CN1499728A - 电压控制的振荡器和具有该振荡器的集成电路装置 - Google Patents

电压控制的振荡器和具有该振荡器的集成电路装置 Download PDF

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Abstract

电压控制振荡器具有根据控制电压以一频率振荡的电压控制振荡电路和将电压控制振荡器的输出限制在预定电平的限制器电路。该结构使保持恒定输出电平而与振荡频率无关成为可能。

Description

电压控制的振荡器和具有该振荡器的集成电路装置
发明背景
发明领域
本发明涉及根据控制电压以一频率振荡的电压控制的振荡器，还涉及具有这种电压控制的振荡器的集成电路装置。
现有技术描述
卫星广播调谐器、有线电视调谐器等等结合了PLL(锁相回路)合成器电路作为用于控制本地信号的频率，并且其振荡源通常使用根据控制电压以一频率振荡的电压控制振荡器来实现。在需要在宽范围内改变本地信号的频率的情况中，使用具有可转接地彼此并联的多个电压控制振荡电路的电压控制振荡器实现PLL合成器电路的振荡源，每个电压控制振荡电路在不同的频率范围内振荡(参见日本特许公开No.S58-136142)。
事实上，使用以上所述的特许公开中所揭示的电压控制振荡器，有可能在宽范围内改变本地信号频率而不必加宽每个电压控制振荡电路的可变振荡频率。这有助于使包含于每个电压控制振荡电路中的谐振电路的Q值降低得最小，并因此有助于实现理想的相位噪声特性。
但是，如上所述配置的电压控制振荡器具有缺点，即当电压控制振荡电路的输出电平彼此不同，造成具有信号的输出电平根据频率变化。在后续级(succeeding-stage)电路要求以恒定电平在整个频率范围内提供本地信号的情况中，这可以引起问题。即使在只具有一个电压控制振荡电路的电压控制振荡器中，本地信号的输出电平可以根据向其提供的控制电压而变化。这可以产生如上所述的类似问题。
此外，在如上所述配置的电压控制振荡器中，配置相邻电压控制振荡电路的可变振荡频率范围以使在它们的末端重叠从而实现在作为整体的连续的频率范围内振荡。但是，尚没有完整的研究表明如下事实，即单个电压控制振荡电路的可变振荡频率范围由于各种因素(诸如电源电压变化、工作温度变化和制造偏差)而变化。结果，在如上所述配置的电压控制振荡器被结合入集成电路装置的情况中，不可能唯一地确定选择哪个电压控制振荡电路用于以给定频率振荡。
现在，将参考图7更详细地说明上述问题。图7是示出常规电压控制的振荡器的可变振荡频率范围的图示。在图中所示的电压控制振荡器中，其构成电压控制振荡电路VCO1和VCO2的可变振荡频率范围是，当多数在低侧上(低状态中)偏离时，分别从90MHz到140MHz和从130MHz到180MHz，且，多数在高侧上(高状态中)偏离时，分别从110MHz到160MHz和从150MHz到200MHz。在这种方式中，在该常规电压控制振荡器中，设定电压控制振荡电路VCO1和VCO2的可变振荡频率范围以使在每个状态中它们的末端重叠，从而实现在连续频率范围内整体振荡。
事实上，使用如上所述配置的电压控制振荡器，就有可能在任何状态中将振荡频率控制在从110MHz到180MHz的范围内。但是，当电压控制振荡电路VCO1和VCO2分别考虑时，它们不受变化影响的可变振荡频率范围分别被限制到从110MHz到140MHz和从150MHz到180MHz。因此，对于在频率范围从140MHz到150MHz内的振荡，不能唯一确定在电压控制振荡电路VCO1和VCO2之间选择哪个。结果，如上所述配置的电压控制振荡器需要用于检测是否每个电压控制振荡电路VCO1和VCO2能以所需频率振荡的电路和用于当它们中的一个被发现不能以该频率振荡时选择另一个的电路。这增加了电路规模和由电压控制振荡器产生的功率损耗。
发明概述
