CN101635570B

CN101635570B - 一种可关闭的数控振荡器

Info

Publication number: CN101635570B
Application number: CN 200910184796
Authority: CN
Inventors: 陈鑫; 杨军; 刘新宁; 时龙兴
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2009-08-14
Filing date: 2009-08-14
Publication date: 2011-10-05
Anticipated expiration: 2029-08-14
Also published as: CN101635570A

Abstract

本发明披露了一种可关闭的数控振荡器，设有奇数个可调延时模块首尾相连形成闭环，并设置与可调延时模块数量相同并一一对应的延时控制电压信号产生模块，每个可调延时模块的延时控制电压信号的输入端与对应的每个延时控制电压信号产生模块的延时控制电压信号输出端相连接，将各个可调延时模块开关信号输入端连接在一起为总开关信号，即构成完整的可关闭的数控振荡器，从电路上保证该数控振荡器频率和控制码之间是单调变化关系。此外，由于全数字锁相环广泛用于手持设备，设计一种可关闭的数控振荡器结构也是很有必要的，本发明数控振荡器非常容易被关闭以节省功耗。

Description

一种可关闭的数控振荡器

技术领域

本发明涉及用于全数字锁相环电路中的数控振荡器电路，尤其是一种可关闭的数控振荡器。

背景技术

随着集成电路深亚微米工艺的发展，高集成度、可移植性、可靠性以及低成本等一系列问题的挑战，使得传统的模拟锁相环已经充分暴露了其明显的劣势。因此，目前出现一种趋势，将模拟锁相环中的压控振荡器换成数控振荡器(DCO)，将模拟滤波器换成数字滤波器，形成一种新的锁相环结构叫做全数字锁相环。

数控振荡器是全数字锁相环的核心模块。全数字锁相环的很多性能都和数控振荡器的性能有关。对于数控振荡器结构设计来说，最基本的要求是保证数控振荡器的频率和控制码之间存在单调增长或单调减少的关系。否则，将会导致全数字锁相环锁频错误。

图4所示的是已公开的一种延时可调的数控延时模块，延时模块的上升(下降)延时可用如下一阶公式近似表示：

t_{上升/下降}＝0.69R_{上拉/下拉}C

式中，R_{上拉/下拉}表示是上拉(下拉)电阻，C为负载电容。

图4中，控制码控制MOS管的开启，通过打开或者关闭MOS管可以改变上拉或者下拉路径中等效MOS管宽度，进而改变上拉或者下拉路径中的等效电阻，从而改变上升或者下降延时时间。起控制作用的MOS管的宽度是二进制权重的，当控制码改变时，倒相器的上升或者下降延时时间与上拉或者下拉路径中等效MOS管的宽度成反比，与上拉或者下拉路径中的等效电阻成正比。奇数个如图4所示的延时可调的数控延时模块首尾相连，一个延时模块的输出端和下一个模块输入端相连，即可组成一个数控振荡器。但是，受控制码控制的MOS管的打开或者关闭状态，将直接影响延时模块中的寄生电容变化。而寄生电容也是负载电容的一种来源，影响延时的变化。若采用图4中结构设计低增益的数控振荡器，则很容易出现如下问题，即等效电阻减少，但是寄生电容变大，而且寄生电容变化对延时的影响比等效电阻变化对延时的影响更大，最终导致数控振荡器的频率和控制码之间不存在单调变化的关系，导致设计的失败。

