电源噪声抑制电路及相应的电流数控振荡器和电子设备

技术领域

本发明涉及一种面向电流数控振荡器的电源噪声抑制电路，同时也涉及采用该电源噪声抑制电路的电流数控振荡器及相应的电子设备，属于电子振荡器技术领域。

背景技术

在电流数控振荡器中，自偏置电流源是其重要的组成部分。传统的自偏置电流源在电源端电压受噪声影响后，会产生电压波动并经过电流镜像传递给负载电路(即电流数控振荡器)，使负载电路产生一定的电流波动，这对于有较高分辨率需求的电流数控振荡器来说是一个严重问题。因此，研发一种具有较高电源噪声抑制功能的电流数控振荡器电源电路，就成为了一个非常必要的技术课题。

在授权公告号为CN 106230384B的中国发明专利中，公开了一种可编程的低噪声压控振荡器，包括偏置电路、数控电流舵组和电流控制振荡器；所述偏置电路与数控电流舵组连接，数控电流舵组与电流控制振荡器连接。其中，偏置电路包括NMOS管NM1、NM2和PMOS管PM1、PM2，其中NMOS管NM1和NM2构成电流镜。该电流控制振荡器的振荡单元由两个PMOS管和两个NMOS管叠加组成反相器构成，可有效抑制来自电源的噪声，同时采用了级联反相器输出以降低压控振荡器内部噪声对输出信号的影响，提高振荡器的噪声性能。

发明内容

本发明所要解决的首要技术问题在于提供一种面向电流数控振荡器的电源噪声抑制电路。

本发明所要解决的另一技术问题在于提供一种采用上述电源噪声抑制电路的电流数控振荡器。

本发明所要解决的另一技术问题在于提供一种采用上述电流数控振荡器的电子设备。

为了实现上述目的，本发明采用下述的技术方案：

根据本发明实施例的第一方面，提供一种面向电流数控振荡器的电源噪声抑制电路，包括自偏置电流源、电流镜像单元、负载输出单元、噪声反馈单元和噪声感知单元；其中，

自偏置电流源为噪声反馈单元提供第一路电源端噪声所引起电压波动的采样电压；

噪声感知单元为噪声反馈单元提供第二路电源端噪声所引起电压波动的采样电压；

噪声反馈单元将两路采样电压中的噪声波动电压进行抵消处理，并输出稳定电流；

电流镜像单元将所述稳定电流进行电流镜像复制，输出至负载输出单元；

所述负载输出单元为负载电路提供稳定的输出电流。

其中较优地，所述自偏置电流源单元由第一PMOS管M0、第二PMOS管M1、第一NMOS管M2和第一电阻R1组成；其中，第一PMOS管M0的源极与电源端VDD连接，第一PMOS管M0的栅极与漏极短接后与第二PMOS管M1的栅极连接；第一PMOS管M0的漏极与第一NMOS管M2的漏极连接，第一NMOS管M2的源极与地电位端GND连接，第一NMOS管M2的栅极与所述噪声反馈单元中的第二NMOS管M3的栅极及第一运算放大器的输出端连接；第一电阻R1与电源端VDD连接，第一电阻R1的另一端与第二PMOS管M1的源极连接，第二PMOS管M1的漏极及所述噪声反馈单元中的第二NMOS管M3的漏极及第一运算放大器的同相输入端连接。

其中较优地，所述电流镜像单元由第三PMOS管M5和第三NMOS管M4组成；其中，第三NMOS管M4的栅极与所述噪声反馈单元中的第二NMOS管M3的栅极及第一运算放大器的输出端连接；第三NMOS管M4的源极与地电位端GND连接，第三NMOS管M4的漏极与第三PMOS管M5的漏极连接，第三PMOS管M5的源极与电源端VDD连接，第三PMOS管M5的栅极与漏极短接后与所述负载输出单元中的第五PMOS管M9的栅极连接。

其中较优地，所述负载输出单元由第五PMOS管M9和负载电路即电流数控振荡器构成；其中，第五PMOS管M9的栅极与电流镜像单元中的第三PMOS管M5的栅极连接，第五PMOS管M9的源极与电源端VDD连接，第五PMOS管M9的漏极作为输出端与负载电路连接。

