CN115996024A - 具有宽频带频率温漂补偿的数控振荡器、芯片及通信终端 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有宽频带频率温漂补偿的数控振荡器、芯片及通信终端。该数控振荡器包括振荡器电路、调谐电容阵列和补偿电容阵列。其中，调谐电容阵列和补偿电容阵列分别与振荡器电路的两个差分输出端并联连接。本发明通过采用OTW控制码检测电路和参考电压控制阵列，以及PTAT模块和温补电压控制阵列两个部分，共同控制补偿电容陈列的端电压值从而得到补偿电容值的技术方案，实现了在宽频带范围内，高精度补偿数控振荡器输出频率随温度变化引起的频率漂移，在宽频带范围内提高了数控振荡器输出频率的稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及一种具有宽频带频率温漂补偿的数控振荡器，同时也涉及包括该数控振荡器的集成电路芯片及相应的通信终端，属于电子振荡器技术领域。
背景技术
数控振荡器(Digital Control Oscillator，简称为DCO)的功能作用是输出一定频率的交流信号，其应用范围十分广泛。在通信***中，射频收发机芯片需要锁相环(Phase-lock loop，简称为PLL)为射频收发提供LO(本振)信号，其中，DCO是PLL的频率产生模块，是PLL中最为关键和核心的组成部分。
当工作温度发生变化时，DCO输出频率也会随温度发生变化，通常，如果温度升高则DCO的输出频率会降低，温度降低则DCO的输出频率会升高。由于温度变化而引起DCO的输出频率发生漂移的现象称为频率温漂，其会导致PLL经历一个从失锁到重新锁定的过程，这种失锁到重新锁定给PLL的应用带来了极大的限制，因此需要对DCO的频率温漂进行电容补偿。频率温漂的电容补偿在不同温度下，DCO需要补偿的电容大小是不相同的，例如，在－40～0℃范围内需要补偿1.5fF电容，在0～40℃需要补偿1.8fF电容。
另一方面，随着越来越多的应用被集成到一颗芯片中，PLL需要支持多个频带的工作状况。在相同的温度变化范围内，DCO工作在不同频带时，其频率温漂需要补偿电容的大小也是不相等的。例如，在同样的温度－40℃～120℃范围内，DCO工作在2.4G频带时需要补偿8fF的电容，而工作在1.5G频带时则需要补偿14fF的电容。
因此，如何提高DCO在不同频带的工况下，其输出频率的稳定性就成为一个重要的技术课题。
在申请公布号为CN111181489A的中国专利申请中，公开了一种压控振荡器和温漂补偿方法。该压控振荡器包括温漂偏压产生电路、电感线圈、电容阵列和负阻管；电容阵列包括并联的开关电容阵列和可变电容阵列；电感线圈连接负阻管和电容阵列；温漂偏压产生电路与电感线圈、开关电容阵列和可变电容阵列中的至少两个连接；温漂偏压产生电路用于为负阻管、开关电容阵列和可变电容阵列中的至少两个的偏压节点提供偏置电压，通过偏置电压调节电容值，调节输出频率，补偿压控振荡器的温度漂移。但是，该技术方案中没有涉及宽频带范围内对DCO输出频率的温漂补偿问题。
发明内容
本发明所要解决的首要技术问题在于提供一种具有宽频带频率温漂补偿的数控振荡器。
本发明所要解决的另一技术问题在于提供一种包括该数控振荡器的集成电路芯片。
本发明所要解决的又一技术问题在于提供一种包括该数控振荡器的通信终端。
为了实现上述目的，本发明采用下述的技术方案：
根据本发明实施例的第一方面，提供一种具有宽频带频率温漂补偿的数控振荡器，包括振荡器电路和调谐电容阵列，其特征在于还包括补偿电容阵列；其中，调谐电容阵列和补偿电容阵列分别与振荡器电路的两个差分输出端并联连接；
振荡器电路为LC振荡器，其产生一定频率的交流信号；
调谐电容阵列通过OTW控制字控制所述调谐电容阵列中接入谐振腔的电容大小，调节数控振荡器的输出频率；
补偿电容阵列为变容管构成的电容阵列，其通过PTAT模块和温补电压控制阵列以及OTW控制码检测电路和参考电压控制阵列，共同控制补偿电容阵列接入谐振腔内的电容大小，从而实现在宽频带范围内补偿数控振荡器输出频率的温度漂移。
其中较优地，补偿电容阵列包括OTW控制码检测电路、参考电压控制阵列、PTAT模块、温补电压控制阵列和电容阵列；其中，OTW控制码检测电路的输出端与参考电压控制阵列的输入端连接，参考电压控制阵列的输出端与电容阵列的一端连接；PTAT模块的输出端与温补电压控制阵列的输入端连接，温补电压控制阵列的输出端与电容阵列的另一端连接；
PTAT模块的第一输出端输出与绝对温度变化正相关的电流IPTAT，第二输出端输出的电流与温度变化无关；
温补电压控制阵列根据PTAT模块的两路输出电流，调节阵列等效电阻的大小，从而输出温补电压Vs至所述电容阵列；
OTW控制码检测电路检测DCO的OTW粗调控制字，将OTW粗调控制字各位数电平信号的反信号根据权重不同进行排列组合，并通过逻辑或非门形成一组控制信号至参考电压控制阵列；
参考电压控制阵列根据OTW控制码检测电路输出的一组控制信号，调节阵列等效电阻的大小，从而输出参考电压VG至电容阵列；