此外，目前全数字锁相环广泛应用于手持设备中。这往往要求当芯片不工作时，关闭尽可能多的模块，这可能包括锁相环模块。因此，有必要设计一种可关闭的数控振荡器结构。

发明内容

本发明的目的在于解决上述问题，提出了一种可关闭的数控振荡器，该数控振荡器可以保证该数控振荡器频率和控制码之间是单调变化关系，而且还非常容易被关闭以节省功耗。

本发明的上述目的是这样实现的：一种可关闭的数控振荡器，以可调延时模块为基础，将奇数个可调延时模块首尾相连形成闭环，构成一个数控振荡器，其特征在于：每个可调延时模块均设有第一、第二、第三3个输入端和1个输出端，其中，第一输入端作为与前一个可调延时模块输出端相连的输入端，第二、第三输入端分别作为开关信号和延时控制电压信号的输入端，第三输入端与对应的延时控制电压信号产生模块的输出端连接；每个可调延时模块设有包括M₀、M₁、M₂、M₃和M₄五个MOS管，其中，M₀、M₁和M₄为NMOS管，M₂和M₃为PMOS管；NMOS管M₀的栅极接第三输入端，源极接地，漏极接NMOS管M₁的源极；NMOS管M₁的栅极接第一输入端，漏极与输出端以及PMOS管M₂的漏极和NMOS管M₄的漏极连接在一起；PMOS管M₂的栅极接第二输入端，源极接PMOS管M₃的漏极；PMOS管M₃的栅极接第一输入端，源极接电源；NMOS管M₄的栅极接第二输入端，源极接地，漏极与输出端、PMOS管M₂的漏极以及NMOS管M₁的漏极连接在一起；

设置与可调延时模块数量相同并一一对应的延时控制电压信号产生模块，每个延时控制电压信号产生模块设有至少六个控制码信号输入端，分别是控制码信号C₀、C₁、C₂、C₂、C₄、C₅和一个输出端；每个延时控制电压信号产生模块设有至少七个PMOS管M₈、M₉、M₁₀、M₁₁、M₁₂、M₁₃和M₁₄，以及两个NMOS管M₁₅和M₁₆；七个PMOS管的源极均和电源相连，七个PMOS管的漏极均和输出端连接在一起；PMOS管M₈的栅极和控制码信号C₀相连，PMOS管M₉的栅极和控制码信号C₁相连，PMOS管M₁₀的栅极和控制码信号C₂相连，PMOS管M₁₁的栅极和控制码信号C₃相连，PMOS管M₁₂的栅极和控制码信号C₄相连，PMOS管M₁₃的栅极和控制码信号C₅相连，PMOS管M₁₄的栅极和地相连；NMOS管M₁₅和M₁₆的源极都接地，M₁₅和M₁₆的漏极与NMOS管M₁₅的栅极都与七个PMOS管的漏极连接在一起，作为延时控制电压信号输出端，与可调延时模块的第三输入端相连；NMOS管M₁₆的栅极接电源；

将上述每个可调延时模块的第三输入端与对应的每个延时控制电压信号产生模块的延时控制电压信号输出端相连接，将各个可调延时模块作为开关信号的第二输入端连接在一起为总开关信号，即构成完整的可关闭的数控振荡器，当总开关信号为高电平时，振荡器停止工作，当总开关信号为低电平时，振荡器正常工作，振荡器的周期由延时控制电压信号产生模块的控制码信号调节，控制码信号与外部的译码信号连接，其中，不同延时控制电压信号产生模块之间序号相同的控制码输入端，可以用同一个译码信号来控制，也可以用不同的译码信号来控制。

所说延时控制电压信号产生模块的PMOS管M₈、M₉、M₁₀、M₁₁、M₁₂和M₁₃的沟道长度一致，宽度存在二进制关系，即M₉的宽度是M₈的两倍，M₁₀的宽度是M₉的两倍，依此类推；M₁₄一直导通，它的尺寸由数控振荡器的最低频率指标决定。NMOS管M₁₅和M₁₆尺寸完全一致。

