CN203423675U - 一种限频压控环形振荡器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种限频压控振荡器，其包括一电压输入端、一时钟输出端、一电流源、一环形振荡器、一比较器和若干场效应管，所述电压输入端负责输入一可变电压，所述环形振荡器产生自由振荡，并根据所述可变电压的电压值输出具有对应频率值的时钟信号，所述电流源负责提供一电流基准，并和所述比较器共同对环形振荡器的振荡频率进行限制，所述若干场效应管负责电流镜像和开关控制。本实用新型可以限制压控振荡器的最高振荡频率，以防止其振荡频率过高，同时具备工艺和温度补偿，以保证限制的最高振荡频率不受工艺和温度的影响。

Description

一种限频压控环形振荡器

技术领域

本发明涉及一种限频压控环形振荡器领域，更具体地涉及一种限频压控环形振荡器。 

背景技术

现有的压控振荡器一般用于锁相环系统，其压控振荡器的最高工作频率常常不受限制，且随工艺和温度的变化而变化，由于数字电路支持的最高工作频率常常小于模拟电路，故在锁相环锁定过程中，若频率出现较大的过冲，可能导致数字电路失效，从而导致锁相环无法完成锁定。 

因此，有必要提供一种具有限频功能的压控振荡器来克服以上缺陷。 

发明内容

本发明的目的是提供一种限频压控振荡器，本发明可以限制压控振荡器的最高振荡频率，以防止其振荡频率过高，同时具备工艺和温度补偿，以保证限制的最高振荡频率不受工艺和温度的影响。 

为实现上述目的，本发明提供一种限频压控振荡器，包括一电压输入端、一时钟输出端、一电流源、一环形振荡器、一比较器和若干场效应管。所述电压输入端负责输入一可变电压，所述环形振荡器产生自由振荡，并根据所述可变电压的电压值输出具有对应频率值的时钟信号，所述电流源负责提供一电流基准，并和所述比较器共同对环 形振荡器的振荡频率进行限制，所述若干场效应管负责电流镜像和开关控制； 

较佳的，所述若干场效应管包括一第一场效应管、一第二场效应管、一第三场效应管、一第四场效应管、一第五场效应管、一第六场效应管、一第七场效应管、一第八场效应管、一第九场效应管、一第十场效应管、一第十一场效应管； 

较佳的，所述环形振荡器共有四个端口，包括一电源输入端、一接地输入端、一电流输入端和一个时钟信号输出端； 

较佳的，所述电压输入端与所述第一场效应管的栅极相连，所述第一场效应管的源极与接地端相连，所述第一场效应管的漏极、所述第二场效应管的栅极和漏极、所述第三场效应管的栅极与所述比较器的负输入端共同连接，所述第三场效应管的漏极、所述第四场效应管的栅极和漏极、所述第五场效应管的漏极和所述第十一场效应管的栅极共同连接，所述第二场效应管的源极、所述第三场效应管的源极和电源端共同连接，所述第五场效应管的栅极、所述第六场效应管的栅极和漏极、所述第九场效应管的漏极共同连接，所述第五场效应管的源极和所述第七场效应管的漏极相连，所述第七场效应管的栅极、所述第八场效应管的栅极和所述比较器的输出端共同连接； 

较佳的，所述第七场效应管的源极、所述第八场效应管的源极和接地端共同连接，所述第八场效应管的漏极与所述第六场效应管的源极相连，所述第九场效应管的栅极、所述第十场效应管的栅极和漏极、所述比较器的正输入端和所述电流源的一端共同连接，所述第九场效应管的源极、所述第十场效应管的源极和电源端共同连接，所述电流源的另一端与接地端相连； 

较佳的，所述第十一场效应管的源极与接地端相连，所述第十一 场效应管的漏极与所述环形振荡器的电流输入端相连，所述环形振荡器的电源输入端与电源端相连，所述环形振荡器的接地输入端与接地端相连，所述环形振荡器的时钟信号输出端与所述时钟输出端相连； 

较佳的，所述电流源具备正温系数的温度特性，其电流值在快工艺下最小，慢工艺下最大，典型工艺下居中。 

通过以下的描述并结合附图，本发明将变得更加清晰，这些附图用于解释本发明。 

附图说明

图1为本发明一种限频压控振荡器的电路图。 

图2为图1中所示IT电流源与温度和工艺的关系图。 

具体实施方式

现在参考附图描述本发明的实施例，附图中类似的元件标号代表类似的元件。如上所述，本发明提供一种限频压控振荡器，可以限制压控振荡器的最高振荡频率，以防止其振荡频率过高，同时具备工艺和温度补偿，以保证限制的最高振荡频率不受工艺和温度的影响。 

请参考图1，图1为本发明一种限频压控振荡器的电路图，如图所示，包括一电压输入端VCI、一时钟输出端Fout、一电流源IT、一环形振荡器OSC、一比较器CMP和若干场效应管。所述电压输入端VCI负责输入一可变电压，所述环形振荡器OSC产生自由振荡，并根据所述可变电压的电压值输出具有对应频率值的时钟信号Fout，所述电流源IT负责提供一电流基准，并和所述比较器CMP共同对环 形振荡器OSC的振荡频率进行限制，所述若干场效应管负责电流镜像和开关控制； 