电容阵列根据变容管两端反偏电压VSG的大小改变接入谐振腔的补偿电容值，从而在宽频带范围内补偿DCO输出频率的温度漂移。
其中较优地，温补电压控制阵列包括第一PMOS管PM0、第二PMOS管PM1、第三PMOS管PM2，以及第一NMOS管NM0、第二NMOS管NM1、第三NMOS管NM2、第四NMOS管NM3，以及第一比较器U1、第二比较器U2、第三比较器U3、第四比较器U4，以及第一电阻R0、第二电阻R1、第三电阻R2、第四电阻R3、第五电阻R4、第六电阻R5、第七电阻R6、第八电阻R7和第九电阻R8；其中，PTAT模块的第一输出端分别与第一PMOS管PM0的栅极、第二PMOS管PM1的栅极连接，第一PMOS管PM0的源极和第二PMOS管PM1的源极均与电源端VDD连接，第一PMOS管PM0的漏极与输出端VS连接；第二PMOS管PM1的漏极一方面与第一电阻R0连接，另一方面分别与第一比较器U1的反相输入端、第二比较器U2的反相输入端、第三比较器U3的反相输入端、第四比较器U4的反相输入端连接；第一电阻R0的另一端与地电位端连接；所述PTAT模块的第二输出端与第三PMOS管PM2的栅极连接，第三PMOS管PM2的源极与电源端VDD连接，第三PMOS管PM2的漏极分别与第五电阻R4、第四比较器U4的正相输入端连接，第五电阻R4的另一端分别与第四电阻R3、第三比较器U3的正相输入端连接，第四电阻R3的另一端分别与第三电阻R2、第二比较器U2的正相输入端连接，第三电阻R2的另一端分别与第二电阻R1、第一比较器U1的正相输入端连接，第二电阻R1的另一端与地电位端连接；第一比较器U1的输出端与第一NMOS管NM0的栅极连接，第二比较器U2的输出端与第二NMOS管NM1的栅极连接，第三比较器U3的输出端与第三NMOS管NM2的栅极连接，第四比较器U4的输出端与第四NMOS管NM3的栅极连接；第一NMOS管NM0的源极、第二NMOS管NM1的源极、第三NMOS管NM2的源极和第四NMOS管NM3的源极均与地电位端连接；第一NMOS管NM0的漏极与第六电阻R5连接，第六电阻R5的另一端分别与第一PMOS管PM0的漏极及输出端VS连接；第二NMOS管NM1的漏极与第七电阻R6连接，第七电阻R6的另一端分别与第一PMOS管PM0的漏极及输出端VS连接；第三NMOS管NM2的漏极与第八电阻R7连接，第八电阻R7的另一端分别与第一PMOS管PM0的漏极及输出端VS连接；第四NMOS管NM3的漏极与第九电阻R8连接，第九电阻R8的另一端分别与第一PMOS管PM0的漏极及输出端VS连接。
其中较优地，当DCO的OTW粗调控制字为4位数时，控制码A<3:0>为该4位数电平信号的反信号；OTW控制码检测电路由第一或非门NOR1、第二或非门NOR2、第三或非门NOR3、第四或非门NOR4组成，上述或非门分别具有四个输入端；其中，第一或非门NOR1的第一输入端与OTW粗调控制字的A3电平信号端连接，第一或非门NOR1的第二输入端、第三输入端、第四输入端分别与低电平端连接，第一或非门NOR1的输出端与参考电压控制阵列第一输入端连接；第二或非门NOR2的第一输入端与OTW粗调控制字的A3电平信号端连接，第二或非门NOR2的第二输入端与OTW粗调控制字的A2电平信号端连接，第二或非门NOR2的第三输入端、第四输入端分别与低电平端连接，第二或非门NOR2的输出端与参考电压控制阵列第二输入端连接；第三或非门NOR3的第一输入端与OTW粗调控制字的A3电平信号端连接，第三或非门NOR3的第二输入端与OTW粗调控制字的A2电平信号端连接，第三或非门NOR3的第三输入端与OTW粗调控制字的A1电平信号端连接，第三或非门NOR3的第四输入端与低电平端连接，第三或非门NOR3的输出端与参考电压控制阵列第三输入端连接；第四或非门NOR4的第一输入端与OTW粗调控制字的A3电平信号端连接，第四或非门NOR4的第二输入端与OTW粗调控制字的A2电平信号端连接，第四或非门NOR4的第三输入端与OTW粗调控制字的A1电平信号端连接，第四或非门NOR4的第四输入端与OTW粗调控制字的A0电平信号端连接，第四或非门NOR4的输出端与与参考电压控制阵列第四输入端连接。
其中较优地，参考电压控制阵列由第五NMOS管NM10、第六NMOS管NM11、第七NMOS管NM12、第八NMOS管NM13，以及第十电阻R10、第十一电阻R11、第十二电阻R12、第十三电阻R13和第十四电阻R14组成，参考电压控制阵列共有四个输入端；其中，第五NMOS管NM10的栅极与第一输入端连接，第六NMOS管NM11的栅极与第二输入端连接，第七NMOS管NM12的栅极与第三输入端连接，第八NMOS管NM13的栅极与第四输入端连接；第五NMOS管NM10的源极、第六NMOS管NM11的源极、第七NMOS管NM12的源极、第八NMOS管NM13的源极分别与地电位端连接；第五NMOS管NM10的漏极与第十电阻R10连接，第六NMOS管NM11的漏极与第十一电阻R11连接，第七NMOS管NM12的漏极与第十二电阻R12连接，第八NMOS管NM13的漏极与第十三电阻R13连接；第十电阻R10、第十一电阻R11、第十二电阻R12、第十三电阻R13的另一端相互并联连接后与第十四电阻R14连接，第十四电阻R14的另一端与电源端VDD连接。
