CN105207670A - 分段低压控增益环形振荡器和调谐斜率转换电路 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了分段低压控增益环形振荡器，包括延迟级联电路、调谐斜率转换电路和振荡频率分段控制电路；其特征在于：所述调谐斜率转换电路用于对调谐电压进行转换，将转换后的调谐电压输出到延迟级联电路的调谐电压端，以调节级联延迟单元的延迟时间；所述振荡频率分段控制电路接收外部控制信号，根据外部控制信号输出不同大小的电流信号，对延迟级联电路的调谐电压端电压进行调节；所述延迟级联电路由四级延迟单元构成，四级延迟单元的调谐电压端接在一起，接收调谐斜率转换电路输出的调谐电压；本发明通过调谐斜率转换电路和振荡频率分段控制电路相结合，使环形振荡器同时具有宽频率覆盖和低压控增益特性，可广泛应用在射频锁相环***中。

Description

分段低压控增益环形振荡器和调谐斜率转换电路
技术领域
本发明涉及环形振荡器，具体涉及分段低压控增益环形振荡器和调谐斜率转换电路。
背景技术
锁相环作为频率合成器和时钟产生电路中的关键单元，广泛应用于模拟、数字及射频芯片中。LC压控振荡器或压控环形振荡器作为锁相环中的关键单元，直接决定锁相环输出频率范围，对锁相环输出远端相位噪声有很大影响。近些年，消费电子对小面积、低功耗且性能较优的IC产品提出了更高要求。
传统压控环形振荡器的压控增益较高，可以覆盖较宽的频率范围，但应用在锁相环中时，对电压调谐端，电源端的噪声比较敏感。较难满足低功耗、低成本、高性能射频***需求。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供分段低压控增益环形振荡器和调谐斜率转换电路。
本发明为了解决上述技术问题，本发明的第一个技术方案是：
一种分段低压控增益环形振荡器，包括延迟级联电路、调谐斜率转换电路和振荡频率分段控制电路；其特征在于：
所述调谐斜率转换电路用于对调谐电压进行转换，将转换后的调谐电压输出到延迟级联电路的调谐电压端，以调节级联延迟单元的延迟时间；
所述振荡频率分段控制电路接收外部控制信号，根据外部控制信号输出不同大小的电流信号，对延迟级联电路的调谐电压端电压进行调节；
所述延迟级联电路由四级延迟单元构成，前三级延迟单元输出正端连接在下一级延迟单元的负输入端，前三级延迟单元输出负端连接在下一级延迟单元的正输入端；第四级延迟单元输出正端连接在第一级延迟单元的正输入端，第四级延迟单元输出负端连接在第一级延迟单元的负输入端；四级延迟单元的调谐电压端接在一起，接收调谐斜率转换电路输出的调谐电压。
本发明采用四级延迟单元级联构成环形振荡器振荡源，四级延迟单元均采用相同的电路来实现，可以实现差分输出或正交输出两种输出模式。四级延迟单元的调谐电压端接在一起，通过改变调谐电压端电压，可以改变每一级延迟单元延迟时间大小，从而实现对振荡频率的控制。利用第一级延迟单元正负输出端和第三级延迟单元正负输出端，即可输出正交振荡信号；同样，利用第二级延迟单元正负输出端和第四级延迟单元正负输出端，也可以输出正交振荡信号；四级延迟单元的任意一级正负输出端均为差分信号，可以输出差分振荡信号。
本发明采用调谐斜率转换电路来实现低压控增益。即通过采用调谐斜率转换电路，可以将输入端vt_in的电压变化范围从地到电源电压转换成电压变化范围较窄的调谐电压加入调谐电压端vt_out，然后通过调谐电压端vt_out来实现对延迟单元延迟时间的控制，即实现了环形振荡器的低压控增益控制。
