一种可分段控制的高线性度低功耗压控振荡器及实现方法

技术领域

本发明涉及一种压控振荡器(Voltage-Controlled Oscillator，VCO)，特别是涉及一种可分段控制的高线性度低功耗压控振荡器及实现方法。

背景技术

模拟电路中广泛地使用锁相环电路，在锁相环(PLL)设计中，压控振荡器(VCO)是核心模块之一。

以电荷泵型PLL为例，电荷泵将鉴频检相器的输出转化为脉冲电流，经低通滤波器后转化为直流电压VC作为压控振荡器的输入电压控制信号。对于压控振荡器来说，输出振荡频率直接决定了PLL可以工作的频率范围。

随着半导体工艺的进步，MOS管的速度越来越快，这给设计高速锁相环带来了便利，但是先进工艺MOS管的电源电压越来越低，这对于设计VCO时，降低其KVCO带来了挑战，即对于高速且频率范围较大的VCO电路，由于VC可用范围受限，会导致其KVCO非常大，所以为了降低KVCO，我们通常会采用对VCO进行分段的方式。

现有的VCO电路由奇数个反相器构成环形振荡器，由滤波器的输出电压VC控制的PMOS管给环形振荡器提供驱动，如图1所示，VC不同，PMOS管给环形振荡器提供的电流能力不同，进而有不同的振荡频率输出。但是该VCO电路结构功耗较高，线性度也相对较差。

为了提高VCO的线性度，现有技术压控振荡器的反相器往往采用如图2a所示差分单元，级联得到图2b所示全差分环形振荡器结构，其使用了3级完全相同的VCO延时单元首尾反相相连，最后一级经过一个DTS整形输出。其中NM1、NM2为差分输入对管，PM2、PM3为锁存结构，加快翻转速度和稳定性。在此PM1作为由VC电压控制的电阻，而PM4、PM5同样受到外部输入VC电压的控制，从而控制整个延时单元的电流和负载大小，最终控制VCO输出的振荡频率。该结构适用于高频VCO设计，但是该VCO结构的功耗较高，且分段控制不均匀，线性度较差。

发明内容

为克服上述现有技术存在的不足，本发明之目的在于提供一种可分段控制的高线性度低功耗压控振荡器及实现方法，以实现一种可分段控制且低功耗高线性度的压控振荡器。

为达上述及其它目的，本发明提出一种可分段控制的高线性度低功耗压控振荡器，包括：

电压转换模块，用于将输入频率控制电压(VC)转换为电流镜栅极所需栅极电压(Vo)；

电流镜像模块，用于根据所述栅极电压(Vo)通过电流镜像产生并分段控制环形振荡器所需的电流；

环形振荡器，用于在所述在电流镜像模块输出的电流的控制下产生振荡。

优选地，所述电压转换模块包括一个由运算放大器构成的电压转换器，所述运算放大器的同相输入端连接所述电流镜像模块，反相输入端连接所述输入频率控制电压(VC)，输出端输出栅极电压(Vo)至所述电流镜像模块。

优选地，所述电流镜像模块的主路电流由VC/R0获得，其中R0为电流设定电阻，通过电流镜像为不同比例的n路电流用来分段控制，不同的电流得出不同的频率，从而达到频率分段的目的。

优选地，所述电流镜像模块包括第一至第四PMOS管(PM0～PM3)、电流设定电阻(R0)、第一至第三可控选择开关(S1～S3)，电源VDD连接至所述第一至第四PMOS管(PM0～PM3)的源极，第一PMOS管(PM0)的漏极连接所述电流设定电阻(R0)的一端和所述运算放大器的同相输入端，所述电流设定电阻(R0)的另一端接地GND，所述运算放大器输出的栅极电压Vo连接至所述第一至第四PMOS管(PM0～PM3)的栅极；所述第二至第四PMOS管(PM1～PM3)的漏极分别连接至所述第一至第三可控选择开关(S1～S3)的一端，所述第一至第三可控选择开关(S1～S3)的另一端相连连接所述环形振荡器的频率控制输入端。

