延迟单元、压控振荡器以及压控振荡器的频带扩展方法与流程

本发明涉及一种集成电路，具体涉及一种延迟单元、压控振荡器以及压控振荡器的频带扩展方法。

背景技术：

压控振荡器是通信、电子领域的一个重要单元，它的振荡频率可随外加控制电压的变化而变化，被广泛应用于锁相环、时钟恢复以及频率综合等电路中。

如图1所示，现有的压控振荡器包括一个偏置模块和多个串联的延迟单元；其中，延迟单元的数量根据需要输出的时钟频率和延迟单元的延迟时间来确定。一般情况下，延迟单元的数量为2～5个。

如图2所示，为现有压控振荡器中偏置模块的结构示意，偏置模块包括电流源i1、可调电阻r4和r6、运算放大器、镜像电路、电压控制管、nmos管m16和nmos管m17。该偏置模块为延迟单元提供偏置电流。

电阻中的电流源i1产生的电流信号iref流过可调电阻r4后产生偏置电压信号vref1，该电压信号vref1通过运放后得到电压信号vref2，其中，vref1＝vref2；此时，流过可调电阻r6的电流大小i3＝vref2/r6＝vref1/r6，然后该电流i3通过镜像电路镜像到nmos管m8～m11，通过电压控制管m12～m15调节流过nmos管m16和nmos管m17的电流，再由nmos管m16和nmos管m17将调节后的电流镜像给延迟单元。

如图3所示，为现有压控振荡器中延迟单元的结构示意，该延迟单元包括nmos管m1、m2、m3、m4、m5、m6以及由可变电阻阵列r1、可变电阻阵列r2构成的可变电阻阵列。nmos管m1的栅级接in_p，nmos管m1的源级接nmos管m5的漏极，nmos管m1的漏级接电阻r1的一端、nmos管m3的漏极及nmos管m4的栅极；nmos管m2的栅级接in_n，nmos管m2的源级接nmos管m5的漏极，nmos管m2的漏级接电阻r2的一端、nmos管m4的漏极及nmos管m3的栅极；

nmos管m5的栅极接vitail_0_o，nmos管m5的源级接地；mos管m6的栅极接vitail_1_o，mos管m6的源级接地；

nmos管m3和nmos管m4交叉耦合连接，两者的源级均接nmos管m6的漏极，为延迟单元提供负电阻。该延迟单元的延迟原理是：通过改变r1和r2的阻值，可以改变延迟单元的延迟时间；通过改变流过nmos管m5和nmos管m6的电流值，也可以改变延迟单元的延迟时间。

如图4所示，nmos管m1、m2、m3、m4、m5、m6也可以替换为pmos管，其中pmos管m5的源级和pmos管m6的源级均接电压源vdd，可变电阻阵列r1和r2的另一端均接地。

为了扩展压控振荡器的频带范围，现阶段主要是通过增加图2所示延迟单元中电阻的调节范围实现，但小的电阻会减小压控振荡器输出时钟的摆幅，而且频带覆盖的范围仍然不够宽。

技术实现要素：

为了解决现有压控振荡器的频带覆盖范围不够宽，且压控振荡器输出时钟的摆幅会被减小的技术问题，本发明提供了一种延迟单元、包含该延迟单元的压控振荡器以及该压控振荡器的频带扩展方法。

本发明的技术解决方案是：

一种延迟单元，包括输入对管mos管m1、m2，以及可变电阻阵列r1和r2，其特殊之处在于：还包括可变电容阵列c1和c2；

所述可变电容阵列c1的一端接可变电阻阵列r1与mos管m1之间的节点，所述可变电容阵列c2的一端接可变电阻阵列r2与mos管m2之间的节点；所述可变电容c1与所述可变电容c2的另一端均接电源信号。

进一步地，所述电源信号为地或电压源vdd。

进一步地，为了起到开关作用，同时引入的寄生比较小，所述mos管m1、m2均为nmos。

进一步地，为了起到开关作用，同时引入的寄生比较小，所述mos管m1、m2均为pmos。

进一步地，为了有比较多的调整步长，所述可变电容阵列c1包括n个电容和n个第一开关管，n个电容分别记为cn1、cn2，…，cnn；n个第一开关管分别记为sn1、sn2…，snn；电容cn1、cn2，…，cnn的一端分别接第一开关管sn1、sn2，…，snn的漏极，电容cn1、cn2，…，cnn的另一端均接可变电阻阵列r1与mos管m1之间的节点；第一开关管sn1、sn2…，snn的栅极分别接控制信号selcap<1>、selcap<2>，…，selcap<n>，第一开关管sn1、sn2…，snn的源极均接电源信号；