其中较优地，通过OTW控制码检测电路和参考电压控制阵列，以及PTAT模块和温补电压控制阵列共两个控制部分，共同控制实现在宽频带范围内对DCO输出频率的温度漂移进行补偿；其中，当OTW粗调控制字不变时，由PTAT模块和温补电压控制阵列单独进行补偿控制工作；当OTW粗调控制字发生变化时，上述两个部分共同进行补偿控制工作。
其中较优地，温补电压控制阵列的输出端电压VS均随着温度的升高而增大，并且，在不同的温度范围内，温补电压控制阵列的输出端电压VS的变化速度也不相同，温补电压控制阵列的输出端电压VS的变化速度随着温度的升高而降低。
其中较优地，参考电压控制阵列的输出端电压VG随着OTW粗调控制字的增大而降低；并且，在相同的温度范围内，不同的参考电压VG所对应的补偿电容也不相同，补偿电容的变化速度随着参考电压VG的降低而减小。
根据本发明实施例的第二方面，提供一种集成电路芯片，其中包括上述具有宽频带频率温漂补偿的数控振荡器。
根据本发明实施例的第三方面，提供一种通信终端，其中包括上述具有宽频带频率温漂补偿的数控振荡器。
与现有技术相比较，本发明所提供的具有宽频带频率温漂补偿的数控振荡器，通过采用OTW控制码检测电路和参考电压控制阵列，以及PTAT模块和温补电压控制阵列两个部分，共同控制补偿电容陈列的端电压从而得到补偿电容的技术方案，实现了在宽频带范围内，高精度补偿数控振荡器输出频率随温度变化引起的频率漂移，在宽频带范围内提高了数控振荡器输出频率的稳定性。因此，本发明所提供的具有宽频带频率温漂补偿的数控振荡器具有结构设计巧妙合理、灵活性强，以及电路性能优异等有益效果。
附图说明
图1为本发明所提供的具有宽频带频率温漂补偿的DCO***框图；
图2为本发明实施例中，补偿电容阵列的***结构框图；
图3为本发明实施例中，补偿电容阵列中变容管接线端示意图；
图4为本发明实施例中，温补电压控制阵列的电路原理图；
图5为本发明实施例中，温补电压控制阵列的温度/电压曲线图；
图6为本发明实施例中，OTW控制码检测电路和参考电压控制阵列的电路原理图。
图7为本发明实施例中，参考电压控制阵列的电压/电容曲线图；
图8为本发明实施例中，DCO工作在1.5GHz时输出频率温漂补偿的仿真测试图；
图9为本发明实施例中，DCO工作在2.42GHz时输出频率温漂补偿的仿真测试图；
图10为本发明实施例中，DCO工作在3.446GHz时输出频率温漂补偿的仿真测试图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案做进一步的详细说明。
如图1所示，本发明提供的具有宽频带频率温漂补偿的数控振荡器(DCO)包括振荡器电路、调谐电容阵列和补偿电容阵列。其中，调谐电容阵列和补偿电容阵列分别与振荡器电路的两个差分输出端并联连接。
振荡器电路的作用是产生一定频率的交流信号，振荡器电路包括电感和电容组成的谐振回路，其决定LC振荡频率；差分结构的CMOS交叉耦合管对组成的有源电路，其等效为负阻，补偿每个振荡周期中在电阻上产生的能量损耗。
调谐电容阵列的作用是通过OTW控制字控制的数字开关，控制调谐电容阵列的电容是否接入到达谐振腔中，从而实现调节DCO输出频率的大小。
DCO输出频率f为：
Ck＝C0,k+OTWk*ΔCk (2)
其中，L为谐振回路的电感值；N为OTW控制字的位数；K为N位OTW控制字中的第K位，取值范围0～(N－1)；OTWk为第K位OTW控制字；Ck为OTWk控制字所对应的电容值；C0,k为OTWk控制字所对应的低电容状态电容值；ΔCk为OTWk控制字所对应的高、低电容状态电容值的差值。
由公式1和公式2可以看出，当OTW控制字增大时，谐振腔电容值也随之增大，DCO输出频率则随之减小；当OTW控制字减小时，谐振腔电容值也随之减小，DCO输出频率则随之增大。
补偿电容阵列的作用是通过温补电压控制阵列和参考电压控制阵列，控制补偿电容阵列的电容接入到达谐振腔内的电容大小，从而实现在宽频带范围内温度发生变化时对DCO输出频率的补偿作用。
本发明提供的具有宽频带频率温漂补偿的DCO中，振荡器电路和调谐电容阵列是典型DCO电路的组成部分。本发明实施例在典型DCO电路的基础上，增设补偿电容阵列，该功能模块是实现在宽频带范围内频率温漂补偿的关键。
在本发明的一个实施例中，补偿电容阵列的***结构框图如图2所示，补偿电容阵列(含控制部分)包括OTW控制码检测电路、参考电压控制阵列、PTAT模块、温补电压控制阵列和电容阵列。其中，OTW控制码检测电路的输出端与参考电压控制阵列的输入端连接，参考电压控制阵列的输出端与电容阵列的一端(即变容管G端)连接；PTAT模块的输出端与温补电压控制阵列的输入端连接，温补电压控制阵列的输出端与电容阵列的另一端(即变容管S端)连接。
电容阵列由多组变容管构成。如图3所示，变容管(varactor)的两个接线端分别为G端和S/D端(简称S端)，其电容值由反偏电压VSG决定，反偏电压VSG越大，变容管的电容值越小。
