CN115580267A - 压控环形振荡器 - Google Patents

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陈鹏鹏
林玲
谭年熊
闫广因
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Abstract

本发明提供一种压控环形振荡器，包括线性电压电流转换电路、宽范围偏置电压产生电路、环形振荡电路以及输出电路。线性电压电流转换电路将输入控制电压转换为电流，宽范围偏置电压产生电路将电流转换为电流源管的偏置电压，偏置电压控制环形振荡电路中的电流源，输出电路将信号放大进行输出。宽范围偏置电压产生电路和环形振荡电路中的电流源管加入了源极负反馈电阻。本发明中的线性电压电流转换电路和宽范围偏置电压产生电路支持的控制电压范围大，增大了压控环形振荡器的线性范围，同时电流源管的源极负反馈电阻提高了电流源间的匹配度，降低了振荡器的相位噪声。

Description

压控环形振荡器
技术领域
本发明涉及时钟源领域，特别涉及一种压控环形振荡器电路。
背景技术
压控环形振荡器以其面积小、振荡幅度大、频率范围宽的优点，在锁相环中应用广泛。压控环形振荡器目前的痛点主要有两点，一是控制电压的范围不够宽，而环形振荡器本身对工艺变化和温度变化均比较敏感，如果控制电压对应的输出频率的变化范围不能覆盖工艺和温度的变化，则会造成锁相环的失锁；二是环形振荡器的相位噪声较大，限制了压控环形振荡器的应用范围，例如对相位噪声要求较高的通信系统内的本振信号则很少采用环形振荡器来提供。
发明内容
发明目的：本发明为了克服现有技术的至少一个问题，提供一种控制电压范围大、噪声低的压控环形振荡器。
为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：
一种压控环形振荡器，包括线性电压电流转换电路、宽范围偏置电压产生电路、环形振荡电路以及输出电路。线性电压电流转换电路，用于将输入控制电压转换为电流；宽范围偏置电压产生电路包括电流源管，用于将电流转换为电流源管的偏置电压；环形振荡电路，包括电流源，用于由偏置电压控制电流源，产生振荡信号；输出电路，用于将振荡信号放大进行输出。
进一步地，线性电压电流转换电路中采用带源极负反馈电阻的零阈值电压NMOS管实现电压到电流的转换，支持轨到轨的控制电压输入，同时源极负反馈电阻采用正温度系数的电阻，以提高温度稳定性。
进一步地，宽范围偏置电压产生电路中的电流源管采用PMOS管，其栅极电压由NMOS源极跟随器产生，使得宽范围偏置电压产生电路的输入节点的电压范围可以实现轨到轨的控制电压输入。电流源管加入了源极负反馈电阻，提高了电流源间的匹配度，同时降低了输出偏置电压中的闪烁噪声。
进一步地，所述宽范围偏置电压产生电路还包括源极负反馈电阻，源极负反馈电阻的一端连接至电源电压，另一端连接至电流源管的源极。
进一步地，环形振荡电路包括N级放大级，N为大于等于3的奇数，每级放大级包括电流源、放大管以及负载管，电流源连接至放大管的漏极、负载管的漏极以及负载管的栅极；当振荡频率改变时，负载管可减小振荡幅度的变化。
进一步地，环形振荡电路中的电流源还包括源极负反馈电阻，源极负反馈电阻的一端连接至电源电压，另一端连接至电流源管的源极，源极负反馈电阻的加入提高了电流源间的匹配度，同时降低了振荡器的相位噪声。
