一种应用于NB-IOT芯片的压控振荡器电路

技术领域

本申请涉及集成电路设计技术领域，尤其涉及一种应用于NB-IOT芯片的压控振荡器电路。

背景技术

随着物联网(IOT)需求的日益增长，NB-IOT(窄带物联网)技术已成为万物互联网络的一个重要分支。NB-IOT构建于蜂窝网络，可直接部署于GSM网络、UMTS网络或LTE网络，以降低部署成本、实现平滑升级。很多企业预计未来全球物联网连接数将是千亿级的时代。已经出现了大量物与物的联接，这些联接大多通过蓝牙、Wi-Fi和Zigbee等短距通信技术承载。然而NB-IOT的应用范围与这些短距离通信技术的应用范围有很多重叠。NB-IOT芯片与其它通信芯片类似都有射频模块和基带模块。射频模块分为接收机、发射机和锁相环。锁相环由鉴频鉴相器、环路滤波器和压控振荡器组成前向通路，由分频器组成频率相位的反馈通路。

现有压控振荡器电路通过电阻、电容来滤除镜像电流时带来的噪声干扰。

在实现现有技术中，发明人发现：

增加电阻值和电容值需要牺牲芯片面积，并且对于MOS场效晶体管产生的电流噪声也不能改善。

因此，需要提供一种应用于NB-IOT芯片的压控振荡器电路，用以解决相位噪声过大的技术问题。

发明内容

本申请实施例需要提供一种应用于NB-IOT芯片的压控振荡器电路，用以解决相位噪声过大的技术问题。

具体的，一种应用于NB-IOT芯片的压控振荡器电路，包括：

正反馈电路；

与正反馈电路连接的谐振电路，用于控制压控振荡器的谐振频率；

与正反馈电路连接的反馈回路，用于控制正反馈电路，以减小压控振荡器相位噪声；

所述正反馈电路和谐振电路间存在第一电路连接节点、第二电路连接节点；

所述正反馈电路和反馈回路间存在第三电路连接节点、第四电路连接节点、第五电路连接节点；

其中，所述第一电路连接节点为压控振荡器电路的第一输出端；所述第二电路连接节点为压控振荡器电路的第二输出端；

所述第三电路连接节点为反馈回路的第一输出端；第四电路连接节点为反馈回路的第二输出端；所述第五电路连接节点为反馈回路的第三输出端。

进一步的，所述正反馈电路包括可变电阻R1、MOS场效晶体管PM1、MOS场效晶体管PM2、第一电容、第二电容；

所述可变电阻R1的一端连接第一电源，另一端连接第五电路连接节点；

所述MOS场效晶体管PM1的源极连接第五电路连接节点，栅极连接第二电容的一端，漏极连接第一电路连接节点；所述第二电容的另一端连接第二电路连接节点；

所述MOS场效晶体管PM2的源极连接第五电路连接节点，栅极连接第一电容的一端，漏极连接第二电路连接节点；所述第一电容的另一端连接第一电路连接节点。

进一步的，所述反馈回路包括：MOS场效晶体管PM3、MOS场效晶体管PM4、电路镜电路；

所述MOS场效晶体管PM3的源极连接第二电源，栅极连接第五电路连接节点，漏极连接电路镜电路；

所述MOS场效晶体管PM4的源极连接第二电源，栅极连接第五电路连接节点，漏极连接电路镜电路。

进一步的，所述电路镜电路包括：MOS场效晶体管NM1、MOS场效晶体管NM2、MOS场效晶体管NM3；

所述MOS场效晶体管PM3的漏极连接MOS场效晶体管NM1的漏极；

所述MOS场效晶体管PM4的漏极连接MOS场效晶体管NM2的漏极；

所述MOS场效晶体管NM1、MOS场效晶体管NM2的源极接地，栅极都分别连接MOS场效晶体管NM3的栅极和漏极；

所述MOS场效晶体管NM3的源极接地，漏极还连接第三电源；

其中，所述MOS场效晶体管NM3输出镜像电流至MOS场效晶体管NM1、MOS场效晶体管NM2。

进一步的，所述压控振荡器电路还包括第一电阻、第二电阻；

所述第一电阻的一端连接第三电路连接节点，另一端连接MOS场效晶体管PM3的漏极；所述第二电阻的一端连接第四电路连接节点，另一端连接MOS场效晶体管PM4的漏极。

进一步的，所述谐振电路包括第三电容、第四电容、第五电容、第六电容、第七电容、电感L1、第三电阻、第四电阻；

所述第三电容的一端连接第一电路连接节点，另一端分别连接第五电容的一端和第三电阻的一端；所述第五电容的另一端连接环路滤波器的输出电压端；所述第三电阻的另一端接地；