所说可关闭的数控振荡器，可设有5个可调延时模块和5个延时控制电压信号产生模块构成五级连接。

本发明的优点及显著效果：

1)该数控振荡器的结构保证了控制码和数控振荡器的频率成单调关系；

2)该数控振荡器的工作由总开关信号控制，非常容易被关闭以节省功耗；

3)该数控振荡器扩展性强，可以根据实际需要，进行扩展设计。

附图说明

图1是本发明中的可调延时模块；

图2是本发明中的延时控制电压信号产生模块；

图3是由图1及图2两模块组成的可关闭的数控振荡器；

图4是已公开的一种延时可调的数控延时模块。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步详细描述。

图1中，可调延时模块101，第一输入端in、第二输入端开关信号Run、第三输入端延时控制电压V_c，输出端out。该模块的功能类似于或非门，由M₀～M₄五个MOS管组成。其中，M₀，M₁和M₄为NMOS管，M₂和M₃为PMOS管。

M₀的栅极接延时控制电压V_c，源极接地，漏极接M₁的源极。M₁的栅极接输入端in，漏极接输出端out及M₂的漏极和M₄的漏极。M₂的栅极接开关信号Run，源极接M₃的漏极。M₃的栅极接输入端in，源极接电源VDD。M₄的栅极接开关信号Run，源极接地，漏极与输出端out、M₂的漏极以及M₁的漏极共连于一点。

开关信号Run控制该延时模块的工作。当开关信号Run为高电平时，M₄导通，M₂截止，输出信号out恒为低电平。当开关信号Run为低电平时，M₄截止，M₂导通，输出信号out是输入信号in的反相，比如输入信号in是低电平，输出信号out为高电平，反之亦然。该延时模块的上升时间不可调节，下降时间由延时控制电压V_c控制，当V_c越大，该延时模块的下降时间也随之减少。这种改变延时的方法只改变了MOS管放电回路中的等效电阻，并不影响负载电容。而等效电阻随着延时控制电压V_c变大而减小的特性是单调连续的。

延时控制电压V_c的产生电路201见图2。该电路由七个PMOS管(M₈～M₁₄)和两个NMOS管(M₁₅和M₁₆)组成。图中，M₈～M₁₃分别由C₀～C₅控制关闭还是打开。M₈～M₁₃沟道长度一致，宽度存在二进制关系。即M9_的宽度是M₈的两倍，依此类推。M₁₄一直导通，它的尺寸由数控振荡器DCO的最低频率指标决定。I_c的大小和M₈～M₁₃的工作状态有关，M₈～M₁₃导通的个数越多，I_c越大。M₁₅和M₁₆将电流信号I_c转换成电压信号V_c。控制码C₀～C₅控制PMOS M₈～M₁₃的开关，进而决定电流I_c的大小。并且很容易看出，I_c是随着控制码C₀～C₅单调变化的。

图2中M₁₅和M₁₆的尺寸是完全一致的。因此有如下推导：

I_{c} = I_{15} + I_{16} = k_{n}^{'} \frac{W}{L} V_{c} (VDD - 2 V_{Tn} + \frac{V_{Tn}^{2}}{2 V_{c}})

= k_{n}^{'} \frac{W}{L} V_{c} (VDD - 2 V_{Tn}) + k_{n}^{'} \frac{W}{2 L} V_{Tn}^{2}

由上式可见，V_c也是随着I_c单调变化的。因此，图1和图2的电路设计，可以保证数控振荡器输出的振荡频率和控制码之间是单调变化关系。

将延时控制电压V_c与可调延时模块的对应输入端V_c相连，构成一个数控可调延时模块。可调延时模块的输出端out作为数控可调延时模块的输出端，可调延时模块的两个输入端，输入端in，开关信号Run以及时控制电压V_c的六个输入端，分别是控制码C₀、C₁、C₂、C₃、C₄和C₅作为数控可调延时模块的输入端。