可变电容阵列c2包括n个电容和n个第二开关管，n个电容分别记为cp1、cp2，…，cpn；n个第二开关管分别记为sp1、sp2…，spn；电容cp1、cp2，…，cpn的一端分别接第二开关管sp1、sp2，…，spn的漏极，电容cp1、cp2，…，cpn的另一端均接可变电阻阵列r2与mos管m2之间的节点；第二开关管sp1、sp2…，spn的栅极分别接控制信号selcap<1>、selcap<2>，…，selcap<n>，第二开关管sp1、sp2…，spn的源极均接电源信号；

其中，n为整数，且2≤n≤6。

进一步地，为了起到开关作用，同时引入的寄生比较小，所述第一开关管和所述第二开关管均为pmos或均为nmos。

同时，本发明还提供了一种压控振荡器，包括一个偏置模块和至少两个延迟单元；其特殊之处在于：所述延迟单元采用任一上述的延迟单元。

进一步地，为了减小偏置电压上面的扰动，所述偏置模块还包括设置在其运算放大器负端的滤波电路；所述滤波电路包括电阻r5和电容c1。

进一步地，为了使输入电压对电流的调节更加线性化，所述偏置模块还包括设置在其电压控制管内的电阻r7和电阻r8。

另外，本发明还提供了一种上述压控振荡器的频带扩展方法，其特殊之处在于：包括以下步骤：

步骤1)改变延迟单元中可变电容阵列c1和c2的容值，对压控振荡器的频带范围进行粗调，初步确定频带范围；

步骤2)改变延迟单元中可变电阻阵列r1和r2的阻值，对压控振荡器的频带范围进行细调，确定最合适的频带。

本发明相比现有技术的有益效果是：

1、本发明通过在压控振荡器的延迟单元中增加可变电容阵列，增加了压控振荡器的频带的范围，而且不会减小压控振荡器输出时钟的摆幅。

2、本发明通过增加可变电容阵列对压控振荡器的频带范围进行粗调，大致确定频带范围，再结合可变电阻阵列对压控振荡器的频带范围进行细调，最终确定最合适的频带，通过先粗调再细调的方式，加快了自动校准时选择频率的速度，减小了找到最合适频带的时间。

3、本发明在运算放大器的负端增加了有电阻r5和电容c1组成的滤波电路，减小了偏置电压上面的扰动。

4、本发明在电压控制管内增加了电阻r7和电阻r8，使输入电压对电流的调节更加线性化。

附图说明

图1是一个压控振荡器的结构示意图；

图2是现有偏置模块的结构示意图；

图3是现有延迟单元的结构示意图(所有mos管均为nmos)；

图4是现有延迟单元的结构示意图(所有mos管均为pmos)；

图5是本发明实施例1中延迟单元的结构示意图；

图6是实施例1中延迟单元的可变电容阵列c1的结构示意图；

图7是实施例1中延迟单元的可变电容阵列c2的结构示意图；

图8是实施例1中偏置模块的结构示意图；

图9是本发明实施例3中延迟单元的结构示意图；

图10是实施例3中延迟单元的可变电容阵列c1的结构示意图；

图11是实施例3中延迟单元的可变电容阵列c2的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图及具体实施例对本发明做进一步的描述。

本发明的改进点在于在现有延迟单元中增加了可变电容阵列c1和c2。

实施例1：

参照图1和图5，该压控振荡器包括偏置模块和三级级联的延迟单元。每个延迟单元均包括输入对管nmos管m1和m2；交叉耦合管nmos管m3和m4；尾电流管nmos管m5和m6；可变电阻阵列r1、r2和可变电容阵列c1和c2；可变电容阵列c1和c2的结构相同。

参照图5和图6，可变电容阵列c1和c2均为3bit的控制。其中，可变电容阵列c1包括第一开关管sn1、第一开关管sn2、第一开关管sn3、电容cn1、电容cn2和电容cn3。第一开关管sn1、第一开关管sn2和第一开关管sn3均为nmos管。

第一开关管sn1的栅极接控制信号selcap<1>，第一开关管sn1的源极接地，第一开关管sn1的漏极接电容cn1的一端；电容cn1的另一端接可变电阻阵列r1与nmos管m1之间的节点。第一开关管sn2的栅极接控制信号selcap<2>，第一开关管sn2的源极接地，第一开关管sn2的漏极接电容cn2的一端；电容cn2的另一端接可变电阻阵列r1与nmos管m1之间的节点。第一开关管sn3的栅极接控制信号selcap<3>，第一开关管sn2的源极接地，第一开关管sn2的漏极接电容cn3的一端；电容cn3的另一端接可变电阻阵列r1与nmos管m1之间的节点。电容cn3、cn2和cn1的值设置为4:2:1,这样通过控制信号selcap<3:0>可以实现8种电容值的配置。