本发明的第一目的是提供能始终保持恒定的输出电平而与振荡频率无关的电压控制振荡器，以及提供具有这种电压控制振荡器的集成电路装置。本发明的第二目的是提供能唯一确定选择哪个电压控制振荡电路用于以给定频率振荡的电压控制振荡器，以及提供具有这种电压控制振荡器的集成电路装置。
为了实现以上第一个目的，根据本发明的一个方面，电压控制振荡器具有：根据控制电压以一频率振荡的电压控制的振荡电路，和将电压控制的振荡器的输出限制到预定电平的限制器电路。可供选择地，根据本发明的另一个方面，电压控制振荡器具有：根据控制电压以一频率振荡的多个电压控制的振荡电路；选择一个电压控制振荡电路并使所选电压控制的振荡电路工作的选择器电路；以及将所选电压控制的振荡电路限制到预定电平的限制器电路。
为了实现以上第二个目的，根据本发明的另一个方面，电压控制振荡器具有：根据控制电压以一频率振荡的多个电压控制的振荡电路；和选择一个电压控制的振荡电路并使所选电压控制的振荡电路工作的选择器电路。这里，设定相邻的电压控制振荡电路的可变振荡频率范围以使在它们的末端重叠，且调整单个电压控制的振荡电路的可变振荡频率以使多数在低侧上偏离时所观察的第n(其中n≥1)个电压控制振荡电路的上端频率比在多数在高侧偏离时所观察的第m个(其中m＝n+1)电压控制振荡电路的下端频率高。
根据本发明的又一个方面，集成电路装置具有如上所述配置的电压控制的振荡器。
附图概述
由以下描述结合较佳实施例并参考附图，将使本发明的这个和其他目的及特点变得清楚。
图1A和1B是显示本发明的电压控制振荡器的框图；
图2是本发明的第一实施例的电压控制振荡器的电路图；
图3是本发明的第二实施例的电压控制振荡器的电路图；
图4A和4B是示出电压控制振荡电路VCO1和VCO2以及限制器电路LMT的设计实例的框图。
图5A和5B是示出到电压控制振荡电路和限制器电路的电源线设计实例的框图；
图6是示出显示本发明的电压控制振荡器的可变振荡频率范围的图示；以及
图7是示出常规电压控制振荡器的可变振荡频率范围的图示。
具体实施方式
图1A和1B是显示本发明的电压控制振荡器的框图。如图1A所示，显示本发明的电压控制振荡器1a由根据控制电压以一频率振荡的电压控制振荡电路VCO和将电压控制振荡器电路VCO的输出限制到预定电平的限制器电路LMT组成。在以这种方式配置的电压控制振荡器1a中，即使当电压控制振荡电路VCO的输出电平随其振荡频率根据控制电压变化而变化，只要输出电平保持比预定的电平高，则限制器电路LMT的输出电平保持恒定。使用这种结构，有可能始终保持恒定输出电平而与振荡频率无关。
在需要在宽范围改变振荡电平的情况中，如图1B所示，显示本发明的电压控制振荡器可以由根据控制电压以一频率振荡的多个电压控制振荡电路VCO1到VCOn、选择电压控制振荡电路VCO1到VCOn中的一个从而使其工作的选择器电路SLT和将所选电压控制振荡电路限制于预定电平的限制器电路LMT组成。在以这种方式配置的电压控制振荡器1b中，即使当电压控制振荡电路VCO1到VCOn的输出电平彼此不同时，只要所有的输出电平保持超过预定电平，则限制器电路LMT的输出电平保持恒定。使用这种结构，有可能始终保持恒定输出电平而与振荡电平无关。
现在，将参考图2更详细地描述如上所述配置的电压控制振荡器的电路结构和操作的实例。图2是本发明的第一实施例的电压控制振荡器的电路图。如该图所示，该实施例的电压控制振荡器由其振荡频率在不同范围内可变的两个电压控制振荡电路VCO1和VCO2、选择电压控制振荡电路VCO1和VCO2中的一个从而使其工作的选择器电路SLT和将所选电压控制振荡电路限制于预定电平的限制器电路LMT组成。
电压控制振荡电路VCO1由PMOS晶体管P11和P12、NMOS晶体管N11到N14、电感器L11和L12以及变容二极管C11和C12组成。同样地，电压控制振荡电路VCO2由PMOS晶体管P21和P22、NMOS晶体管N21到N24、电感器L21和L22以及变容二极管C21和C22组成。限制器电路LMT由NMOS晶体管N31到N34、负载电阻Rout1和Rout2以及恒流源I1组成。
