CN105978560A - 一种可编程压控振荡器 - Google Patents
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Abstract
一种可编程压控振荡器,所述压控振荡器频率调节范围可控且输出占空比为50%的时钟信号;所述压控振荡器包括电压‑电流转换电路、电流匹配电路、电流镜像电路、环形振荡器电路、可编程电阻阵列、可编程电容阵列和输出缓冲单元电路。
Description
技术领域
本发明涉及一种集成电路控制器,具体涉及一种可编程压控振荡器。
背景技术
压控振荡器(VCO,Voltage-controlled Oscillator)是锁相环(PLL,Phase-locked Loop)和数据时钟恢复(CDR,Clock and Data Recovery)电路等重要模块。其作用是外部输入控制电压调节振荡器振荡频率,使振荡器输出频率随控制电压的变化呈现递增或递减的周期信号。
振荡器有两种常用的结构,电感电容振荡器(LC Oscillator)和环形振荡器(Ring Oscillator)。LC振荡器主要是通过LC谐振产生固定频率的时钟信号,振荡频率由电容、电感值充放电影响。然而受工艺技术所限,电容、电感占用面积大,不利于集成设计,且集成电容、电感值可调范围比较小,而片外的电容、电感易受环境因素影响。
环形振荡器则是通过延迟单元的延时反馈产生固定频率的时钟信号。环形振荡器是由几个相同的延迟单元组成反馈环路,各延迟单元的延迟时间决定振荡器的振荡频率,通过控制延迟单元的延迟时间便可以调节振荡器的振荡频率。
环形振荡器延迟单元有两种类型,一种是放大器组成的延时单元,如专利CN 102723912 A中提出的一种宽带环形振荡器所采用的差分放大器结构的延迟单元;另一种是由反相器组成的延迟单元,如专利CN104300971 A中提出的一种频率稳定的环形振荡器,所采用的就是由反相器构成的延迟单元。延迟时间受电路负载电容的充放电时间决定,改变延迟时间可以通过改变电路的充放电时间常数或者通过改变充放电电流实现,充放电时间常数通过调节延时单元的负载电容、电阻值得到,而充放电电流可以通过控制尾电流源过驱动电压得到。
本发明提供一种环形结构可编程压控振荡器,电路结构易实现且宽带频率调节范围并且可编程控制,适用于中高频时钟电路。
本发明的延迟单元所采用的是不同于放大器和反相器的一种全差分延迟单元结构,该延迟单元的延时机理是负载电容的充放电时间。本发明的振荡器的频率调节是通过控制延迟单元电流大小实现。本发明的实现了对频率调节范围的有效控制,可以满足不同时钟电路的不同频率范围要求。本发明的控制方式有两种,一种是控制延迟单元的负载电容;另一种是控制电压-电流转换电路(V-I)中的电阻,进而控制电压与电流对应比例关系。
发明内容
本发明目的在于提供一种可编程压控振荡器,频率调节范围可编程且输出占空比为50%的时钟信号。
本发明提供的可编程压控振荡器包括电压-电流转换电路、电流匹配电路、电流镜像电路、环形振荡器电路和输出缓冲单元电路。
所述电压-电流转换电路将输入的控制信号转化为第一电流源,然后通过所述的电流匹配电路产生第二电流源;所述的电流镜像电路将第一电流源和第二电流源镜像提供给所述的环形振荡器电路;所述环形振荡器电路通过延迟单元负载电容充放电产生延时,反馈产生自激振荡,输出差分时钟信号提供给所述的输出缓冲单元电路;所述的输出缓冲单元电路对差分振荡信号进行比较、整形,输出占空比为50%的周期时钟信号。
所述的电压-电流转换电路包括两个PMOS管、一个电阻和一个运算放大器A1,第一PMOS管MP1的源极接电源VDD;第一PMOS管MP1的栅极与运算放大器A1的输出端相接,第一PMOS管MP1的漏极与第二PMOS管MP2的源极连接,第二PMOS管MP2的栅极接外部基准源输入的偏置信号Vb1;第二PMOS管MP2漏极、第零电阻器R0的一端与运算放大器A1的正相输入端Vp连接,第零电阻器R0的另一端接地;运算放大器A1的反相输入端接外部输入的控制信号Vctrl。
