共模點可控環形壓控振蕩器的製作方法

2023-08-02 00:47:46

專利名稱：共模點可控環形壓控振蕩器的製作方法
技術領域：
本實用新型屬於半導體集成電路設計領域，具體涉及一種環形壓控振蕩器。
背景技術：
近幾十年來，由於微電子技術的迅猛發展，現代電子系統也向著高性能、高集成度 的方向不斷前進。以無線通信系統為例，隨著4G時代的逼近，更高速的寬帶數字通信業 務即將展開。這對系統中的射頻(RF)收發模塊、數據轉換模塊(ADC/DAC)以及數字處理 器(DSP)都提出了更高的要求。而所有這些模塊都需要在鎖相環提供的時鐘驅動下工作， 鎖相環作為電子系統的核心模塊之一，其性能直接影響到系統各個模塊的性能。圖4給出 了一個鎖相環的基本結構示意圖，其輸入時鐘(FREF)通常由高精度的晶振產生。輸出時 鍾(FOUT)經過分頻器(Divider)後與輸入時鐘一起輸給鑑頻鑑相器(PFD)，並通過電荷泵 (Charge Pump)後輸給環路濾波器(Loop Filter)。環路濾波器的輸出通過控制壓控振蕩 器(VCO)產生輸出時鐘，從而形成一個閉環系統。在整個迴路中，壓控振蕩器的性能尤為重要，它直接影響著鎖相環的相位噪聲特 性和輸出頻率調節範圍。通常，壓控振蕩器可以採用電感-電容結構和環形振蕩器結構。 電感電容壓控振蕩器主要通過調節諧振電容的容值來改變振蕩器輸出頻率，因此若要實現 大範圍頻率調節就需要一個很大的電容陣列。這會大大增加電路的寄生電容，從而影響振 蕩器的性能。所以電感-電容壓控振蕩器的頻率調節範圍十分有限。相比而言，環形壓控 振蕩器的頻率調節範圍則要大很多。不僅如此，電感-電容壓控振蕩器中的片上電感和電 容也會消耗巨大的晶片面積。因此在多協議收發機(Transceiver)和多速率串並行轉換器 (SERDES)等需要大範圍頻率調節的場合下，環形振蕩器往往更具優勢。圖5給出了一個傳統環形壓控振蕩器的電路結構。以四級差分反相單元組成的振 蕩器為例，通過控制反相單元的偏置電流來實現輸出振蕩頻率可調。為了提高振蕩器的驅 動能力，振蕩器的輸出端附加了兩個反相器驅動。這種電路中一個重要的問題在于振蕩信 號Vmp和Vrera的共模點很難控制。圖6給出了這個振蕩器的輸出波形示意圖。受到工藝 參數、環境溫度和電源電壓等變化因素的影響，控制電流Ibp和Ibn會產生失配，從而使V· 和Vffira的共模電平變得無法預測。當這個共模電平嚴重偏離後級反相器驅動的判斷閾值電 壓Vth時，驅動器輸出方波信號Vbufp的佔空比就會偏離50%。這將嚴重惡化鎖相環的相位 噪聲特性。不僅如此，非50%佔空比的時鐘在一些高性能應用場合(例如高速高精度ADC/ DAC)下還會惡化電路的共模抑制特性。

實用新型內容為解決上述技術問題，本實用新型提供一種共模點可控環形壓控振蕩器，解決 Vffiep和Vffi。N的共模點難以控制和驅動器輸出方波信號的佔空比偏離50%的問題，改善鎖相 環的相位噪聲特性。為解決上述技術問題，本實用新型提供一種共模點可控環形壓控振蕩器，其特徵是，包含三級以上的差分單元，每個差分單元的尾電流由反饋控制模塊產生。每一級差分單元電路包含提供尾電流的PMOS管，與所述PMOS管連接的差分反相 單元。所述反饋控制模塊通過監測每個差分反相單元的輸出信號來產生合適的尾電流， 使所述差分反相單元的輸出信號共模點穩定在設定電平上。所述差分反相單元包含反相器，反相器為四個。所述反饋控制模塊包含反相器、與所述反相器連接的監測電路、向所述差分單元 提供尾電流的NMOS管，與所述監測電路、NMOS管連接的補償電容，反相器為兩個，與所述差 分單元中的差分反相單元連接。所述監測電路包含PMOS管單元、NMOS管單元。所述PMOS管單元為四個PMOS管M1 M4、NMOS管單元為四個匪OS管M5 M8, M1、 M4、M6、M7共柵極，M2、M3、M5、M8共柵極，MpM2的源極均接到電源電壓上，MpM2的漏極分別與 M3、M4的源極連接，M3、M4的漏極分別與M5、M6的漏極連接，M5、M6的源極分別與M7、M8的漏極 連接，M7、M8的源極接地。所述差分反相單元的輸出信號輸入所述反饋控制模塊的反相器進行整形，再送至 所述監測電路，由所述監測電路產生向所述補償電容充電或放電的電流。本實用新型所達到的有益效果相比傳統的環形壓控振蕩器，本實用新型的共模 點可控環形壓控振蕩器成功解決了由於差分反相單元上、下尾電流失配引起的輸出時鐘佔 空比偏離50%的問題，從而可以保證鎖相環良好的相位噪聲特性。

