数字控制振荡器、电子设备及控制方法与流程

本公开内容总体上涉及振荡器，更具体地，涉及数字控制振荡器、电子设备及用于数字控制振荡器的控制方法。

背景技术：

振荡器是许多电子设备的重要组成部分。使用振荡器可以将直流电能转换为具有一定频率的交流电能。振荡器包括数字控制振荡器。数字控制振荡器可以用于诸如数字通信的诸多领域。例如，数字控制振荡器用于产生数字电路中的时钟信号或用在锁相器中。因此，数字控制振荡器受到越来越多的关注。改善数字数字控制振荡器的性能是期望的。

技术实现要素：

在下文中将给出关于本公开内容的简要概述，以便提供关于本公开内容的某些方面的基本理解。应当理解，此概述并不是关于本公开内容的穷举性概述。它并不是意图确定本公开内容的关键或重要部分，也不是意图限定本公开内容的范围。其目的仅仅是以简化的形式给出某些概念，以此作为稍后论述的更详细描述的前序。

发明人注意到：通常，数字控制振荡器的振荡信号生成单元输出的振荡信号会随着输入到振荡信号生成单元的输入电流的增大而增大，其中，输入电流受输入到数字控制振荡器的控制字控制，并且控制字增大，输入电流也会增大；但是，随着控制字的增大，单位输入电流增量带来的频率增益会下降，即，振荡信号的频率关于控制字的微分会减小。频率增益的下降可以劣化输出的振荡信号的品质，例如，关于控制字的频率增益下降，输振荡器的输出信号的抖动、相位噪声会加剧。因此，以下研究是有意义的：改善数字控制振荡器的关于控制字的频率增益。

根据本公开内容的一方面，提供了一种数字控制振荡器，包括第一节点；第一电流生成单元，用于在偏置电压的控制下生成流向第一节点的第一电流；第二节点；第二电流生成单元，用于在偏置电压的控制下，基于控制字生成流过第二节点的与第一电流呈第一镜像关系的第二电流；振荡信号生成单元，用于基于第二电流生成振荡信号；电流镜单元，用于接收基准电流和来自第一节点的第三电流，并且电流镜单元被连接成使得第三电流与基准电流呈第二镜像关系；以及分流单元，用于在第二节点处的节点电压的控制下接收来自第一节点的第四电流，以使得数字控制振荡器的关于控制字的频率增益基本不变。

根据本公开内容的一方面，提供了一种电子设备。该电子设备包括前述数字控制振荡器。

根据本公开内容的另一方面，提供了一种用于数字控制振荡器的控制方法，包括：提供偏置电压；在偏置电压的控制下生成流向第一节点的第一电流；在偏置电压的控制下，基于控制字生成流过第二节点的与第一电流呈第一镜像关系的第二电流；以及基于第二电流生成振荡信号；其中，第一电流被分流为来自第一节点的第三电流和第四电流；第三电流被控制成与基准电流呈第二镜像关系；并且第四电流由第二节点处的节点电压来控制以使得数字控制振荡器的关于控制字的频率增益基本不变。

本公开内容的数字控制振荡器、电子设备以及用于数字控制振荡器的控制方法至少能实现如下效果：提供基本不变的频率增益、抑制输出信号的抖动和相位噪声。

附图说明

参照附图下面说明本公开内容的实施例，这将有助于更加容易地理解本公开内容的以上和其他目、特点和优点。附图只是为了示出本公开内容的原理。在附图中不必依照比例绘制出单元的尺寸和相对位置。在附图中：

图1示出了根据本公开内容的一个实施例的数字控制振荡器的示例性框图；

图2示出了根据本公开内容的一个实施例的数字控制振荡器的示例性电路图；

图3示出了振荡频率与控制字之间的关系；

图4示出了频率增益与振荡频率之间的关系；以及

图5示出了根据本公开内容的一个实施例的数字控制振荡器的控制方法的流程图。

具体实施方式

在下文中将结合附图对本公开内容的示例性实施例进行描述。为了清楚和简明起见，在说明书中并未描述实际实施例的所有特征。然而，应该了解，在开发任何这种实际实施例的过程中可以做出很多特定于实施例的决定，以便实现开发人员的具体目标，并且这些决定可能会随着实施例的不同而有所改变。

