CN104143979B - 一种高精度的高频环振荡器电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高精度的高频环振荡器电路，该振荡器电路包括频压转换器、滤波器、分频器和压控振荡器，所述频压转换器输出连接至滤波器，所述滤波器输出连接至压控振荡器，所述压控振荡器输出连接到电路外以提供高频振荡，同时反馈输出连接至分频器，所述分频器输出连接至频压转换器，所述频压转换器通过对分频器输入信号频率与设定频率进行比较输出控制信号。与现有技术相比，本发明具有设计难度小、设计效率高、使用简单、成本低等优点。

Description

一种高精度的高频环振荡器电路

技术领域

本发明涉及一种高频环振荡器电路，尤其是涉及一种高精度的高频环振荡器电路。

背景技术

传统的环振荡器使用奇数级反相延迟结构串联成环以得到某个频率的震荡。若希望得到高精度的震荡频率，则需要保证每一级的延迟在各个工作条件(温度、电源、工艺变化等)都尽可能相等，即延时偏差要小；若所需震荡频率较高，按照同样的精度百分比计算，这个偏差的要求就更加苛刻，如震荡频率在30MHz以上，要求精确度1％，则总延迟偏差小于0.3ns，这个指标在工作条件变化较大时难以实现。所以高精度的高频环振荡器的直接设计较难实现。

在现有技术背景下，想得到高精度的高频环振荡器，还可以使用锁相环(PLL)和锁频环(FLL)，如附图1。他们都是闭环控制***，采用一个高精度的低频振荡器作为基准，通过N倍频电路可以得到一个高频的N倍频振荡，当基准频率的精确度很高时，N倍频振荡输出也能得到很高的精确度。如采用晶体振荡器作为基准，振荡精度可达100ppm以下，即精确度高于0.01％。这种闭环控制***虽然能得到极高精度的高频振荡，但是必须额外提供基准振荡，增加了***的复杂性，且***总面积较大，不利于降低***成本。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种设计难度小、设计效率高、使用简单、成本低的高精度的高频环振荡器电路，能够轻松达到30MHz以上频率，约±1％的频率精度。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种高精度的高频环振荡器电路，其特征在于，该振荡器电路包括频压转换器、滤波器、分频器和压控振荡器，所述频压转换器输出连接至滤波器，所述滤波器输出连接至压控振荡器，所述压控振荡器对外输出高频振荡，同时反馈输出连接至分频器，所述分频器输出连接至频压转换器，所述频压转换器通过对分频器输入信号频率与设定频率进行比较输出控制信号。

所述频压转换器包括电流源I0，开关S0、S1、S2，对地电容C0、C1，电压源V0和比较器X0，所述电流源I0通过开关S0连接至比较器X0的正端，所述比较器X0的正端连接了对地电容C0，所述比较器X0的正端同时通过开关S1连接至对地电容C1，所述对地电容C1与开关S2并联，所述比较器X0的负端连接至电压源V0。

所述对地电容C1的容值为C，所述对地电容电容C0的容值是对地电容C1的k倍。

所述频压转换器接收分频器输出的占空比50％的方波，并分别发送给开关S0、S1、S2，其中发送给S0和S2是正相方波，S1是反相方波；

正相方波高电平期间，S0闭合，电流源I0对对地电容C0充电，充电时间为分频器输出振荡的半周期t/2，C0上增加的电荷为V0/R*(t/2)，对地电容C1上的电荷被释放完全；

正相方波低电平期间，S0断开，S1闭合，S2断开，对地电容C0上的电荷被分配给C1，分配后，C0和C1上的电压为原C0电压的k/(k+1)，C0上减少的电荷为C*Vc*k/(k+1)，其中Vc为原C0电压。

每个周期内，若C0上增加的电荷＞减少的电荷，则电压C0升高，比较器X0输出高，通过滤波器调节压控振荡器，使其频率上升，周期减小，这样增加的电荷V0/R*(t/2)将减少；若C0上增加的电荷＜减少的电荷，则C0电压降低，比较器X0输出低，使压控振荡器其频率下降，周期增大，这样增加的电荷V0/R*(t/2)将增加；

C0上的电压稳定后会与比较器X0的负端电压V0一致，此时闭环控制***环路稳定，V0/R*(t/2)＝C*V0*k/(k+1)，分频器频率f＝1/t＝(k+1)/(2kRC)。

与现有技术相比，本发明具有以下优点。

1)解决了技术障碍，降低设计难度，提高了设计效率。可以轻松的获得较高精度的高频振荡，同时倍频数可调，可扩展性强。

2)所设计出的环振荡器具有使用简单，易于***集成，成本较低的优点。

附图说明

图1为锁相环、锁频环的原理框图；

图2为本发明的原理框图；

图3为本发明中的频压转换器的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图2所示，一种高精度的高频环振荡器电路，该振荡器电路包括频压转换器I、滤波器II、分频器III和压控振荡器IV，频压转换器I输出连接至滤波器II，滤波器II输出连接至压控振荡器IV，压控振荡器IV输出连接到电路外以提供高频振荡，同时另反馈输出连接至分频器III，分频器III输出连接至频压转换器I，频压转换器I通过对分频器输入信号频率与设定频率进行比较输出控制信号。