晶体管P11和P12的源极连接在一起，且它们连接在一起的节点连接到选择器电路SLT的一个输出端。晶体管P11的漏极连接到晶体管P12的栅极，到电感器L11的一端，到变容二极管C11的阴极，到晶体管N11的漏极以及到晶体管N12和N14的栅极。晶体管P12的漏极连接到晶体管P11的栅极，到电感器L12的一端、到变容二极管C12的阴极、到晶体管N12的漏极以及到晶体管N11和N13的栅极。电感器L11和L12的另一端连接在一起。变容二极管C11和C12的阳极连接在一起，且它们连接在一起的节点连接到控制电压线。晶体管N11到N14的源极连接在一起，而它们连接在一起的节点被接地。
晶体管P21和P22的源极连接在一起，且它们连接在一起的节点连接到选择器电路SLT的另一个输出端。晶体管P21的漏极连接到晶体管P22的栅极、到电感器L21的一端、到变容二极管C21的阴极、到晶体管N21的漏极以及到晶体管N22和N24的栅极。晶体管P22的漏极连接到晶体管P21的栅极、到电感器L22的一端、到变容二极管C22的阴极、到晶体管N22的漏极以及到晶体管N21和N23的栅极。电感器L21和L22的另一端连接在一起。变容二极管C21和C22的阳极连接在一起，且它们连接在一起的节点连接到控制电压线。晶体管N21到N24的源极连接在一起，且它们连接在一起的节点被接地。
晶体管N13和N23的漏极连接在一起，且它们连接在一起的节点通过电压转换电阻器Rin1连接到电源线。晶体管N14和N24的漏极连接在一起，且它们连接在一起的节点通过电压转换电阻器Rin2连接到电源线。
电压转换电阻Rin1和Rin2的一端(即，端A和B)分别连接到用作限制器电路LMT的差分输入端的晶体管N31和N32的栅极。用作限制器电路LMT的差分输出端的N31和N32的漏极通过负载电阻器Rout1和Rout2连接在一起，且它们连接在一起的节点连接到电源线。晶体管N31和N32的源极连接在一起，且它们连接在一起的节点连接到晶体管N34的漏极。晶体管N33和N34的栅极连接在一起，且它们连接在一起的节点连接到晶体管N33的漏极。晶体管N33的漏极通过恒定电流源11连接到电源线。晶体管N33和N34的源极连接在一起，且它们连接在一起的节点是接地。在该实施例中，由晶体管N33和N34形成的电流反射镜电路具有电流反射比1∶1。无需说明，电流反射镜电流可以具有任何有别于1∶1的比率，例如1∶a(其中a是正整数)。
在如上所述配置的电压控制振荡器1c中，选择器电路SLT所选的电压控制振荡器电路VCO1和VCO2中的那一个被提供电源电压，从而使其能振荡。这里，电压控制振荡电路VCO1和VCO2分别以以下公式(1)给出的振荡频率f1和f2振荡。在公式(1)中，变量L1表示电感器L11和L12的电感，变量L2表示电感器L21和L22的电感，变量C1表示变容二极管C11和C12的电容而变量C2表示变容二极管C21和C22的电容。
f 1 = 1 2 π L 1 · C 1 , f 2 = 1 2 π L 2 · C 2 - - - ( 1 )
变量C1和C2根据控制电压变化，这使得能够通过改变控制电压来改变振荡频率f1和f2。此外，通过适当地调整变量L1、L2、C1和C2，有可能使电压控制振荡电路VCO1和VCO2能够在不同的频率范围内振荡。
电压控制振荡电路VCO1和VCO2的电流输出被加在一起，且随后它们的和通过电压转换电阻Rin1和Rin2被转换为电压。在电压控制振荡电路VCO1和VCO2的电流输出很低的情况中，使电压转换电阻Rin1和Rin2具有高电阻使得可能得到更高的电压。因此，转换为电压的振荡输出随后被提供到包含于限制器电路LMT中的差分放大器电路。这里，如果输入电压足够高以至于超出差分放大器电路的动态范围，则差分放大器电路以饱和状态工作，且因此产生恒定的输出电平。