其中较优地，所述噪声反馈单元由第二NMOS管M3和第一运算放大器组成；其中，第二NMOS管M3的源极与地电位端GND连接，第二NMOS管M3的漏极与第一运算放大器的同相输入端及所述自偏置电流源中的第二PMOS管M1的漏极连接；第二NMOS管M3的栅极与第一运算放大器的输出端及所述自偏置电流源中的第一NMOS管M2的栅极连接，同时，第一运算放大器的输出端还与所述电流镜像单元中的第三NMOS管M4的栅极连接，第一运算放大器的反相输入端与所述噪声感知单元中的第四PMOS管M6的漏极连接。

其中较优地，所述噪声感知单元由第四PMOS管M6、第四NMOS管M7和第五NMOS管M8组成；其中，第四PMOS管M6的源极与电源端连接，第四PMOS管M6的栅极与漏极短接后一方面与第四NMOS管M7的漏极连接，另一方面与所述噪声反馈单元中的第一运算放大器的反相输入端连接，第四NMOS管M7的源极与第五NMOS管M8的漏极连接，第五NMOS管M8的源极与地电位端GND连接，第五NMOS管M8的栅极与偏置电压端VB 1连接，第四NMOS管M7的栅极与偏置电压端VB2连接。

其中较优地，所述自偏置电流源中的第一电阻R1和第二PMOS管M1组成第一采样电压支路，对电源端噪声引起的波动电压进行采样并输入至噪声反馈单元。

其中较优地，所述噪声感知单元中的第四PMOS管M6支路作为第二采样电压支路，对电源端噪声引起的波动电压进行采样并输入至噪声反馈单元。

其中较优地，通过提高运算放大器在低频段的增益，提高噪声抑制效果。

其中较优地，通过增加运算放大器的负反馈环路的带宽，提高噪声抑制效果。

根据本发明实施例的第二方面，提供一种电流数控振荡器，其中包括上述的电源噪声抑制电路。

根据本发明实施例的第三方面，提供一种电子设备，其中包括上述的电流数控振荡器。

与现有技术相比较，本发明所提供的电源噪声抑制电路及相应的电流数控振荡器，利用恒流源的工作原理，将电源端因外部电路噪声而产生波动电压，通过两个通路的噪声反馈后被相互抵消，保证输出的负载电流不受该波动电压的影响，从而有效抑制了电源噪声，使电流数控振荡器能够满足系统性能的要求。因此，本发明所提供的电源噪声抑制电路及相应的电流数控振荡器具有电路设计巧妙合理、生产成本较低，以及系统性能优异等有益效果。

附图说明

图1为现有技术中，一个典型的具有自偏置电流源的电流数控振荡器原理图；

图2为理想情况下，一个具有自偏置电流源的电流数控振荡器的电路原理图；

图3为本发明实施例中，具有电源噪声抑制电路的电流数控振荡器原理图；

图4为本发明实施例中，电流数控振荡器的灵敏度仿真测试结果对比示意图。

图5为采用本发明提供的电源噪声抑制电路的电子设备的示例图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案做进一步的详细说明。

如图1所示，现有技术中的一个典型的具有自偏置电流源的电流数控振荡器，包括自偏置电流源、电流镜像部分和负载电路三个部分，其中，负载电路即为电流数控振荡器。

假设该电流数控振荡器由于其它模块耦合到电源的噪声，使得电源产生一个电压波动Vn，该电压波动Vn会沿着电阻R1和PMOS管M1构成的低阻通路，传递到NMOS管M3的漏极并形成波动电压Va，由于NMOS管M3的漏极和栅极短接在一起，因此波动电压Va也传递到NMOS管M3的栅极及其镜像NMOS管M4的栅极，并在NMOS管M4的漏极产生波动电压Vb，NMOS管M4从栅极到漏极为共源极放大电路，在小信号时Va和Vb呈反相关系，因此，对于PMOS管M5来说，其源栅电压Vsg(Vsg＝Vn-Vb)也会随着噪声电压Vn的波动而波动，其所在支路在直流偏置的基础上产生一个噪声电流ΔI

为此，本发明首先提供一种面向电流数控振荡器的电源噪声抑制电路，以消除或减小电源噪声对电流型数控振荡器的干扰。具体说明如下：

在图2所示的理想情况下，一个具有自偏置电流源的理想化电流数控振荡器，包括理想电流源Iref、NMOS管M0和NMOS管M1、PMOS管M2和PMOS管M3，以及负载电路。其中，NMOS管M0和NMOS管M1、PMOS管M2和PMOS管M3均为电流镜像管结构，NMOS管M0和PMOS管M2为二极管连接方式。该具有自偏置电流源的理想化电流数控振荡器具有电源噪声抑制功能，其工作原理说明如下：