采用振荡频率分段控制电路来改变四级延迟级联电路调谐电压端的电压，实现对振荡频率的离散控制。将振荡频率的离散控制与调谐斜率转换电路对振荡频率的连续控制相结合，可以实现环形振荡器的宽振荡频率覆盖。
根据本发明所述的分段低压控增益环形振荡器的优选方案，所述调谐斜率转换电路包括运算放大器、PMOS管MP1、MP2、NMOS管MN1和电阻R2、R3；PMOS管MP1、MP2的栅极连接在一起，并与运算放大器输出端连接；PMOS管MP1、MP2的源极连接接在一起；PMOS管MP1的漏极接运算放大器负输入端，并通过电阻R2接地；PMOS管MP2的漏极通过电阻R3连接NMOS管MN1的漏极和栅极。
根据本发明所述的分段低压控增益环形振荡器的优选方案，所述振荡频率分段控制电路中包含N路电流源,N取正整数；N路电流源由N-1路可控电流源和一路常开电流源构成；N-1路可控电流源和一路常开电流源的输出同时连接所述调谐斜率转换电路，即根据外部控制信号输出不同大小的电流信号，对调谐斜率转换电路输出的调谐电压进行调节，即对延迟级联电路的调谐电压端电压进行调节；N-1路可控电流源由外部分段控制信号控制通断。
根据本发明所述的分段低压控增益环形振荡器的优选方案，可控电流源和常开电流源均由二个PMOS管构成，其中，第一PMOS管的源极接电源，第一PMOS管的基极接收电流信号；第一PMOS管的漏极与第二PMOS管的源极相接，第二PMOS管的漏极连接所述调谐斜率转换电路，对调谐斜率转换电路输出的调谐电压进行调节；构成常开电流源的二个PMOS管中的第二PMOS管的栅极接地；构成可控电流源的二个PMOS管中的第二PMOS管的栅极接收外部分段控制信号。
根据本发明所述的分段低压控增益环形振荡器的优选方案，所述振荡频率分段控制电路中包含路四路可控电流源和一路常开电流源；所述振荡频率分段控制电路包括NMOS管MN2、MN3和PMOS管MP3～MP13；NMOS管MN3管的栅极和漏极连接，为电流输入端，MN3管源极接地VSS；NMOS管MN2、MN3的栅极相互连接，NMOS管MN2、MN3的源极接地，NMOS管MN2漏极与PMOS管MP13的栅极和漏极相接；PMOS管MP3、MP5、MP7、MP9、MP11的栅极与MP13的栅极相连接，PMOS管MP3、MP5、MP7、MP9、MP11、MP13的源极接电源；PMOS管MP11的漏极与PMOS管MP12的源极相接，PMOS管MP9的漏极与PMOS管MP10的源极相接，PMOS管MP7的漏极与PMOS管MP8的源极相接，PMOS管MP5的漏极与PMOS管MP6的源极相接，PMOS管MP3的漏极与PMOS管MP4的源极相接；PMOS管MP4的栅极接地，PMOS管MP12、MP10、MP8和MP6的栅极分别接收外部控制信号；PMOS管MP12、MP10、MP8、MP6和MP4的漏极连接在一起，并连接所述调谐斜率转换电路，即根据外部控制信号输出不同大小的电流信号，对调谐斜率转换电路输出的调谐电压进行调节。
本发明的第二个技术方案是：构成分段低压控增益环形振荡器的调谐斜率转换电路，其特征在于：所述调谐斜率转换电路包括运算放大器、PMOS管MP1、MP2、NMOS管MN1和电阻R2、R3；PMOS管MP1、MP2的栅极连接在一起，并与运算放大器输出端连接；PMOS管MP1、MP2的源极连接接在一起；PMOS管MP1的漏极接运算放大器负输入端，并通过电阻R2接地；PMOS管MP2的漏极通过电阻R3连接NMOS管MN1的漏极和栅极。