所述的电流匹配电路包括两个PMOS管和两个NMOS管,第四PMOS管MP4的栅极与电压-电流转换电路中的第一PMOS管MP1的栅极相接,形成镜像电流源电路;第三PMOS管的源极接电源VDD,第三PMOS管的漏极与第三PMOS管MP3的源极相接,第二PMOS管的栅极接外部基准源输入的偏置信号Vb1;第三PMOS管MP3的漏极、第二NMOS管MN2的栅极与第一NMOS管MN1的漏极相接;第一NMOS管MN1的栅极与外部基准源输入的偏置信号Vb2相接,第一NMOS管MN1的源极接第二NMOS管MN2的漏极,第二NMOS管MN2的源极接地。
所述的电流镜像电路I3包括三个PMOS管和三个NMOS管,第五PMOS管MP5的源极、第六PMOS管MP6的源极和第七PMOS管MP7的源极接电源VDD,第五PMOS管MP5的栅极、第六PMOS管MP6的栅极和第七PMOS管MP7的栅极与电压-电流转换电路中的第一PMOS管MP1的栅极相接;第四PMOS管P4的漏极与第一延迟单元TD1的输入端Ip连接,第五PMOS管P5的漏极与第二延迟单元TD2的输入端Ip连接,第六PMOS管的漏极与第三延迟单元TD2的输入端Ip连接;第三NMOS管MN3的源极、第四NMOS管MN4的源极和第五NMOS管MN5的源极接地,第三NMOS管MN3的栅极、第四NMOS管MN4的栅极和第五NMOS管MN5的栅极与电流匹配电路中的第二NMOS管MN2的栅极连接;第三NMOS管MN3的漏极与第一延迟单元TD1的输入端In连接,第四NMOS管MN4的漏极与第二延迟单元TD2的输入端In连接,第五NMOS管MN5的漏极与第三延迟单元TD3的输入端In连接。
所述的环形振荡器电路I4包括三个相同的延迟单元,每个延迟单元包括两个PMOS管、两个NMOS管和一个电容,第八PMOS管MP8源极和第九PMOS管MP9的源极作为该延迟单元的充电电流输入端口Ip;第八PMOS管MP8的栅极作为该延迟单元的同相输入端V+,第九PMOS管MP9的栅极作为该延迟单元的反相输入端V-;第八PMOS管MP8的漏极、第七NMOS管MN7的漏极、第六NMOS管MN6的栅极与电容器C的一端连接,第九PMOS管MP9的漏极、第六NMOS管MN6的漏极、第七NMOS管MN7的栅极与电容器C的另一端连接;第七NMOS管MN7的源极和第六NMOS管MN6的源极用作该延迟单元的放电电流输出端口In。
所述的输出缓冲单元电路I5包括一个放大器和两个反相器,第二放大器A2用作比较器,第二放大器A2的同相输入端Vp接环形振荡器的同相输出信号Vout+,,第二放大器A2的反相输入端Vp接环形振荡器的反相输出信号Vout-;第二放大器A2的输出端O接第一反相器INV1的输入端,第一反相器INV1的输出端接第二反相器INV2的输入端,第二反相器的输出端作为最终的时钟信号输出端口CLk。
进一步地,本发明对压控振荡器的可调频率范围进行控制,实现方式是控制电压-电流转换电路中的电阻阵列和控制振荡器延迟单元中的电容阵列。具体做法如下:
1.将电压-电流转换电路中的第零电阻器R0替换为可编程控制电阻阵列,电阻阵列由若干个电阻R1、R2、R3、…、Rn串联,分别在串联的电阻节点上并联一个可编程开关U1、U2、U3、…、Un,如在电阻R1上并联开关U1,在电阻R2上并联开关U2,依此类推,在电阻Rn上并联开关Un;然后用数据选择器原理控制开关导通与断开,当Un被选中导通时,接入电路的电阻最大;而当U1被选中导通时,接入电路的电阻最小。
2.将振荡器延迟单元中的电容器C替换为可编程控制电容阵列,电容阵列由若干个电容C1、C2、…、Cn并联,分别在并联电容上串联一个可编程开关D1、D2、…、Dn,如在电容器C1上串联开关D1,在电容器C2上串联开关D2,依此类推,在电容器Cn上串联开关Dn;然后编程控制开关D1、D2、…、Dn的导通与断开,开关导通即是对应的电容器接入电路,开关断开即是对应的电容器未接入电路。
本发明的可编程压控振荡器具有如下优点:
1.电路结构简单,可采用CMOS工艺实现,易集成,成本低;
2.电压控制频率调节线性度好,应用范围广;
