具有溫度補償效應的環路壓控振蕩器的製作方法
2023-05-19 08:09:26 1
專利名稱：具有溫度補償效應的環路壓控振蕩器的製作方法
技術領域：
本發明涉及用於通信與信息處理系統的鎖相環技術領域，特別是環路壓控振蕩器設計。
背景技術：
壓控振蕩器(VCO)是鎖相環路(PLL)的最重要組成部件，為了獲得高頻、高精度的輸出信號頻率，一般都採用LC壓控振蕩器或環路壓控振蕩器的形式。環路壓控振蕩器由於其低功耗、寬輸出頻率範圍、佔用晶片面積小等優點在通信和數字電路中得到了廣泛應用。
環路壓控振蕩器由連接成環狀的N個延遲單元構成，延遲單元可以是單端的，也可以是差分的。對於單端的延遲單元來說，N只能是大於等於3的奇數；對於差分延遲單元來說，N可以是大於等於2的偶數或奇數，其個數N的多少視所需產生的頻率高低而定。延遲單元的結構實際上就是反相放大器，它的負載管由外界電壓Vc控制，改變控制電壓Vc，就改變了負載管的導通程度，從而改變了反相器的反相延遲時間，使得整個環路的振蕩頻率發生改變，這就是環路壓控振蕩器輸出信號頻率隨控制電壓變化的原理，輸出信號頻率隨控制電壓的變化率稱為壓控振蕩器的增益，用Kv表示。
VCO輸出信號的振蕩頻率受溫度影響比較大。根據我們對某0.35umCMOS工藝的計算機模擬，在1GHz頻段，VCO的振蕩頻率隨溫度變化大約1.4MHz/℃，也就是說，如果在常溫下VCO振蕩頻率為1GHz，在125℃時振蕩頻率變為1.14GHz，相差140MHz。這麼大的頻率變化，有可能超過鎖相環的鎖定範圍，使得鎖相環無法正常工作。解決這個問題的方法之一是使得VCO的增益儘可能大，則無論溫度如何變化，頻率隨溫度漂移的範圍總在VCO的調節範圍之內。但VCO增益越大，越容易受外界的幹擾，不利於改善鎖相環的相位噪聲，而相位噪聲是鎖相環的最重要指標。其次，VCO增益越大，將使得環路濾波器的電容越大，不利於電路集成。
對於具有數字粗調或者數字預置的VCO來說，VCO增益一般都比較小，約為幾十MHz/V，因此頻率隨溫度的漂移將嚴重影響到鎖相環能否正常工作。
發明內容
為了克服以上缺點，我們提出一種具有溫度補償效應的環路VCO。這種VCO由連接成環狀的N個具有溫度補償功能的延遲單元和溫度傳感電路構成。延遲單元可以是單端的，也可以是差分的。對於單端的延遲單元來說，N只能是大於等於3的奇數；對於差分延遲單元來說，N可以是大於等於2的偶數或者奇數，其個數N的多少視所需產生的頻率高低而定。本發明的延遲單元是在普通的反相器的基礎上，在其負載管上並聯一個或多個MOS管，用於溫度補償。若溫度升高引起VCO振蕩頻率下降，則溫度傳感電路的輸出電壓使得延遲單元的補償管導通速度加快，從而補償頻率的下降；若溫度降低引起VCO振蕩頻率升高，則溫度傳感電路輸出電壓使得延遲單元的補償管導通速度減緩，從而補償頻率的升高。設計恰當的參數，就能使得該VCO的輸出頻率在各種溫度下保持恆定。
一種環路壓控振蕩器，由連接成環狀的N個延遲單元和溫度補償電路兩部分構成，其特徵在於，延遲單元的負載電晶體上並聯有用作溫度補償的負載管，可以受到溫度補償電壓的控制來調節輸出信號頻率，以補償溫度變化導致的輸出頻率誤差，使得輸出頻率在不同溫度下保持一致。
一種環路壓控振蕩器，由連接成環狀的N個延遲單元和溫度補償電路兩部分構成，其特徵在於，溫度補償電路由溫度傳感器和電壓放大器構成，溫度傳感器由二極體構成，而電壓放大器的放大倍數受該壓控振蕩器的外接電壓Vc控制，使得壓控振蕩器的輸出頻率在不同的Vc下都能得到相應的溫度補償，保持和溫度沒有變化前一致。
本發明闡述的環路壓控振蕩器的優點是它可以精確補償溫度變化導致的輸出頻率誤差，特別適合於具有數字預置或數字粗調的鎖相環中，便於數字準確預置，以加快鎖定速度。同時，在數字預置或數字粗調的鎖相環中，壓控振蕩器的增益較小，較大的溫度變化所引起的頻率漂移有可能超出鎖相環的鎖定範圍，使鎖相環不能正常工作，本發明很好地解決了這個問題。
下面結合附圖及實施例對本發明作詳細說明。
圖1本發明提出的具有溫度補償效應的環路壓控振蕩器方框圖；圖2本發明提出的單端環路壓控振蕩器實施例的結構框圖；圖3本發明提出的單端延遲單元電路圖；圖4本發明提出的溫度傳感電路圖；圖5本發明提出的偶數個延遲單元構成的差分環路壓控振蕩器實施例的結構框圖；圖6本發明提出的奇數個延遲單元構成的差分環路壓控振蕩器實施例的結構框圖；圖7本發明提出的差分延遲單元電路圖。