进一步地，所述线性电压电流转换电路包括第一电阻R1、第一NMOS管M1和第二NMOS管M2，第一NMOS管M1、第二NMOS管M2均为零阈值电压NMOS管，第一电阻R1为正温度系数电阻；压控环形振荡器的控制电压连接至第一NMOS管M1和第二NMOS管M2的栅极，第一NMOS管M1和第二NMOS管M2的源极相接，同时连接至第一电阻R1的一端，第一电阻R1的另一端连接至地；记第一NMOS管M1的漏极电压为第一电压VD1，第二NMOS管M2的漏极电压为第二电压VD2；由于第一NMOS管M1和第二NMOS管M2均为零阈值电压NMOS管，使得控制电压的线性范围可以近似为轨到轨，即最小接近零电平，而最大则为电源电压。第一NMOS管M1和第二NMOS管M2的尺寸相同，从而第一电压VD1节点处的电流和第二电压VD2节点处的电流相同。
进一步地，所述宽范围偏置电压产生电路包括第三PMOS管M3、第六PMOS管M6、第七PMOS管M7，第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4以及第四NMOS管M4、第五NMOS管M5、第八NMOS管M8、第九NMOS管M9、第十NMOS管M10，其中第三PMOS管M3的漏极连接至第一电压VD1，源极连接至第三电阻R3的一端，第三电阻R3的另一端连接至电源电压；第四NMOS管M4的栅极连接至第一电压VD1，第四NMOS管M4的漏极连接至电源电压，第四NMOS管M4的源极连接至第五NMOS管M5的漏极，同时连接至第三PMOS管M3的栅极，即为第一偏置电压VP1；第五NMOS管M5的源极接地，第五NMOS管M5的栅极连接至第九NMOS管M9的栅极、第十NMOS管M10的栅极、第十NMOS管M10的漏极以及第二电阻R2的一端，第二电阻R2的另一端连接至电源电压；第十NMOS管M10的源极接地；第七PMOS管M7的漏极连接至第二电压VD2，第七PMOS管M7的源极连接至第六PMOS管M6的漏极，第六PMOS管M6的源极连接至第四电阻R4的一端，第四电阻R4的另一端连接至电源电压；第八NMOS管M8的栅极连接至第二电压VD2，第八NMOS管M8的漏极连接至电源电压，第八NMOS管M8的源极连接至第九NMOS管M9的漏极以及第六PMOS管M6的栅极和第七PMOS管M7的栅极，即为第二偏置电压VP2；第九NMOS管M9的源极接地；第三电阻R3和第四电阻R4的阻值相同，第一偏置电压VP1和VP2即为共源共栅电流源的两个偏置电压。
进一步地，所述环形振荡电路中每级放大级的电流源为共源共栅电流源，包括第i源极负反馈电阻Roi、第i共源PMOS管MEi和第i共栅PMOS管MGi，放大管包括第i反向放大NMOS管MAi，负载管包括第i负载NMOS管MBi，1≤i≤N；第i源极负反馈电阻Roi和第三电阻R3的阻值相同，第i共源PMOS管MEi与第三PMOS管M3尺寸相同，第i共栅PMOS管MGi与第七PMOS管M7尺寸相同，每级的第i反向放大NMOS管MAi尺寸相同，每级的第i负载NMOS管MBi尺寸相同；第i共源PMOS管MEi的栅极连接至第一偏置电压VP1，源极连接至第i源极负反馈电阻Roi的一端，第i源极负反馈电阻Roi的另一端连接至电源电压；第i共栅PMOS管MGi的栅极连接至第二偏置电压VP2，源极连接至第i共源PMOS管MEi的漏极，漏极连接至第i反向放大NMOS管MAi的漏极；第i反向放大NMOS管MAi的源极接地；从第2级放大级开始的每级反向放大NMOS管的栅极连接至前一级反向放大NMOS管的漏极，第1级反向放大NMOS管的栅极连接至第N级反向放大NMOS管的漏极；第i负载NMOS管MBi的源极接地，栅极连接至自身的漏极，并再连接至第i共栅PMOS管MGi的漏极。
