专利名称：受电压控制的振荡电路的制作方法
技术领域：
本发明涉及受电压控制的振荡电路，更具体地说涉及用于构成集成电路的锁相环电路中的受电压控制的振荡电路。
受电压控制的振荡电路通常采用锁相环(PLL)电路构成。
图1以框图形式表示的锁相电路(PLL)是一个反馈电路，包括相位频率比较电路(PFC)10、电荷抽送电路(CP)20、低通滤波器(LPF)30、受电压控制的振荡电路(Vco)40和分频电路(分频器)50。此外，如图2所示，受电压控制的振荡电路(Vco)40由受电压控制的电流产生电路(CG)60和受电流控制的振荡电路(Cco)70构成。
相位频率比较电路(PFC)10接收作为输入的外部产生的基准信号(Fref)和分频电路(分频器)50的输出信号(Fout/N)。相位频率比较电路(PFC)10将Fref和Fout/N的相位和频率进行比较，并产生具有在这样一个方向上的幅度的控制信号(上和下)，以便减小二者之间的差。电荷抽送电路(CP)20接收来自相位频率比较电路(PFC)10的输入信号(上和下)，并通过低通滤波器(LPF)30对控制电压(Vcnt)充电和放电。由于来自电荷抽送电路(CP)20的充电/放电电流的作用，LPF30对控制电压(Vcnt)中的电势变化进行直流平均。受电压控制的电流产生电路(CG)60产生正比于输入信号Vcnt的偏置电流(Ibias)，受电流控制的振荡电路(Cco)70产生正比于偏置电流(Ibias)的振荡信号Fout。分频电路(分频器)50接收振荡信号Fout，并产生信号Fout/N，它的频率是Fout的频率除以N。
以上述方式构成的PLL电路将基准信号Fref的频率和/或相位与信号Fout/N的频率和/或相位进行比较，信号Fout/N的频率是受电压控制的振荡电路(Vco)40的振荡输出信号Fout的频率除以N。PLL电路采用反馈回路，以便减小Fref和Fout/N的频率和相位之间的差，由此得到频率和相位与基准信号Fref同步的振荡输出信号Fout。
电特性如电压-电流特性和构成集成的受电压控制的振荡电路(Vco)40的晶体管的阈值随着制造条件的改变而变化很大。因此，受电压控制的振荡电路(Vco)40的输入控制电压(Vcnt)-振荡信号Fout特性也改变。即使制造条件改变，受电压控制的振荡电路(Vco)40的输出信号Fout也与所要求的频率同步。通常将额外的增益设计进控制电压(Vcnt)-振荡Fout特性，以便获得对应于可得到的控制电压Vcnt范围的所要求的Fout振荡频率，而不管变化。
另一方面，即使微小的噪声出现在受电压控制的振荡电路(Vco)40的输入电压(Vcnt)中，也会引起振荡输出信号Fout的频率波动，这种波动与输入电压(Vcnt)成正比，于是变得不稳定。不稳定的幅度正比于受电压控制的振荡电路(Vco)40的输入电压(Vcnt)-振荡信号(fout)频率特性的增益。因此，为了使锁相环电路(PLL)具有很小的不稳定特性，受电压控制的振荡电路(Vco)40的增益很低。此外，设计锁相环电路，确保其同步操作和很小的不稳定特性是非常重要的。
图3表示日本专利申请未决No.Hei 2-311009公开的电路结构，作为受电压控制的振荡电路(Vco)40的一个例子，该电路已经用于锁相环电路(PLL)。
图3所示的受电压控制的振荡电路(Vco)采用分开的第一和第二受电压控制的电流产生电路(Ibias1,Ibias2)102、103，用于形成控制电压(Vcnt)。当采用第二受电压控制的电流源(Ibias2)103时，控制电压(Vcnt)-振荡频率(fout)特性的增益低于采用第一受电压控制的电流产生电路(Ibias1)102。
上述电路还包括电流调节电路80，用于调节第二受电压控制的电流源(Ibias2)103，以便使第一和第二受电压控制的电流源102、103的偏流(Ibias1,Ibias2)相等，还包括外部控制信号(开关90)，用于切换带有第一受电压控制的电流源(Ibias1)102和第二受电压控制的电流源(Ibias2)103的振荡电路的电流源。电流调节电路80包括比较电路，用于将第一和第二受电压控制的电流源(Ibias1,Ibias2)102、103的电流值进行比较，还包括计数电路，用于接收比较结果，并通过加和减调节第二受电压控制的电流源(Ibias2)103的电流值。