优选地，所述环形振荡器由包含n级完全相同的由反相器与锁存器组成的延时单元首尾相连构成。

优选地，每级延时单元由两个反相器及两个锁存反相器构成。

优选地，所述环形振荡器由3级完全相同的延时单元首尾相连构成，每级延时单元由第一反相器(InvAj)、第二反相器(InvBj)、第一锁存反相器(LatAj)、第二锁存反相器(LatBj)组成，所述第一至第三可控选择开关(S1～S3)的另一端相连组成振荡控制电压(Vm)节点连接至3级延时单元的第一锁存反相器LatAj、第二锁存反相器LatBj、第一反相器(InvAj)、第二反相器(InvBj)的频率控制输入端，第一级延时单元的第一反相器(InvA0)的输出端连接第一级延时单元的的第一锁存反相器(LatA0)的输出端、第二锁存反相器(LatB0)的输入端和第二级延时单元的第一反相器(InvA1)的输入端(A1)，第二级延时单元的第一反相器(InvA1)的输出端连接第二级延时单元的的第一锁存反相器(LatA1)的输出端、第二锁存反相器(LatB1)的输入端和第三级延时单元的第一反相器(InvA2)的输入端(A2)，第三级延时单元的第一反相器(InvA2)的输出端连接第三级延时单元的第一锁存反相器(LatA2)的输出端、第二锁存反相器(LatB2)的输入端和第一级延时单元的第一反相器(InvA0)的输入端(A0)，第一级延时单元的第二反相器(InvB0)的输出端连接其第二锁存反相器(LatB0)的输出端、第一反相锁存反相器(LatA0)的输入端和第二级延时单元的第二反相器(InvB1)的输入端(B1)，第二级延时单元的第二反相器(InvB1)的输出端连接其第二锁存反相器(LatB1)的输出端、第一锁存反相器(LatA1)的输入端和第三级延时单元的第二反相器(InvB2)的输入端(B2)，所述第三级延时单元的第二反相器(InvB2)的输出端连接其第二锁存反相器(LatB2)的输出端、第一锁存反相器(LatA2)的输入端和所述第一级延时单元的第二反相器(InvB0)的输入端(B0)。

为达到上述目的，本发明还提供一种可分段控制的高线性度低功耗压控振荡器的实现方法，包括如下步骤：

步骤S1，利用电压转换模块将输入频率控制电压(VC)转换为电流镜栅极所需栅极电压(Vo)；

步骤S2，利用电流镜像模块根据所述栅极电压(Vo)通过电流镜像产生并分段控制环形振荡器所需的电流；

步骤S3，所述环形振荡器在所述电流镜像模块输出的电流的控制下产生振荡。

优选地，步骤S2中，所述电流镜像模块的主路电流由VC/R0获得，其中R0为电流设定电阻，通过电流镜像为不同比例的n路电流用来分段控制，不同的电流得出不同的频率，从而达到频率分段的目的。

优选地，于步骤S3中，所述环形振荡器由包含n级完全相同的由反相器与锁存器组成的延时单元首尾相连构成。

与现有技术相比，本发明一种可分段控制的高线性度低功耗压控振荡器及实现方法通过利用电压转换模块将输入频率控制电压(VC)转换为电流镜栅极所需栅极电压(Vo)，利用电流镜像模块根据所述栅极电压(Vo)通过电流镜像产生并分段控制环形振荡器所需的电流，最后所述环形振荡器在所述电流镜像模块输出的电流的控制下产生振荡，实现了一种可分段控制且低功耗高线性度的压控振荡器。

附图说明

图1为现有技术基本VCO结构图；

图2a为现有技术VCO结构中的差分单元的结构图；

图2b为现有技术的全差分的环形振荡器结构图；

图3为本发明一种可分段控制的高线性度低功耗压控振荡器的电路结构图；

图4a与图4b分别为现有技术与本发明VCO的KVCO曲线图；

图5为本发明一种可分段控制的高线性度低功耗压控振荡器的实现方法的步骤流程图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例并结合附图说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其它优点与功效。本发明亦可通过其它不同的具体实例加以施行或应用，本说明书中的各项细节亦可基于不同观点与应用，在不背离本发明的精神下进行各种修饰与变更。

图3为本发明一种可分段控制的高线性度低功耗压控振荡器的电路结构图。如图3所示，本发明一种可分段控制的高线性度低功耗压控振荡器，包括：电压转换(VTV)模块10、电流镜像模块20和环形振荡器30。

其中，电压转换(VTV)模块10，由一个由运算放大器OPA1构成的电压转换器组成，用于实现将输入频率控制电压VC转换为电流镜栅极(Gate)所需栅极电压Vo；

电流镜像模块20，由PMOS管PM0～PM3、电流设定电阻R0、可控选择开关S1～S3组成，用于产生并分段控制环形振荡器30所需的电流，电流镜像模块20的主路电流是由VC/R0计算得到的，然后通过电流镜像为不同比例的n路(本实施例为n＝3)电流用来分段控制，由频率公式