所述第四电容的一端连接第二电路连接节点，另一端分别连接第六电容的一端和第四电阻的一端；所述第六电容的另一端连接环路滤波器的输出电压端；所述第四电阻的另一端接地；

所述电感L1、第七电容都一端连接第一电路连接节点，另一端连接第二电路连接节点；

其中，所述环路滤波器的输出电压端为压控振荡器电路的输入端。

进一步的，所述第三电容、第四电容为低敏性电容。

进一步的，所述MOS场效晶体管PM1、MOS场效晶体管PM2、MOS场效晶体管PM3、MOS场效晶体管PM4工作于饱和区。

进一步的，所述MOS场效晶体管NM1、MOS场效晶体管NM2、MOS场效晶体管NM3工作于饱和区。

进一步的，所述压控振荡器电路应用于锁相环。

本申请实施例提供的技术方案，至少具有如下有益效果：

通过反馈回路，调控正反馈电路的电流，从而保证输出电压跟频率比值恒定，使得压控振荡器对外部干扰不敏感，以降低相位噪声。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1为本申请实施例提供的一种应用于NB-IOT芯片的压控振荡器电路图；

图2为本申请实施例提供的VF电压升高时反馈流程图；

图3为本申请实施例提供的VF电压降低时反馈流程图；

图4为本申请实施例提供的现有压控振荡器电路图；

图5为本申请实施例提供的锁相环结构图。

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请具体实施例及相应的附图对本申请技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

可以理解的是，压控振荡器(Voltage Controlled Oscillator，VCO)指输出频率通过输入电压进行控制，随着输入电压的变化而变化的器件。所述压控振荡器是射频电路的重要组成部分，广泛应用于通信系统电路。本申请中提供的压控振荡器电路应用于NB-IOT芯片。所述NB-IOT芯片可以理解为通信芯片，包括射频模块和基带模块。射频模块分为接收机、发射机和锁相环。具体的，所述压控振荡器电路应用于锁相环。所述锁相环是NB-IOT芯片中的重要模块，其作用是产生精确的高频时钟信号，即本振信号，提供给接收机和发射机。在接收机中，将接收到的高频有用信号与本振信号混频产生低频信号，传输给基带模块进行后续处理。在发射机中，将基带信号与本振信号混频，将基带信号上变频到高频，通过天线发射出去。由于振荡器电路内的热源和其他噪声源会造成相位噪声，所以导致锁相环时域出现时序抖动，表现为时间间隔误差。

请参看图1，为减小相位噪声，本申请提供一种应用于NB-IOT芯片的压控振荡器电路，包括：

正反馈电路；

与正反馈电路连接的谐振电路，用于控制压控振荡器的谐振频率；

与正反馈电路连接的反馈回路，用于控制正反馈电路，以减小压控振荡器相位噪声；

所述正反馈电路和谐振电路间存在第一电路连接节点、第二电路连接节点；

所述正反馈电路和反馈回路间存在第三电路连接节点、第四电路连接节点、第五电路连接节点；

其中，所述第一电路连接节点为压控振荡器电路的第一输出端；所述第二电路连接节点为压控振荡器电路的第二输出端；

所述第三电路连接节点为反馈回路的第一输出端；第四电路连接节点为反馈回路的第二输出端；所述第五电路连接节点为反馈回路的第三输出端。

本申请中，应用于NB-IOT芯片的压控振荡器电路的输入端为Vc。所述第一输出端为OUTP；所述第二输出端为OUTN。

进一步的，在本申请提供的一种优选实施方式中，所述正反馈电路包括可变电阻R1、MOS场效晶体管PM1、MOS场效晶体管PM2、第一电容、第二电容；

所述可变电阻R1的一端连接第一电源，另一端连接第五电路连接节点；

所述MOS场效晶体管PM1的源极连接第五电路连接节点，栅极连接第二电容的一端，漏极连接第一电路连接节点；所述第二电容的另一端连接第二电路连接节点；

所述MOS场效晶体管PM2的源极连接第五电路连接节点，栅极连接第一电容的一端，漏极连接第二电路连接节点；所述第一电容的另一端连接第一电路连接节点。

在本申请中，所述正反馈电路和谐振电路组成主电路。所述主电路与反馈回路组成压控振荡器电路。所述第一电容为C1，第二电容为C2。所述第一电容C1、第二电容C2可以为加速电容，用于加速运放翻转速度。