PTAT模块根据温度变化，产生与绝对温度变化正相关的电流IPTAT，即当温度升高时，PTAT模块输出电流IPTAT增大。PTAT模块的输出端A输出与温度正相关电流IPTAT，输出端B输出的电流与温度变化无关。
温补电压控制阵列根据PTAT模块的输出电流IPTAT，调节阵列等效电阻的大小，从而输出温补电压Vs至电容阵列。
在本发明的一个实施例中，如图4所示，温补电压控制阵列包括第一PMOS管PM0、第二PMOS管PM1、第三PMOS管PM2，以及第一NMOS管NM0、第二NMOS管NM1、第三NMOS管NM2、第四NMOS管NM3，以及第一比较器U1、第二比较器U2、第三比较器U3、第四比较器U4，以及第一电阻R0、第二电阻R1、第三电阻R2、第四电阻R3、第五电阻R4、第六电阻R5、第七电阻R6、第八电阻R7和第九电阻R8。其中，PTAT模块的第一输出端A分别与第一PMOS管PM0的栅极、第二PMOS管PM1的栅极连接，第一PMOS管PM0的源极和第二PMOS管PM1的源极均与电源端VDD连接，第一PMOS管PM0的漏极与输出端VS连接；第二PMOS管PM1的漏极一方面与第一电阻R0连接，另一方面分别与第一比较器U1的反相输入端、第二比较器U2的反相输入端、第三比较器U3的反相输入端、第四比较器U4的反相输入端连接；第一电阻R0的另一端与地电位端连接。PTAT模块的第二输出端B与第三PMOS管PM2的栅极连接，第三PMOS管PM2的源极与电源端VDD连接，第三PMOS管PM2的漏极分别与第五电阻R4、第四比较器U4的正相输入端连接，第五电阻R4的另一端分别与第四电阻R3、第三比较器U3的正相输入端连接，第四电阻R3的另一端分别与第三电阻R2、第二比较器U2的正相输入端连接，第三电阻R2的另一端分别与第二电阻R1、第一比较器U1的正相输入端连接，第二电阻R1的另一端与地电位端连接。第一比较器U1的输出端与第一NMOS管NM0的栅极连接，第二比较器U2的输出端与第二NMOS管NM1的栅极连接，第三比较器U3的输出端与第三NMOS管NM2的栅极连接，第四比较器U4的输出端与第四NMOS管NM3的栅极连接。第一NMOS管NM0的源极、第二NMOS管NM1的源极、第三NMOS管NM2的源极和第四NMOS管NM3的源极均与地电位端连接。第一NMOS管NM0的漏极与第六电阻R5连接，第六电阻R5的另一端分别与第一PMOS管PM0的漏极及输出端VS连接；第二NMOS管NM1的漏极与第七电阻R6连接，第七电阻R6的另一端分别与第一PMOS管PM0的漏极及输出端VS连接；第三NMOS管NM2的漏极与第八电阻R7连接，第八电阻R7的另一端分别与第一PMOS管PM0的漏极及输出端VS连接；第四NMOS管NM3的漏极与第九电阻R8连接，第九电阻R8的另一端分别与第一PMOS管PM0的漏极及输出端VS连接。
对于温度变化引起的DCO输出频率的温漂补偿，主要是依靠PTAT模块来检测工作温度的变化，通过输出电流IPTAT选通温补电压控制阵列后输出参考电压VS至电容阵列，控制电容阵列中变容管的S端电压，来调节变容管的电容值，使得接入谐振腔的补偿电容的大小得到调节，从而实现在-40℃～120℃温度范围内对DCO进行温度补偿。
PTAT模块和温补电压控制阵列的工作原理如下：
PTAT模块的输出端A输出与温度正相关电流IPTAT，通过第一PMOS管PM0的导通，在输出端产生电压VS(即温补电压)；同时，通过第二PMOS管PM1的导通，在第一电阻R0上产生温度相关电压V0；PTAT模块的输出端B输出的电流与温度变化无关，该电流通过第三PMOS管PM2的导通，分别在第二电阻R1、第三电阻R2、第四电阻R3、第五电阻R4的上端产生四个固定电压V1、V2、V3、V4；将温度相关电压V0分别与固定电压V1、V2、V3、V4通过比较器进行比较，比较结果得到的电平信号作为控制码B<3:0>。例如，当温度从0℃升高到40℃时，IPTAT从20uA变化到24uA,V0从200mV变化到240mV；在温度0℃时，V0>V1，V0<V2、V0<V3、V0<V4，控制码B<3:0>的值为1110；在温度40℃时，V0>V1、V0>V2，V0<V3、V0<V4，控制码B<3:0>的值为1100。
控制码B<3:0>的电平信号用于控制温补电压控制阵列的第一NMOS管NM0、第二NMOS管NM1、第三NMOS管NM2、第四NMOS管NM3的通断状态。控制码B<3:0>为1111时，NM0～NM3全部导通，输出端等效电阻为第六电阻R5、第七电阻R6、第八电阻R7和第九电阻R8的并联电阻；当控制码B<3:0>为0111时，NM0～NM2导通，NM3断开时，输出端等效电阻为R5～R7的并联电阻。依次类推，随着温度的升高，温补电压控制阵列的等效电阻以及输出端电压VS均随着温度的升高而增大。
通常，温度升高时DCO的输出频率下降，而温补电压控制阵列的等效电阻随着温度的升高而增大，其输出端电压VS也随之增大，因此，电容阵列中变容管的反偏电压VSG增大，变容管的电容值变小，根据频率公式
则DCO的输出频率得到提高，补偿了由于温度升高使DCO输出频率的降低。