3.延迟单元采用全差分结构,利用比较器比较差分信号,产生单端时钟信号,并且占空比为50%;
4.频率调节范围可编程控制,可应用于中高频时钟电路模块。
附图说明
图1为本发明的可编程压控振荡器的结构框图;
图2为本发明的压控振荡器的电路结构示意图;
图3为图2中的延迟单元电路图;
图4是本发明的压控振荡器主要工作时序图;
图5为本发明的可编程电阻阵列的示意图;
图6为本发明延迟单元的可编程电容阵列示意图;
图7为可编程压控振荡器的实例操作结果示意图。
具体实施方式
图1是本发明的实施例的可编程压控振荡器的结构框图。如图1所示,可编程压控振荡器包括电压-电流转换电路I1、电流匹配电路I2、电流镜像电路I3、环形振荡器电路I4和输出缓冲单元电路I5。
图2是本发明实施例的可编程压控振荡器的电路结构图,所述的电压-电流转换电路I1包括两个PMOS管、一个电阻和一个运算放大器A1,第一PMOS管MP1的源极接电源VDD;第一PMOS管MP1的栅极与运算放大器A1的输出端相接,第一PMOS管MP1的漏极与第二PMOS管MP2的源极连接,第二PMOS管MP2的栅极接外部基准源输入的偏置信号Vb1;第二PMOS管MP2漏极、第零电阻器R0的一端与运算放大器A1的正相输入端Vp连接,第零电阻器R0的另一端接地;运算放大器A1的反相输入端接外部输入的控制信号Vctrl。
所述的电流匹配电路I2包括两个PMOS管和两个NMOS管,第四PMOS管MP4的栅极与电压-电流转换电路中的第一PMOS管MP1的栅极连接,形成镜像电流源电路;第四PMOS管MP4的源极接电源VDD,第四PMOS管MP4的漏极与第三PMOS管MP3的源极相接,第三PMOS管MP3的栅极接外部基准源输入的偏置信号Vb1;第三PMOS管MP3的漏极、第二NMOS管MN2的栅极与第一NMOS管MN1的漏极相接;第一NMOS管MN1的栅极与外部基准源输入的偏置信号Vb2相接,第一NMOS管MN1的源极接第二NMOS管MN2的漏极,第二NMOS管MN2的源极接地。
所述的电流镜像电路I3包括三个PMOS管和三个NMOS管,第五PMOS管MP5的源极、第六PMOS管MP6的源极和第七PMOS管MP7的源极接电源VDD,第五PMOS管MP5的栅极、第六PMOS管MP6的栅极和第七PMOS管MP7的栅极与电压-电流转换电路中的第一PMOS管MP1的栅极相接;第四PMOS管P4的漏极与第一延迟单元TD1的输入端Ip连接,第五PMOS管P5的漏极与第二延迟单元TD2的输入端Ip连接,第六PMOS管的漏极与第三延迟单元TD2的输入端Ip连接;第三NMOS管MN3的源极、第四NMOS管MN4的源极和第七NMOS管MN7的源极接地,第三NMOS管MN3的栅极、第四NMOS管MN4的栅极和第七NMOS管MN7的栅极与电流匹配电路中的第二NMOS管MN2的栅极连接;第三NMOS管MN3的漏极与第一延迟单元TD1的输入端In连接,第四NMOS管MN4的漏极与第二延迟单元TD2的输入端In连接,第七NMOS管MN7的漏极与第三延迟单元TD2的输入端In连接。
所述的环形振荡器电路I4包括三个相同的延迟单元,图3是本发明实施例的环形压控振荡器延迟单元,如图3所示,每个延迟单元包括两个PMOS管、两个NMOS管和一个电容,第八PMOS管MP8源极和第九PMOS管MP9的源极作为该延迟单元的充电电流输入端口Ip;第八PMOS管MP8的栅极作为该延迟单元的同相输入端V+,第九PMOS管MP9的栅极作为该延迟单元的反相输入端V-;第八PMOS管MP8的漏极、第七NMOS管MN7的漏极、第六NMOS管MN6的栅极与电容器C的一端连接,第九PMOS管MP9的漏极、第六NMOS管MN6的漏极、第七NMOS管MN7的栅极与电容器C的另一端连接;第七NMOS管MN7的源极和第六NMOS管MN6的源极用作该延迟单元的放电电流输出端口In。