所述的滤波器、压控振荡器、分频器，在现有技术背景下有多种实现方式，这里不做限制。和图1所示的锁相环、锁频环结构相比，本发明用频压转化器I取代了鉴相器(或鉴频器)以及外接基准频率。所以本实施例重点介绍频压转换器。

如图3所示，频压转换器包括电流源I0，开关S0、S1、S2，对地电容C0、C1，电压源V0和比较器X0，电流源I0通过开关S0连接至比较器X0的正端，比较器X0的正端连接了对地电容C0，比较器X0的正端同时通过开关S1连接至对地电容C1，对地电容C1与开关S2并联，比较器X0的负端连接至电压源V0。

电流源I0，比较器X0，以及开关S0、S1、S2，都由CMOS工艺电路构成，可以有多种具体结构。

电压源V0，是一个处于比较器X0共模范围内的电压值，为电源电压的电阻串分压。

电流源I0的电流值通过电压源V0除以一个电阻阻值R得到。

频压转换器通过对分频器输入信号频率与设定频率的比较输出控制信号，通过滤波器调节压控振荡器的频率大小，从而使震荡输出稳定并与电源电压无关。

设对地电容C1的容值为C，对地电容C0的容值是电容C1的k倍。

分频器输出的占空比50％的方波提供给开关S0、S1、S2，其中S0和S2是正相的，S1是反相的。

正相方波高电平期间，S0闭合，电流源I0对电容C0充电，充电时间为分频器输出振荡的半周期t/2，C0上增加的电荷为V0/R*(t/2)。S1断开，S2闭合，电容C1上的电荷被放到地上。

正相方波低电平期间，S0断开，S1闭合，S2断开，电容C0上的电荷被平均分配给C1，由于在上一个相位上C1的电压被放成了0，C0容值是C1的k倍，所以电荷平均分配后，C0和C1上的电压为原C0电压的k/(k+1)，即C0上减少的电荷为C*Vc*k/(k+1)，其中Vc为原C0电压。

每一个周期，如果C0上增加的电荷＞减少的电荷，则电压C0升高，比较器X0输出高，通过滤波器调节压控振荡器，使其频率上升，周期减小，这样增加的电荷V0/R*(t/2)将变少；如果C0上增加的电荷＜减少的电荷，则C0电压降低，比较器X0输出低，通过滤波器调节压控振荡器，使其频率下降，周期增大，这样增加的电荷V0/R*(t/2)又会变多。

最终C0上的电压会稳定在与比较器X0的负端电压V0一样位置上，此时闭环控制***环路稳定，V0/R*(t/2)＝C*V0*k/(k+1)，可推算出分频器频率f＝1/t＝(k+1)/(2kRC)。

可见，这种振荡器得到的振荡频率与电源电压无关，若采用多种电阻和电容以平衡他们的温度系数，则可以得到一个与温度也无关的频率。这样振荡器的精度取决于电阻电容的匹配程度，而频率高低则可以通过增加分频器的分频数以达到倍频的目的。

Claims (2)

1.一种环振荡器电路，其特征在于，该振荡器电路包括频压转换器、滤波器、分频器和压控振荡器，所述频压转换器输出连接至滤波器，所述滤波器输出连接至压控振荡器，所述压控振荡器对外输出高频振荡，同时反馈输出连接至分频器，所述分频器输出连接至频压转换器，所述频压转换器通过对分频器输入信号频率与设定频率进行比较输出控制信号；

所述频压转换器包括电流源I0，开关S0、S1、S2，对地电容C0、C1，电压源V0和比较器X0，所述电流源I0通过开关S0连接至比较器X0的正端，所述比较器X0的正端连接了对地电容C0，所述比较器X0的正端同时通过开关S1连接至对地电容C1，所述对地电容C1与开关S2并联，所述比较器X0的负端连接至电压源V0；

所述对地电容C1的容值为C，所述对地电容电容C0的容值是对地电容C1的k倍；

所述频压转换器接收分频器输出的占空比50％的方波，并分别发送给开关S0、S1、S2，其中发送给S0和S2是正相方波，S1是反相方波；

正相方波高电平期间，S0闭合，电流源I0对对地电容C0充电，充电时间为分频器输出振荡的半周期t/2，C0上增加的电荷为V0/R*(t/2)，对地电容C1上的电荷被释放完全；

正相方波低电平期间，S0断开，S1闭合，S2断开，对地电容C0上的电荷被分配给C1，分配后，C0和C1上的电压为原C0电压的k/(k+1)，C0上减少的电荷为C*Vc*k/(k+1)，其中Vc为原C0电压。

2.根据权利要求1所述的一种环振荡器电路，其特征在于，每个周期内，若C0上增加的电荷>减少的电荷，则电压C0升高，比较器X0输出高，通过滤波器调节压控振荡器，使其频率上升，周期减小，这样增加的电荷V0/R*(t/2)将减少；若C0上增加的电荷<减少的电荷，则C0电压降低，比较器X0输出低，使压控振荡器其频率下降，周期增大，这样增加的电荷V0/R*(t/2)将增加；

C0上的电压稳定后会与比较器X0的负端电压V0一致，此时闭环控制***环路稳定，V0/R*(t/2)＝C*V0*k/(k+1)，分频器频率f＝1/t＝(k+1)/(2kRC)。