参照图7，可变电容阵列c2包括第二开关管sp1、第二开关管sp2、第二开关管sp3、电容cp1、电容cp2和电容cp3。第二开关管sp1、第二开关管sp2和第二开关管sp3均为nmos管。

第二开关管sp1的栅极接控制信号selcap<1>，第二开关管sp1的源极接地，第二开关管sp1的漏极接电容cp1的一端；电容cp1的另一端接延迟单元的可变电阻阵列r2与nmos管m2之间的节点。第二开关管sp2的栅极接控制信号selcap<2>，第二开关管sp2的源极接地，第二开关管sp2的漏极接电容cp2的一端；电容cp2的另一端接可变电阻阵列r2与nmos管m2之间的节点。第二开关管sp3的栅极接控制信号selcap<3>，第二开关管sp3的源极接地，第二开关管sp3的漏极接电容cp3的一端；电容cp3的另一端接可变电阻阵列r2与nmos管m2之间的节点。

参照图8，该压控振荡器中的偏置模块的改进点在于：在运算放大器的负端增加了由电阻r5和电容c1组成的滤波电路，电容c1的一端接运算放大器负端，另一端接地；电阻r5一端接运算放大器负端，另一端接电流源i1产生的电流信号iref。其有益效果是减小了偏置电压上面的扰动；另外，还在电压控制管内增加了电阻r7和电阻r8，使输入电压对电流的调节更加线性化。

参照图5，该压控振荡器的工作原理如下：

该压控振荡器增加了可变电容阵列c1和c2，对压控振荡器的频带范围进行粗调，大致确定频带范围，再结合可变电阻阵列r1和r2对压控振荡器的频带范围进行细调，最终确定最合适的频带，通过先粗调再细调的方式，加快了自动校准时选择频率的速度，减小了找到最合适频带的时间。

该压控振荡器频带的扩展方法，包括以下步骤：

步骤1)改变延迟单元中可变电容阵列c1和c2的容值，对压控振荡器的频带范围进行粗调，初步确定频带范围；

步骤2)改变延迟单元中可变电阻阵列r1和r2的阻值，对压控振荡器的频带范围进行细调，确定最合适的频带。

实施例2：

实施例2与实施例1结构相似，区别仅在于实施例2中mos管m1～m6均为pmos管。

实施例3：

实施例3与实施例2结构相似，区别仅在于实施例3中第一开关管和第二开关管均为pmos管。

参照图9和图10，可变电容阵列c1和c2均为3bit的控制。其中，可变电容阵列c1包括第一开关管sn1、第一开关管sn2、第一开关管sn3、电容cn1、电容cn2和电容cn3。第一开关管sn1的栅极接控制信号selcap<1>，第一开关管sn1的源极接电压源vdd，第一开关管sn1的漏极接电容cn1的一端。电容cn1的另一端接可变电阻阵列r1与pmos管m1之间的节点，第一开关管sn2的栅极接控制信号selcap<2>，第一开关管sn2的源极接电压源vdd，第一开关管sn2的漏极接电容cn2的一端。电容cn2的另一端接可变电阻阵列r1与pmos管m1之间的节点。第一开关管sn3的栅极接控制信号selcap<3>，第一开关管sn3的源极接电压源vdd，第一开关管sn3的漏极接电容cn3的一端。电容cn3的另一端接可变电阻阵列r1与pmos管m1之间的节点。电容cn3、cn2和cn1的值设置为4:2:1，这样通过控制信号selcap<3:0>可以实现8种电容值的配置。

参照图11，可变电容阵列c2包括第二开关管sp1、第二开关管sp2、第二开关管sp3、电容cp1、电容cp2和电容cp3；第二开关管sp1的栅极接控制信号selcap<1>，第二开关管sp1的源极接电压源vdd，第二开关管sp1的漏极接电容cp1的一端；电容cp1的另一端接延迟单元的可变电阻阵列r2与pmos管m2之间的节点。第二开关管sp2的栅极接控制信号selcap<2>，第二开关管sp2的源极接电压源vdd，第二开关管sp2的漏极接电容cp2的一端；电容cp2的另一端接可变电阻阵列r2与nmos管m2之间的节点。第二开关管sp3的栅极接控制信号selcap<3>，第二开关管sp3的源极接电压源vdd，第二开关管sp3的漏极接电容cp3的一端；电容cp3的另一端接可变电阻阵列r2与pmos管m2之间的节点。

实施例4：

实施例4与实施例3结构相似，区别仅在于实施例4中mos管m1～m6均为nmos管。

以上所述仅为本发明的实施例，并非对本发明保护范围的限制，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均包括在本发明的专利保护范围内。