当锁相环电路(PLL)开始锁相操作时，利用具有大的控制电压(Vcnt)-振荡频率(fout)特性的增益的第一受电压控制的电流源(Ibias1)102，进行相位/频率同步操作。与此同时，电流调节电路80通过增加和减小计数电路的值调节电流，因此第二受电压控制的电流源103的偏流(Ibias2)的值等于第一受电压控制的电流源102的偏流(Ibias1)的值。锁相环电路(PLL)的频率和/或相位达到同步后，由外部控制信号(开关90)使计数电路停止工作，并且计数电路值被设定为一个固定状态。这种状态下的控制电压(Vcnt)振荡输出信号(fout)如图4的工作点C所示。
接下来，在这种状态下，通过外部控制信号(开关90)将电流源从第一受电压控制的电流源(Ibias1)102切换到具有低电流增益的第二受电压控制的电流源(Ibias2)103。受电压控制的振荡电路(Vco)的输入电压(Vcnt)-振荡频率(fout)特性从图4的特性A变到特性B，同时保持锁相环电路(PLL)的工作点。
当锁相环电路(PLL)开始锁相操作时，即使由于制造条件的差异使得振荡频率偏移，也能通过采用具有大增益的第一受电压控制的电流源(Ibias1)102，增加振荡输出信号的频带宽，保证在所要求的频率下进行操作。
此外，锁相环电路(PLL)的锁相操作结束之后，电流源切换到第二受电压控制的电流源(Ibias2)103，从而降低控制电压(Vcnt)—振荡信号输出(Fout)特性的增益，并且降低了不稳定特性。
然而，由于输入电压(Vcnt)-振荡频率(fout)特性，上述现有技术的锁相环电路(PLL)的受电压控制的振荡电路需要外部控制信号端和确定锁相操作的电路，以及第一电流源(Ibias1)和第二电流源(Ibias2)的电流调节电路80，这使得输入端数量增加、尺寸变大。
因此，本发明的目的是提供一种新颖的受电压控制的振荡电路，该电路避免了现有技术中的上述问题。
本发明的另一个目的是提供一种受电压控制的振荡电路，该电路具有稳定的输入电压-振荡频率增益特性，而不管受电压控制的振荡电路中的晶体管特性的制造条件的改变。
本发明的再一个目的是提供一种受电压控制的振荡电路，该电路保证能够在所要求的频率下操作，而不管锁相环电路的制造条件的改变，从而提高了稳定性。
图1是锁相环电路(PLL)的框图。
图2是受电压控制的振荡电路的框图。
图3是表示现有技术的受电压控制的振荡电路的结构的框图。
图4是表示图3所示现有技术的受电压控制的振荡电路的特性图。
图5是表示本发明的受电压控制的振荡电路的一个实施例的框图。
图6是表示受电压控制的振荡电路的原理的特性图。
图7是表示受电压控制的振荡电路的原理的特性图。
图8是表示受电压控制的振荡电路的原理的特性图。
图9是表示受电压控制的振荡电路的原理的特性图。
图10是表示本发明的受电压控制的振荡电路的一个实施例的电路图。
图11是表示图10所示受电压控制的振荡电路的操作的一个例子的特性图。
图12是表示图10所示受电压控制的振荡电路的操作的一个例子的特性图。
下面，参照附图描述本发明的受电压控制的振荡电路的实施例。
图5是基于本发明的受电压控制的振荡电路(Vco)的框图。
在图5中，本实施例的受电压控制的振荡电路(Vco)具有受电压控制的电流产生电路(CG)60和受电流控制的振荡电路(Cco)70。
如图5所示，本实施例的受电压控制的振荡电路(Vco电路)包括具有控制电压(Vcnt)作为其输入的第一受电压控制的电流产生电路(CG1)60A，第二和第三受电压控制的电流产生电路(CG2,CG3)60B、60C，它们的输入控制电压—输出电流特性与CG1不同，各个受电压控制的电流产生电路的输出电流(Ibias1、Ibias2和Ibias3)由加法器62相加，加法器62的输出是Ibias0。受电流控制的振荡电路(Cco)70接收Ibias0作为其输入。