在此，还需要说明的一点是，为了避免因不必要的细节而模糊了本公开内容，在附图中仅仅示出了与根据本公开内容的方案密切相关的装置结构，而省略了与本公开内容关系不大的其他细节。

应理解的是，本公开内容并不会由于如下参照附图的描述而只限于所描述的实施形式。在本文中，在可行的情况下，实施例可以相互组合、不同实施例之间的特征替换或借用、在一个实施例中省略一个或多个特征。

本公开内容涉及数字控制振荡器，尤其涉及数字控制振荡器的关于控制字的频率增益。

下面参考图1描述根据本公开内容的一个实施例的数字控制振荡器。

图1示出了根据本公开内容的一个实施例的数字控制振荡器100的示例性框图。数字控制振荡器100包括：第一节点n1、第一电流生成单元101、第二节点n2、第二电流生成单元102、振荡信号生成单元103、电流镜单元104和分流单元105。

第一电流生成单元101用于在偏置电压vb的控制下生成流向第一节点n1的第一电流i1。第二电流生成单元102用于在偏置电压vb的控制下，基于控制字co生成流过第二节点n2的第二电流i2，其中，第二电流i2与第一电流i1呈第一镜像关系。振荡信号生成单元103用于基于第二电流i2生成振荡信号so，其中，振荡信号的振荡频率用f来表示。根据控制字co可以控制振荡频率f。电流镜单元104用于接收基准电流ir和来自第一节点n1的第三电流i3，并且电流镜单元104被连接成使得第三电流i3与基准电流ir呈第二镜像关系。分流单元105用于在第二节点n2处的节点电压v2的控制下接收来自第一节点n1的第四电流i4，以使得数字控制振荡器100的关于控制字co的频率增益k基本不变。例如，频率增益k在90％kp至110％kp之间、95％kp至105％kp之间或99％kp至101％kp之间，并且kp为预定频率增益。频率增益k基本不变所对应的输出信号的振荡频率的范围例如为0.8ghz至10ghz。

如图1中所示，数字控制振荡器100还包括接地端子gnd和电源端子vdd；第二电流生成单元102经由第二节点n2与振荡信号生成单元103连接；第一电流生成单元101经由第一节点n1与电流镜单元104连接；分流单元105连接在第一节点n1与接地端子gnd之间。

当数字控制振荡器用在锁相环中时，如果频率增益k变化很大，那么锁相环的带宽也会变化很大，这会导致不同频率下的输出信号的抖动和相位噪声变化很大。本公开内容的数字控制振荡器能够稳定频率增益k，这对于抑制输出信号的抖动和相位噪声是有利的。

下面，参照图2示例性说明本公开内容的数字控制振荡器的电路结构。

图2示出了根据本公开内容的一个实施例的数字控制振荡器200的示例性电路图。数字控制振荡器200可以是数字控制振荡器100的一种示例性的具体实现方式。

如图2中所示，数字控制振荡器200包括：第一节点n1、第一电流生成单元201、第二节点n2、第二电流生成单元202、振荡信号生成单元203、电流镜单元204和分流单元205。第一电流生成单元201用于在偏置电压vb的控制下生成流向第一节点n1的第一电流i1。第二电流生成单元202用于在偏置电压vb的控制下，基于控制字co生成流过第二节点n2的第二电流i2，其中，第二电流i2与第一电流i1呈第一镜像关系。振荡信号生成单元203用于基于第二电流i2生成振荡信号so，其中，振荡信号so的振荡频率用f来表示。电流镜单元204用于接收基准电流ir和来自第一节点n1的第三电流i3，并且电流镜单元204被连接成使得第三电流i3与基准电流ir呈第二镜像关系。分流单元205用于在第二节点n2处的节点电压v2的控制下接收来自第一节点n1的第四电流i4，以使得数字控制振荡器200的关于控制字co的频率增益k基本不变。

数字控制振荡器200还可以包括用于生成基准电流的电流源。图2中还示例性的示出了产生基准电流ir的电流源206。考虑到第三电流i3与基准电流ir呈第二镜像关系，用以下等式表示第三电流i3与基准电流ir的关系：i3＝n*ir，其中，n由电流镜单元204的配置情况确定。可选的，考虑到希望环境温度变化时，第三电流i3基本不变。所以可选的，电流源206可以为与绝对温度互补型电流源，即，ctat(complementarytoabsolutetemperature)电流源。这样，第三电流i3呈现关于环境温度的弱相关性，进而，振荡信号so的频率对温度相关性也会有所减弱，从而提高输出的振荡信号的品质。

