求1-10任一项所述的压控振荡器。

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