在不同的温度区间内，温补电压控制阵列所对应的等效电阻值也不同，如图5所示，根据PTAT模块输出电流IPTAT的变化，温补电压控制阵列会得到一个不同温度区间下线斜率不同的温度/电压曲线。从图中可以看出，当温度从-40℃变化到0℃时，温补电压控制阵列的输出电压VS从200mV变化到240mV；当温度从0℃变化到40℃时，输出电压VS从240mV变化到270mV；当温度从40℃变化到80℃时，输出电压VS从270mV变化到290mV；当温度从80℃变化到120℃时，输出电压VS从290mV变化到300mV。由上述对比分析可以看出，在不同的温度范围内，温补电压控制阵列输出电压VS的变化速度也不相同，并且随着温度的升高，温补电压控制阵列输出电压VS的变化速度降低。
OTW控制码检测电路负责检测DCO的OTW粗调控制字，将OTW粗调控制字各位数电平信号的反信号根据权重不同进行排列组合，并通过逻辑或非门形成一组控制信号至参考电压控制阵列。
参考电压控制阵列根据OTW控制码检测电路输出的一组控制信号，调节阵列等效电阻的大小，从而输出参考电压VG至电容阵列。
如图6所示，在本发明的一个实施例中，以四位数的OTW粗调控制字为例，详细说明OTW控制码检测电路和参考电压控制阵列的电路结构及工作原理。其中，控制码C<3:0>为OTW粗调控制字的4位数，A0、A1、A2、A3分别表示OTW粗调控制字由低位数到高位数的电平信号C<0>、C<1>、C<2>、C<3>的反信号。
OTW控制码检测电路由第一或非门NOR1、第二或非门NOR2、第三或非门NOR3、第四或非门NOR4组成，每个或非门具有四个输入端。其中，第一或非门NOR1的第一输入端与OTW粗调控制字的A3电平信号端连接，第一或非门NOR1的第二输入端、第三输入端、第四输入端分别与低电平端连接；第一或非门NOR1的输出端与参考电压控制阵列第一输入端连接。第二或非门NOR2的第一输入端与OTW粗调控制字的A3电平信号端连接，第二或非门NOR2的第二输入端与OTW粗调控制字的A2电平信号端连接，第二或非门NOR2的第三输入端、第四输入端分别与低电平端连接；第二或非门NOR2的输出端与参考电压控制阵列第二输入端连接。第三或非门NOR3的第一输入端与OTW粗调控制字的A3电平信号端连接，第三或非门NOR3的第二输入端与OTW粗调控制字的A2电平信号端连接，第三或非门NOR3的第三输入端与OTW粗调控制字的A1电平信号端连接，第三或非门NOR3的第四输入端与低电平端连接；第三或非门NOR3的输出端与参考电压控制阵列第三输入端连接。第四或非门NOR4的第一输入端与OTW粗调控制字的A3电平信号端连接，第四或非门NOR4的第二输入端与OTW粗调控制字的A2电平信号端连接，第四或非门NOR4的第三输入端与OTW粗调控制字的A1电平信号端连接，第四或非门NOR4的第四输入端与OTW粗调控制字的A0电平信号端连接；第四或非门NOR4的输出端与参考电压控制阵列的第四输入端连接。
参考电压控制阵列由第五NMOS管NM10、第六NMOS管NM11、第七NMOS管NM12、第八NMOS管NM13，以及第十电阻R10、第十一电阻R11、第十二电阻R12、第十三电阻R13和第十四电阻R14组成。其中，第五NMOS管NM10的栅极与第一输入端连接，第六NMOS管NM11的栅极与第二输入端连接，第七NMOS管NM12的栅极与第三输入端连接，第八NMOS管NM13的栅极与第四输入端连接；第五NMOS管NM10的源极、第六NMOS管NM11的源极、第七NMOS管NM12的源极、第八NMOS管NM13的源极分别与地电位端连接；第五NMOS管NM10的漏极与第十电阻R10连接，第六NMOS管NM11的漏极与第十一电阻R11连接，第七NMOS管NM12的漏极与第十二电阻R12连接，第八NMOS管NM13的漏极与第十三电阻R13连接；第十电阻R10、第十一电阻R11、第十二电阻R12、第十三电阻R13的另一端相互并联连接后与第十四电阻R14连接，第十四电阻R14的另一端与电源端VDD连接。
宽频带DCO主要是通过改变OTW粗调控制字来实现工作频率的较大转变。当OTW粗调控制字发生变化时，OTW控制码检测电路输出控制信号选通参考电压控制阵列后输出参考电压VG至电容阵列，通过控制电容阵列中变容管的G端电压，来调节变容管的电容值，使得接入谐振腔的补偿电容的大小得到调节，从而实现在宽频带范围内对DCO进行温度补偿。
OTW控制码检测电路和参考电压控制阵列的工作原理如下：
当OTW控制码检测电路检测到A3为高电平时，第一或非门NOR1、第二或非门NOR2、第三或非门NOR3和第四或非门NOR4的输出控制信号均为低电平，第五NMOS管NM10、第六NMOS管NM11、第七NMOS管NM12、第八NMOS管NM13均为关闭状态，因此，参考电压控制阵列的等效电阻Req为无穷大，则输出端的电压VG＝VDD＝0.6V；当OTW控制码检测电路检测到A3为低电平、A2为高电平时，第一或非门NOR1的输出控制信号为高电平，第五NMOS管NM10为导通状态，而第二或非门NOR2、第三或非门NOR3和第四或非门NOR4的输出控制信号均为低电平，第六NMOS管NM11、第七NMOS管NM12、第八NMOS管NM13均为关闭状态，因此，参考电压控制阵列的等效电阻Req＝(R10+R14)，则输出端的电压