第二电流i2与第一电流i1的第一镜像关系可以表示为：i2＝k1*i1*co，k1在大部分使用范围内为一个常数。

如图2中所示，分流单元205连接在第一节点n1与接地端子gnd之间。分流单元205包括nmos晶体管n1和电阻器r1。nmos晶体管n1的栅极与第二节点n2连接。这样，根据第二节点n2处的节点电压v2可以调整第四电流i4，进而第二电流i2被调整，从而数字控制振荡器200的关于控制字co的频率增益k被调整。可见，可以通过选择电路的配置，可以使频率增益k基本不变。可选的，分流单元205中的mos晶体管可以被替换为对应的双极性晶体管。

对于偏置电压vb，图2中示出为pmos晶体管pb的漏极处的电压(对应第四节点n4处的电压)。偏置电压vb也可以是第一节点n1处的电压或nmos晶体管nd4的漏极处的电压(对应第五节点n5处的电压)或其他合适的节点处的电压。如果偏置电压vb是第一节点n1处的电压，这会导致第一节点n1与第三节点n3连接，即，第一节点n1与pmos晶体管pi1的栅极连接，相对于其它两种偏置电压设置方式，第一节点n1的电压会相对较低，导致为nmos晶体管nd5留的电压余量会较少，所以偏置电压vb取自第四节点n4或第五节点n5是优选的。

如图2中所示，第一电流生成单元201包括pmos晶体管pi1和电阻器ri1。第一节点n1经由串联连接的pmos晶体管pi1和电阻器ri1与电源端子vdd连接。可选的，第一电流生成单元201中的mos晶体管可以被替换为相应的双极性晶体管。

对于第二电流生成单元202，其包括多条连接电源端子vdd和第二节点n2的导电路径，导电路径的数量用n来表示，每条导电路径包括电阻器rci、pmos晶体管pci和开关sci，其中，i是路径的索引，i可以等于1、2……，n。如图2中所示，pmos晶体管pci受偏置电压vb控制，开关sci受控制字co的控制。图2中示意性的示出在控制字co的控制下，开关sc1和sc2闭合，开关sc3和scn断开。开关sci可以包括合适的晶体管。可选的，导电路径上的mos晶体管可以被替换为相应的双极性晶体管。

对于振荡信号生成单元203，其包括首尾相接的奇数个反相器inj和奇数个振荡电容器coj，j是索引号。在图2中，示意性的示出，振荡信号生成单元203包括3个反相器，分别为in1、in2和in3。第二节点n2经由振荡信号生成单元203与接地端子gnd连接。每个振荡电容器coj连接在相应反相器的输出端子与接地端子gnd之间。每个反相器包括pmos晶体管poj和nmos晶体管noj。可选的，反相器中的mos晶体管可以被替换为双极性晶体管。可选的，振荡信号生成单元203可为包括偶数个反相器的差分振荡单元，只需要将其中一级正负端反向连接使其不起反相效果即可。

对于电流镜单元204，其能够基于基准电流ir确定第三电流i3的大小。在图2中，电流镜电压204包括多个电阻器、多个pmos晶体管和多个nmos晶体管。在图2中，示出的电阻器包括：ru1、ru2、r3、r4、rd1、rd2、rd3、rd4和rd5；示出的pmos晶体管包括：pu1、pu2和pb。示出的nmos晶体管包括：nm、nd1、nd2、nd3、nd4和nd5。可选的，电流镜电压204中的mos晶体管可以被替换为相应的双极性晶体管。可以根据对第三电流i3的幅值要求设计电流镜单元204。