MOS管处于饱和区工作状态时的漏极电流Id为：

其中，μ为MOS管的电子迁移率；C

当不考虑沟道调制效应时，MOS管处于饱和区工作状态时的漏极电流Id为：

由公式1和公式2可以看出，对于来自电源噪声的干扰影响到MOS管的源极电压Vs，此时如果有一个相同的干扰加到MOS管的栅极，使ΔVgs＝0，这样就可以消减来自电源噪声的干扰，由此镜像得到的负载电流也同样消减了来自电源噪声的扰动，具体情况如下：

理想电流源Iref通过电流镜像电路，分别在镜像支路和负载支路得到偏置电流Ibias1和Ibias2，其中，Ibias2为负载电路即理想化电流数控振荡器的注入电流，此电流决定着数控振荡器的振荡频率。

假设在理想电流源偏置的情况下，电源VDD有一个来自外部电路噪声产生的波动电压Vn，由于理想电流源Iref支路中，NMOS管M0的栅漏电压恒定相等，所以M0栅极电压Va近乎保持不变，因此为NMOS管M1提供了一个近似恒定的电流偏置Ibias1。对于PMOS管M2来说，由于支路电流Ibias 1近似恒定不变，所以PMOS管M2的源栅电压V

基于上述具有自偏置电流源的理想化电流数控振荡器的工作原理，本发明实施例首先提供一种面向电流数控振荡器的电源噪声抑制电路，如图3所示，该电源噪声抑制电路包括五个部分：自偏置电流源、噪声反馈单元、电流镜像单元、噪声感知单元和负载输出单元。

其中，自偏置电流源为噪声反馈单元提供第一路电源端噪声所引起电压波动的采样电压；噪声感知单元为噪声反馈单元提供第二路电源端噪声所引起电压波动的采样电压；噪声反馈单元将两路输入采样电压中的噪声波动电压进行抵消处理，并输出稳定电压及稳定电流；电流镜像单元将稳定电流进行电流镜像复制，输出至负载输出单元；负载输出单元为负载电路提供稳定的输出电流。

自偏置电流源单元由第一PMOS管M0、第二PMOS管M1、第一NMOS管M2和第一电阻R1组成；噪声反馈单元由第二NMOS管M3和第一运算放大器组成；电流镜像单元由第三PMOS管M5和第三NMOS管M4组成；噪声感知单元由第四PMOS管M6、第四NMOS管M7和第五NMOS管M8组成；负载输出单元由第五PMOS管M9和负载电路(电流数控振荡器)构成。

第一PMOS管M0的源极与电源端VDD连接，第一PMOS管M0的栅极与漏极短接后与第二PMOS管M1的栅极连接；第一PMOS管M0的漏极与第一NMOS管M2的漏极连接，第一NMOS管M2的源极与地电位端GND连接，第一NMOS管M2的栅极与第二NMOS管M3的栅极及第一运算放大器的输出端连接，第二NMOS管M3的源极与地电位端GND连接，第二NMOS管M3的漏极与第二PMOS管M1的漏极及第一运算放大器的同相输入端连接；第二PMOS管M1的源极与第一电阻R1连接，第一电阻R1的另一端与电源端VDD连接；第一运算放大器的反相输入端与第四PMOS管M6的漏极连接，同时，第一运算放大器的输出端还与第三NMOS管M4的栅极连接，第三NMOS管M4的源极与地电位端GND连接，第三NMOS管M4的漏极与第三PMOS管M5的漏极连接，第三PMOS管M5的栅极与漏极短接后与第五PMOS管M9的栅极连接，第三PMOS管M5的源极与电源端VDD连接；第五PMOS管M9的源极与电源端VDD连接，第五PMOS管M9的漏极与负载电路连接。另外，第四PMOS管M6的源极与电源端连接，第四PMOS管M6的栅极与漏极短接后一方面与第一运算放大器的反相输入端连接，另一方面与第四NMOS管M7的漏极连接，第四NMOS管M7的源极与第五NMOS管M8的漏极连接，第五NMOS管M8的源极与地电位端GND连接，第五NMOS管M8的栅极与偏置电压端VB1连接，第四NMOS管M7的栅极与偏置电压端VB2连接。