本发明所述的分段低压控增益环形振荡器和调谐斜率转换电路的有益效果是：本发明通过调谐斜率转换电路和振荡频率分段控制电路相结合，使环形振荡器同时具有宽频率覆盖和低压控增益特性，可以实现差分输出或正交输出两种输出模式；本发明与传统的高压控增益环形振荡器相比，具有面积小、功耗低和闭环相位噪声特性更好的优点，可广泛应用在射频锁相环***中。
附图说明
图1是分段低压控增益环形振荡器方案框图。
图2是延迟单元电路图。
图3是调谐斜率转换电路的电路图。
图4是振荡频率分段控制电路的电路图。
图5是调谐斜率转换电路斜率转换实现效果图。
图6是振荡频率分段控制电路实现效果图。
具体实施方式
参见图1，一种分段低压控增益环形振荡器，包括延迟级联电路1、调谐斜率转换电路2和振荡频率分段控制电路3；其中：
所述调谐斜率转换电路2用于对调谐电压进行转换，将转换后的调谐电压输出到延迟级联电路的调谐电压端，以调节级联延迟单元的延迟时间；
所述振荡频率分段控制电路3接收外部控制信号，根据外部控制信号输出不同大小的电流信号，对延迟级联电路1的调谐电压端电压进行调节；
所述延迟级联电路1由四级延迟单元构成，前三级延迟单元输出正端连接在下一级延迟单元的负输入端，前三级延迟单元输出负端连接在下一级延迟单元的正输入端；第四级延迟单元输出正端连接在第一级延迟单元的正输入端，第四级延迟单元输出负端连接在第一级延迟单元的负输入端；四级延迟单元的调谐电压端接在一起，同时接收调谐斜率转换电路2输出的调谐电压。通过改变延迟级联电路的调谐电压端vt_out电压，可以改变每一级延迟单元延迟时间大小，从而实现对振荡频率的控制。利用第一级延迟单元正负输出端和第三级延迟单元正负输出端，即可输出正交振荡信号；同样，利用第二级延迟单元正负输出端和第四级延迟单元正负输出端，也可以输出正交振荡信号；四级延迟单元的任意一级正负输出端均为差分信号，可以输出差分振荡信号。
参见图2，每个延迟单元均由三个NMOS管MN10、MN11、MN12和两个电阻R11、R12构成。MN10源极接地VSS，栅极为调谐电压端vt_out，漏极与MN11、MN12的源极相接；MN11的栅极为延迟单元的输入正端，漏极接电组R11的一端；MN12的栅极为延迟单元的输入负端，漏极接电阻R12的一端；电阻R11与MN11漏极相接，为延迟单元的负输出端；电阻R12与MN12漏极相接，为延迟单元的正输出端；电阻R11和电阻R12的另外一端接电源VCC。调节MN10栅极电压，可以调节流过MN10电流，从而调节每个延迟单元的电流，起到调节延迟时间，实现频率调谐的功能。
调谐斜率转换电路2由一个运算放大器OAMP、PMOS管MP1、MP2、NMOS管MN1、电阻R1、R2、R3和电容C1构成，详细电路见图3。PMOS管MP1、MP2的栅极连接在一起，并与运算放大器输出端连接；PMOS管MP1、MP2的源极接电源；PMOS管MP1的漏极接运算放大器负输入端，并通过电阻R2接地；PMOS管MP2的漏极通过电阻R3连接NMOS管MN1的漏极和栅极；NMOS管MN1的漏极和栅极接在一起，连接延迟级联电路的调谐电压端vt_out；电阻R1和电容C1串联连接，串联连接后一端接运算放大器OAMP的输出端，另一端接运算放大器OAMP负输入端；运算放大器OAMP的正输入端为调谐电压输入端vt_in。
