電壓控制環形振蕩器的製作方法
2023-05-31 08:04:36 1
本發明涉及電子電路技術領域，特別涉及一種電壓控制環形振蕩器，具有高線性度和穩定共模輸出電壓。
背景技術：
振蕩器(oscillator)是一種能量轉換裝置，可以將直流電能轉換為具有一定頻率的交流電能。振蕩器可以作為射頻片上系統(radio frequency system on chip，RF_SOC)的重要部分，而為晶片提供時鐘信號或為收發鏈路提供本地載波信號。按照劃分，振蕩器可以分為外激振蕩器和內激振蕩器，其中外激振蕩器又稱為「電壓控制制振蕩器或電壓控制振蕩器」，而內激振蕩器即無電壓控制的振蕩器。其中，電壓控制振蕩器又可分為電壓控制環形振蕩器和電壓控制電感-電容振蕩器,兩者根據不同的要求應用於不同的場合。其中，環形振蕩器在時鐘類型的應用以及低頻或者中頻通信中得到廣泛的應用。其一般由幾個相同的延時單元組成一個環路，其中的延時單元可以採用單端形式或者差分形式，具體分別如圖1(a)和圖1(b)所示。
本申請的發明人在實踐中發現，當環形振蕩器應用於鎖相環(phase locked loop,PLL)頻率綜合器中，以產生穩定的輸出頻率時，環形振蕩器受環路的電壓控制，形成電壓控制環形振蕩器。此時，要求電壓控制環形振蕩器(即壓控環形振蕩電路)在工作的控制電壓範圍能夠具有較好的線性度，從而保證PLL較好的環路穩定性和性能。但是，目前的電壓控制環形振蕩器顯然不具有這樣的特性，因此現有技術實有改進之必要。
技術實現要素：
本發明的目的在於提供一種電壓控制環形振蕩器，具有較好的線性特性。
為解決上述技術問題，本發明的實施方式提供了一種電壓控制環形振蕩器，包含：延時模塊，用於產生振蕩信號；電壓至電流轉換電路，用於將控制電壓轉換為驅動電流；以及電流鏡，用於將所述驅動電流鏡像至所述延時模塊，作為所述延時模塊的工作電流；其中，所述電壓至電流轉換電路為線性電壓至電流轉換電路，以使得所述振蕩信號的頻率與所述控制電壓呈線性關係。
本實施方式相對於現有技術而言，通過線性的電壓至電流轉換電路，來提高振蕩信號的頻率與控制電壓的線性關係，從而得到高線性度的電壓控制環形振蕩器。
另外，所述電壓至電流轉換電路包括：第一電晶體，其柵極端接所述控制電壓，其漏極端接所述電流鏡；以及電阻器，其一端接所述第一電晶體的源極，另一端接地。此實施方式中，電壓至電流轉換電路通過電晶體加電阻的結構，來提高振蕩信號的頻率與控制電壓的線性關係。
另外，所述電阻器為可變電阻器，則可以通過調整所述可變電阻器的阻值來調整所述振蕩信號的頻率與所述控制電壓之間的線性度。
另外，所述第一電晶體的源極與所述第一電晶體的襯底連接，以降低該電晶體的閾值電壓，從而可以擴展輸出控制電壓的變化範圍，以及改善了該電晶體的線性度。
所述延時模塊包括：多個串聯的延時單元，所述電流鏡用於將所述驅動電流分別提供至所述延時單元；
另外，所述振蕩信號的頻率與所述控制電壓之間的線性關係為：
<![CDATA[ f o s c V s R v C × V s w ]]>
其中，fosc為所述振蕩信號的頻率，Vs為所述控制電壓，Rv為所述可變電阻器的阻值，Vsw為所述延時單元的輸出電壓的擺幅，C為所述延時單元的輸出端的寄生電容。
另外，所述多個延時單元均為差分輸入差分輸出形式的延時單元。