下面参照图2对频率增益k作出进一步的说明。

参考图2，将没有分流单元205的数字控制振荡器定义为比较例振荡器。根据一般的振荡器电路分析，可以得到比较例振荡器的关于控制字的频率增益k的表达式(1)。

其中，k1是第二电流i2的电流值i2m与第一电流i1的电流值i1m的第一镜像关系的系数。可见，一般而言，频率增益k会随输出的振荡信号so的频率f的增大而减小。

另外，在工作时，第二节点n2处的电压是变化的，用v2m表示该节点处的电压值。根据一般的振荡器电路分析，可以得到i2m与v2m的关系如表达式(2)所示。

对于数字控制振荡器200，考虑到分流单元205的加入，可以得到第四电流i4的电流值i4m的表达式(3)。

其中，g是nmos晶体管n1的跨导，r1是电阻器r1的电阻。可以选择nmos晶体管n1和电阻器r1，使得g·r1＞＞1，从而使得i4m与v2m近似呈正比关系。

考虑到上述情况，关于控制字的频率增益k，有如下表达式(4)。

其中，i3m为第三电流i3的电流值。参见表达式(4)和表达式(5)，可以配置电流镜单元204和分流单元203，使得i3m相对于i4m较小，从而使得数字控制振荡器200的关于控制字的频率增益k基本不变。例如，使得电流值i4m与电流值i3m比大于5、8、10、15或20。

图3示出了振荡频率与控制字之间的关系。对于没有分流单元205的比较例振荡器，以及本实施例的数字控制振荡器200，振荡频率f都会随控制字的增大而增大，但是随振荡频率f的增大，比较例曲线的斜率有减小的趋势，而本实施例的曲线斜率较为稳定。

图4示出了频率增益k与振荡频率f之间的关系。对于没有分流单元205的比较例振荡器，其频率增益k明显随振荡频率f的增加而减小；对本实施例的数字控制振荡器200，在振荡频率增大的情况下，其频率增益k基本不变。这显示，本公开内容的数字控制振荡器对于抑制输出信号抖动和相位噪声是有利的，这可以提高输出信号的品质。

分流单元205的添加，引入了一个正反馈环路，该正反馈环路包括：第一电流生成单元201、第一节点n1、分流单元205、第二节点n2和第二电流生成单元202。通过合理配置正反馈环路的构造组件，可以在补偿v2m升高导致的频率非线性的同时，使得正反馈环路的正反馈增益小于1，进而使得系统稳定性不受影响。

时钟信号发生器、锁相器是电子设备的常用组件。因此，本公开内容的数字控制振荡器可以用于时钟信号发生器、锁相器。

相应的，本公开内容还提供一种电子设备，该电子设备包括本公开内容所描述的数字控制振荡器。该电子设备包括：计算机和移动电话等。

本公开内容还提供一种用于控制数字控制振荡器的控制方法，其中该数字控制振荡器可以是前述数字控制振荡器100或200。

图5示出了根据本公开内容的一个实施例的数字控制振荡器的控制方法500的流程图。在步骤501处，提供偏置电压vb。在步骤502处，在偏置电压vb的控制下生成流向第一节点n1的第一电流i1。在步骤503处，在偏置电压vb的控制下，基于控制字co生成流过第二节点n2的与第一电流i1呈第一镜像关系的第二电流i2。在步骤504处，基于第二电流i2生成预定频率f的振荡信号sf。其中，第一电流i1被分流为来自第一节点n1的第三电流i3和第四电流i4，第三电流i3被控制成与基准电流ir呈第二镜像关系；并且由第二节点n2处的节点电压v2来控制第四电流i4以使得数字控制振荡器的关于控制字的频率增益基本不变。关于控制方法500的进一步的细节也可以参考对数字控制振荡器200的描述。

根据上面对本公开内容的具体实施例的描述，本领域技术人员能够理解，本公开内容方案至少能实现如下效果之一：在不同振荡频率情况下，关于控制字的频率增益保持基本不变，抑制输出信号的抖动和相位噪声，提升输出信号的品质。

应该理解，术语“包括”在本文使用时指特征、整件、步骤或组件的存在，但并不排除一个或多个其他特征、整件、步骤或组件的存在或附加。

应该理解，在不偏离本公开内容的精神的情况下，针对一个实施例描述和/或示出的特征可以以相同或类似的方式在一个或多个其他实施例中使用，与其他实施例中的特征相组合，或替代其他实施例中的特征。

此外，本公开内容的方法不限于按照说明书中描述的时间顺序来执行，如果从原理上说可行，也可以按照其他的时间顺序地、并行地或独立地执行。因此，本说明书中描述的方法的执行顺序不对本公开内容的范围构成限制。

以上结合具体的实施例对本公开内容进行了描述，但本领域技术人员应该清楚，这些描述都是示例性的，并不是对本公开内容的保护范围的限制。本领域技术人员可以根据本公开内容的精神和原理对本公开内容做出各种变型和修改，这些变型和修改也在本公开内容的范围内。