CN107317580A - 一种高稳定性振荡器电路及其实现方法 - Google Patents

一种高稳定性振荡器电路及其实现方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高稳定性振荡器电路及其实现方法，该振荡器电路包括：分频驱动电路，用于将压控振荡器输出的频率为Fout的振荡信号的频率除以N以输出频率为Fout/N的分频信号至电荷泵电路，并将该频率为Fout/N的分频信号经处理输出同相分频信号与反相分频信号至电荷泵电路；电荷泵电路，用于在该同相分频信号和反相分频信号控制下将参考电流与频率电流转换电路输出的与分频信号Fout/N频率成比例的反馈电流进行比较并输出误差电流；低通滤波器电路，用于将该误差电流转换为平稳的控制电压；压控振荡器，用于在该控制电压的控制下改变输出信号的频率，通过本发明，实现了一种基于闭环频率控制的低功耗、高稳定性振荡器。

Description

一种高稳定性振荡器电路及其实现方法
技术领域
本发明涉及一种振荡器电路及其实现方法，特别是涉及一种高稳定性振荡器电路及其实现方法。
背景技术
振荡器是现代电子***的重要组成部分，其广泛应用于电子、通信、航海航空等领域。
常用CMOS片上全集成振荡器有LC振荡器、环形振荡器、松弛振荡器等，其振荡频率受工艺角、电源电压、温度变化影响显著，不利于实际***应用。目前国内外关于高稳定性片上全集成振荡器电路的设计从结构上可分为开环和闭环两种形式，对于开环形式，一般采用温度补偿电路直接对振荡器频率进行开环温度补偿，其开环结构精度受到一定的限制，受工艺角变化影响大且大多需要复杂的后期修调，闭环结构的全集成振荡器相较于开环而言，由于其自身的负反馈结构，可同时抑制温度和电源电压的变化，使其输出频率稳定度更高，但是闭环结构相对复杂且功耗较大。
因此，有必要提供一种基于闭环频率控制的低功耗、高稳定性振荡器。
发明内容
为克服上述现有技术存在的不足，本发明之目的在于提供一种高稳定性振荡器电路及其实现方法，以实现一种基于闭环频率控制的低功耗、高稳定性振荡器。
为达上述及其它目的，本发明提出一种高稳定性振荡器电路，包括：
分频驱动电路，用于将压控振荡器输出的频率为Fout的振荡信号的频率除以N以输出频率为Fout/N的分频信号至电荷泵电路，并将该频率为Fout/N的分频信号经处理输出同相分频信号与反相分频信号至电荷泵电路；
电荷泵电路，用于在该同相分频信号和反相分频信号控制下将参考电流Iref与频率电流转换电路输出的与分频信号Fout/N频率成比例的反馈电流If进行比较并输出误差电流Iout；
低通滤波器电路，用于将该误差电流Iout转换为平稳的控制电压Vc；
压控振荡器，用于在该控制电压Vc的控制下改变输出信号的频率Fout。
进一步地，该分频驱动电路通过传输门输出该同相分频信号，经反相器输出该反相分频信号。
进一步地，该分频驱动电路包括N分频器、传输门以及反相器，该N分频器的输入端连接该压控振荡器的输出端，该N分频器输出的频率为Fout/N的输出信号连接至该传输门的输入端、该反相器的输入端和该电荷泵电路的频率电流转换电路的频率输入端，该传输门与该反相器的输出端连接至该电荷泵电路。
进一步地，该电荷泵电路包括一PMOS管、NMOS管、参考电流源以及频率电流转换电路，该PMOS管的栅极连接该传输门的输出端，源极接电源正端，漏极接该参考电流源Iref的输入端，该参考电流源的输出端连接至该频率电流转换电路的电流输入端和低通滤波器电路，该频率电流转换电路的电流输出端连接至该NMOS管的漏极，该NMOS管的栅极连接该反相器的输出端，源极接电源负端。
进一步地，该频率电流转换电路输出与分频信号Fout/N频率成正比的反馈电流。
进一步地，该低通滤波器电路采用一阶低通滤波器或二阶或多阶RC低通滤波器。
进一步地，该低通滤波器电路包括一电容与电阻R，该电阻的一端连接该参考电流源的输出端，另一端连接至该电容的一端和该压控振荡器的控制端，该电容的另一端接电源负端。