进一步地，所述输出电路包括第十二NMOS管M12、第十一PMOS管M11以及第五电阻R5，第五电阻R5与第三电阻R3阻值相同，第十一PMOS管M11与第三PMOS管M3尺寸相同，第十二NMOS管M12与第i反向放大NMOS管MAi尺寸相同；第十一PMOS管M11的栅极连接至第一偏置电压VP1，源极连接至第五电阻R5的一端，第五电阻R5的另一端连接至电源电压；第十一PMOS管M11的漏极连接至第十二NMOS管M12的漏极；第十二NMOS管M12的源极接地，栅极连接至第N负载NMOS管MBN的漏极。
有益效果：本发明的压控环形振荡器中的线性电压电流转换电路和宽范围偏置电压产生电路支持的控制电压范围大，增大了压控环形振荡器的线性范围，线性电压电流转换电路中的正温度系数电阻提高了振荡器的温度稳定性，同时电流源管的源极负反馈电阻提高了电流源间的匹配度，降低了振荡器的相位噪声。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明做更进一步的具体说明，本发明的上述和/或其他方面的优点将会变得更加清楚。
图1是本发明压控环形振荡器的结构框图。
图2是本发明压控环形振荡器的电路图。
具体实施方式
下面将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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
本实施例提供的一种压控环形振荡器，可以应用于MCU(Microcontroller Unit，微控制单元)中。
如图1所示，本发明提供一种压控环形振荡器，包括线性电压电流转换电路、宽范围偏置电压产生电路、环形振荡电路以及输出电路。
所述线性电压电流转换电路，用于将输入控制电压转换为电流；
所述宽范围偏置电压产生电路，包括电流源管，用于将电流转换为电流源管的偏置电压；
所述环形振荡电路，包括电流源，用于由偏置电压控制电流源，产生振荡信号；
所述输出电路，用于放大振荡信号并进行输出。
作为一种优选方案，如图2所示，线性电压电流转换电路包括第一电阻R1、第一NMOS管M1和第二NMOS管M2。第一NMOS管M1、第二NMOS管M2均为零阈值电压NMOS管，第一电阻R1为正温度系数电阻，即温度越高阻值越大，CMOS工艺中常见的N型有源区电阻和N型Poly电阻即为正温度系数电阻。压控环形振荡器的控制电压连接至第一NMOS管M1和第二NMOS管M2的栅极，第一NMOS管M1和第二NMOS管M2的源极相接，同时连接至第一电阻R1的一端，第一电阻R1的另一端连接至地。第一NMOS管M1的漏极连接至第一电压VD1，第二NMOS管M2的漏极连接至第二电压VD2。由于第一NMOS管M1和第二NMOS管M2均为零阈值电压NMOS管，使得控制电压的线性范围可以近似为轨到轨，即最小接近零电平，而最大则为电源电压。第一NMOS管M1和第二NMOS管M2的尺寸相同，从而第一电压VD1节点处的电流和第二电压VD2节点处的电流相同。第一NMOS管M1和第二NMOS管M2的阈值电压为负温度系数，正温度系数的第一电阻R1可减小第一NMOS管M1和第二NMOS管M2的漏极电流的温度系数，提高温度稳定性。
本实施例中，如图2所示，宽范围偏置电压产生电路包括第三PMOS管M3、第六PMOS管M6、第七PMOS管M7，第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4以及第四NMOS管M4、第五NMOS管M5、第八NMOS管M8、第九NMOS管M9、第十NMOS管M10。其中第三PMOS管M3的漏极连接至第一电压VD1，源极连接至第三电阻R3的一端，第三电阻R3的另一端连接至电源电压。