依次类推，随着OTW粗调控制字(其控制码为C<3:0>)的增大，参考电压控制阵列中被打开的电阻支路增多，而输出电压VG逐步降低。
通常，在同样的温度－40℃～120℃范围内，对于温度升高引起DCO输出频率的下降，DCO工作在较高频带时的频率下降大于DCO工作在较低频带时的频率下降。当DCO工作频率提高时，参考电压控制阵列的输出电压VG随着OTW粗调控制字的增大而降低，此时，电容阵列中变容管的反偏电压VSG增大，变容管的电容值变小，根据频率公式
则DCO的输出频率提高，补偿了较高工作频带内由于温度升高使DCO输出频率进一步的降低。
对于不同的OTW粗调控制字，所需补偿的电容值大小不同。如图7所示，在相同的温度范围内，不同的参考电压VG所对应的补偿电容是不相同的。例如，在温度－40℃～120℃范围内，当参考电压VG为0.1V时，补偿电容QC从30fF变化到25fF；当参考电压VG为0.6V时，补偿电容QC从92fF变化到78fF，从图中可以看出，在－40℃～120℃温度范围内，改变参考电压VG，可以改变补偿电容的大小，参考电压VG越大，则补偿电容变化越大。因此，在DCO在工作频率较低时选择较大的参考电压VG可以得到更大的补偿电容。
参见图6和图7，DCO工作在不同频带时，其OTW粗调控制字的变化与参考电压控制阵列的输出电压VG及补偿电容大小之间的相互关系如下：
当DCO工作频率为1.5G时，OTW粗调控制字C<3：0>为0111，其反信号A3为高电平、A2、A1、A0均为低电平，此时，第五NMOS管NM10、第六NMOS管NM11、第七NMOS管NM12、第八NMOS管NM13均为关闭状态，参考电压控制阵列的输出电压VG＝0.6V；此时对应图7中所示的VG＝0.6V曲线，其补偿电容变化最大。
当DCO的工作频率改变为2.4G时，OTW粗调控制字C<3：0>为1100，其反信号A3和A2为低电平、A1和A0为高电平，此时，第五NMOS管NM10和第六NMOS管NM11为关闭状态，第七NMOS管NM12和第八NMOS管NM13为导通状态，参考电压控制阵列的输出电压
此时对应图7中所示的VG＝0.3V曲线。
当DCO的工作频率改变为3.5G时，OTW粗调控制字C<3：0>为1111，其反信号A3、A2、A1、A0均为低电平，此时，第五NMOS管NM10、第六NMOS管NM11、第七NMOS管NM12、第八NMOS管NM13均为状导通状态，参考电压控制阵列的输出电压
此时对应图7中所示的VG＝0.1V曲线，其补偿电容变化最小。
通过上述分析可以看出，DCO工作频率越高所对应的参考电压控制阵列的输出电压VG越小，补偿电容随温度变化量越小，满足了DCO工作频率较高时，需要补偿电容较小的需求。
本发明提供的具有宽频带频率温漂补偿的数控振荡器，通过OTW控制码检测电路和参考电压控制阵列，以及PTAT模块和温补电压控制阵列共两个控制部分，共同控制在宽频带范围内对DCO输出频率的温度漂移进行补偿。其中，当OTW粗调控制字不变时，由PTAT模块和温补电压控制阵列单独进行补偿控制工作；当OTW粗调控制字发生变化时，上述两个部分共同进行补偿控制工作。
为了验证本发明实施例所提供的具有宽频带频率温漂补偿的数控振荡器，其技术方案的优异性能，发明人对本发明实施例所提供的技术方案分别在三个频带的工况下，进行了DCO输出频率温度漂移的仿真测试，测试结果如下：
如图8所示，DCO工作在1.5GHz频带时，在温度－40℃～120℃范围内，经过补偿后其输出频率的变化范围为1.491GHz～1.501GHz，频率偏差为10MHz。如图9所示，DCO工作在2.42GHz频带时，在温度－40℃～120℃范围内，经过补偿后其输出频率的变化范围为2.416GHz～2.4215GHz，频率偏差为5.5MHz。如图10所示，DCO工作在3.446GHz频带时，在温度－40℃～120℃范围内，经过补偿后其输出频率的变化范围为3.437GHz～3.447GHz，频率偏差为10MHz。
由上述仿真测试结果可以看出，本发明实施例所提供的具有宽频带频率温漂补偿的数控振荡器，在宽频带的工况下，对输出频率的温漂补偿都能够取得良好的效果。相比于现有技术针对单一工作频率的温漂补偿，其具有更为优异的工作性能。
本发明实施例还提供一种集成电路芯片。该集成电路芯片包括上述具有宽频带频率温漂补偿的数控振荡器，用于无线通信***中作为PLL的频率产生模块，为射频收发提供LO(本振)信号。对于该集成电路芯片中的具有宽频带频率温漂补偿的数控振荡器的具体结构，在此不再赘述了。
另外，本发明所提供的具有宽频带频率温漂补偿的数控振荡器，还可以被用在通信终端中，作为射频组件的重要组成部分。这里所说的通信终端是指可以在移动环境中使用，支持GSM、EDGE、TD_SCDMA、TDD_LTE、FDD_LTE等多种通信制式的通信设备，包括移动电话、笔记本电脑、平板电脑、车载电脑等。此外，本发明实施例提供的技术方案也适用于其他电子振荡器应用的场合，例如通信基站、智能网联汽车等。