进一步地，该压控振荡器产生的频率为Fout的振荡信号经该N分频器后通过该传输门与反相器产生该同相分频信号、反相分频信号两路相位相反的开关信号控制该PMOS管、NMOS管开关管同时导通与关断，周期性对控制电压Vc进行充放电。
为达到上述目的，本发明还提供一种高稳定性振荡器电路的实现方法，包括如下步骤：
步骤一，将压控振荡器输出的频率为Fout的振荡信号的频率除以N以输出频率为Fout/N的分频信号至电荷泵电路，并将该频率为Fout/N的分频信号经处理输出同相分频信号与反相分频信号至电荷泵电路；
步骤二，利用该电荷泵电路在该同相分频信号和反相分频信号控制下将参考电流源输出的参考电流Iref与频率电流转换电路输出的与分频信号Fout/N频率成比例的反馈电流If进行比较并输出误差电流Iout；
步骤三，利用低通滤波器电路将该误差电流Iout转换为平稳的控制电压Vc；
步骤四，利用压控振荡器在该控制电压Vc的控制下改变输出信号的频率Fout。
进一步地，于步骤一中，该压控振荡器产生的频率为Fout的振荡信号经N分频器后通过传输门与反相器产生该同相分频信号、反相分频信号两路相位相反的开关信号控制该电荷泵电路的PMOS管、NMOS管开关管同时导通与关断，以周期性对控制电压Vc进行充放电。
与现有技术相比，本发明一种高稳定性振荡器电路及其实现方法通过将压控振荡器输出的频率为Fout的振荡信号的频率除以N以输出频率为Fout/N的分频信号至电荷泵电路，并将该频率为Fout/N的分频信号经处理输出同相分频信号与反相分频信号，使得该电荷泵电路在该同相分频信号和反相分频信号控制下将参考电流Iref与频率电流转换电路输出的与分频信号Fout/N频率成比例的反馈电流If进行比较并输出误差电流Iout，并利用低通滤波器电路将该误差电流Iout转换为平稳的控制电压Vc，最后利用压控振荡器在该控制电压Vc的控制下改变输出信号的频率Fout，实现了一种基于闭环频率控制的低功耗、高稳定性振荡器的目的。
附图说明
图1为本发明一种高稳定性振荡器电路的电路结构图；
图2为本发明一种高稳定性振荡器电路的实现方法的步骤流程图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例并结合附图说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其它优点与功效。本发明亦可通过其它不同的具体实例加以施行或应用，本说明书中的各项细节亦可基于不同观点与应用，在不背离本发明的精神下进行各种修饰与变更。
图1为本发明一种高稳定性振荡器电路的电路结构图。如图1所示，本发明一种高稳定性振荡器电路，包括：分频驱动电路10、电荷泵电路20、低通滤波器电路30以及压控振荡器40。
其中，分频驱动电路10，包括N分频器Div1、传输门T1和反相器INV1，用于将压控振荡器40输出的频率为Fout的振荡信号的频率除以N以输出频率为Fout/N的分频信号电荷泵电路，并将频率为Fout/N的分频信号经传输门T1输出同相分频信号S1、经反相器INV1输出反相分频信号S2至电荷泵电路20；电荷泵电路20，包括PMOS管M1、NMOS管M2、参考电流源Iref以及频率电流转换电路(FIC)F1，用于在同相分频信号S1和反相分频信号S2控制下将参考电流Iref与频率电流转换电路(FIC)F1输出的与分频信号Fout/N频率成正比的反馈电流If进行比较并输出误差电流Iout；低通滤波器电路30为电阻R和电容C组成的一阶低通滤波器，用于将误差电流Iout转换为平稳的控制电压Vc，也可以采用二阶或多阶RC低通滤波器；压控振荡器40为通用电压控制频率的振荡器，用于在控制电压Vc的控制下改变输出信号的频率Fout。