第四NMOS管M4的栅极连接至第一电压VD1，第四NMOS管M4的漏极连接至电源电压，第四NMOS管M4的源极连接至第五NMOS管M5的漏极，同时连接至第三PMOS管M3的栅极，即为第一偏置电压VP1。第五NMOS管M5的源极接地，第五NMOS管M5的栅极连接至第九NMOS管M9的栅极、第十NMOS管M10的栅极、第十NMOS管M10的漏极以及第二电阻R2的一端，第二电阻R2的另一端连接至电源电压。第十NMOS管M10的源极接地。第七PMOS管M7的漏极连接至第二电压VD2，第七PMOS管M7的源极连接至第六PMOS管M6的漏极，第六PMOS管M6的源极连接至第四电阻R4的一端，第四电阻R4的另一端连接至电源电压。第八NMOS管M8的栅极连接至第二电压VD2，第八NMOS管M8的漏极连接至电源电压，第八NMOS管M8的源极连接至第九NMOS管M9的漏极以及第六PMOS管M6的栅极和第七PMOS管M7的栅极，即为第二偏置电压VP2。第九NMOS管M9的源极接地。第三电阻R3和第四电阻R4的阻值相同，第一偏置电压VP1和VP2即为共源共栅电流源的两个偏置电压。
本实施例中，源极跟随器第四NMOS管M4和第八NMOS管M8的加入，使得第一电压VD1和第二电压VD2最大可接近电源电压。第四NMOS管M4的栅源电压|VGS4|小于PMOS管第三PMOS管M3的栅源电压|VGS3|，从而第三PMOS管M3的漏源电压VDS3可维持在|VGS3|-|VGS4|。第八NMOS管M8的栅源电压|VGS8|小于第七PMOS管M7的栅源电压|VGS7|，从而第七PMOS管M7的漏源电压VDS7可维持在|VGS7|-|VGS8|。第六PMOS管M6工作在线性电阻区。源极负反馈电阻R3和R4的加入，提高了电流源间的匹配度，同时降低了输出第一偏置电压VP1和第二偏置电压VP2中的闪烁噪声。
本实施例中，环形振荡电路包括N级放大级，每级放大级包括电流源、放大管以及二极管连接的负载管，所述二极管连接表示负载管的栅极和漏极连在一起，限定震荡幅度的负载，如图2所示，电流源包括源极负反馈电阻Ro1、Ro2、……、RoN，PMOS管ME1、ME2、……、MEN和PMOS管MG1、MG2、……、MGN，放大管为NMOS管MA1、MA2、……、MAN，二极管连接的负载管为NMOS管MB1、MB2、……、MBN。源极负反馈电阻Ro1、Ro2、……、RoN与第三电阻R3、第四电阻R4阻值相同，PMOS管ME1、ME2、……、MEN与第三PMOS管M3尺寸相同，PMOS管MG1、MG2、……、MGN与第七PMOS管M7尺寸相同。NMOS管MA1、MA2、……、MAN尺寸相同，MB1、MB2、……、MBN尺寸相同。ME1、ME2、……、MEN的栅极均连接至第一偏置电压VP1，源极分别连接至源极负反馈电阻Ro1、Ro2、……、RoN的一端，源极负反馈电阻Ro1、Ro2、……、RoN的另一端均连接至电源电压。MG1、MG2、……、MGN的栅极均连接至第二偏置电压VP2，源极分别连接至ME1、ME2、……、MEN的漏极，漏极分别连接至MA1、MA2、……、MAN的漏极。MA1、MA2、……、MAN的源极均接地。MA2的栅极连接至MA1的漏极，MA3的栅极连接至MA2的漏极，……，MAN的栅极连接至MAN-1的漏极，MA1的栅极连接至MAN的漏极。MB1、MB2、……、MBN的源极均接地，栅极分别连接至各自的漏极，并再分别连接至MG1、MG2、……、MGN的漏极。
源极负反馈电阻Ro1、Ro2、……、RoN，PMOS管ME1、ME2、……、MEN和PMOS管MG1、MG2、……、MGN分别组成N级放大级的N个带源极电阻负反馈的共源共栅电流源，PMOS管ME1、ME2、……、MEN为共源管，PMOS管MG1、MG2、……、MGN为共栅管。源极负反馈电阻Ro1、Ro2、……、RoN的加入提高了电流源的匹配度，同时减小了电流源的闪烁噪声，进而可以减小振荡器的相位噪声。NMOS管MB1、MB2、……、MBN为二极管连接的负载管，当振荡频率改变时，负载管可减小振荡幅度的变化，维持相对稳定的振荡幅度。
