专利名称：一种环形压控振荡器及锁相环电路的制作方法
技术领域：
本发明属于电路领域，尤其涉及一种环形压控振荡器及锁相环电路。
背景技术：
压控振荡器(VoltageControlled Oscillator, VC0)是锁相环(Phase L0CkedL00p，PLL)核心的模块电路，锁相环的输出频率直接就是由压控振荡器产生的。压控振荡器可以分成几种，各有各的优缺点。其中环形压控振荡器(ringVCO)由于其低功耗，面积小，易于集成等优点而被应用于锁相环中，特别是在片上系统中，更是得到广泛的应用。环形压控振荡器是一个对噪声非常敏感的电路模块。在芯片系统中，电源或衬底的噪声很容易干扰到环形压控振荡器，这样将会影响到其输出频率的性能，导致锁相环输出时钟的抖动(jitter)性能指标。调节线性度也是环形压控振荡器的一个重要性能指标，非线性将会影响到锁相环的稳定性。在压控振荡器的控制电压Vctrl两端，Kvco (VC0的增益)一般会比较低，存在着非线性。这一点必须要解决好，以保证在控制电压Vctrl的整个有效工作范围内，都具有很好的线性度。在锁相环电路中，设计好一个输出频率为低抖动的压控振荡器是最重要的一个环节。因为一些噪声会直接耦合到压控振荡器的控制电压上，然后就会直接传导给振荡频率， 导致振荡频率发生抖动变化。同时，也要保证在控制电压Vctrl的整个有效工作范围内，都具有很好的线性度。环形压控振荡器的普遍结构如图1所示，电压-电流转换器(V-I Converter)的作用是将控制电压转换成电流，要求具有高的输出阻抗，高的电源抑制比。电流控制振荡器 (Current-Controlled Oscillator,CC0)是由一组延迟单元组成一个环行振荡器以产生振荡频率。电平转换器(Level shifter)是将电流控制振荡器产生的频率转换为输出所想要电平的频率。在很多高性能的数字系统中，电流控制振荡器中的延迟单元很多都是由CMOS延迟缓冲器来实现。这是因为CMOS延迟缓冲器具有很多优点能够产生很宽的振荡频率范围；简单便于设计；对缓冲器的供电电源的幅度没有很大的要求。但CMOS延迟缓冲器的有一个缺点就是其延迟时间对供电电源的噪声很敏感。因此这是在设计中必须要解决的问题。在目前的实际应用中，普遍采用带反馈共源共栅的环形压控振荡器，如图2所示， 虚线框中为电压-电流转换器，虚线框图以外部分为电流控制振荡器，cl_c5为延迟单元。 为了降低对电源VDD噪声的灵敏度，采用的是带反馈的共源共栅来增加电压_电流转换器的输出阻抗，这里的反馈环路用到一个运算跨导放大器(OTA)。同时为了对电源VDD的高频噪声进行滤波，在节点Vcco处增加了一个耦合电容Cf，这样就比较好的降低了电源VDD噪声的灵敏度。但该方案消耗了很大的功耗。
发明内容
本发明实施例的目的在于提供一种环形压控振荡器，旨在降低环形压控振荡器对电源或衬底噪声的灵敏度。本发明实施例是这样实现的，一种环形压控振荡器，所述环形压控振荡器包括电压-电流转换器，用于将控制电压转换成电流输出；噪声消除电路，用于根据所述电压-电流转换器的输出产生补偿电流，所述补偿电流是根据所述电压-电流转换器输出的电流按一定的比例缩小镜像的；以及电流控制振荡器，用于根据所述噪声消除电路输出的电流信号产生相应的振荡频率。本发明实施例的另一目的在于提供一种锁相环电路，所述锁相环电路包括上述的环形压控振荡器。本发明实施例中，在电压_电流转换器与电流控制振荡器之间增加了一个噪声消除电路，产生补偿电流，抵消电压_电流转换器输出电流受电源噪声引起的变化，最大程度上消除了电源噪声对电流的影响，降低了环形压控振荡器对电源或衬底噪声的灵敏度。
图1是现有技术提供的环形压控振荡器的结构原理图；图2是现有技术提供的带反馈共源共栅的环形压控振荡器的结构图；图3是本发明实施例提供的环形压控振荡器的结构原理图；图4是本发明实施例提供的环形压控振荡器的电路结构图。