与现有技术相比较，本发明所提供的具有宽频带频率温漂补偿的数控振荡器，通过采用OTW控制码检测电路和参考电压控制阵列，以及PTAT模块和温补电压控制阵列两个部分，共同控制补偿电容陈列的端电压从而得到补偿电容的技术方案，实现了在宽频带范围内，高精度补偿数控振荡器输出频率随温度变化引起的频率漂移，在宽频带范围内提高了数控振荡器输出频率的稳定性。因此，本发明所提供的具有宽频带频率温漂补偿的数控振荡器具有结构设计巧妙合理、灵活性强，以及电路性能优异等有益效果。
以上对本发明所提供的具有宽频带频率温漂补偿的数控振荡器、芯片及通信终端进行了详细的说明。对本领域的一般技术人员而言，在不背离本发明实质内容的前提下对它所做的任何显而易见的改动，都将属于本发明专利权的保护范围。
Claims (10)
1.一种具有宽频带频率温漂补偿的数控振荡器，包括振荡器电路和调谐电容阵列，其特征在于还包括补偿电容阵列；其中，
所述调谐电容阵列和所述补偿电容阵列分别与所述振荡器电路的两个差分输出端并联连接；
所述振荡器电路为LC振荡器，其产生一定频率的交流信号；
所述调谐电容阵列通过OTW控制字控制所述调谐电容阵列中接入谐振腔的电容大小，调节数控振荡器的输出频率；
所述补偿电容阵列为变容管构成的电容阵列，其通过PTAT模块和温补电压控制阵列以及OTW控制码检测电路和参考电压控制阵列，共同控制所述补偿电容阵列接入谐振腔内的电容大小，从而实现在宽频带范围内补偿数控振荡器输出频率的温度漂移。
2.如权利要求1所述具有宽频带频率温漂补偿的数控振荡器，其特征在于：
所述补偿电容阵列包括OTW控制码检测电路、参考电压控制阵列、PTAT模块、温补电压控制阵列和电容阵列；其中，
所述OTW控制码检测电路的输出端与所述参考电压控制阵列的输入端连接，所述参考电压控制阵列的输出端与所述电容阵列的一端连接；所述PTAT模块的输出端与所述温补电压控制阵列的输入端连接，所述温补电压控制阵列的输出端与所述电容阵列的另一端连接；
所述PTAT模块的第一输出端输出与绝对温度变化正相关的电流IPTAT，第二输出端输出的电流与温度变化无关；
所述温补电压控制阵列根据所述PTAT模块的两路输出电流，调节阵列等效电阻的大小，从而输出温补电压Vs至所述电容阵列；
所述OTW控制码检测电路检测DCO的OTW粗调控制字，将OTW粗调控制字各位数电平信号的反信号根据权重不同进行排列组合，并通过逻辑或非门形成一组控制信号至所述参考电压控制阵列；
所述参考电压控制阵列根据OTW控制码检测电路输出的一组控制信号，调节阵列等效电阻的大小，从而输出参考电压VG至所述电容阵列；
所述电容阵列根据变容管两端反偏电压VSG的大小改变接入谐振腔的补偿电容值，从而在宽频带范围内补偿DCO输出频率的温度漂移。
3.如权利要求2所述具有宽频带频率温漂补偿的数控振荡器，其特征在于：
所述温补电压控制阵列包括第一PMOS管(PM0)、第二PMOS管(PM1)、第三PMOS管(PM2)，以及第一NMOS管(NM0)、第二NMOS管(NM1)、第三NMOS管(NM2)、第四NMOS管(NM3)，以及第一比较器(U1)、第二比较器(U2)、第三比较器(U3)、第四比较器(U4)，以及第一电阻(R0)、第二电阻(R1)、第三电阻(R2)、第四电阻(R3)、第五电阻(R4)、第六电阻(R5)、第七电阻(R6)、第八电阻(R7)和第九电阻(R8)；其中，
所述PTAT模块的第一输出端分别与第一PMOS管(PM0)的栅极、第二PMOS管(PM1)的栅极连接，第一PMOS管(PM0)的源极和第二PMOS管(PM1)的源极均与电源端VDD连接，第一PMOS管(PM0)的漏极与输出端VS连接；第二PMOS管(PM1)的漏极一方面与第一电阻(R0)连接，另一方面分别与第一比较器(U1)的反相输入端、第二比较器(U2)的反相输入端、第三比较器(U3)的反相输入端、第四比较器(U4)的反相输入端连接；第一电阻(R0)的另一端与地电位端连接；所述PTAT模块的第二输出端与第三PMOS管(PM2)的栅极连接，第三PMOS管(PM2)的源极与电源端VDD连接，第三PMOS管(PM2)的漏极分别与第五电阻(R4)、第四比较器(U4)的正相输入端连接，第五电阻(R4)的另一端分别与第四电阻(R3)、第三比较器(U3)的正相输入端连接，第四电阻(R3)的另一端分别与第三电阻(R2)、第二比较器(U2)的正相输入端连接，第三电阻(R2)的另一端分别与第二电阻(R1)、第一比较器(U1)的正相输入端连接，第二电阻(R1)的另一端与地电位端连接；第一比较器(U1)的输出端与第一NMOS管(NM0)的栅极连接，第二比较器(U2)的输出端与第二NMOS管(NM1)的栅极连接，第三比较器(U3)的输出端与第三NMOS管(NM2)的栅极连接，第四比较器(U4)的输出端与第四NMOS管(NM3)的栅极连接；第一NMOS管(NM0)的源极、第二NMOS管(NM1)的源极、第三NMOS管(NM2)的源极和第四NMOS管(NM3)的源极均与地电位端连接；第一NMOS管(NM0)的漏极与第六电阻(R5)连接，第六电阻(R5)的另一端分别与第一PMOS管(PM0)的漏极及输出端VS连接；第二NMOS管(NM1)的漏极与第七电阻(R6)连接，第七电阻(R6)的另一端分别与第一PMOS管(PM0)的漏极及输出端VS连接；第三NMOS管(NM2)的漏极与第八电阻(R7)连接，第八电阻(R7)的另一端分别与第一PMOS管(PM0)的漏极及输出端VS连接；第四NMOS管(NM3)的漏极与第九电阻(R8)连接，第九电阻(R8)的另一端分别与第一PMOS管(PM0)的漏极及输出端VS连接。