现在，将更详细地描述限制器电路LMT的工作。当包含于限制器电路中的差分放大器电路接收超出其动态范围的电压时，晶体管N31和N32中的一个打开而另一个关闭。例如，当端A处的电压很高而端B处的电压很低时，晶体管N31打开而晶体管N32关闭。另一方面，当端A处的电压很低而端B处的电压很高时，晶体管N31关闭而晶体管N32打开。
这里假定电源电压是VDD，差分放大器电路的负载电阻器Rout1和Rout2的电阻是Rout，且流过晶体管N34的尾电流(即差分放大器电路的工作电流)是I。随后，在差分放大器电路工作在饱和状态时在输出端OUT1和OUT2处得到的电压分别或者是VDD或者是VDD-(Rout×I)。因此，差分输出幅度(即，限制器电路LMT的输出电平)是2×Rout×I。因此，通过适当地设定差分放大器电路的负载电阻Rout和尾电流I，就有可能得到所需的输出电平。
接着，将参考图3详细地描述本发明的第二实施例。图3是本发明的第二实施例的电压控制振荡器的电路图。配置该实施例的电压控制振荡器1d从而，当形成于集成电路中时，即使晶体管、电阻器和其他元件的特性和常数存在制造上的偏差，它的输出电平受到最小的变化。如图3所示，该实施例的电压控制振荡器具有大量和第一实施例(参见图2)相同的结构。因此，在该实施例的以下描述中，也能在第一实施例中找到的相同电路元件具有相同的标号，且它们的说明将不再重复，而是将重点放在对该实施例独特的特点上(特别是，包括在限制器电路LMT中的恒流源I1的电路结构)。
如图3所示，在该实施例的电压控制振荡器1d中，包含于限制器电路LMT中的恒流源I1由PMOS晶体管P31和P32以及电流产生电阻器(current producingresistor)Rbias组成。晶体管P31和P32的源极连接在一起，且它们连接在一起的节点连接到电源线。晶体管P31和P32的栅极连接在一起，且它们连接在一起的节点连接到晶体管P31的漏极。晶体管P31的漏极连接到偏压线，且还通过电流产生电阻器Rbias接地。晶体管P32的漏极连接到晶体管N33的漏极。在该实施例中，由晶体管P31和P32形成的电流反射镜电路具有电流反射比1∶1。无需说明，电流反射镜电流可以具有任何有别于1∶1的比率，例如1∶b(其中b是正整数)。
在将偏压Vbias施加到如上所述配置的恒流源I1时，差分放大器电路的尾电流I是Vbias/Rbias，且因此限制器电路LMT的差分输出幅度是2×Rout×I＝2×Rout×(Vbias/Rbias)。由于这种结构，其中差分放大器电路的尾电流I不完全固定而是根据电流产生电阻Rbias的变化而变化，当电压控制振荡器1d形成于集成电路时，即使限制器电路LMT的负载电阻Rout变化，可以用电流产生电阻Rbias对消其影响。这帮助降低输出电平的变化。
特别地，通过将电流产生电阻器Rbias用作和负载电阻器Rout1及Rout2同样类型的装置并将前者置于靠近后者，则有可能使它们的制造偏差的倾向相似且由此使输出电平的变化最小。
建议将带隙电压用作施加到如上所述配置的恒流源I1的偏压Vbias。由于这种结构，有可能保持恒定的输出电平不仅不受制造偏差影响还不受电源电压的变化和工作温度变化的影响。
接着，将参考图4A和4B描述排列电压控制振荡电路VCO1和VCO2以及限制器电路LMT的设计。图4A和4B是示出电压控制振荡电流VCO1和VCO2以及限制器电路LMT的设计实例的框图。
在体现本发明的电压控制振荡器中，建议以这种方式放置限制器电路LMT，即从电压控制振荡电路VCO1和VCO2到它的导线一样长。在图4A中，限制器电路LMT被置于离电压控制振荡电路VCO1和VCO2相等距离的位置。由于这种结构，不存在由布线电容在电压控制振荡电路VCO1和VCO2的输出中产生的衰减程度的不同。这确保了对于电压控制振荡电路VCO1和VCO2两者，限制器电路LMT以同样的方式工作。
