專利名稱：共模點(diǎn)可控環(huán)形壓控振蕩器的制作方法
共模點(diǎn)可控環(huán)形壓控振蕩器技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明屬于半導(dǎo)體集成電路設(shè)計領(lǐng)域，具體涉及一種環(huán)形壓控振蕩器。
技術(shù)背景
近幾十年來，由于微電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，現(xiàn)代電子系統(tǒng)也向著高性能、高集成度 的方向不斷前進(jìn)。以無線通信系統(tǒng)為例，隨著4G時代的逼近，更高速的寬帶數(shù)字通信業(yè) 務(wù)即將展開。這對系統(tǒng)中的射頻(RF)收發(fā)模塊、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊(ADC/DAC)以及數(shù)字處理 器(DSP)都提出了更高的要求。而所有這些模塊都需要在鎖相環(huán)提供的時鐘驅(qū)動下工作， 鎖相環(huán)作為電子系統(tǒng)的核心模塊之一，其性能直接影響到系統(tǒng)各個模塊的性能。圖4給出 了一個鎖相環(huán)的基本結(jié)構(gòu)示意圖，其輸入時鐘(FREF)通常由高精度的晶振產(chǎn)生。輸出時 鐘(FOUT)經(jīng)過分頻器(Divider)后與輸入時鐘一起輸給鑒頻鑒相器(PFD)，并通過電荷泵 (Charge Pump)后輸給環(huán)路濾波器(Loop Filter)。環(huán)路濾波器的輸出通過控制壓控振蕩 器(VCO)產(chǎn)生輸出時鐘，從而形成一個閉環(huán)系統(tǒng)。
在整個回路中，壓控振蕩器的性能尤為重要，它直接影響著鎖相環(huán)的相位噪聲特 性和輸出頻率調(diào)節(jié)范圍。通常，壓控振蕩器可以采用電感-電容結(jié)構(gòu)和環(huán)形振蕩器結(jié)構(gòu)。 電感電容壓控振蕩器主要通過調(diào)節(jié)諧振電容的容值來改變振蕩器輸出頻率，因此若要實(shí)現(xiàn) 大范圍頻率調(diào)節(jié)就需要一個很大的電容陣列。這會大大增加電路的寄生電容，從而影響振 蕩器的性能。所以電感-電容壓控振蕩器的頻率調(diào)節(jié)范圍十分有限。相比而言，環(huán)形壓控 振蕩器的頻率調(diào)節(jié)范圍則要大很多。不僅如此，電感-電容壓控振蕩器中的片上電感和電 容也會消耗巨大的芯片面積。因此在多協(xié)議收發(fā)機(jī)(Transceiver)和多速率串并行轉(zhuǎn)換器 (SERDES)等需要大范圍頻率調(diào)節(jié)的場合下，環(huán)形振蕩器往往更具優(yōu)勢。
圖5給出了一個傳統(tǒng)環(huán)形壓控振蕩器的電路結(jié)構(gòu)。以四級差分反相單元組成的振 蕩器為例，通過控制反相單元的偏置電流來實(shí)現(xiàn)輸出振蕩頻率可調(diào)。為了提高振蕩器的驅(qū) 動能力，振蕩器的輸出端附加了兩個反相器驅(qū)動。這種電路中一個重要的問題在于振蕩信 號Vmp和Vrera的共模點(diǎn)很難控制。圖6給出了這個振蕩器的輸出波形示意圖。受到工藝 參數(shù)、環(huán)境溫度和電源電壓等變化因素的影響，控制電流Ibp和Ibn會產(chǎn)生失配，從而使V· 和Vffira的共模電平變得無法預(yù)測。當(dāng)這個共模電平嚴(yán)重偏離后級反相器驅(qū)動的判斷閾值電 壓Vth時，驅(qū)動器輸出方波信號Vbufp的占空比就會偏離50%。這將嚴(yán)重惡化鎖相環(huán)的相位 噪聲特性。不僅如此，非50%占空比的時鐘在一些高性能應(yīng)用場合(例如高速高精度ADC/ DAC)下還會惡化電路的共模抑制特性。發(fā)明內(nèi)容
為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種共模點(diǎn)可控環(huán)形壓控振蕩器，解決Vcbcp和 Voscn的共模點(diǎn)難以控制和驅(qū)動器輸出方波信號的占空比偏離50%的問題，改善鎖相環(huán)的相 位噪聲特性。
為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種共模點(diǎn)可控環(huán)形壓控振蕩器，其特征是，包含三級以上的差分單元，每個差分單元的尾電流由反饋控制模塊產(chǎn)生。
每一級差分單元電路包含提供尾電流的PMOS管，與所述PMOS管連接的差分反相 單元。