如图3，将奇数个数控可调延时模块首尾相连，即一级数控可调延时模块的输出端out和下一级的输入端in相连，最后一级的可调延时模块的输出端与第一级的第一输入端相连，构成一个数控振荡器，可有五级，但是实际应用中可以根据实际需要的频率范围进行调整。五个延时模块的输入端开关信号Run均连在一起，由总开关信号PLL_Run控制，数控可调延时模块的输入端in和上一级的输出端out相连。当总开关信号PLL_Run为高电平时，振荡器停止工作，当总开关信号PLL_Run为低电平时，振荡器正常工作。振荡器的周期由延时控制电压信号产生模块的控制码信号调节，控制码信号与外部的译码信号连接，其中，不同延时控制电压信号产生模块之间序号相同的控制码输入端(比如第一延时控制电压信号产生模块的控制码C₀和第二延时控制电压信号产生模块的控制码C₀)可以用同一个译码信号来控制，也可以用不同的译码信号来控制。

Claims

1.一种可关闭的数控振荡器，以可调延时模块为基础，将奇数个可调延时模块首尾相连形成闭环，构成一个数控振荡器，其特征在于：每个可调延时模块均设有第一、第二、第三3个输入端和1个输出端，其中，第一输入端作为与前一个可调延时模块输出端相连的输入端，第二、第三输入端分别作为开关信号和延时控制电压信号的输入端，第三输入端与对应的延时控制电压信号产生模块的输出端连接；每个可调延时模块设有包括M₀、M₁、M₂、M₃和M₄五个MOS管，其中，M₀、M₁和M₄为NMOS管，M₂和M₃为PMOS管；NMOS管M₀的栅极接第三输入端，源极接地，漏极接NMOS管M₁的源极；NMOS管M₁的栅极接第一输入端，漏极与输出端以及PMOS管M₂的漏极和NMOS管M₄的漏极连接在一起；PMOS管M₂的栅极接第二输入端，源极接PMOS管M₃的漏极；PMOS管M₃的栅极接第一输入端，源极接电源；NMOS管M₄的栅极接第二输入端，源极接地，漏极与输出端、PMOS管M₂的漏极以及NMOS管M₁的漏极连接在一起；

设置与可调延时模块数量相同并一一对应的延时控制电压信号产生模块，每个延时控制电压信号产生模块设有至少六个控制码信号输入端，分别是控制码信号C₀、C₁、C₂、C₃、C₄、C₅和一个输出端；每个延时控制电压信号产生模块设有至少七个PMOS管M₈、M₉、M₁₀、M₁₁、M₁₂、M₁₃和M₁₄，以及两个NMOS管M₁₅和M₁₆；七个PMOS管的源极均和电源相连，七个PMOS管的漏极均和输出端连接在一起；PMOS管M₈的栅极和控制码信号C₀相连，PMOS管M₉的栅极和控制码信号C₁相连，PMOS管M₁₀的栅极和控制码信号C₂相连，PMOS管M₁₁的栅极和控制码信号C₃相连，PMOS管M₁₂的栅极和控制码信号C₄相连，PMOS管M₁₃的栅极和控制码信号C₅相连，PMOS管M₁₄的栅极和地相连；NMOS管M₁₅和M₁₆的源极都接地，M₁₅和M₁₆的漏极与NMOS管M₁₅的栅极都与七个PMOS管的漏极连接在一起，作为延时控制电压信号输出端，与可调延时模块的第三输入端相连；NMOS管M₁₆的栅极接电源；

2.根据权利要求1所述的可关闭的数控振荡器，其特征在于：延时控制电压信号产生模块的PMOS管M₈、M₉、M₁₀、M₁₁、M₁₂和M₁₃的沟道长度一致，宽度存在二进制关系，即M₉的宽度是M₈的两倍，M₁₀的宽度是M₉的两倍，依此类推；M₁₄一直导通，它的尺寸由数控振荡器的最低频率指标决定；NMOS管M₁₅和M₁₆尺寸完全一致。

3.根据权利要求1或2所述的可关闭的数控振荡器，其特征在于设有5个可调延时模块和5个延时控制电压信号产生模块构成五级连接。