具体实施例方式为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。本发明实施例中，在电压_电流转换器与电流控制振荡器之间增加了一个噪声消除电路，产生补偿电流，抵消电压-电流转换器输出电流受电源噪声引起的变化。图3示出了本发明实施例提供的环形压控振荡器的结构原理，为了便于说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分。电压-电流转换器1其将控制电压转换成电流输出。在本发明实施例中，电压-电流转换器1采用反馈共源共栅电流镜结构，增强电流源的输出阻抗。噪声消除电路2，其根据电压_电流转换器1的输出产生补偿电流，该补偿电流是根据电压_电流转换器1输出的电流按一定的比例缩小镜像过来的。电流控制振荡器3，其根据噪声消除电路2输出的电流信号产生相应的振荡频率。在本发明实施例中，控制电压经过电压-电流转换器1转换成电流，输出的电流流至噪声消除电路2，噪声消除电路2产生补偿电流，消除电源噪声对电流的影响，噪声消除电路2输出电流至电流控制振荡器3，控制电流控制振荡器3产生想要的振荡频率范围。图4示出了本发明实施例提供的环形压控振荡器的结构，为了便于说明，仅示出
4了与本发明实施例相关的部分。电压-电流转换器1包括匪OS管Mnl、Mn2和PMOS管Mpl、Mp2、Mp3、Mp4。PMOS管Mp2，Mp4和Mp3组成一个反馈共源共栅电流镜，这样可以增强电流源的输出阻抗，其中 PMOS管Mp2与PMOS管Mpl的栅极相连，其源极接电源VDD，其漏极与PMOS管Mp4 栅极相连，PMOS管Mp4的源极接电源VDD，其漏极与PMOS管Mp3栅极相连，PMOS管Mp3的源极与PMOS管Mp4的栅极相连，其栅极与NMOS管Mn2漏极相连，从PMOS管Mp3漏极流出的电流为12。当控制电压Vctrl彡Vtnl时(Vtnl是管Mnl的阈值电压)，NMOS管Mnl与 PMOS管Mpl导通，流经NMOS管Mnl的电流为II。控制电压Vctrl的有效工作范围是 Vtnl彡Vctrl彡VDD,当Vctrl接近VDD时，管Mnl会处于深线性区，电流Il就会减少，降低Kvco (VC0的增益)，调节线性度会变得非线性。作为本发明实施例的优选实施例，为了补偿控制电压Vctrl在比较高的电压，接近电源VDD的区域中，Kvco会下降的问题，增加了一个源跟随器，其中作为源跟随器的NMOS管Mn3的栅极接控制电压Vctrl，其漏极接电源VDD，其源极与PMOS管Mp3的漏极相连，NMOS管Mn3的源极输出电压为Ncco,从NMOS管Mn3源极流出的电流为13。当Vctrl-Vcco < Vtn3时(Vtn3是管Mn3的阈值电压)，NM0S管Mn3会保证关断； 当Vctrl-Vcco > Vtn3，在Vctrl比较高电压时，NMOS管Mn3就会打开，电流13就会叠加到电流12上，补偿了电流12的下降。这样就保证了环形压控振荡器有比较好的线性度。因此，通过增加一个源跟随器可以很好的补偿Kvco在控制电压Vctrl接近电源VDD区域中的下降。尽管电压_电流转换器1采用反馈共源共栅电流镜结构，可以降低对电源噪声的灵敏度，但其输出电流12仍然还会部分受到电源噪声的影响。为了最大程度上消除电源噪声对电流12的影响，本发明实施例增加了噪声消除电路2。噪声消除电路2包括匪OS管Mn4、Mn5和PMOS管Mp5，其中PMOS管Mp5的源极接电源VDD，其栅极与PMOS管Mpl的栅极相连，其漏极与NMOS 管Mn4的漏极相连，NMOS管Μη4的漏极与栅极短接，其源极接地，流经PMOS管Μρ5和NMOS 管Μη4支路的电流为14。NMOS管Μη5的栅极与NMOS管Μη4的栅极相连，其漏极与NMOS管Μη3的源极相连， 其源极接地，流经NMOS管Μη5的电流为15。噪声消除电路2的原理是要产生补偿电流I5，PM0S管Mp5导通时，匪OS管Mn4随之导通，NMOS管Mn5因承受正电压导通，产生流经NMOS管Mn5的电流15，这个电流是由电流Il按一定的比例缩小镜像过来的。当 Vctrl-Vcco < Vtn3, NMOS 管 Mn3 不导通，电流 13 为零，则有Icco = 12-15。 从这个公式可以看出，理想的电源噪声消除就是使电流12受电源噪声所引起的变化等于电流15受电源噪声引起的变化，S卩Δ 12= Δ 15，也就是AIcc0 = O。由于PMOS管Μρ5是由单个管组成，所以电流15受电源噪声的影响要比电流12大很多，因此在设计时，要注意PMOS管Μρ5和Μρ2的宽长比例，以便尽最大程度上的消除电源噪声对电流Icco的波动影响。为了更好的降低电源噪声对输出振荡频率的影响，本发明实施例在电压 Vcco (NM0S管Mn5的漏极)到地(NM0S管Mn5的源极)之间增加了一个耦合电容Cf，用来滤掉高频的噪声，降低了高频噪声的干扰。电流控制振荡器3与耦合电容Cf并联在一起，接收噪声消除电路2输出的电流 Icco，产生相应的振荡频率。