所述反饋控制模塊通過監(jiān)測每個差分反相單元的輸出信號來產(chǎn)生合適的尾電流， 使所述差分反相單元的輸出信號共模點(diǎn)穩(wěn)定在設(shè)定電平上。
所述差分反相單元包含反相器，反相器為四個。
所述反饋控制模塊包含反相器、與所述反相器連接的監(jiān)測電路、向所述差分單元 提供尾電流的NMOS管，與所述監(jiān)測電路、NMOS管連接的補(bǔ)償電容，反相器為兩個，與所述差 分單元中的差分反相單元連接。
所述監(jiān)測電路包含PMOS管單元、NMOS管單元。
所述PMOS管單元為四個PMOS管M1 M4、NMOS管單元為四個匪OS管M5 M8, M1、 M4、M6、M7共柵極，M2、M3、M5、M8共柵極，MpM2的源極均接到電源電壓上，MpM2的漏極分別與 M3、M4的源極連接，M3、M4的漏極分別與M5、M6的漏極連接，M5、M6的源極分別與M7、M8的漏極 連接，M7、M8的源極接地。
所述差分反相單元的輸出信號輸入所述反饋控制模塊的反相器進(jìn)行整形，再送至 所述監(jiān)測電路，由所述監(jiān)測電路產(chǎn)生向所述補(bǔ)償電容充電或放電的電流。
本發(fā)明所達(dá)到的有益效果相比傳統(tǒng)的環(huán)形壓控振蕩器，本發(fā)明的共模點(diǎn)可控環(huán) 形壓控振蕩器成功解決了由于差分反相單元上、下尾電流失配引起的輸出時鐘占空比偏離 50%的問題，從而可以保證鎖相環(huán)良好的相位噪聲特性。


圖1為本發(fā)明的共模點(diǎn)可控環(huán)形壓控振蕩器電路圖2為本發(fā)明的共模點(diǎn)可控環(huán)形壓控振蕩器差分單元電路；
圖3為本發(fā)明的共模點(diǎn)可控環(huán)形壓控振蕩器輸出波形示意圖4為鎖相環(huán)結(jié)構(gòu)示意圖5為現(xiàn)有技術(shù)中環(huán)形壓控振蕩器電路圖6為圖5的環(huán)形壓控振蕩器輸出波形示意圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步描述。以下實(shí)施例僅用于更加清楚地說明本發(fā)明 的技術(shù)方案，而不能以此來限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。
如圖1所示，為發(fā)明提出的一種共模點(diǎn)可控環(huán)形壓控振蕩器，一種較佳的實(shí)施方 式是振蕩器由四級差分單元組成，為了提高振蕩器的驅(qū)動能力，振蕩器的輸出端附加了兩 個反相器驅(qū)動。相比現(xiàn)有技術(shù)中圖5的結(jié)構(gòu)，本電路中每個差分單元的尾電流Ibn由反饋控 制模塊(Ctrl)產(chǎn)生。反饋控制模塊通過監(jiān)測每個差分反相單元的輸出信號來產(chǎn)生合適的 尾電流，從而使差分反相單元的輸出信號共模點(diǎn)穩(wěn)定在設(shè)定電平上。
環(huán)形振蕩器的每一級差分單元電路如圖2所示，其中PMOS管Mp提供尾電流^>， 四個反相器U1 U4組成振蕩器的差分反相單元，反相器U5 U6、PMOS管M1 M4、NMOS管 M5 M8、補(bǔ)償電容Cc以及尾電流NMOS管Mn組成差分反相單元的反饋控制模塊。差分反相單元的正、負(fù)輸入信號為VIP、Vin，正、負(fù)輸出信號為V. Vw。在電路工作時，Vw和Von先經(jīng) 過U5和U6進(jìn)行整形，再送至M1 M8組成的監(jiān)測電路。假設(shè)Vqp和Vqn的共模點(diǎn)偏高，U5和 U6整形后信號的共模點(diǎn)會偏低，M1 M4在一個周期內(nèi)的導(dǎo)通特性會強(qiáng)于M5 M8,從而產(chǎn)生 向Cc充電的電流提高\(yùn)2。因此Mn的電流會增加，并將Vtff和Vw的共模點(diǎn)向低拉。同樣的 原理，如果Vtff和Vw的共模點(diǎn)偏低，M5 M8在一個周期內(nèi)的導(dǎo)通特性強(qiáng)于M1 M4,產(chǎn)生對 Cc放電的電流以降低VC2。從而減小Mn的電流以抬高Vra^n Vw的共模點(diǎn)。通過合理選取Cc 的值，可以實(shí)現(xiàn)負(fù)反饋回路的穩(wěn)定。
圖3給出了發(fā)明的共模點(diǎn)可控環(huán)形壓控振蕩器輸出波形示意圖。圖中示出了振蕩 信號Vrecp和Voscn的共模點(diǎn)波形，通過合理調(diào)整M1 M8的尺寸，就可以保證差分反相單元輸 出共模點(diǎn)穩(wěn)定在后級驅(qū)動反相器的判斷閾值電壓Vth附近，從而保證驅(qū)動器輸出方波信號 Vbufp的占空比為50%，從而可以保證鎖相環(huán)良好的相位噪聲特性。