在不能采纳以上设计的情况中，或在优先确保限制器电路LMT饱和工作的充足容限(ample margin)的情况中，建议以这种方式放置限制器电路LMT，即从单个电压控制振荡电路到它的导线长度以其输出电平降低的顺序逐渐变短。图4B中，限制器电路LMT被置于靠近产生较低输出的电压控制振荡电路(特别是，这里，电压控制振荡电路VCO1)。由于这种结构，有可能是由布线电容在电压控制振荡电路的输出中产生的衰减程度以其输出电平降低的顺序逐渐降低。这使得更易于保持限制器电路LMT以饱和状态工作所需的预定输入电平，并使确保限制器电路LMT饱和工作的充足容限成为可能。
接着，将参考图5A和5B描述到电压控制振荡电路和限制器电路LMT的电源线设计。图5A和5B是示出到电压控制振荡电路和限制器电路LMT的电源线设计实例的框图。图5A示出显示本发明的电压控制振荡器的电路结构，其中到电压控制振荡电路VCO的电源线和到限制器电路LMT的电源线彼此分开。相对的，作为比较，图5B示出一电路结构，其中电压控制振荡电路VCO和限制器电路LMT之间共享同一电源线。图5A和5B中，电源线的导线电阻由Ra到Rd表示。
如上所述，在体现本发明的电压控制振荡器中，到电压控制振荡电路VCO的电源线和到限制器电路LMT的电源线彼此分开。通过除去电源线上电压控制振荡电路VCO和限制器电路LMT之间以这种方式共享的共用负载，就可能防止一个电路影响另一个电路。特别地，在图5B所示的电路结构中，在电压控制振荡电路VCO中产生(Ra+Rb)×(Ia+Ib)的电压降，在图5A所示的电路结构中，电压降是(Ra+Rb)×Ia，获得在电压降内的(Ra+Rb)×Ib的减少。因此，由于这种结构，有可能避免由限制器电路LMT的附加设置(additional provision)产生的电压控制振荡电路VCO的相位噪声特性的恶化。
接着，将参考图6描述单个电压控制振荡电路的可变振荡频率范围。图6是示出实现本发明的电压控制振荡器的可变振荡频率范围的图示。在图中所示的电压控制振荡器中，其部分电压控制振荡电路VCO1到VCO3的可变振荡频率范围是，当多数在低侧上(低状态中)偏离时，分别从90MHz到140MHz、从110MHz到160MHz和从130MHz到180MHz，且，多数在高侧上(高状态中)偏离时，分别从110MHz到160MHz、从130MHz到180MHz和从150MHz到200MHz。在这种方式中，在体现本发明的该电压控制振荡器中，不但是单个电压控制振荡电路VCO1到VCO3的可变振荡频率范围被设置以便在任何状态时如常规实施那样在其末端重叠，而且单个电压控制振荡电路VCO1到VCO3的可变振荡频率范围的那些部分，即不受变化(特别地，分别从110MHz到140MHz、从130MHz到160MHz和从150MHz到180MHz)的部分，被设置以便在它们的末端重叠。也就是说，在体现本发明的该电压控制振荡器中，单个电压控制振荡电路的可变振荡频率范围被调整以使在低状态中观察的第n(其中n≥1)个电压控制振荡电路的高侧频率比在高状态中观察的第m(其中m＝n+1)个电压控制振荡电路的低侧频率高。
使用如上所述配置的电压控制振荡器，在任何状态中，不仅可能在从110MHz到180MHz的范围内改变振荡频率，而且还可能唯一地决定在给定频率处选择哪个电压控制振荡电路用于振荡。当它们中的任何一个被发现不能以该频率振荡时，这消除了对用于检测电压控制振荡电路VCO1到VCO3中的每一个是否可以以所需频率振荡的需要和对用于选择的电路的需要。这有助于降低由电压控制振荡器产生的功率消耗和电路规模。
如上所述，使用根据本发明的电压控制振荡器和使用具有该电压控制振荡器的集成电路装置，有可能始终保持恒定的输出电平而与振荡频率无关。此外，使用根据本发明的电压控制振荡器和使用具有该电压控制振荡器的集成电路装置，有可能唯一确定为在给定频率振荡所选的电压控制振荡电路。

Claims (18)