图6-9是受电压控制的电流产生电路的特性图。
图6是表示有关第一、第二和第三受电压控制的电流产生电路的特性(Ibias1、Ibias2和Ibias3)和它们的和的特性(Ibias0)的受电压控制的电流产生电路(CG)的控制电压(Vcnt)-输出电流(Ibias)特性的图。
图7表示受电压控制的电流产生电路(CG)的特性，这是在制造条件改变时稳定地与所要求的频率同步所必需的。增益是这样一种特性，它等于常规的受电压控制的振荡电路(Vco)的不稳定特性，以及当各个制造条件是(a)快速条件、(b)典型条件和(c)慢速条件时，需要由受电压控制的电流产生电路(CG)产生的电流特性。
图8是特性图，其中当制造条件改变时采用的特性叠加在图7的特性上。考虑在以(a)快速条件的方向改变制造条件的时候，设计第一受电压控制的电流产生电路(CG1)60A的特性(Ibias1)，使得适应图7中的特性(a)。
接下来考虑制造条件是(b)典型条件的情况，设计第二受电压控制的电流产生电路(CG2)60B的特性(Ibias2)，使得第一受电压控制的电流产生电路(CG1)60A的特性(Ibias1)与第二受电压控制的电流产生电路(CG2)60B的特性(Ibias2)之和与图7的特性(b)一致。
此外，当制造条件是(c)慢速条件的情况，设计第三受电压控制的电流产生电路(CG3)60C的特性(Ibias3)，使得第一和第二受电压控制的电流产生电路(CG1、CG2)60A、60B的特性(Ibias1+Ibias2)的慢速条件特性与第三受电压控制的电流产生电路(CG3)60C的特性(Ibias3)之和与图7的特性(c)一致。
如上所述，根据控制电压(Vcnt)的低电压区中的(a)快速条件的情况、根据中间电压区中的(b)典型条件的情况和根据高电压区中的(c)慢速条件的情况，产生控制电流，因此可以独立地确定第一、第二和第三受电压控制的电流产生电路(CG1、CG2和CG3)60A、60B和60C的特性。这样，本实施例中的受电压控制的振荡电路(Vco电路)40的控制电压(Vcnt)-输出振荡(fout)特性变成如图5所示，即使制造条件改变，也能可靠地与所要求的频率同步，控制电压(Vcnt)-输出振荡(Fout)特性的增益下降。这就是说，呈现出很小的不稳定特性。
图10是关于图5所示实施例的采用BiCMOS电路的电路结构的一个例子。
CG1表示第一受电压控制的电流源，CG2表示第二受电压控制的电流源。由电流镜电路构成，对第一和第二受电压控制的电流产生电路(CG1、CG2)的输出电流求和(Ibias1+Ibias2)，并产生送至受电流控制的振荡电路70的输出电流(Ibias0)。
第一受电压控制的电流产生电路(CG1)60A包括用于接收输入控制电压(Vcnt)的输入电路，基准电势(VR1)电路，第一恒流电路(I0)，以及比较电路，用于通过输入电路的输出电压(N1)和基准电势电路的输出电压(VR1)对恒流电路(I0)分流，并通过电流镜从MOS晶体管MP16产生输出电流(Ibias1)。
第二受电压控制的电流产生电路(CG2)60B包括由MOS晶体管构成的用于接收输入控制电压(Vcnt)的输入电路，基准电势(VR2)电路，第二恒流电路(I1)，以及比较电路，用于通过输入电路的输出电压(N2)和基准电势电路的输出电压(VR2)对恒流电路(I1)分流，并通过电流镜从MOS晶体管MP9产生输出电流(Ibias2)。
接下来，描述图10实施例中的受电压控制的振荡电路的操作。
在图10中，符号MN1-MN15表示n型MOS晶体管，符号MP1-MP16表示p型MOS晶体管。此外，控制电压(Vcnt)-输出电压特性以及构成第一和第二电流控制电流源的输入电路的基准电势特性示于图11。