所述若干场效应管包括一第一场效应管M1、一第二场效应管M2、一第三场效应管M3、一第四场效应管M4、一第五场效应管M5、一第六场效应管M6、一第七场效应管M7、一第八场效应管M8、一第九场效应管M9、一第十场效应管M10、一第十一场效应管M11，所述环形振荡器OSC共有四个端口，包括一电源输入端VC、一接地输入端GD、一电流输入端IB和一个时钟信号输出端Fo；所述电压输入端VCI与所述第一场效应管M1的栅极相连，所述第一场效应管M1的源极与接地端GND相连，所述第一场效应管M1的漏极、所述第二场效应管M2的栅极和漏极、所述第三场效应管M3的栅极与所述比较器CMP的负输入端V1共同连接，所述第三场效应管M3的漏极、所述第四场效应管M4的栅极和漏极、所述第五场效应管M5的漏极和所述第十一场效应管M11的栅极共同连接，所述第二场效应管M2的源极、所述第三场效应管M3的源极和电源端VCC共同连接，所述第五场效应管M5的栅极、所述第六场效应管M6的栅极和漏极、所述第九场效应管M9的漏极共同连接，所述第五场效应管M5的源极和所述第七场效应管M7的漏极相连，所述第七场效应管M7的栅极、所述第八场效应管M8的栅极和所述比较器CMP的输出端V3共同连接，所述第七场效应管M7的源极、所述第八场效应管M8的源极和接地端GND共同连接，所述第八场效应管M8的漏极与所述第六场效应管M6的源极相连，所述第九场效应管M9的栅极、所述第十场效应管M10的栅极和漏极、所述比较器CMP的正输入端V2和所述电流源IT的一端共同连接，所述第九场效应管M9的源极、所述第十场效应管M10的源极和电源端VCC共同连 接，所述电流源IT的另一端与接地端GND相连，所述第十一场效应管M11的源极与接地端GND相连，所述第十一场效应管M11的漏极与所述环形振荡器OSC的电流输入端IB相连，所述环形振荡器OSC的电源输入端VC与电源端VCC相连，所述环形振荡器OSC的接地输入端GD与接地端GND相连，所述环形振荡器OSC的时钟信号输出端Fo与所述时钟输出端Fout相连。 

现将本发明的工作原理解释如下： 

现设定所述第二场效应管M2、所述第三场效应管M3宽长比相等，第五场效应管M5和所述第六场效应管M6的宽长比相等，第七场效应管M7和所述第八场效应管M8的宽长比相等，第四场效应管M4和所述第六场效应管M11的宽长比相等，所述第九场效应管M9、所述第十场效应管M10的宽长比之比为m，且m<1；设定所述电流源IT的电流值为： 

It(T)＝I0+a*T 

其中I0为常量，其大小与工艺角相关，具体为快工艺下最小、慢工艺下最大、典型工艺下居中；a为所述电流源IT的温度系数，且a>0，具体如图2所述。 

所述电压输入端VCI输入的电压值设定为Vcn，则流过所述第一场效应管M1的电流值可表示为： 

$I1\left(\mathrm{Vcn}\right)=\frac{1}{2}*\mathrm{un}*\mathrm{Cox}*{\left(\frac{W}{L}\right)}_1*{(\mathrm{Vcn}-\mathrm{VTHN})}^2$

其中un为所述第一场效应管M1的电子迁移率，Cox为单位面积栅电容，

为所述第一场效应管M1的宽长比，VTHN为所述第一场效应管M1的阈值电压。 

由于流过所述第一场效应管M1的电流同时流过所述第二场效应 管M2，则所述第二场效应管M2的栅极电压V1可表示为： 

$V1=\mathrm{VCC}-\sqrt{\frac{2*I1\left(\mathrm{Vcn}\right)}{\mathrm{up}*\mathrm{Cox}*{\left(\frac{W}{L}\right)}_2}}-\mathrm{VTHP}---\left(1\right)$

其中up为所述第二场效应管M2的电子迁移率，Cox为单位面积栅电容，

为所述第二场效应管M2的宽长比，VTHP为所述第二场效应管M2的阈值电压。 

同理，则所述第十场效应管M10的栅极电压V2可表示为： 

$V2=\mathrm{VCC}-\sqrt{\frac{2*\mathrm{It}\left(T\right)}{\mathrm{up}*\mathrm{Cox}*{\left(\frac{W}{L}\right)}_{10}}}-\mathrm{VTHP}---\left(2\right)$