另外，所述多個延時單元均採用局部共模負反饋的反饋形式。此實施方式，採用局部共模負反饋的反饋形式，可以提高結構的穩定性，並且實現低功耗設計。
另外，所述多個延時單元中的每個延時單元均包括：第二電晶體；第三電晶體，其柵極與所述第二電晶體的柵極耦接，其源極與所述第二電晶體的源極以及地耦接；第四電晶體，其漏極與所述第二晶體的漏極連接，其柵極為該延時單元的正向輸入端；第五電晶體，其漏極與所述第三晶體的漏極連接，其柵極為所述延時單元的負向輸入端，其源極與所述第四電晶體的源極以及所述電流鏡的輸出耦接；第二電阻器；以及第三電阻器，所述第二電阻器與所述第三電阻器串接在所述第四電晶體所述第五電晶體的漏極之間，且所述第二電阻器和所述第三電阻器的連接點還連接至所述第二電晶體的柵極。
附圖說明
圖1(a)是現有環形振蕩器中延時單元採用單端形式的的結構示意圖；
圖1(b)是現有環形振蕩器中延時單元採用差分形式的結構示意圖；
圖2是根據本發明第一實施方式的電壓控制環形振蕩器的結構示意圖；
圖3是根據本發明第二實施方式的電壓控制環形振蕩器的結構示意圖；
圖4是圖3中延時單元的結構示意圖。
具體實施方式
為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合附圖對本發明的各實施方式進行詳細的闡述。然而，本領域的普通技術人員可以理解，在本發明各實施方式中，為了使讀者更好地理解本申請而提出了許多技術細節。但是，即使沒有這些技術細節和基於以下各實施方式的種種變化和修改，也可以實現本申請各權利要求所要求保護的技術方案。
本發明的第一實施方式涉及一種電壓控制環形振蕩器。具體結構如圖2所示。該電壓控制環形振蕩器2，包含：延時模塊21、電壓至電流轉換電路22以及電流鏡23。
其中,電壓至電流轉換電路22用於將控制電壓Vctrl轉換為驅動電流I。電流鏡23，用於將電壓至電流轉換電路22轉換的驅動電流I鏡像至延時模塊21，以作為延時模塊21的工作電流(如Idelay)。其中，延時模塊21在工作電流的驅動作用下，產生振蕩信號，該振蕩信號的頻率可以取決於該驅動電流，即電壓至電流轉換電路22所產生電流。對於本發明技術人員而言，清楚延時模塊如何在工作電流的驅動下，產生振蕩信號，因此這一過程不再詳細贅述。
本實施方式，電壓至電流轉換電路22可以為線性電路，以使得延時模塊21產生的振蕩信號的頻率與控制電壓Vctrl呈比較高的線性關係，從而得到高線性度的電壓控制環形振蕩器。
本發明的第二實施方式涉及一種電壓控制環形振蕩器，如圖3所示。第二實施方式是對第一實施方式中各電路模塊的進一步細化。具體而言，如圖3所示，電壓至電流轉換電路22包括：電晶體M1，其可以為N型MOS(金屬氧化物半導體)電晶體；以及電阻器RV，其可以為可變電阻器。
如圖3所示，電晶體M1的柵極端接控制電壓Vctrl，漏極端接電流鏡23。而電阻器RV的一端接電晶體M1的源極，另一端接地(如參考地)。在圖示中，電晶體M1的源極接襯底，從而降低電晶體M1的閾值電壓(Vth)，進而擴展輸出控制電壓的變化範圍以及改善電晶體M1的線性度。
另外，電阻器RV可阻值可調，從而可以通過調整可變電阻器RV的阻值來調整該電壓控制環形振蕩器2輸出的振蕩信號的頻率與控制電壓Vctrl之間的線性度。
其中，電晶體M1的跨導表達式為：由該表達式可知，可變電阻Rv相比於電晶體M1的跨導倒數要大很多時，電晶體M1的有效跨導與Rv成線性關係。通過調整電阻器RV的阻值可以改變該電晶體M1的有效跨導的值