可以理解的是，PMOS晶体管的迁移率比NMOS晶体管低，所以相同尺寸的PMOS晶体管的闪烁噪声比NMOS低。因此，所述正反馈电路的MOS场效晶体管采用PMOS晶体管。

此外，为了减小由1/f噪声引起的低频相位噪声，所述压控振荡器电路没有采用低频相位噪声高的尾电流源结构。取而代之的是，电流偏置由可变电阻R1控制。这是因为电阻是没有1/f噪声，相对于MOS场效晶体管电流源，其低频相位噪声更低。

所述可变电阻R1的阻值大小决定压控振荡器的电流大小。

进一步的，在本申请提供的一种优选实施方式中，所述反馈回路包括：MOS场效晶体管PM3、MOS场效晶体管PM4、电路镜电路；

所述MOS场效晶体管PM3的源极连接第二电源，栅极连接第五电路连接节点，漏极连接电路镜电路；

所述MOS场效晶体管PM4的源极连接第二电源，栅极连接第五电路连接节点，漏极连接电路镜电路。

可以理解的是，所述电流镜是一种电路块，其功能是通过复制输出端中的电流来产生流入或流出输入端的电流的副本。

进一步的，在本申请提供的一种优选实施方式中，所述电路镜电路包括：MOS场效晶体管NM1、MOS场效晶体管NM2、MOS场效晶体管NM3；

所述MOS场效晶体管PM3的漏极连接MOS场效晶体管NM1的漏极；

所述MOS场效晶体管PM4的漏极连接MOS场效晶体管NM2的漏极；

所述MOS场效晶体管NM1、MOS场效晶体管NM2的源极接地，栅极都分别连接MOS场效晶体管NM3的栅极和漏极；

所述MOS场效晶体管NM3的源极接地，漏极还连接第三电源；

其中，所述MOS场效晶体管NM3输出镜像电流至MOS场效晶体管NM1、MOS场效晶体管NM2。

进一步的，在本申请提供的一种优选实施方式中，所述压控振荡器电路还包括第一电阻、第二电阻；

所述第一电阻的一端连接第三电路连接节点，另一端连接MOS场效晶体管PM3的漏极；所述第二电阻的一端连接第四电路连接节点，另一端连接MOS场效晶体管PM4的漏极。

其中，所述第一电阻为R1，第二电阻为R2。

进一步的，在本申请提供的一种优选实施方式中，所述谐振电路包括第三电容、第四电容、第五电容、第六电容、第七电容、电感L1、第三电阻、第四电阻；

所述第三电容的一端连接第一电路连接节点，另一端分别连接第五电容的一端和第三电阻的一端；所述第五电容的另一端连接环路滤波器的输出电压端；所述第三电阻的另一端接地；

所述第四电容的一端连接第二电路连接节点，另一端分别连接第六电容的一端和第四电阻的一端；所述第六电容的另一端连接环路滤波器的输出电压端；所述第四电阻的另一端接地；

所述电感L1、第七电容都一端连接第一电路连接节点，另一端连接第二电路连接节点；

其中，所述环路滤波器的输出电压端为压控振荡器电路的输入端。

所述第三电容为C3、第四电容为C4、第七电容为C7、第三电阻为R3、第四电阻为R4。值得注意的是，所述第五电容为可变电容C5，第六电容为可变电容C6。可变电容C5和C6，以及第三电容C3和第四电容C4组成的电容可以等效成总电容Ce。由电容Ce、第七电容C7以及电感L1可以组成谐振电路，用于控制压控振荡器的谐振频率。

进一步的，在本申请提供的一种优选实施方式中，所述第三电容、第四电容为低敏性电容。

所述低敏性电容可以理解为电容减敏。具体的，电容减敏是指通过改变电容器的参数来降低电路对外部环境的敏感度。可以理解的是，电路的性能可能会受到温度、湿度、机械振动等外部因素的影响。这些因素可能导致电路的稳定性和可靠性下降。为了减小这种影响，可以采用低敏性电容来降低电路对外部环境的敏感度，提高电路的稳定性。