所述的输出缓冲单元I5包括一个放大器和两个反相器,第二放大器A2用作比较器,第二放大器A2的同相输入端Vp接环形振荡器的同相输出信号Vout+,第二放大器A2的反相输入端Vp接环形振荡器的反相输出信号Vout-;第二放大器A2的输出端O接第一反相器INV1的输入端,第一反相器INV1的输出端接第二反相器INV2的输入端,第二反相器INV2的输出端用作最终的时钟信号输出端口CLk。
图4是本发明的压控振荡器主要工作时序图,如图4所示,压控振荡器输出差分时钟信号Vout+和Vout-,然后利用比较器将差分时钟信号转成单端的时钟信号,在用反向器INV1和INV2对时钟信号进行整形,最终输出占空比为50%的方波时钟信号。
进一步地,本发明对压控振荡器的可调频率范围进行控制,实现方式是控制电压-电流转换电路中的电阻阵列和控制振荡器延迟单元中的电容阵列。
如图5所示,将电压-电流转换电路中的第零电阻器R0替换为可编程控制电阻阵列I6,电阻阵列由若干个电阻R1、R2、R3…、Rn串联,分别在串联的电阻节点上并联一个可编程开关U1、U2、U3、…、Un,如在电阻R1上并联开关U1,在电阻R2上并联开关U2,依此类推,在电阻Rn上并联开关Un;然后用数据选择器原理控制开关导通与断开,当Un被选中导通时,接入电路的电阻最大;而当U1被选中导通时,接入电路的电阻最小。
如图6所示,将振荡器延迟单元中的电容器替换可编程控制电容阵列I7,电容阵列由若干个电容C1、C2、…、Cn并联,分别在并联电容上串联一个可编程开关D1、D2、…、Dn,如在电容器C1上串联开关D1,在电容器C2上串联开关D2,依此类推,在电容器Cn上串联开关Dn;然后编程控制开关D1、D2、…、Dn的导通与断开,开关导通即是对应的电容器接入电路,开关断开即是对应的电容器未接入电路。
图7为可编程压控振荡器的实例操作结果示意图,如图7所示,本实施例是对可编程压控振荡器延迟单元的负载电容阵列进行编程控制,振荡器调节频率随控制电压的变换成线性关系,其振荡器输出信号的中心频率随电容值增加而减小,达到控制频率大小及范围的要求。
本发明不限于这里所述的特定实施例,对本领域技术人员而言能够基于本发明构思进行各种明显的变化、重新调整和替代均不会脱离本发明的保护范围。因此,以上实施例只是对本发明进行了较为详细的说明,但是本发明不仅仅限于以上实施例,在不脱离本发明构思的情况下,还可以包括更多其他等效实施例,本发明的范围由所附的权利要求范围决定。
Claims (8)
1.一种可编程压控振荡器,其特征在于:所述压控振荡器频率调节范围可控且输出占空比为50%的时钟信号;所述压控振荡器包括电压-电流转换电路、电流匹配电路、电流镜像电路、环形振荡器电路和输出缓冲单元电路;所述电压-电流转换电路将输入的控制信号转化为第一电流源,然后通过所述的电流匹配电路产生第二电流源;所述的电流镜像电路将第一电流源和第二电流源镜像提供给所述的环形振荡器电路;所述环形振荡器电路通过延迟单元负载电容充放电产生延时,反馈产生自激振荡,输出差分时钟信号提供给所述的输出缓冲单元电路;所述的输出缓冲单元电路对差分振荡信号进行比较、整形,输出占空比为50%的周期时钟信号。
2.根据权利要求1所述的可编程压控振荡器,其特征是:所述的电压-电流转换电路包括两个PMOS管、一个电阻和一个运算放大器A1,第一PMOS管MP1的源极接电源VDD;第一PMOS管MP1的栅极与运算放大器A1的输出端相接,第一PMOS管MP1的漏极与第二PMOS管MP2的源极连接,第二PMOS管MP2的栅极接外部基准源输入的偏置信号Vb1;第二PMOS管MP2漏极、第零电阻器R0的一端与运算放大器A1的正相输入端Vp连接,第零电阻器R0的另一端接地;运算放大器A1的反相输入端接外部输入的控制信号Vctrl。