于本实施例中，输出电路包括第十二NMOS管M12，第十一PMOS管M11以及第五电阻R5，第五电阻R5与第三电阻R3阻值相同，第十一PMOS管M11与第三PMOS管M3尺寸相同，第十二NMOS管M12与第i反向放大NMOS管MAi尺寸相同。输出电路中第十一PMOS管M11的栅极连接至第一偏置电压VP1，源极连接至第五电阻R5的一端，第五电阻R5的另一端连接至电源电压；第十一PMOS管M11的漏极连接至第十二NMOS管M12的漏极；第十二NMOS管M12的源极接地，栅极连接至第N负载NMOS管MBN的漏极。第十二NMOS管M12起放大作用，负载仅由共源管第十一PMOS管M11和第五电阻R5组成，未加入共栅管，可将振荡波形放大至满幅。
本发明提供了一种压控环形振荡器，具体实现该技术方案的方法和途径很多，以上所述仅是本发明的具体实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。

Claims (10)

1.一种压控环形振荡器，其特征在于，包括线性电压电流转换电路、宽范围偏置电压产生电路、环形振荡电路和输出电路：
所述线性电压电流转换电路，用于将输入控制电压转换为电流；
所述宽范围偏置电压产生电路，包括电流源管，用于将电流转换为电流源管的偏置电压；
所述环形振荡电路，包括电流源，用于由偏置电压控制电流源，产生振荡信号；
所述输出电路，用于放大振荡信号并进行输出。
2.根据权利要求1所述的一种压控环形振荡器，其特征在于，所述线性电压电流转换电路中采用带源极负反馈电阻的零阈值电压NMOS管实现电压到电流的转换，支持轨到轨的控制电压输入，同时源极负反馈电阻采用正温度系数的电阻。
3.根据权利要求2所述的一种压控环形振荡器，其特征在于，所述宽范围偏置电压产生电路中的电流源管采用PMOS管，其栅极电压即偏置电压，由NMOS源极跟随器产生，使得宽范围偏置电压产生电路的输入节点的电压范围能够实现轨到轨的控制电压输入。
4.根据权利要求3所述的一种压控环形振荡器，其特征在于，所述宽范围偏置电压产生电路还包括源极负反馈电阻，源极负反馈电阻的一端连接至电源电压，另一端连接至电流源管的源极。
5.根据权利要求4所述的一种压控环形振荡器，其特征在于，所述环形振荡电路包括N级放大级，N为大于等于3的奇数，每级放大级包括电流源、放大管以及负载管，电流源连接至放大管的漏极、负载管的漏极以及负载管的栅极；当振荡频率改变时，所述负载管能够减小振荡幅度的变化。
6.根据权利要求5所述的一种压控环形振荡器，其特征在于，所述环形振荡电路中的电流源还包括源极负反馈电阻，源极负反馈电阻的一端连接至电源电压，另一端连接至电流源管的源极。
7.根据权利要求6所述的一种压控环形振荡器，其特征在于，所述线性电压电流转换电路包括第一电阻R1、第一NMOS管M1和第二NMOS管M2，第一NMOS管M1、第二NMOS管M2均为零阈值电压NMOS管，第一电阻R1为正温度系数电阻；压控环形振荡器的控制电压连接至第一NMOS管M1和第二NMOS管M2的栅极，第一NMOS管M1和第二NMOS管M2的源极相接，同时连接至第一电阻R1的一端，第一电阻R1的另一端连接至地；记第一NMOS管M1的漏极电压为第一电压VD1，第二NMOS管M2的漏极电压为第二电压VD2；第一NMOS管M1和第二NMOS管M2的尺寸相同。