进一步的，在本申请提供的一种优选实施方式中，所述MOS场效晶体管PM1、MOS场效晶体管PM2、MOS场效晶体管PM3、MOS场效晶体管PM4工作于饱和区。

进一步的，在本申请提供的一种优选实施方式中，所述MOS场效晶体管NM1、MOS场效晶体管NM2、MOS场效晶体管NM3工作于饱和区。

可以理解的是，所述压控振荡器的输出电压跟频率成正比，且比值需要恒定。当VF点的电压升高时，需要一定的反馈，使之下降，直至比值恒定，才能使得压控振荡器对外部干扰不敏感，以降低相位噪声。

请参看图2，为VF电压升高时反馈流程图。所述VF电压点即为第五电路连接节点，也是反馈回路的第三输出端。

正反馈电路中的MOS场效晶体管PM1、MOS场效晶体管PM2的栅极偏置电压由反馈回路来决定。当正反馈电路由于外来噪声使VF点电压升高时，MOS场效晶体管PM3、MOS场效晶体管PM4的栅极电压跟随升高。于是，MOS场效晶体管PM3、MOS场效晶体管PM4的VGS变小，从而导致MOS场效晶体管PM3、MOS场效晶体管PM4的漏极电压降低。由于MOS场效晶体管PM3、MOS场效晶体管PM4的漏极连接MOS场效晶体管PM1、MOS场效晶体管PM2的栅极，所以MOS场效晶体管PM1、MOS场效晶体管PM2的栅极电压降低，即MOS场效晶体管PM1、MOS场效晶体管PM2的VGS变大。由此，MOS场效晶体管PM1、MOS场效晶体管PM2的电流变大，也就是说流经可变电阻R1的电流变大，从而VF点的电压降低。其中，VGS为s是栅极相对于源极的电压。

请参看图3，为VF电压降低时反馈流程图。

当正反馈电路由于外来噪声使VF点电压降低时，MOS场效晶体管PM3、MOS场效晶体管PM4的栅极电压跟随降低。于是，MOS场效晶体管PM3、MOS场效晶体管PM4的VGS变大，从而导致MOS场效晶体管PM3、MOS场效晶体管PM4的漏极电压升高。由于MOS场效晶体管PM3、MOS场效晶体管PM4的漏极连接MOS场效晶体管PM1、MOS场效晶体管PM2的栅极，所以MOS场效晶体管PM1、MOS场效晶体管PM2的栅极电压升高，即MOS场效晶体管PM1、MOS场效晶体管PM2的VGS变小。由此，MOS场效晶体管PM1、MOS场效晶体管PM2的电流变小，也就是说流经可变电阻R1的电流变小，从而VF点的电压降低。其中，VGS是MOS场效晶体管的栅极相对于源极的电压。

所述正反馈电路和谐振电路可以统称为主电路。由以上反馈流程分析可知，反馈回路与主电路组成的负反馈网络，可以使VF点的电压保持恒定，对其他外来干扰(例如MOS场效晶体管PM1、MOS场效晶体管PM2的噪声)不敏感，从而使压控振荡器的相位噪声得到降低。

可以理解的是，NB-IOT芯片对锁相环锁定时输出的相位噪声有一定的要求。相位噪声主要的产生源之一就是压控振荡器。因此，需要降低压控振荡器的相位噪声。现有的压控振荡器可以理解为负跨导压控振荡器。

请参看图4，为现有压控振荡器电路图。正反馈电路由MOS场效晶体管NM1、MOS场效晶体管NM2、电容C4、电容C4组成。所述MOS场效晶体管NM1的漏极通过电容C4，与MOS场效晶体管NM2的栅极连接。所述MOS场效晶体管NM2的漏极通过电容C5，与MOS场效晶体管NM1的栅极连接。谐振电路电容V1、电容V2、电容C2、电容C3、电容C1、电感L1组成。电流镜电路由MOS场效晶体管NM3、MOS场效晶体管NM4、电阻R1、电容C6组成。