以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人 員來說，在不脫離本發(fā)明技術(shù)原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和變形，這些改進(jìn)和變形 也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種共模點(diǎn)可控環(huán)形壓控振蕩器，其特征是，包含三級以上的差分單元，每個差分單 元的尾電流由反饋控制模塊產(chǎn)生。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的共模點(diǎn)可控環(huán)形壓控振蕩器，其特征是，每一級差分單元電 路包含提供尾電流的PMOS管，與所述PMOS管連接的差分反相單元。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的共模點(diǎn)可控環(huán)形壓控振蕩器，其特征是，所述反饋控制模塊 通過監(jiān)測每個差分反相單元的輸出信號來產(chǎn)生合適的尾電流，使所述差分反相單元的輸出 信號共模點(diǎn)穩(wěn)定在設(shè)定電平上。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的共模點(diǎn)可控環(huán)形壓控振蕩器，其特征是，所述差分反相單元 包含反相器。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的共模點(diǎn)可控環(huán)形壓控振蕩器，其特征是，所述反相器為四個。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的共模點(diǎn)可控環(huán)形壓控振蕩器，其特征是，所述反饋控制模塊 包含反相器、與所述反相器連接的監(jiān)測電路、向所述差分單元提供尾電流的NMOS管，與所 述監(jiān)測電路、NMOS管連接的補(bǔ)償電容。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的共模點(diǎn)可控環(huán)形壓控振蕩器，其特征是，所述反相器為兩個， 與所述差分單元中的差分反相單元連接。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的共模點(diǎn)可控環(huán)形壓控振蕩器，其特征是，所述監(jiān)測電路包含 PMOS管單元、匪OS管單元。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的共模點(diǎn)可控環(huán)形壓控振蕩器，其特征是，所述PMOS管單元為 四個PMOS管M1 M4、匪OS管單元為四個NMOS管M5 M8, MpMpM6J7共柵極，M2、M3、M5、M8 共柵極，MpM2的源極均接到電源電壓上，MpM2的漏極分別與M3、M4的源極連接，M3、M4的漏 極分別與M5、M6的漏極連接，M5, M6的源極分別與M7、M8的漏極連接，M7、M8的源極接地。
10.根據(jù)權(quán)利要求3所述的共模點(diǎn)可控環(huán)形壓控振蕩器，其特征是，所述差分反相單元 的輸出信號輸入所述反饋控制模塊的反相器進(jìn)行整形，再送至所述監(jiān)測電路，由所述監(jiān)測 電路產(chǎn)生向所述補(bǔ)償電容充電或放電的電流。
全文摘要
本發(fā)明屬于半導(dǎo)體集成電路設(shè)計領(lǐng)域，具體涉及一種環(huán)形壓控振蕩器，其特征是，包含三級以上的差分單元，每個差分單元的尾電流由反饋控制模塊產(chǎn)生。相比傳統(tǒng)的環(huán)形壓控振蕩器，本發(fā)明的共模點(diǎn)可控環(huán)形壓控振蕩器成功解決了由于差分反相單元上、下尾電流失配引起的輸出時鐘占空比偏離50％的問題，從而可以保證鎖相環(huán)良好的相位噪聲特性。
文檔編號H03L7/099GK102035545SQ20101056951
公開日2011年4月27日 申請日期2010年12月2日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月2日
發(fā)明者嚴(yán)偉, 李云初, 藺智挺, 趙士燕 申請人:蘇州云芯微電子科技有限公司