压控振荡器VCO1的输出连接至后续电路(未示出)和分频器Div1的输入端，分频器Div1输出的频率为Fout/N的输出信号连接至传输门T1的输入端、反相器INV1的输入端和频率电流转换电路(FIC)F1的频率输入端，传输门T1的输出端连接至PMOS管M1的栅极，反相器INV1的输出端连接至NMOS管M2的栅极，PMOS管M1的源极连接至电源正端VDD，NMOS管M2的源极连接至电源负端(地)，PMOS管M1的漏极连接至参考电流源Iref的输入端，参考电流源Iref的输出端连接至频率电流转换电路(FIC)F1的电流输入端和电阻R的一端，频率电流转换电路(FIC)F1的电流输出端连接至NMOS管M2的漏极，电阻R的另一端连接至电容C的一端和压控振荡器VCO1的控制端，电容C的另一端接电源负端(地)；分频器Div1、传输门T1、反相器INV1和压控振荡器VCO1均需连接各自的电源和地。
可见，压控振荡器VCO1根据输入的控制电压VC产生频率为Fout的周期性振荡信号；分频器Div1作用是将振荡信号频率减小N倍；频率电流转换电路(FIC)将输入频率信号转换为对应电流值，具有线性关系，满足：
本发明的工作原理如下：
压控振荡器VCO1产生的频率Fout的振荡信号经分频器Div1后通过传输门T1与反相器INV1产生同相分频信号S1、反相分频信号S2两路相位相反的开关信号控制M1、M2开关管同时导通与关断，以周期性对控制电压Vc进行充放电，电荷泵电路周期性的工作有助于降低电路***功耗。导通周期内参考电流源产生的Iref电流与If电流相比较，输出电流值为两者之差：
若Iout>0→对Vc进行充电→电压Vc增加→频率增高→电流If增大→Iout减小，如此反复，直至Iref＝If，稳定振荡频率的频率表达式为：
电阻R、电容C组成低通滤波电路用来降低控制电压Vc纹波，稳定***输出的频率Fout。
通过最终的输出频率表达式可分析得，由于分频比N、频率电流转换系数α均为固定值，通过反馈控制后得到的振荡频率仅与Iref相关，这样通过设计与工艺角、电源电压、工作温度无关的基准电流源，可以得到同样具有高稳定度的振荡信号。
图2为本发明一种高稳定性振荡器电路的实现方法的步骤流程图。如图2所示，本发明一种高稳定性振荡器电路的实现方法，包括如下步骤：
步骤201，将压控振荡器输出的频率为Fout的振荡信号的频率除以N以输出频率为Fout/N的分频信号至电荷泵电路，并将该频率为Fout/N的分频信号经处理输出同相分频信号与反相分频信号至电荷泵电路；
步骤202，将电荷泵电路在该同相分频信号和反相分频信号控制下将该参考电流源的参考电流Iref与频率电流转换电路输出的与分频信号Fout/N频率成比例的反馈电流If进行比较并输出误差电流Iout；
步骤203，利用低通滤波器电路将该误差电流Iout转换为平稳的控制电压Vc；
步骤204，利用压控振荡器在该控制电压Vc的控制下改变输出信号的频率Fout。
具体地说，该压控振荡器产生的频率为Fout的振荡信号经N分频器后通过传输门与反相器产生该同相分频信号、反相分频信号两路相位相反的开关信号，该电荷泵电路在该同相分频信号和反相分频信号控制下将参考电流Iref与频率电流转换电路输出的与分频信号Fout/N频率成比例的反馈电流If进行比较输出误差电流Iout至低通滤波器电路(包括电容与电阻)，在本发明具体实施例中，该同相分频信号、反相分频信号分别控制该电荷泵电路的PMOS管、NMOS管开关管同时导通与关断，进而周期性地对控制电压Vc进行充放电，电荷泵电路周期性的工作有助于降低电路***功耗。
综上所述，本发明一种高稳定性振荡器电路及其实现方法通过将压控振荡器输出的频率为Fout的振荡信号的频率除以N以输出频率为Fout/N的分频信号至电荷泵电路，并将该频率为Fout/N的分频信号经处理输出同相分频信号与反相分频信号，使得该电荷泵电路在该同相分频信号和反相分频信号控制下将参考电流Iref与频率电流转换电路输出的与分频信号Fout/N频率成比例的反馈电流If进行比较并输出误差电流Iout，并利用低通滤波器电路将该误差电流Iout转换为平稳的控制电压Vc，最后利用压控振荡器在该控制电压Vc的控制下改变输出信号的频率Fout，实现了一种基于闭环频率控制的低功耗、高稳定性振荡器的目的。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何本领域技术人员均可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰与改变。因此，本发明的权利保护范围，应如权利要求书所列。