1.电压控制的振荡器，其特征在于，包括：
电压控制的振荡电路，它根据控制电压以一频率振荡；以及
限制器电路，它将电压控制的振荡器的输出限制在预定电平。
2.如权利要求1所述的电压控制的振荡器，其特征在于，所述限制器电路包括差分放大器电路，它接收电压控制的振荡电路的输出并在饱和状态工作。
3.如权利要求2所述的电压控制的振荡器，其特征在于，所述差分放大器电路以由恒流源通过将预定电压施加到电流产生电阻器而产生的工作电流工作。
4.如权利要求3所述的电压控制的振荡器，其特征在于，所述电流产生电阻器是和差分放大器的负载电阻器相同类型的装置，且它被置于靠近所述负载电阻。
5.如权利要求3所述的电压控制的振荡器，其特征在于，所述预定电压由带隙电路产生。
6.如权利要求1所述的电压控制振荡器，其特征在于，到电压控制振荡电路的电源线和到限制器电路的电源线彼此分开。
7.电压控制的振荡器，其特征在于，包括：
多个电压控制的振荡电路，它们根据控制电压以一频率振荡；
选择器电路，它选择一个电压控制的振荡电路并使所选电压控制的振荡电路工作；以及
限制器电路，它将所选电压控制的振荡电路的输出限定到预定电平。
8.如权利要求7所述的电压控制振荡器，其特征在于，所述限制器电路包括接收电压控制是振荡电路的输出并以饱和状态工作的差分放大器电路。
9.如权利要求8所述的电压控制的振荡器，其特征在于，所述差分放大器电路以由恒流源通过将预定电压施加到电流产生电阻器而产生的工作电流工作。
10.如权利要求9所述的电压控制的振荡器，其特征在于，所述电流产生电阻器是和差分放大器的负载电阻器相同类型的装置，且它被置于靠近所述负载电阻。
11.如权利要求9所述的电压控制的振荡器，其特征在于，所述预定电压由带隙电路产生。
12.如权利要求7所述的电压控制的振荡器，其特征在于，放置限制器电路从而从单个电压控制振荡电路到它的导线一样长。
13.如权利要求7所述的电压控制的振荡器，其特征在于，放置限制器电路从而从单个电压控制的振荡电路到它的导线以来自电压控制的振荡电路的输出电平降低的顺序逐渐变短。
14.如权利要求7所述的电压控制的振荡器，其特征在于，到电压控制的振荡电路的电源线和到限制器电路的电源线彼此分开。
15.电压控制的振荡器，其特征在于，包括：
多个电压控制的振荡电路，它们根据控制电压以一频率振荡；以及
选择器电路，它选择一个电压控制的振荡电路并使所选电压控制的振荡电路工作；
其中，设定相邻的电压控制的振荡电路的可变振荡频率范围以使它们的末端重叠，且调整单个电压控制的振荡电路的可变振荡频率范围以使多数在低侧上偏离时所观察的第n(其中n≥1)个电压控制振荡电路的上端频率比在多数在高侧偏离时所观察的第m(其中m＝n+1)个电压控制振荡电路的下端频率高。
16.集成电路装置，其特征在于，包括：
包括根据控制电压以一频率振荡的电压控制的振荡电路的电压控制的振荡器以及将电压控制的振荡器的输出限制在预定电平的限制器电路。
17.集成电路装置，其特征在于，包括：
包括多个根据控制电压以一频率振荡的电压控制的振荡电路的电压控制的振荡器、选择一个电压控制的振荡电路并使所选电压控制的振荡电路工作的选择器电路以及将所选电压控制的振荡电路的输出限制在预定电平的限制器电路。
18.集成电路装置，其特征在于，包括：
包括多个根据控制电压以一频率振荡的电压控制的振荡电路的电压控制的振荡器和选择一个电压控制的振荡电路并使所选电压控制的振荡电路工作的选择器电路，
其中，设定相邻的电压控制的振荡电路的可变振荡频率范围以使它们的末端重叠，且调整单个电压控制的振荡电路的可变振荡频率范围以使多数在低侧上偏离时所观察的第n(其中n≥1)个电压控制的振荡电路的上端频率比多数在高侧偏离时所观察的第m(其中m＝n+1)个电压控制的振荡电路的下端频率高。
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