当控制电压(Vcnt)处于最小电势时，输入电路的输出电压(N1)和构成第一受电压控制的电流产生电路(CG1)60的基准电势(VR1)是相等的，并且输入电路的输出电势(N1)与控制电压(Vcnt)成正比地增加。
控制电压(Vcnt)是输入电路的一个输入，该输入电路在第二受电压控制的电流产生电路(CG2)中产生输出电势N2。当控制电压(Vcnt)处于最小电势时，输入电路的输出电势(N1)处于最小电势，并且与控制电压(Vcnt)成正比地增加，当控制电压(Vcnt)处于最大电势时，变成与基准电势(VR2)相等。
在第一和第二受电压控制的电流产生电路(CG1、CG2)中，当接收输出电压时操作的比较电路输出的电流特性与输入电路的基准电势变为如图12所示。
在第一受电压控制的电流产生电路(CG1)中，当控制电压(Vcnt)处于最小电势时，输入电路的输出电压(N1)和基准电势(VR1)相等，因此第一恒流(I0)在晶体管MN10、MN11之间被等分。随着控制电压(Vcnt)增加，输入电路的输出电势(N1)变成高于基准电势(VR1)，于是流经晶体管MN11的电流增加。
在第二受电压控制的电流产生电路(CG2)中，随着控制电压(Vcnt)从最小电势增加，输入电路的输出电势(N2)也增加，当输出电势(N2)和基准电势(VR2)之间的电势差小于晶体管MP5的阈值电压时，晶体管MP5开始导通，其结果流经晶体管MP5的输出电流增加。
第一受电压控制的电流产生电路(CG1)和第二受电压控制的电流产生电路(CG2)的输出电流(Ibias1,Ibias2)被电流镜电路相加，并变为如图12中的特性(Ibias0)所示，因此得到受电流控制的振荡电路(Cco)70的驱动电路。
如上所述，在本实施例中的受电压控制的振荡电路(Vco)具有第一受电压控制的电流产生电路(CG1)，它作为受电压控制的振荡电路的驱动电流源，以及两个或两个以上的受电压控制的电流产生电路(CG2、……、CGn))，它们所呈现的控制电压(Vcnt)-输出电流(Ibias)增益与第一受电压控制的电流产生电路(CG1)是不同的。各个受电压控制的电流产生电路(CG)的输出电流(Ibias1、Ibias2、……、Ibias-n)之和用作受电流控制的振荡电路(Cco)70的输入电流。该输入电流的特性是根据制造条件的改变而确定的，这样就能使受电压控制的振荡电路的控制电压-振荡频率增益稳定，而不受构成受电压控制的振荡电路的晶体管的电压-电流特性或阈值电压的变化的影响。因此，就能在没有外部控制信号或同步判断电路的情况下，针对制造条件的改变，实现与所要求的振荡频率带宽的同步。此外，可以使受电压控制的振荡电路(Vco)具有较低的不稳定性。
从以上描述可以清楚地看到，本发明的受电压控制的振荡电路包括许多受电压控制的电流产生电路，它们具有不同的控制电压-输出电流特性，并且各个受电压控制的电流产生电路的特性是不同的。因此，如果这些特性是根据制造条件改变而确定的，那么就能针对制造条件的改变，实现与所要求的振荡频率带宽的同步。此外，可以使受电压控制的振荡电路具有较低的不稳定性。
虽然以上描述了本发明的最佳实施例，但是本领域的一般技术人员应理解，本发明是受所附权利要求书限定的，在不脱离本发明的精神和范围的前提下可作各种修改。
权利要求
1．一种受电压控制的振荡电路，包括第一受电压控制的电流产生电路；第二受电压控制的电流产生电路；电流加法器，用于将至少所述第一受电压控制的电流产生电路的输出电流和所述第二受电压控制的电流产生电路的输出电流相加，产生最终的输出电流；以及受电流控制的振荡电路，用于输出对应于所述最终的输出电流的振荡信号。
2．根据权利要求1的受电压控制的振荡电路，其特征在于所述第二受电压控制的电流产生电路具有与所述第一受电压控制的电流产生电路不同的控制电压-输出电流特性。
3．根据权利要求1的受电压控制的振荡电路，其特征在于所述受电压控制的振荡电路适用于锁相环电路，并且所述输出振荡信号经过分频器、相位比较器、电荷抽送电路和低通滤波器反馈至所述第一受电压控制的电流产生电路和所述第二受电压控制的电流产生电路的控制电压。