调谐斜率转换电路2的工作原理是：运算放大器OAMP正输入端为调谐电压输入端vt_in，由于负反馈作用，运放OAMP负输入端会跟随正输入端变化，这样流过电阻R2的电流会跟随R2两端压差的变化而变化。MP1管和MP2管的栅极、源极分别接在一起，当MP2管和MP1管均工作在饱和区时，流过MP1管电流和流过MP2管电流之间的比值与MP1管宽长比和MP2管宽长比之间的比值相同，一旦MP1管宽长比和MP2管宽长比确定，该比值即为固定比值，这一工作区域即为线性调谐区域；当MP1管的漏极电压高于MP1管栅极电压一个阈值电压后，MP1管进入线性区，流过MP1管电流和流过MP2管的电流之间的变为非固定比值关系，该区域对应的调谐电压范围较窄，为非线性调谐区域。通过增大电阻R2的值，可以减小vt_out电压的变化范围，起到降低环形振荡器压控增益的功能。在调谐电压vt_in升到过高过程中，由于运放的跟随作用，MP1管的漏极电压也跟着升高，MP1管会从饱和区进入线性区，在这一过程中，流过MP2电流会出现突变，如果MP2的漏极直接与二极管连接的NMOS管相接，会导致调谐电压非常不线性。通过在MP2管漏极和二极管连接的NMOS管MN1管漏栅间加入电阻R3可以有效提升调谐电压vt_out的线性特性。
调谐斜率转换电路2实现效果见图5所示，横轴为转换前调谐电压，纵轴为转换后调谐电压，转换后vt_out端的电压变化范围远低于转换前vt_in端的电压变化范围。图5表明，本发明提出的调谐斜率转换电路效果明显。
参见图4,所述振荡频率分段控制电路3中包含N路电流源,N取正整数；N路电流源由N-1路可控电流源和一路常开电流源构成；N-1路可控电流源和一路常开电流源的输出同时连接所述调谐斜率转换电路，对调谐斜率转换电路输出的调谐电压进行调节；N-1路可控电流源由外部分段控制信号控制通断。
其中，可控电流源和常开电流源均由二个PMOS管构成，其中，第一PMOS管的源极接电源，第一PMOS管的基极接收电流信号；第一PMOS管的漏极与第二PMOS管的源极相接，第二PMOS管的漏极连接所述调谐斜率转换电路，对调谐斜率转换电路输出的调谐电压进行调节；构成常开电流源的二个PMOS管中的第二PMOS管的栅极接地；构成可控电流源的二个PMOS管中的第二PMOS管的栅极接收外部分段控制信号。
在具体实施例中，所述振荡频率分段控制电路中包含路四路可控电流源和一路常开电流源；所述振荡频率分段控制电路包括NMOS管MN2、MN3和PMOS管MP3～MP13；NMOS管MN3管的栅极和漏极连接，为电流输入端，MN3管源极接地VSS；NMOS管MN2、MN3的栅极相互连接，NMOS管MN2、MN3的源极接地，NMOS管MN2漏极与PMOS管MP13的栅极和漏极相接；PMOS管MP3、MP5、MP7、MP9、MP11的栅极与MP13的栅极相连接，PMOS管MP3、MP5、MP7、MP9、MP11、MP13的源极接电源；PMOS管MP11的漏极与PMOS管MP12的源极相接，PMOS管MP9的漏极与PMOS管MP10的源极相接，PMOS管MP7的漏极与PMOS管MP8的源极相接，PMOS管MP5的漏极与PMOS管MP6的源极相接，PMOS管MP3的漏极与PMOS管MP4的源极相接；PMOS管MP4的栅极接地，PMOS管MP12、MP10、MP8和MP6的栅极，即B<0>、B<1>、B<2>和B<3>端，分别接收外部分段控制信号；PMOS管MP12、MP10、MP8、MP6和MP4的漏极连接在一起，并连接所述调谐斜率转换电路，即连接到调谐斜率转换电路的NMOS管MN1的漏极和栅极，对调谐斜率转换电路输出的调谐电压进行调节。