其中up为所述第十场效应管M10的电子迁移率，Cox为单位面积栅电容，

为所述第十场效应管M10的宽长比，VTHP为所述第十场效应管M10的阈值电压。 

由于所述第二场效应管M2、所述第三场效应管M3的宽长比相等，则流过所述第二场效应管M2、所述第三场效应管M3的电流相等；所述第五场效应管M5、所述第六场效应管M6的宽长比相等，同时所述第七场效应管M7、所述第八场效应管M8的宽长比相等，则流过所述第五场效应管M5、所述第六场效应管M6的电流相等；所述第四场效应管M4、所述第十一场效应管M11的宽长比相等，则流过所述第四场效应管M4、所述第十一场效应管M11的电流相等；所述第九场效应管M9、所述第十场效应管M10的宽长比之比为m，且m<1，则流过所述第九场效应管M9的电流为所述第十场效应管M10的电流的m倍；且设定所述环形振荡器OSC的振荡频率与所述电流输入端IB输入的电流值成正比。 

当I1(Vcn)小于It(T)时，根据式（1）和式（2）得，V1大于V2，则所述比较器CMP的输出端V3为低电平，即所述第七场效应管M7、所述第八场效应管M8的栅极电压为低电平，则所述第五场效应管M5、所述第六场效应管M6无电流流过，即所述第三场效应管M3的电流全部流过所述第四场效应管M4。由于流过所述第二场效应管M2、所述第三场效应管M3的电流相等，且流过所述第四场效应管M4、所述第十一场效应管M11的电流相等，故此时流过所述第一场效应管M1的电流全部进入了所述环形振荡器OSC，即此时所述环形振荡器OSC完全受到所述电压输入端VCI的控制，其振荡频率随着所述电压输入端VCI的电压值Vcn的升高而升高； 

当I1(Vcn)大于It(T)时，根据式（1）和式（2）得，V1小于V2，则所述比较器CMP的输出端V3为高电平，即所述第七场效应管M7、所述第八场效应管M8的栅极电压为高电平，则所述第五场效应管M5、所述第六场效应管M6有电流流过，且电流值为It(T)的m倍（m<1），即所述第三场效应管M3的电流同时流过所述第四场效应管M4和所述第五场效应管M5。故此时流过所述第一场效应管M1的电流并未全部进入所述环形振荡器OSC，同时还流过了所述第五场效应管M5，即此时所述环形振荡器OSC的振荡频率受到了限制，不会随着I1(Vcn)的增大而增大； 

由上述分析可得，本发明一种限频压控振荡器，可以限制压控振荡器的最高振荡频率，以防止其振荡频率过高，同时具备工艺和温度补偿，以保证限制的最高振荡频率不受工艺和温度的影响。 

以上结合最佳实施例对本发明进行了描述，但本发明并不局限于以上揭示的实施例，而应当涵盖各种根据本发明的本质进行的修改、等效组合。 

Claims (5)

1.一种限频压控振荡器，包括一电压输入端、一时钟输出端、一电流源、一环形振荡器、一比较器、一第一场效应管、一第二场效应管、一第三场效应管、一第四场效应管、一第五场效应管、一第六场效应管、一第七场效应管、一第八场效应管、一第九场效应管、一第十场效应管、一第十一场效应管，所述电压输入端负责输入一可变电压，所述环形振荡器产生自由振荡，并根据所述可变电压的电压值输出具有对应频率值的时钟信号，所述电流源负责提供一电流基准，并和所述比较器共同对环形振荡器的振荡频率进行限制，所述若干场效应管负责电流镜像和开关控制。 

2.如权利要求1所述的方案，其特征在于：所述环形振荡器共有四个端口，包括一电源输入端、一接地输入端、一电流输入端和一个时钟信号输出端。 

3.如权利要求1所述的方案，其特征在于：所述电压输入端与所述第一场效应管的栅极相连，所述第一场效应管的源极与接地端相连，所述第一场效应管的漏极、所述第二场效应管的栅极和漏极、所述第三场效应管的栅极与所述比较器的负输入端共同连接，所述第三场效应管的漏极、所述第四场效应管的栅极和漏极、所述第五场效应管的漏极和所述第十一场效应管的栅极共同连接，所述第二场效应管的源极、所述第三场效应管的源极和电源端共同连接，所述第五场效应管的栅极、所述第六场效应管的栅极和漏极、所述第九场效应管的漏极共同连接，所述第五场效 应管的源极和所述第七场效应管的漏极相连，所述第七场效应管的栅极、所述第八场效应管的栅极和所述比较器的输出端共同连接。 

4.如权利要求1所述的方案，其特征在于：所述第七场效应管的源极、所述第八场效应管的源极和接地端共同连接，所述第八场效应管的漏极与所述第六场效应管的源极相连，所述第九场效应管的栅极、所述第十场效应管的栅极和漏极、所述比较器的正输入端和所述电流源的一端共同连接，所述第九场效应管的源极、所述第十场效应管的源极和电源端共同连接，所述电流源的另一端与接地端相连。 

5.如权利要求1所述的方案，其特征在于：所述第十一场效应管的源极与接地端相连，所述第十一场效应管的漏极与所述环形振荡器的电流输入端相连，所述环形振荡器的电源输入端与电源端相连，所述环形振荡器的接地输入端与接地端相连，所述环形振荡器的时钟信号输出端与所述时钟输出端相连。 

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