Claims (10)

1.一种高稳定性振荡器电路，包括：
分频驱动电路，用于将压控振荡器输出的频率为Fout的振荡信号的频率除以N以输出频率为Fout/N的分频信号至电荷泵电路，并将该频率为Fout/N的分频信号经处理输出同相分频信号与反相分频信号至电荷泵电路；
电荷泵电路，用于在该同相分频信号和反相分频信号控制下将参考电流Iref与频率电流转换电路输出的与分频信号Fout/N频率成比例的反馈电流If进行比较并输出误差电流Iout；
低通滤波器电路，用于将该误差电流Iout转换为平稳的控制电压Vc；
压控振荡器，用于在该控制电压Vc的控制下改变输出信号的频率Fout。
2.如权利要求1所述的一种高稳定性振荡器电路，其特征在于：该分频驱动电路通过传输门输出该同相分频信号，经反相器输出该反相分频信号。
3.如权利要求2所述的一种高稳定性振荡器电路，其特征在于：该分频驱动电路包括N分频器、传输门以及反相器，该N分频器的输入端连接该压控振荡器的输出端，该N分频器输出的频率为Fout/N的输出信号连接至该传输门的输入端、该反相器的输入端和该电荷泵电路的频率电流转换电路的频率输入端，该传输门与该反相器的输出端连接至该电荷泵电路。
4.如权利要求3所述的一种高稳定性振荡器电路，其特征在于：该电荷泵电路包括一PMOS管、NMOS管、参考电流源以及频率电流转换电路，该PMOS管的栅极连接该传输门的输出端，源极接电源正端，漏极接该参考电流源Iref的输入端，该参考电流源的输出端连接至该频率电流转换电路的电流输入端和低通滤波器电路，该频率电流转换电路的电流输出端连接至该NMOS管的漏极，该NMOS管的栅极连接该反相器的输出端，源极接电源负端。
5.如权利要求4所述的一种高稳定性振荡器电路，其特征在于：该频率电流转换电路输出与分频信号Fout/N频率成正比的反馈电流。
6.如权利要求4所述的一种高稳定性振荡器电路，其特征在于：该低通滤波器电路采用一阶低通滤波器或二阶或多阶RC低通滤波器。
7.如权利要求6所述的一种高稳定性振荡器电路，其特征在于：该低通滤波器电路包括一电容与电阻R，该电阻的一端连接该参考电流源的输出端，另一端连接至该电容的一端和该压控振荡器的控制端，该电容的另一端接电源负端。
8.如权利要求4所述的一种高稳定性振荡器电路，其特征在于：该压控振荡器产生的频率为Fout的振荡信号经该N分频器后通过该传输门与反相器产生该同相分频信号、反相分频信号两路相位相反的开关信号控制该PMOS管、NMOS管开关管同时导通与关断，周期性对控制电压Vc进行充放电。
9.一种高稳定性振荡器电路的实现方法，包括如下步骤：
步骤一，将压控振荡器输出的频率为Fout的振荡信号的频率除以N以输出频率为Fout/N的分频信号至电荷泵电路，并将该频率为Fout/N的分频信号经处理输出同相分频信号与反相分频信号至电荷泵电路；
步骤二，利用该电荷泵电路在该同相分频信号和反相分频信号控制下将参考电流源输出的参考电流Iref与频率电流转换电路输出的与分频信号Fout/N频率成比例的反馈电流If进行比较并输出误差电流Iout；
步骤三，利用低通滤波器电路将该误差电流Iout转换为平稳的控制电压Vc；
步骤四，利用压控振荡器在该控制电压Vc的控制下改变输出信号的频率Fout。
10.如权利要求9所述的一种高稳定性振荡器电路的实现方法，其特征在于：于步骤一中，该压控振荡器产生的频率为Fout的振荡信号经N分频器后通过传输门与反相器产生该同相分频信号、反相分频信号两路相位相反的开关信号控制该电荷泵电路的PMOS管、NMOS管开关管同时导通与关断，以周期性对控制电压Vc进行充放电。
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