本发明实施例提供的环形压控振荡器可以广泛适用于高性能数字系统的低功耗， 低抖动的锁相环电路中。本发明实施例中，在电压_电流转换器与电流控制振荡器之间增加了一个噪声消除电路，产生补偿电流，抵消电压_电流转换器输出电流受电源噪声引起的变化，最大程度上消除了电源噪声对电流的影响，降低了环形压控振荡器对电源或衬底噪声的灵敏度。另外，电压-电流转换器采用反馈共源共栅电流镜结构，增强电流源的输出阻抗。同时，本发明实施例还在电压-电流转换器中增加了一个源跟随器，通过增加一个源跟随器来补偿Kvco (VC0的增益)在控制电压Vctrl接近电源VDD区域中的下降，增加了振荡频率的有效输出范围，且保证有比较好的线性度，取得好的锁相环低抖动性能指标。另外，在电流控制振荡器的输入电压到地之间增加一个耦合电容，滤掉高频的噪声，降低了高频噪声的干扰。因此，本发明实施例提供的环形压控振荡器电路结构具有高线性度，高电源抑制比，低功耗，且便于集成的优点。 以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种环形压控振荡器，其特征在于，所述环形压控振荡器包括电压-电流转换器，用于将控制电压转换成电流输出；噪声消除电路，用于根据所述电压-电流转换器的输出产生补偿电流，所述补偿电流是根据所述电压-电流转换器输出的电流按一定的比例缩小镜像的；以及电流控制振荡器，用于根据所述噪声消除电路输出的电流信号产生相应的振荡频率。
2.如权利要求1所述的环形压控振荡器，其特征在于，所述电压_电流转换器采用反馈共源共栅电流镜结构。
3.如权利要求2所述的环形压控振荡器，其特征在于，所述电压_电流转换器包括一源跟随器，用以补偿所述环形压控振荡器的增益在控制电压接近电源区域中的下降。
4.如权利要求2所述的环形压控振荡器，其特征在于，所述电压-电流转换器包括 NMOS 管 Mn 1、Mn2 禾口 PMOS 管 Mp 1、Mp2、Mp3、Mp4 ；所述PMOS管Mp2，Mp4和Mp3组成一个反馈共源共栅电流镜；所述PMOS管Mp2与所述PMOS管Mpl的栅极相连，其源极接电源VDD，其漏极与所述 PMOS管Mp4栅极相连，所述PMOS管Mp4的源极接电源VDD，其漏极与所述PMOS管Mp3栅极相连，所述PMOS管Mp3的源极与所述PMOS管Mp4的栅极相连，其栅极与所述NMOS管Mn2 漏极相连。
5.如权利要求4所述的环形压控振荡器，其特征在于，所述电压-电流转换器还包括 NMOS 管 Mn3 ；所述NMOS管Mn3的栅极接控制电压Vctrl，其漏极接电源VDD，其源极与所述PMOS管 Mp3的漏极相连。
6.如权利要求5所述的环形压控振荡器，其特征在于，所述噪声消除电路包括NMOS管 Mn4、Mn5 禾口 PMOS 管 Mp5 ；所述PMOS管Mp5的源极接电源VDD，其栅极与所述PMOS管Mpl的栅极相连，其漏极与所述NMOS管Mn4的漏极相连，所述NMOS管Mn4的漏极与栅极短接，其源极接地；所述NMOS管Mn5的栅极与所述NMOS管Mn4的栅极相连，其漏极与所述NMOS管Mn3的源极相连，其源极接地。
7.如权利要求1所述的环形压控振荡器，其特征在于，所述环形压控振荡器还包括一耦合电容Cf;所述耦合电容Cf位于所述电流控制振荡器的输入电压到地之间，与所述电流控制振荡器与并联，接收所述噪声消除电路输出的电流，滤掉电流中高频的噪声。
8.一种锁相环电路，其特征在于，所述锁相环电路包括权利要求1 7任一项所述的环形压控振荡器。
全文摘要
本发明适用于电路领域，提供了一种环形压控振荡器及锁相环电路，所述环形压控振荡器包括电压-电流转换器，用于将控制电压转换成电流输出；噪声消除电路，用于根据所述电压-电流转换器的输出产生补偿电流，所述补偿电流是根据所述电压-电流转换器输出的电流按一定的比例缩小镜像的；以及电流控制振荡器，用于根据所述噪声消除电路输出的电流信号产生相应的振荡频率。本发明在电压-电流转换器与电流控制振荡器之间增加了一个噪声消除电路，产生补偿电流，抵消电压-电流转换器输出电流受电源噪声引起的变化，最大程度上消除了电源噪声对电流的影响，降低了环形压控振荡器对电源或衬底噪声的灵敏度。
文档编号H03L7/099GK102332910SQ201010226099
公开日2012年1月25日 申请日期2010年7月13日 优先权日2010年7月13日
发明者梁仁光, 胡胜发 申请人:安凯(广州)微电子技术有限公司