环形振荡器30由3级完全相同的延时单元300～302首尾相连构成，用于在电流镜像模块20输出的电流的控制下产生振荡，具体地，第一反相器InvAj、第二反相器InvBj、第一锁存反相器LatAj、第二锁存反相器LatBj组成延时单元(振荡单元)30j，第一锁存反相器LatAj、第二锁存反相器LatBj组成锁存器(Latch)，j＝0,1,2，该结构的振荡单元摆幅低，其摆幅为Vm＝VDD-Vdsp，式中VDD为振荡器供电电压，Vdsp为电流镜PMOS镜像管PM1、PM2、PM3的阈值电压，低摆幅使得该结构的VCO功耗低。

电源VDD连接至PMOS管PM0～PM3的源极，PMOS管PM0的漏极连接电流设定电阻R0的一端和运算放大器OPA1的同相输入端，电流设定电阻R0的另一端接地GND，频率控制电压VC连接至运算放大器OPA1的反相输入端，运算放大器OPA1输出的栅极电压Vo连接至PMOS管PM0～PM3的栅极；PMOS管PM1～PM3的漏极分别连接至可控选择开关S1～S3的一端，可控选择开关S1～S3的另一端相连组成振荡控制电压Vm节点并连接至延时单元30j的第一锁存反相器LatAj、第二锁存反相器LatBj、第一反相器InvAj和第二反相器InvBj的频率控制输入端；反相器InvA0的输出端连接锁存反相器LatA0的输出端、锁存反相器LatB0的输入端和反相器InvA1的输入端A1，反相器InvA1的输出端连接锁存反相器LatA1的输出端、锁存反相器LatB1的输入端和反相器InvA2的输入端A2，反相器InvA2的输出端连接锁存反相器LatA2的输出端、锁存反相器LatB2的输入端和反相器InvA0的输入端A0，反相器InvB0的输出端连接锁存反相器LatB0的输出端、锁存反相器LatA0的输入端和反相器InvB1的输入端B1，反相器InvB1的输出端连接锁存反相器LatB1的输出端、锁存反相器器LatA1的输入端和反相器InvB2的输入端B2，反相器InvB2的输出端连接锁存反相器LatB2的输出端、锁存反相器LatA2的输入端和反相器InvB0的输入端B0。

一个VCO线性度是由其KVCO值是否恒定来评估的，本发明结构的

经实验证明，在VCO振荡频率为3GHz时，现有VCO电路的功耗为3mA；本发明的VCO电路功耗为1mA；全corner(工艺角)时，现有的VCO电路的KVCO不如本发明VCO结构的KVCO稳定，如图4a与图4b所示。

图5为本发明一种可分段控制的高线性度低功耗压控振荡器的实现方法的步骤流程图。如图5所示，本发明一种可分段控制的高线性度低功耗压控振荡器的实现方法，包括如下步骤：

步骤S1，利用电压转换(VTV)模块将输入频率控制电压VC转换为电流镜栅极(Gate)所需栅极电压Vo；

步骤S2，利用电流镜像模块产生并分段控制环形振荡器所需的电流。

在本发明具体实施例中，电流镜像模块的主路电流是由VC/R0计算得到，然后通过电流镜像为不同比例的n路(本实施例为n＝3)电流用来分段控制，由频率公式

步骤S3，所述环形振荡器在所述电流镜像模块输出的电流的控制下产生振荡，具体地，所述环形振荡器由3级完全相同的延时单元首尾相连构成，第一反相器InvAj、第二反相器InvBj、第一锁存反相器LatAj、第二锁存反相器LatBj组成延时单元(振荡单元)30j，j＝0,1,2，本发明之振荡单元摆幅低，其摆幅为Vm＝VDD-Vdsp，式中VDD为振荡器供电电压，Vdsp为电流镜阈值电压，低摆幅使得该结构的VCO功耗低。

综上所述，本发明一种可分段控制的高线性度低功耗压控振荡器及实现方法通过利用电压转换模块将输入频率控制电压(VC)转换为电流镜栅极所需栅极电压(Vo)，利用电流镜像模块根据所述栅极电压(Vo)通过电流镜像产生并分段控制环形振荡器所需的电流，最后所述环形振荡器在所述电流镜像模块输出的电流的控制下产生振荡，实现了一种可分段控制且低功耗高线性度的压控振荡器。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何本领域技术人员均可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰与改变。因此，本发明的权利保护范围，应如权利要求书所列。