3.根据权利要求1或2所述的可编程压控振荡器,其特征是:所述的电流匹配电路包括两个PMOS管和两个NMOS管,第四PMOS管MP4的栅极与电压-电流转换电路中的第一PMOS管MP1的栅极相接,形成镜像电流源电路;第三PMOS管的源极接电源VDD,第三PMOS管的漏极与第三PMOS管MP3的源极相接,第二PMOS管的栅极接外部基准源输入的偏置信号Vb1;第三PMOS管MP3的漏极、第二NMOS管MN2的栅极与第一NMOS管MN1的漏极相接;第一NMOS管MN1的栅极与外部基准源输入的偏置信号Vb2相接,第一NMOS管MN1的源极接第二NMOS管MN2的漏极,第二NMOS管MN2的源极接地。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的可编程压控振荡器,其特征是:所述的电流镜像电路I3包括三个PMOS管和三个NMOS管,第五PMOS管MP5的源极、第六PMOS管MP6的源极和第七PMOS管MP7的源极接电源VDD,第五PMOS管MP5的栅极、第六PMOS管MP6的栅极和第七PMOS管MP7的栅极与电压-电流转换电路中的第一PMOS管MP1的栅极相接;第四PMOS管P4的漏极与第一延迟单元TD1的输入端Ip连接,第五PMOS管P5的漏极与第二延迟单元TD2的输入端Ip连接,第六PMOS管的漏极与第三延迟单元TD2的输入端Ip连接;第三NMOS管MN3的源极、第四NMOS管MN4的源极和第五NMOS管MN5的源极接地,第三NMOS管MN3的栅极、第四NMOS管MN4的栅极和第五NMOS管MN5的栅极与电流匹配电路中的第二NMOS管MN2的栅极连接;第三NMOS管MN3的漏极与第一延迟单元TD1的输入端In连接,第四NMOS管MN4的漏极与第二延迟单元TD2的输入端In连接,第五NMOS管MN5的漏极与第三延迟单元TD3的输入端In连接。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的可编程压控振荡器,其特征是:所述的环形振荡器电路I4包括三个相同的延迟单元,每个延迟单元包括两个PMOS管、两个NMOS管和一个电容,第八PMOS管MP8源极和第九PMOS管MP9的源极作为该延迟单元的充电电流输入端口Ip;第八PMOS管MP8的栅极作为该延迟单元的同相输入端V+,第九PMOS管MP9的栅极作为该延迟单元的反相输入端V-;第八PMOS管MP8的漏极、第七NMOS管MN7的漏极、第六NMOS管MN6的栅极与电容器C的一端连接,第九PMOS管MP9的漏极、第六NMOS管MN6的漏极、第七NMOS管MN7的栅极与电容器C的另一端连接;第七NMOS管MN7的源极和第六NMOS管MN6的源极用作该延迟单元的放电电流输出端口In。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的可编程压控振荡器,其特征是:所述的输出缓冲单元电路I5包括一个放大器和两个反相器,第二放大器A2用作比较器,第二放大器A2的同相输入端Vp接环形振荡器的同相输出信号Vout+,,第二放大器A2的反相输入端Vp接环形振荡器的反相输出信号Vout-;第二放大器A2的输出端0接第一反相器INV1的输入端,第一反相器INV1的输出端接第二反相器INV2的输入端,第二反相器的输出端作为最终的时钟信号输出端口CLk。
7.根据权利要求2-6中任一项所述的可编程压控振荡器,其特征是:将电压-电流转换电路中的第零电阻器R0替换为可编程控制电阻阵列,电阻阵列由若干个电阻R1、R2、R3、…、Rn串联,分别在串联的电阻节点上并联一个可编程开关U1、U2、U3、…、Un,如在电阻R1上并联开关U1,在电阻R2上并联开关U2,依此类推,在电阻Rn上并联开关Un;然后用数据选择器原理控制开关导通与断开,当Un被选中导通时,接入电路的电阻最大;而当U1被选中导通时,接入电路的电阻最小。
8.根据权利要求5-7中任一项所述的可编程压控振荡器,其特征是:将振荡器延迟单元中的电容器C替换为可编程控制电容阵列,电容阵列由若干个电容C1、C2、…、Cn并联,分别在并联电容上串联一个可编程开关D1、D2、…、Dn,如在电容器C1上串联开关D1,在电容器C2上串联开关D2,依此类推,在电容器Cn上串联开关Dn;然后编程控制开关D1、D2、…、Dn的导通与断开,开关导通即是对应的电容器接入电路,开关断开即是对应的电容器未接入电路。
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