其中，MOS场效晶体管NM1、MOS场效晶体管NM2组成的正反馈电，背靠背交叉正反馈连接。从两个漏极看入，等效电导为-2/gm。其中，所述gm为MOS管的跨导。由于连接方式为负反馈连接，所以等效电导为负值。当振荡建立起来后，两个MOS场效晶体管交叉导通，两输出端电压信号相应交替起伏。环路滤波器的输出电压端，即电源Vc控制可变电容V1和V2的电容值，通过控制VC电压，从而改变可变电容V1、可变电容V2的电容值，从而控制压控振荡器的增益。压控振荡器的输出频率由电感L1、电容C1、C2、C3以及可变电容V1和V2决定。压控振荡器的电路由MOS场效晶体管NM3决定。MOS场效晶体管NM4产生的电流由MOS场效晶体管NM4中电流镜像而来。电流源对振荡器的整体相位噪声有重要的影响，因此通过电阻R1和C6滤除镜像电流时带来的噪声干扰。

基于现有的负跨导压控振荡器电路，有以下几种降低相位噪声的方案。

第一种，通过增加压控振荡器的电流。增加压控振荡器的电流是最直接也是很有效地减小压控振荡器相位噪声的措施。众所周知，NB-IOT芯片的设计遵循四个方面：广覆盖、低功耗、大连接、低成本。因此，直接增加压控振荡器的电流的方式，与NB-IOT芯片设计初衷刚好相反。

第二种，增加电阻R1阻值、C6容值，减小其构成的一阶低通滤波器的极点。可以理解的是，电阻越大，长度越大。因此，增加电阻值和电容值需要牺牲芯片面积，并且对于MOS场效晶体管NM3产生的电流噪声也不能改善。

第三种，将MOS场效晶体管NM3换成电阻。电阻在一定程度上可以减小相位噪声。但是VF点的电压会随着MOS场效晶体管NM1和NM2的起伏而起伏，从而带来一定的噪声。

区别于以上三种方案，本申请采用反馈回路来减小压控振荡器的相位噪声。正反馈电路中的MOS场效晶体管PM1、MOS场效晶体管PM2的栅极偏置电压由反馈回路来决定。另外的，本申请中电流镜电路采用三个MOS场效晶体管。所述MOS场效晶体管NM3输出镜像电流至MOS场效晶体管NM1、MOS场效晶体管NM2。由此，不需要添加电阻、电容来滤除镜像电流带来的噪声干扰。

进一步的，在本申请提供的一种优选实施方式中，所述压控振荡器电路应用于锁相环。

请参看图5，为锁相环结构图。

锁相环由鉴频鉴相器(Phase Frequency Detector，PFD)、环路滤波器(LoopFilter)和压控振荡器组成前向通路，由分频器组成频率相位的反馈通路。锁相环的工作原理：检测参考时钟信号和VCO输出信号经分频器后的相位差，并通过鉴相器将检测出的相位差信号，转换成电压信号输出，经低通滤波器滤波后形成压控振荡器的控制电压，对压控振荡器输出信号的频率实施控制。本申请公开的压控振荡器的输入即为环路滤波器的输出。

综上所述，本申请公开的应用于NB-IOT芯片的压控振荡器电路，通过反馈回路中的MOS场效晶体管PM3、MOS场效晶体管PM4的栅极连接MOS场效晶体管PM1、PM2的栅极，使得PM1和PM2的栅极电压随着变化，即PM3、PM4可以调控PM1和PM2的VGS，从而调控PM1和PM2的电流，来调控VF的电压，使得电压、频率的比值恒定，从而对外来干扰不敏感，以降低压控振荡器相位噪声。另一方面，本申请的电流镜电路采用MOS场效晶体管NM1、MOS场效晶体管NM2、MOS场效晶体管NM3结合，可以有效滤除镜像电流时带来的噪声干扰。又一方面，谐振电路中第三电容R3、第四电容R4设置为低敏性电容，降低了电路对外部环境的敏感度，提高电路的稳定性、可靠性。还有一方面，本申请，为了减小由1/f噪声引起的低频相位噪声，所述压控振荡器电路没有采用低频相位噪声高的尾电流源结构。取而代之的是，通过可变电阻R1的阻值大小决定压控振荡器的电流大小。这是因为电阻是没有1/f噪声，相对于MOS场效晶体管电流源，其低频，低相位噪声。

需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，有语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。