4.如权利要求2所述具有宽频带频率温漂补偿的数控振荡器，其特征在于：
当DCO的OTW粗调控制字为4位数时，控制码A<3:0>为该4位数电平信号的反信号；所述OTW控制码检测电路由第一或非门(NOR1)、第二或非门(NOR2)、第三或非门(NOR3)、第四或非门(NOR4)组成，上述或非门分别具有四个输入端；其中，
第一或非门(NOR1)的第一输入端与OTW粗调控制字的A3电平信号端连接，第一或非门(NOR1)的第二输入端、第三输入端、第四输入端分别与低电平端连接，第一或非门(NOR1)的输出端与参考电压控制阵列第一输入端连接；第二或非门(NOR2)的第一输入端与OTW粗调控制字的A3电平信号端连接，第二或非门(NOR2)的第二输入端与OTW粗调控制字的A2电平信号端连接，第二或非门(NOR2)的第三输入端、第四输入端分别与低电平端连接，第二或非门(NOR2)的输出端与参考电压控制阵列第二输入端连接；第三或非门(NOR3)的第一输入端与OTW粗调控制字的A3电平信号端连接，第三或非门(NOR3)的第二输入端与OTW粗调控制字的A2电平信号端连接，第三或非门(NOR3)的第三输入端与OTW粗调控制字的A1电平信号端连接，第三或非门(NOR3)的第四输入端与低电平端连接，第三或非门(NOR3)的输出端与参考电压控制阵列第三输入端连接；第四或非门(NOR4)的第一输入端与OTW粗调控制字的A3电平信号端连接，第四或非门(NOR4)的第二输入端与OTW粗调控制字的A2电平信号端连接，第四或非门(NOR4)的第三输入端与OTW粗调控制字的A1电平信号端连接，第四或非门(NOR4)的第四输入端与OTW粗调控制字的A0电平信号端连接，第四或非门(NOR4)的输出端与与参考电压控制阵列第四输入端连接。
5.如权利要求2所述具有宽频带频率温漂补偿的数控振荡器，其特征在于：
所述参考电压控制阵列由第五NMOS管(NM10)、第六NMOS管(NM11)、第七NMOS管(NM12)、第八NMOS管(NM13)，以及第十电阻(R10)、第十一电阻(R11)、第十二电阻(R12)、第十三电阻(R13)和第十四电阻(R14)组成，所述参考电压控制阵列共有四个输入端；其中，
第五NMOS管(NM10)的栅极与第一输入端连接，第六NMOS管(NM11)的栅极与第二输入端连接，第七NMOS管(NM12)的栅极与第三输入端连接，第八NMOS管(NM13)的栅极与第四输入端连接；第五NMOS管(NM10)的源极、第六NMOS管(NM11)的源极、第七NMOS管(NM12)的源极、第八NMOS管(NM13)的源极分别与地电位端连接；第五NMOS管(NM10)的漏极与第十电阻(R10)连接，第六NMOS管(NM11)的漏极与第十一电阻(R11)连接，第七NMOS管(NM12)的漏极与第十二电阻(R12)连接，第八NMOS管(NM13)的漏极与第十三电阻(R13)连接；第十电阻(R10)、第十一电阻(R11)、第十二电阻(R12)、第十三电阻(R13)的另一端相互并联连接后与第十四电阻(R14)连接，第十四电阻(R14)的另一端与电源端VDD连接。
6.如权利要求2所述具有宽频带频率温漂补偿的数控振荡器，其特征在于：
通过所述OTW控制码检测电路和所述参考电压控制阵列，以及所述PTAT模块和所述温补电压控制阵列共两个控制部分，共同控制实现在宽频带范围内对DCO输出频率的温度漂移进行补偿；其中，当OTW粗调控制字不变时，由所述PTAT模块和所述温补电压控制阵列单独进行补偿控制工作；当OTW粗调控制字发生变化时，上述两个部分共同进行补偿控制工作。
7.如权利要求3所述具有宽频带频率温漂补偿的数控振荡器，其特征在于：
所述温补电压控制阵列的输出端电压VS均随着温度的升高而增大，并且，在不同的温度范围内，所述温补电压控制阵列的输出端电压VS的变化速度也不相同，所述温补电压控制阵列的输出端电压VS的变化速度随着温度的升高而降低。
8.如权利要求5所述具有宽频带频率温漂补偿的数控振荡器，其特征在于：
所述参考电压控制阵列的输出端电压VG随着OTW粗调控制字的增大而降低；并且，在相同的温度范围内，不同的参考电压VG所对应的补偿电容也不相同，补偿电容的变化速度随着参考电压VG的降低而减小。
9.一种集成电路芯片，其特征在于包括权利要求1～8中任意一项所述具有宽频带频率温漂补偿的数控振荡器。
10.一种通信终端，其特征在于包括权利要求1～8中任意一项所述具有宽频带频率温漂补偿的数控振荡器。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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