所述振荡频率分段控制电路3的工作原理是：所述振荡频率分段控制电路中的常开电流源，可以解决输入调谐电压接近地电位时环形振荡器不起振问题。可控电流源可以直接改变流过调谐斜率转换电路中流过MN1管漏源间电压，实现对调谐电压端vt_out电压的可控调节。MP11与MP12、MP9与MP10、MP7与MP8、MP5与MP6构成四路可控电流源，通过控制MP12、MP10、MP8、MP6栅极电压的高低，可以实现对四路电流的关断和导通；MP3和MP4构成常开电流源。MN3和MN2存在电流拷贝关系，MP13管与MP11管、MP9管、MP7管、MP5管、MP3管之间存在电流拷贝关系，流过MN2管漏源电流与流过MP13管漏源电流相同，这样流过MP11管、MP9管、MP7管、MP5管、MP3管电流与流过MN3管固定电流源Idc1之间存在比例关系。
B<0>、B<1>、B<2>、B<3>端分别用来控制MP12管、MP10管、MP8管、MP6管导通或截止，导通时，有电流流入端口vt_out；截止时，无电流流入端口vt_out。B<0>、B<1>、B<2>、B<3>控制的电流权重分别为I、2*I、4*I、8*I。这样，可以实现对流过vt_out端电流的线性控制。当B<0>、B<1>、B<2>、B<3>电平均为高时，对应的MP12管、MP10管、MP8管、MP6管均截止，只有MP3管和MP4管电流流入vt_out端。通过B<0>、B<1>、B<2>、B<3>来控制I、2*I、4*I、8*I权重电流是否流入vt_out端，即实现了对MN1管漏源电流的控制，从而实现对MN1管栅极电压的控制，即实现对vt_out端电压直接控制，也即实现了对级联延迟单元延迟时间大小的离散控制。这样，B<0>、B<1>、B<2>、B<3>控制位就起到了分段控制环形振荡器振荡频率的功能。
振荡频率分段控制实施效果见图6所示，横轴为调谐电压，纵轴为振荡频率。图6表明：本发明提出的振荡频率分段控制电路可以实现环形振荡器振荡频率的分段控制。
参见图3，构成分段低压控增益环形振荡器的调谐斜率转换电路，由一个运算放大器OAMP、PMOS管MP1、MP2、NMOS管MN1、电阻R1、R2、R3和电容C1构成，详细电路见图3。PMOS管MP1、MP2的栅极连接在一起，并与运算放大器输出端连接；PMOS管MP1、MP2的源极连接电源；PMOS管MP1的漏极接运算放大器负输入端，并通过电阻R2接地；PMOS管MP2的漏极通过电阻R3连接NMOS管MN1的漏极和栅极；NMOS管MN1的漏极和栅极接在一起，连接延迟级联电路的调谐电压端vt_out；电阻R1和电容C1串联连接，串联连接后一端接运算放大器OAMP的输出端，另一端接运算放大器OAMP负输入端；运算放大器OAMP的正输入端为调谐电压输入端vt_in。
上面的实施结果表明：本发明的一种分段低压控增益环形振荡器同时具有低压控增益和振荡频率分段控制等特点。本发明技术可以应用到小面积、低功耗、高性能的射频锁相环***中。

Claims (6)

1.一种分段低压控增益环形振荡器，包括延迟级联电路(1)、调谐斜率转换电路(2)和振荡频率分段控制电路(3)；其特征在于：
所述调谐斜率转换电路(2)用于对调谐电压进行转换，将转换后的调谐电压输出到延迟级联电路(1)的调谐电压端，以调节级联延迟单元的延迟时间，起到减小压控增益的作用；
所述振荡频率分段控制电路(3)接收外部控制信号，根据外部控制信号输出不同大小的电流信号，对延迟级联电路(1)的调谐电压端电压进行调节；