4．根据权利要求1的受电压控制的振荡电路，其特征在于当所述输入电压从第一电压变到第二电压时，所述第一受电压控制的电流产生电路输出对应于输入电压的第一电流，当所述输入电压从第三电压变到所述第二电压时，所述第二受电压控制的电流产生电路输出对应于输入电压的第二电流，当所述输入电压从所述第一电压变到所述第三电压时，输出零电流，所述第三电压具有在所述第一电压和所述第二电压之间的值。
5．根据权利要求4的受电压控制的振荡电路，其特征在于所述第二电压高于所述第一电压。
6．根据权利要求1的受电压控制的振荡电路，其特征在于所述第一受电压控制的电流产生电路包括用于接收控制电压的第一输入电路；第一基准电压产生电路，用于产生第一基准电压；以及第一比较电路，用于将所述第一输入电路的输出电压与所述第一基准电压进行比较，并输出对应于所述输出电压和所述第一基准电压之差的第一电流。
7．根据权利要求6的受电压控制的振荡电路，其特征在于所述第二受电压控制的电流产生电路包括用于接收所述控制电压和输出与所述第一输入电路的所述输出电压不同的电压的第二输入电路；第二基准电压产生电路，用于产生与所述第一基准电压不同的第二基准电压；以及第二比较电路，用于将所述第二输入电路的输出电压与所述第二基准电压进行比较，并输出对应于所述第二输入电路的所述输出电压和所述第二基准电压之差的第二电流。
8．根据权利要求1的受电压控制的振荡电路，其特征在于所述第一受电压控制的电流产生电路包括N沟道MOS差分电路，用于将所述输入电压与所述第一基准电压进行比较，所述第一受电压控制的电流产生电路输出对应于所述输入电压和所述第一基准电压之差的电流；以及所述第二受电压控制的电流产生电路包括P沟道MOS差分电路，用于将所述输入电压与所述第二基准电压进行比较，所述第二受电压控制的电流产生电路输出对应于所述输入电压和所述第二基准电压之差的电流。
9．根据权利要求1的受电压控制的振荡电路，其特征在于还包括第三受电压控制的电流产生电路，该电路具有与所述第一受电压控制的电流产生电路和所述第二受电压控制的电流产生电路不同的控制电压-输出电流特性；以及其中所述电流加法器用于进一步加所述第三受电压控制的电流产生电路的输出。
10．一种受电压控制的振荡电路，包括多个受电压控制的电流产生电路；电流加法器，用于将所述多个受电压控制的电流产生电路的各个输出相加；以及受电流控制的振荡电路，用于输出对应于所述电流加法器的输出的振荡信号。
11．根据权利要求10的受电压控制的振荡电路，其特征在于所述多个受电压控制的电流产生电路的每一个具有与其它所述受电压控制的电流产生电路不同的控制电压-输出电流特性，这样来构成和安排所述受电压控制的振荡电路，因此所述控制电压的增加与所述电流加法器的控制电压-输出电流增益的增加成比例。
12．根据权利要求10的受电压控制的振荡电路，其特征在于所述多个受电压控制的电流产生电路的每一个具有与其它所述受电压控制的电流产生电路不同的控制电压-输出电流特性，这样来构成和安排所述受电压控制的振荡电路，因此使所述受电压控制的振荡电路的控制电压-振荡频率增益稳定，而不受包括在所述受电压控制的振荡电路中的晶体管特性的制造差异的影响。
13．根据权利要求12的受电压控制的振荡电路，其特征在于所述晶体管特性至少是电压-电流特性和阈值电压中的一种。
全文摘要
一种用于锁相环电路中的受电压控制的振荡电路具有多个受电压控制的电流产生电路(60A、60B和60C)、电流加法器(62)和受电流控制的振荡电路(70)。每个受电压控制的电流产生电路具有相互不同的控制电压－输出电流特性,因此使受电压控制的振荡电路的控制电压－振荡频率增益稳定,而不受包括在受电压控制的振荡电路中的晶体管电压－电流特性和阈值电压的制造差异的影响。
文档编号H03B1/00GK1220520SQ9812306
公开日1999年6月23日 申请日期1998年12月3日 优先权日1997年12月3日
发明者川口学 申请人:日本电气株式会社