本发明实施例所提供的面向电流数控振荡器的电源噪声抑制电路，其对电源端噪声抑制的工作过程如下：

当电源VDD由于来自外部电路噪声而产生波动电压Vn时，通过第一电阻R1和第二PMOS管M1构成的低阻通路，在第二PMOS管M1的漏极产生一个波动电压Vb，并将该波动电压Vb输入至第一运算放大器的同相输入端；波动电压Vn通过噪声感知单元的第四PMOS管M6的通路，在第四PMOS管M6漏极产生一个波动电压Va，并将该波动电压Vb输入至第一运算放大器的反相输入端；在第一运算放大器的差模输入作用下，同相输入端电压信号与反相输入端电压信号两者的噪声波动被消除，第一运算放大器的输出端得到较为稳定的输出电压Vg，该稳定电压Vg即是第二NMOS管M3栅极电压，因此会产生一个相对稳定的电流，其电流成分不包含噪声电流，相当于近似恒定的电流偏置。经过第二NMOS管M3和第三NMOS管M4的电流镜像，使电流镜像单元中的二极管连接方式的第三PMOS管M5，在电流恒定的情况下，栅源电压V

噪声感知单元中的第四NMOS管M7和第五NMOS管M8组成的支路，通过偏置电压VB 1和偏置电压VB2，为噪声感知单元提供一个静态直流偏置电压。其中，偏置电压VB 1和偏置电压VB2均为相对恒定的偏置电压源。

另外，通过合理设计噪声反馈单元中运算放大器的元件参数，提高运算放大器在低频段的增益以及增加其负反馈环路的带宽，可以进一步提高该电源噪声抑制电路的噪声抑制效果。

为了验证本发明实施例提供的电源噪声抑制电路及相应的电流数控振荡器的优异性能，发明人对图1所示的现有技术方案(无噪声抑制)和图3所示的本发明的技术方案分别进行电源灵敏度的仿真测试。

仿真测试结果如图4所示，图中横坐标为电流数控振荡器的频率，纵坐标为电流数控振荡器的电源灵敏度(ΔIout/ΔVDD)，其中，ΔIout为输出电流变化量，ΔVDD为电源电压的变化量。

从图4中可以看出，在0～10000Hz频率范围内，与现有技术方案相比较，发明实施例所提供的具有电源噪声抑制电路的电流数控振荡器,其电源灵敏度(ΔIout/ΔVDD)提高了36dB，说明本发明的技术方案对噪声抑制的效果非常明显。

另外，本发明实施例还提供一种电子设备，其中包括上述具有电源噪声抑制电路的电流数控振荡器。如图5所示，该电子设备至少包括处理器和存储器，还可以根据实际需要进一步包括通信组件、传感器组件、电源组件、多媒体组件及输入/输出接口。其中，存储器、通信组件、传感器组件、电源组件、多媒体组件及输入/输出接口均与该处理器连接。存储器可以是静态随机存取存储器(SRAM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、可擦除可编程只读存储器(EPROM)、可编程只读存储器(PROM)、只读存储器(ROM)、磁存储器、快闪存储器等，处理器可以是中央处理器(CPU)、图形处理器(GPU)、现场可编程逻辑门阵列(FPGA)、专用集成电路(ASIC)、数字信号处理(DSP)芯片等。其它通信组件、传感器组件、电源组件、多媒体组件等均可以采用通用部件实现，在此就不具体说明了。

通过上述实施例对本发明的技术方案的具体描述可以看出，本发明所提供的电源噪声抑制电路及相应的电流数控振荡器，利用恒流源的工作原理，将电源端因外部电路噪声而产生波动电压，通过两个通路的噪声反馈后被相互抵消，保证输出的负载电流不受该波动电压的影响，从而有效抑制了电源噪声，使电流数控振荡器能够满足系统性能的要求。因此，本发明所提供的电源噪声抑制电路及相应的电流数控振荡器具有结构设计巧妙合理、生产成本较低，以及系统性能优异等有益效果。

以上对本发明所提供的电源噪声抑制电路及相应的电流数控振荡器、电子设备进行了详细的说明。对本领域的一般技术人员而言，在不背离本发明实质内容的前提下对它所做的任何显而易见的改动，都将属于本发明专利权的保护范围。