具體實施例方式
圖1是本發明提出的具有溫度補償效應的環路壓控振蕩器方框圖。它包含一個環路振蕩器和一個溫度傳感電路。其中環路振蕩器由連接成環狀的N個延遲單元構成，延遲單元的個數N及其具體的連接形式因具體的實施例而有所不同。溫度傳感電路控制環路振蕩器的每個延遲單元的延遲時間，使得輸出振蕩頻率不隨環境溫度的改變而改變。模擬輸入電壓Vc調節環路振蕩器輸出頻率的高低；頻率信號從Fout端輸出。
圖2是本發明的單端延遲單元構成的環路壓控振蕩器實施例結構框圖。它由連接成環狀的N個具有溫度補償功能的單端延遲單元和溫度傳感電路兩部分構成，其中N是大於等於3的奇數，它的延遲單元有(1)模擬信號輸入端Vc；(2)溫度補償控制端Vt；(3)輸入輸出端Vin和Vout。模擬電壓Vc來自環路濾波器的輸出，Vc控制每一個延遲單元的導通程度來改變延遲時間，從而改變輸出信號頻率。當溫度變化導致VCO輸出信號頻率改變時，溫度傳感電路感知溫度的變化，使溫度補償控制電壓Vt產生相應的變化，控制延遲單元電路的導通程度進行頻率補償，使得VCO輸出信號頻率與原來一致。同時溫度傳感電路受到Vc的控制，使得壓控振蕩器的輸出頻率在不同的Vc下都能得到相應的溫度補償，都能保持振蕩器的振蕩頻率和溫度沒有變化前一致。
圖3是本發明的以PMOS電晶體為負載的單端延遲單元電路圖，它由一對反相放大管MN23和MP23、兩個並聯的負載管MP22、MP24、一個二極體MN24、以及電壓控制端Vc、溫度補償端Vt、輸入端Vin、輸出端Vout構成。其中，MN23和MP23構成單端反相器作基本的延時單元，負載管MP22受外界電壓Vc的控制，改變Vc可以改變MP22的導通電阻，從而改變反相器的延遲時間，達到壓控調節輸出信號頻率的目的。負載管MP24受溫度補償電壓Vt的控制，改變Vt可以改變MP24的導通電阻，從而改變反相器的延遲時間，補償輸出信號頻率隨溫度的變化。恰當設計延遲單元和溫度傳感器的參數，就能使受溫度影響的頻率變化剛好被補償，使得輸出信號頻率幾乎不隨溫度變化。
圖4是本發明提出的溫度傳感電路圖。MN10、MP10、MP11三個電晶體各自的柵極和漏極相連，構成三個二極體，三個二極體正向串連構成偏置分壓器。二極體的正向電壓具有負的溫度係數，即溫度升高，正向電壓降低；溫度降低，正向電壓升高。二極體正向電壓的溫度係數很小，我們通過恰當設計MP10、MN10和MP11管的寬長比，使得節點電壓Vn能隨溫度產生較大的變化。電晶體MN11和MP12構成電壓放大器，Vn經過MN11電晶體的放大作用，產生較大的溫度補償電壓Vt，Vt控制單端延遲單元的負載管MP24的導通電阻，來補償延遲單元的延遲時間，也就是補償了VCO輸出頻率隨溫度的變化。在電壓放大器中，電晶體MP12是放大管MN11的負載，其柵極受外界電壓Vc的控制，也即放大器的放大倍數受Vc的控制。這是因為VCO的振蕩頻率受溫度影響的程度是隨Vc變化而變化的，不同的Vc下變化相同的溫度所需要的補償電壓Vt是不相同的，所以我們引入Vc來控制放大器的放大倍數，使得VCO的輸出頻率在不同的Vc下都能得到相應的溫度補償，在整個Vc動態範圍內都能保持和溫度沒有變化前一致。
圖5和圖6是本發明的差分延遲單元環路壓控振蕩器實施例結構框圖。它由連接成環狀的N個具有溫度補償功能的差分延遲單元和溫度傳感電路兩部分構成，N是大於等於2的偶數或奇數，其中圖5是N為偶數時的環路連接方式；圖6是N為奇數時的環路連接方式。它們的延遲單元有(1)模擬信號輸入端Vc；(2)溫度補償控制端Vt；(3)差分輸入輸出端Vin-、Vin+、Vout-、Vout+。模擬電壓Vc來自環路濾波器的輸出，Vc控制每一個延遲單元的導通程度來改變延遲時間，從而改變輸出信號頻率。當溫度變化導致VCO輸出信號頻率改變時，溫度傳感電路感知溫度的變化，使溫度補償控制電壓Vt產生相應的變化，控制延遲單元電路的導通程度進行頻率補償，使得VCO輸出信號頻率與原來一致。同時溫度傳感電路受到Vc的控制，使得壓控振蕩器的輸出頻率在不同的Vc下都能得到相應的溫度補償，都能保持和溫度沒有變化前一致。