所述延迟级联电路(1)由四级延迟单元构成，前三级延迟单元输出正端连接在下一级延迟单元的负输入端，前三级延迟单元输出负端连接在下一级延迟单元的正输入端；第四级延迟单元输出正端连接在第一级延迟单元的正输入端，第四级延迟单元输出负端连接在第一级延迟单元的负输入端；四级延迟单元的调谐电压端接在一起，同时接收调谐斜率转换电路(2)输出的调谐电压。
2.根据权利要求1所述的分段低压控增益环形振荡器，其特征在于：所述调谐斜率转换电路(2)包括运算放大器、PMOS管MP1、MP2、NMOS管MN1和电阻R2、R3；PMOS管MP1、MP2的栅极连接在一起，并与运算放大器输出端连接；PMOS管MP1、MP2的源极连接接在一起；PMOS管MP1的漏极接运算放大器负输入端，并通过电阻R2接地；PMOS管MP2的漏极通过电阻R3连接NMOS管MN1的漏极和栅极。
3.根据权利要求1或2所述的分段低压控增益环形振荡器，其特征在于：所述振荡频率分段控制电路(3)中包含N路电流源,N取正整数；N路电流源由N-1路可控电流源和一路常开电流源构成；N-1路可控电流源和一路常开电流源的输出同时连接所述调谐斜率转换电路，对调谐斜率转换电路输出的调谐电压进行调节；N-1路可控电流源由外部分段控制信号控制通断。
4.根据权利要求3所述的分段低压控增益环形振荡器，其特征在于：可控电流源和常开电流源均由二个PMOS管构成，其中，第一PMOS管的源极接电源，第一PMOS管的基极接收电流信号；第一PMOS管的漏极与第二PMOS管的源极相接，第二PMOS管的漏极连接所述调谐斜率转换电路，对调谐斜率转换电路输出的调谐电压进行调节；构成常开电流源的二个PMOS管中的第二PMOS管的栅极接地；构成可控电流源的二个PMOS管中的第二PMOS管的栅极接收外部分段控制信号。
5.根据权利要求4所述的分段低压控增益环形振荡器，其特征在于：所述振荡频率分段控制电路中包含路四路可控电流源和一路常开电流源；所述振荡频率分段控制电路包括NMOS管MN2、MN3和PMOS管MP3～MP13；NMOS管MN3管的栅极和漏极连接，为电流输入端，MN3管源极接地VSS；NMOS管MN2、MN3的栅极相互连接，NMOS管MN2、MN3的源极接地，NMOS管MN2漏极与PMOS管MP13的栅极和漏极相接；PMOS管MP3、MP5、MP7、MP9、MP11的栅极与MP13的栅极相连接，PMOS管MP3、MP5、MP7、MP9、MP11、MP13的源极接电源；PMOS管MP11的漏极与PMOS管MP12的源极相接，PMOS管MP9的漏极与PMOS管MP10的源极相接，PMOS管MP7的漏极与PMOS管MP8的源极相接，PMOS管MP5的漏极与PMOS管MP6的源极相接，PMOS管MP3的漏极与PMOS管MP4的源极相接；PMOS管MP4的栅极接地，PMOS管MP12、MP10、MP8和MP6的栅极分别接收外部分段控制信号；PMOS管MP12、MP10、MP8、MP6和MP4的漏极连接在一起，并连接所述调谐斜率转换电路，对调谐斜率转换电路输出的调谐电压进行调节。
6.构成分段低压控增益环形振荡器的调谐斜率转换电路，其特征在于：所述调谐斜率转换电路包括运算放大器、PMOS管MP1、MP2、NMOS管MN1和电阻R2、R3；PMOS管MP1、MP2的栅极连接在一起，并与运算放大器输出端连接；PMOS管MP1、MP2的源极连接接在一起；PMOS管MP1的漏极接运算放大器负输入端，并通过电阻R2接地；PMOS管MP2的漏极通过电阻R3连接NMOS管MN1的漏极和栅极。
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