8.根据权利要求7所述的一种压控环形振荡器，其特征在于，所述宽范围偏置电压产生电路包括第三PMOS管M3、第六PMOS管M6、第七PMOS管M7，第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4以及第四NMOS管M4、第五NMOS管M5、第八NMOS管M8、第九NMOS管M9、第十NMOS管M10，其中第三PMOS管M3的漏极连接至第一电压VD1，源极连接至第三电阻R3的一端，第三电阻R3的另一端连接至电源电压；第四NMOS管M4的栅极连接至第一电压VD1，第四NMOS管M4的漏极连接至电源电压，第四NMOS管M4的源极连接至第五NMOS管M5的漏极，同时连接至第三PMOS管M3的栅极，即为第一偏置电压VP1；第五NMOS管M5的源极接地，第五NMOS管M5的栅极连接至第九NMOS管M9的栅极、第十NMOS管M10的栅极、第十NMOS管M10的漏极以及第二电阻R2的一端，第二电阻R2的另一端连接至电源电压；第十NMOS管M10的源极接地；第七PMOS管M7的漏极连接至第二电压VD2，第七PMOS管M7的源极连接至第六PMOS管M6的漏极，第六PMOS管M6的源极连接至第四电阻R4的一端，第四电阻R4的另一端连接至电源电压；第八NMOS管M8的栅极连接至第二电压VD2，第八NMOS管M8的漏极连接至电源电压，第八NMOS管M8的源极连接至第九NMOS管M9的漏极以及第六PMOS管M6的栅极和第七PMOS管M7的栅极，即为第二偏置电压VP2；第九NMOS管M9的源极接地；第三电阻R3和第四电阻R4的阻值相同。
9.根据权利要求8所述的一种压控环形振荡器，其特征在于，所述环形振荡电路中每级放大级的电流源为共源共栅电流源，包括第i源极负反馈电阻Roi、第i共源PMOS管MEi和第i共栅PMOS管MGi，放大管包括第i反向放大NMOS管MAi，负载管包括第i负载NMOS管MBi，1≤i≤N；第i源极负反馈电阻Roi和第三电阻R3的阻值相同，第i共源PMOS管MEi与第三PMOS管M3尺寸相同，第i共栅PMOS管MGi与第七PMOS管M7尺寸相同，每级的第i反向放大NMOS管MAi尺寸相同，每级的第i负载NMOS管MBi尺寸相同；第i共源PMOS管MEi的栅极连接至第一偏置电压VP1，源极连接至第i源极负反馈电阻Roi的一端，第i源极负反馈电阻Roi的另一端连接至电源电压；第i共栅PMOS管MGi的栅极连接至第二偏置电压VP2，源极连接至第i共源PMOS管MEi的漏极，漏极连接至第i反向放大NMOS管MAi的漏极；第i反向放大NMOS管MAi的源极接地；从第2级放大级开始的每级反向放大NMOS管的栅极连接至前一级反向放大NMOS管的漏极，第1级反向放大NMOS管的栅极连接至第N级反向放大NMOS管的漏极；第i负载NMOS管MBi的源极接地，栅极连接至自身的漏极，并再连接至第i共栅PMOS管MGi的漏极。
10.根据权利要求9所述的一种压控环形振荡器，其特征在于，所述输出电路包括第十二NMOS管M12、第十一PMOS管M11以及第五电阻R5，第五电阻R5与第三电阻R3阻值相同，第十一PMOS管M11与第三PMOS管M3尺寸相同，第十二NMOS管M12与第i反向放大NMOS管MAi尺寸相同；第十一PMOS管M11的栅极连接至第一偏置电压VP1，源极连接至第五电阻R5的一端，第五电阻R5的另一端连接至电源电压；第十一PMOS管M11的漏极连接至第十二NMOS管M12的漏极；第十二NMOS管M12的源极接地，栅极连接至第N负载NMOS管MBN的漏极。
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