圖1為本實用新型的共模點可控環形壓控振蕩器電路圖；圖2為本實用新型的共模點可控環形壓控振蕩器差分單元電路；圖3為本實用新型的共模點可控環形壓控振蕩器輸出波形示意圖；圖4為鎖相環結構示意圖；圖5為現有技術中環形壓控振蕩器電路圖；圖6為圖5的環形壓控振蕩器輸出波形示意圖。
具體實施方式
以下結合附圖對本實用新型作進一步描述。以下實施例僅用於更加清楚地說明本 實用新型的技術方案，而不能以此來限制本實用新型的保護範圍。如圖1所示，為實用新型提出的一種共模點可控環形壓控振蕩器，一種較佳的實 施方式是振蕩器由四級差分單元組成，為了提高振蕩器的驅動能力，振蕩器的輸出端附加 了兩個反相器驅動。相比現有技術中圖5的結構，本電路中每個差分單元的尾電流Ibn由反 饋控制模塊(Ctrl)產生。反饋控制模塊通過監測每個差分反相單元的輸出信號來產生合 適的尾電流，從而使差分反相單元的輸出信號共模點穩定在設定電平上。環形振蕩器的每一級差分單元電路如圖2所示，其中PMOS管Mp提供尾電流^>， 四個反相器U1 U4組成振蕩器的差分反相單元，反相器U5 U6、PMOS管M1 M4、NMOS管 M5 M8、補償電容Cc以及尾電流NMOS管Mn組成差分反相單元的反饋控制模塊。差分反相單元的正、負輸入信號為VIP、Vin，正、負輸出信號為V. Vw。在電路工作時，Vw和Von先經 過U5和U6進行整形，再送至M1 M8組成的監測電路。假設Vqp和Vqn的共模點偏高，U5和 U6整形後信號的共模點會偏低，M1 M4在一個周期內的導通特性會強於M5 M8,從而產生 向Cc充電的電流提高\2。因此Mn的電流會增加，並將Vtff和Vw的共模點向低拉。同樣的 原理，如果Vtff和Vw的共模點偏低，M5 M8在一個周期內的導通特性強於M1 M4,產生對 Cc放電的電流以降低VC2。從而減小Mn的電流以抬高Vra^n Vw的共模點。通過合理選取Cc 的值，可以實現負反饋迴路的穩定。圖3給出了實用新型的共模點可控環形壓控振蕩器輸出波形示意圖。圖中示出了 振蕩信號Vcbcp和Vcbcm的共模點波形，通過合理調整M1 M8的尺寸，就可以保證差分反相單 元輸出共模點穩定在後級驅動反相器的判斷閾值電壓Vth附近，從而保證驅動器輸出方波 信號Vbufp的佔空比為50%，從而可以保證鎖相環良好的相位噪聲特性。以上所述僅是本實用新型的優選實施方式，應當指出，對於本技術領域的普通技 術人員來說，在不脫離本實用新型技術原理的前提下，還可以做出若干改進和變形，這些改 進和變形也應視為本實用新型的保護範圍。
權利要求1.一種共模點可控環形壓控振蕩器，其特徵是，包含三級以上的差分單元，每個差分單 元的尾電流由反饋控制模塊產生。
2.根據權利要求1所述的共模點可控環形壓控振蕩器，其特徵是，每一級差分單元電 路包含提供尾電流的PMOS管，與所述PMOS管連接的差分反相單元。
3.根據權利要求2所述的共模點可控環形壓控振蕩器，其特徵是，所述反饋控制模塊 通過監測每個差分反相單元的輸出信號來產生合適的尾電流，使所述差分反相單元的輸出 信號共模點穩定在設定電平上。
4.根據權利要求2所述的共模點可控環形壓控振蕩器，其特徵是，所述差分反相單元 包含反相器。
5.根據權利要求4所述的共模點可控環形壓控振蕩器，其特徵是，所述反相器為四個。
6.根據權利要求1所述的共模點可控環形壓控振蕩器，其特徵是，所述反饋控制模塊 包含反相器、與所述反相器連接的監測電路、向所述差分單元提供尾電流的NMOS管，與所 述監測電路、NMOS管連接的補償電容。
7.根據權利要求6所述的共模點可控環形壓控振蕩器，其特徵是，所述反相器為兩個， 與所述差分單元中的差分反相單元連接。
8.根據權利要求6所述的共模點可控環形壓控振蕩器，其特徵是，所述監測電路包含 PMOS管單元、匪OS管單元。
9.根據權利要求8所述的共模點可控環形壓控振蕩器，其特徵是，所述PMOS管單元為 四個PMOS管M1 M4、匪OS管單元為四個NMOS管M5 M8, MpMpM6J7共柵極，M2、M3、M5、M8 共柵極，MpM2的源極均接到電源電壓上，MpM2的漏極分別與M3、M4的源極連接，M3、M4的漏 極分別與M5、M6的漏極連接，M5, M6的源極分別與M7、M8的漏極連接，M7、M8的源極接地。
10.根據權利要求3所述的共模點可控環形壓控振蕩器，其特徵是，所述差分反相單元 的輸出信號輸入所述反饋控制模塊的反相器進行整形，再送至所述監測電路，由所述監測 電路產生向所述補償電容充電或放電的電流。
專利摘要本實用新型屬於半導體集成電路設計領域，具體涉及一種環形壓控振蕩器，其特徵是，包含三級以上的差分單元，每個差分單元的尾電流由反饋控制模塊產生。相比傳統的環形壓控振蕩器，本實用新型的共模點可控環形壓控振蕩器成功解決了由於差分反相單元上、下尾電流失配引起的輸出時鐘佔空比偏離50％的問題，從而可以保證鎖相環良好的相位噪聲特性。
文檔編號H03L7/099GK201869187SQ20102063778
公開日2011年6月15日 申請日期2010年12月2日 優先權日2010年12月2日
發明者嚴偉, 李雲初, 藺智挺, 趙士燕 申請人:蘇州雲芯微電子科技有限公司