繼續如圖3所示，延時模塊21包括：多個串聯的延時單元，如延時單元211、延時單元212及延時單元213，需要說明的是，延時模塊21中延時單元的數量並不受到限制。
如圖3所示，延時單元211、延時單元212及延時單元213均由電流鏡23為其提供工作電流，並在該電流的作用下進行振蕩，以產生所需的振蕩信號。
如圖3所示，延時單元211、延時單元212及延時單元213的反饋方式為局部共模負反饋。所謂局部共模反饋就是電路自身的差分信號直接自己反饋回來，不需要外部共模參考電壓進行反饋的。此種反饋方式，無需外部共模電壓，因此可以降低功耗，滿足低功率的設計要求。
如圖3所示，電流鏡23主要由多個電晶體構成，該多個電晶體可以為P型MOS電晶體，並且這些電晶體的柵極耦接在一起，源極均耦接至電源電壓(VDD)，而漏極分別耦接至不同的部件，如圖示中最左邊的電晶體的漏極耦接至電晶體M1的漏極。圖示中右邊的三個電晶體分別為延時單元211、延時單元212及延時單元213提供延時電流Idelay°
在本實施方式中，整個電壓控制環形振蕩器2的振蕩信號的頻率與控制電壓之間的線性關係可以表示為：
<![CDATA[ f o s c 1 T d I d e l a y C × V s w V s / R v C × V s w = V s R v C × V s w ]]>
其中，fosc為所述振蕩信號的頻率，Td為環形振蕩的延時單元的延時時間(也即工作電流的充放電時間)，Idelay為延時單元的工作電流，Vs為控制電壓(Vctrl)，C為延時單元輸出兩端的寄生電容或者固定的負載電容，Vsw為延時單元輸出電壓的擺幅，Rv為可變電阻器的阻值。
本發明的第三實施方式涉及一種延時單元，如圖4所示。第三實施方式是對第二實施方式中延時單元的進一步細化，其包括：電晶體MN1、電晶體MN2、電晶體MP1、電晶體MP2、電阻R1以及電阻R2。電晶體MN1與電晶體MN2為N型MOS管，電晶體MP1與電晶體MP2為P型MOS管。
其中，電晶體MP1的柵極為該延時單元的正向輸入端INP，電晶體MP2的柵極為延時單元的負向輸入端INN。電晶體MN2的柵極與電晶體MN1的柵極耦接，電晶體MN2源極與電晶體MN1的源極以及地耦接。電晶體MP1的漏極與電晶體MN1的漏極連接。電晶體MP2的漏極與電晶體MN2的漏極連接，電晶體MP2的源極與電晶體MP1的源極以及電流鏡的輸出端耦接。
其中，電阻R1與電阻R2串接在電晶體MP1與電晶體MP2的漏極之間，且電阻R1和電阻R2的連接點還連接至電晶體MN1的柵極。
另外，在電晶體MN1的柵極與地之間還串接了濾波電容C1，用於對反饋共模電壓進行濾波。
本發明實施例，其中的電壓控制環形振蕩器相比於現有的電壓控制環形振蕩器而言，具有高的線性度和穩定的輸出共模電壓。
值得一提的是，本實施方式中所涉及到的各模塊均為邏輯模塊，在實際應用中，一個邏輯單元可以是一個物理單元，也可以是一個物理單元的一部分，還可以以多個物理單元的組合實現。此外，為了突出本發明的創新部分，本實施方式中並沒有將與解決本發明所提出的技術問題關係不太密切的單元引入，但這並不表明本實施方式中不存在其它的單元。
本領域的普通技術人員可以理解，上述各實施方式是實現本發明的具體實施例，而在實際應用中，可以在形式上和細節上對其作各種改變，而不偏離本發明的精神和範圍。