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CN108768389B - 一种用于锁相环中的多频带两级环形压控振荡器 - Google Patents

一种用于锁相环中的多频带两级环形压控振荡器 Download PDF

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CN108768389B CN201810388303.3A CN201810388303A CN108768389B CN 108768389 B CN108768389 B CN 108768389B CN 201810388303 A CN201810388303 A CN 201810388303A CN 108768389 B CN108768389 B CN 108768389B
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林鑫
张春
王志华
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Tsinghua University
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Tsinghua University
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  • Stabilization Of Oscillater, Synchronisation, Frequency Synthesizers (AREA)

Abstract

本发明涉及一种用于锁相环中的多频带两级环形振荡器，属于集成电路设计领域。本发明提出的环形振荡器由两级延迟单元构成，利用额外的锁存器增加延迟来维持振荡，由尾电流源控制振荡频率。相比于一般结构，本发明通过额外增加一组开关，增加了(2n‑1)条频带(n为开关级数)。增加的频带能够更好适应工艺偏差、电源、温度的变化，使得锁相环总能锁定到所需的频点。开关控制信号可由额外数字电路(例如频率自动校准电路)提供。

Description

一种用于锁相环中的多频带两级环形压控振荡器
技术领域
本发明属于集成电路设计技术领域，特别涉及一种用于锁相环中的多频带两级环形压控振荡器。
背景技术
环形压控振荡器(Ring Voltage-controlled Oscillator，Ring VCO)相比电感-电容振荡器可以节省大量芯片面积，从而实现低代价的振荡器，因此在集成电路中具有广泛的应用。
图1是两级环形压控振荡器原理图，图2为其晶体管级电路图。一般的两级振荡器无法振荡，这里通过增加一组锁存器，引入额外的延迟时间，可以实现两级环形振荡器的振荡，减少级数的好处是节省功耗和面积，同时还能降低相位噪声。该VCO为电流饥饿型工作模式，由尾电流源控制VCO的振荡频率。尾电流源分为固定电流源和细调电流源，引入固定电流源可以降低VCO的增益，有利于减小锁相环输出的杂散功率。细调电流源的控制电压由前级电荷泵输出经过低通滤波器得到，实现对VCO振荡频率的精确控制。Ring-VCO输出频率会随工艺、电源电压、温度(PVT)等显著变化，因此单一频带的Ring-VCO可能会出现频率偏移，导致锁相环无法锁定。为此，需要VCO能够输出多个频带，尤其在多频点的锁相环应用中。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种用于锁相环中的多频带两级环形压控振荡器。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种用于锁相环中的多频带两级环形压控振荡器，在两级环形压控振荡器的控制电压Vctrl和固定偏置电压VB上同时接入用于控制灌入VCO的电流的一组频带控制信号，所述频带控制信号有多位，每位频带控制信号均由独立的MOS开关管控制，每种频带控制信号组合对应一个频带，通过频带控制信号组合使两级环形压控振荡器工作在具体某一频带上，再由Vctrl对两级环形压控振荡器的振荡频率进行精确控制。
所述频带控制信号由外部数字电路(如频率自动校准电路)给出。
所述频带控制信号为二进制编码，每一位频带控制信号对应一个开关管，二进制编码从低位到高位所对应的开关尺寸逐位成倍增大。
所述频带控制信号组合共有(2n-1)种，即，共增加了(2n-1)条频带，其中n为开关级数。
与现有技术相比，本发明的有益效果是通过使用简单的开关管实现VCO多个频带，开关管尺寸都不会很大，在输出端引入的相位噪声较小。
附图说明
图1是单频带两级压控振荡器原理图。
图2是单频带两级压控振荡器电路图。
图3是多频带两级压控振荡器电路图。
图4是一种自动频率控制电路。
具体实施方式
下面结合附图，对优选实施例作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。
本发明采用开关管控制的一种具有多个频带的两级Ring-VCO，环形振荡器由两级延迟单元构成，利用额外的锁存器增加延迟来维持振荡，由尾电流源控制振荡频率。电路图如图3所示，Vctrl为VCO控制电压，控制VCO振荡频率；VB为固定偏置电压，提升振荡频率的同时保持振荡器的增益KVCO不会太大以抑制锁相环参考杂散；在此之外，加了一组开关给振荡器注入额外电流，来提升振荡频率。图中S0、S1……为频带控制信号，控制灌入VCO的电流，进而控制VCO的振荡频率；每位频带控制信号均由独立的MOS开关管控制，每种频带控制信号组合对应一个频带，每种组合对应的电流源开关也相当于粗调电流源，使VCO工作在具体某一频带上，再由Vctrl对VCO振荡频率进行精确控制。
其中，频带控制信号由外部数字电路给出，采用二进制编码，所以开关尺寸应逐级成倍增大。相比于一般结构，本发明通过增加一组开关，每一组开关组合控制码对应一条频带，共增加了(2n-1)条频带(n为开关级数)。增加的频带能够更好适应工艺偏差、电源、温度的变化，使得锁相环总能锁定到所需的频点。
图4给出了提供频带控制信号的一种方式，频带控制信号通过AFC给出，AFC工作时需要先进行复位，例如复位为000…，同时VCO控制电压与电荷泵输出断开，固定在一定值(一般取电源电压一半)，由此得到VCO子频带的中间频率，经分频器分频后和参考频率进行比对，找到最合适的频带，并产生对应的控制码值，提供给VCO的S0、S1…控制端，然后AFC电路保持该控制码不变，同时将电荷泵的输出电压接回到环路中，PLL正式开始工作，PLL环路将调节Vctrl电压，以使VCO工作在更准确的频率上。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种用于锁相环中的多频带两级环形压控振荡器，其特征在于，在两级环形压控振荡器的控制电压Vctrl和固定偏置电压VB上同时接入用于控制灌入VCO的电流的一组频带控制信号，所述频带控制信号有多位，每位频带控制信号均由独立的MOS开关管控制，每种频带控制信号组合对应一个频带，通过频带控制信号组合使两级环形压控振荡器工作在具体某一频带上，再由Vctrl对两级环形压控振荡器的振荡频率进行精确控制。
2.根据权利要求1所述用于锁相环中的多频带两级环形压控振荡器，其特征在于，所述频带控制信号由外部数字电路给出。
3.根据权利要求2所述用于锁相环中的多频带两级环形压控振荡器，其特征在于，所述外部数字电路为频率自动校准电路。
4.根据权利要求1所述用于锁相环中的多频带两级环形压控振荡器，其特征在于，所述频带控制信号为二进制编码，每一位频带控制信号对应一个开关管，二进制编码从低位到高位所对应的开关尺寸逐位成倍增大。
5.根据权利要求1所述用于锁相环中的多频带两级环形压控振荡器，其特征在于，所述频带控制信号组合共有(2n-1)种，即，共增加了(2n-1)条频带，其中n为开关级数。
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