圖7是本發明的以PMOS電晶體為負載的差分延遲單元電路圖。它由2個差分輸入管MN1和MN2，6個並聯的負載管MP1、MP2、MP3、MP4、MP5和MP6，2個差分輸入端Vin-和Vin+，1個電壓控制端Vc，1個溫度補償端Vt，2個差分輸出端Vout-和Vout+構成。其中，負載管MP1、MP2起正反饋加速延遲單元導通的作用；負載管MP3、MP4受外界電壓Vc的控制，用作壓控調節輸出信號頻率；負載管MP5和MP6受溫度補償電壓Vt的控制，用作輸出信號頻率的溫度補償。
圖5和圖6中的溫度傳感電路圖仍然和圖4一樣，溫度補償電壓Vt控制差分延遲單元的負載管MP5和MP6的導通程度，來補償延遲單元的延遲時間，也就是補償了VCO輸出頻率隨溫度的變化。
我們把本發明的差分延遲單元構成的環路壓控振蕩器實施例應用到鎖相環中，對鎖相環進行了電路設計以及版圖設計，設計的VCO增益為20MHz/V。我們的計算機後仿真結果顯示，在-25℃～125℃以及更大的溫度範圍內，鎖相環能夠很好的工作，證明本發明是切實可行的。
權利要求
1.一種環路壓控振蕩器，由連接成環狀的N個延遲單元和溫度補償電路兩部分構成，其特徵在於，延遲單元的負載電晶體上並聯有用作溫度補償的負載管，可以受到溫度補償電壓的控制來調節輸出信號頻率，以補償溫度變化導致的輸出頻率誤差，使得輸出頻率在不同溫度下保持一致。
2.一種環路壓控振蕩器，由連接成環狀的N個延遲單元和溫度補償電路兩部分構成，其特徵在於，溫度補償電路由溫度傳感器和電壓放大器構成，溫度傳感器由二極體構成，而電壓放大器的放大倍數受該壓控振蕩器的外接電壓Vc控制，使得壓控振蕩器的輸出頻率在不同的Vc下都能得到相應的溫度補償，保持和溫度沒有變化前一致。
3.根據權利要求1或2所述的環路壓控振蕩器，其特徵在於，延遲單元由單端延遲單元電路構成，單端延遲單元電路由一對反相放大管MN23和MP23、兩個並聯的負載管MP22、MP24、一個二極體MN24、以及電壓控制端Vc、溫度補償端Vt、輸入端Vin、輸出端Vout構成，其中，MN23和MP23構成單端反相器作基本的延時單元，負載管MP22受外界電壓Vc的控制，改變Vc可以改變MP22的導通電阻，從而改變反相器的延遲時間，達到壓控調節輸出信號頻率的目的，負載管MP24受溫度補償電壓Vt的控制，改變Vt可以改變MP24的導通電阻，從而改變反相器的延遲時間，補償輸出信號頻率隨溫度的變化。
4.根據權利要求1或2所述的環路壓控振蕩器，其特徵在於，延遲單元由差分延遲單元電路構成，差分延遲單元電路由2個差分輸入管MN1和MN2，6個並聯的負載管MP1、MP2、MP3、MP4、MP5和MP6，2個差分輸入端Vin-和Vin+，1個電壓控制端Vc，1個溫度補償端Vt，2個差分輸出端Vout-和Vout+構成，其中，負載管MP1、MP2起正反饋加速延遲單元導通的作用；負載管MP3、MP4受外界電壓Vc的控制，用作壓控調節輸出信號頻率；負載管MP5和MP6受溫度補償電壓Vt的控制，用作輸出信號頻率的溫度補償。
5.根據權利要求1或2所述的環路壓控振蕩器，其溫度補償電路的特徵在於，MN10、MP10、MP11三個電晶體各自的柵極和漏極相連，構成三個二極體，三個二極體正向串連構成溫度敏感的偏置分壓器，MN10的漏極電壓Vn隨著溫度的變化而變化，電晶體MN11和MP12構成電壓放大器，其中電晶體MP12是放大管MN11的負載，電壓放大器把Vn放大，輸出溫度補償電壓信號Vt。
全文摘要
本發明涉及一種具有溫度補償效應的環路壓控振蕩器，它由連接成環狀的N個帶溫度補償的延遲單元和溫度補償電路兩部分構成，其延遲單元是在普通的反相器的基礎上，在其負載管上並聯一個或多個MOS管，使其受到溫度補償電壓的控制來調節導通程度，從而補償溫度變化所引起的頻率變化。其溫度補償電路由溫度傳感器和電壓放大器構成，溫度傳感器由二極體構成，而電壓放大器的放大倍數受該壓控振蕩器的外接電壓V
文檔編號H03L7/08GK1968006SQ20051008690
公開日2007年5月23日 申請日期2005年11月17日 優先權日2005年11月17日
發明者鄺小飛, 吳南健, 王海永 申請人:中國科學院半導體研究所