專利名稱：具有溫度補償效應的環(huán)路壓控振蕩器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于通信與信息處理系統(tǒng)的鎖相環(huán)技術(shù)領(lǐng)域，特別是環(huán)路壓控振蕩器設(shè)計。
背景技術(shù)：
壓控振蕩器(VCO)是鎖相環(huán)路(PLL)的最重要組成部件，為了獲得高頻、高精度的輸出信號頻率，一般都采用LC壓控振蕩器或環(huán)路壓控振蕩器的形式。環(huán)路壓控振蕩器由于其低功耗、寬輸出頻率范圍、占用芯片面積小等優(yōu)點在通信和數(shù)字電路中得到了廣泛應用。
環(huán)路壓控振蕩器由連接成環(huán)狀的N個延遲單元構(gòu)成，延遲單元可以是單端的，也可以是差分的。對于單端的延遲單元來說，N只能是大于等于3的奇數(shù)；對于差分延遲單元來說，N可以是大于等于2的偶數(shù)或奇數(shù)，其個數(shù)N的多少視所需產(chǎn)生的頻率高低而定。延遲單元的結(jié)構(gòu)實際上就是反相放大器，它的負載管由外界電壓Vc控制，改變控制電壓Vc，就改變了負載管的導通程度，從而改變了反相器的反相延遲時間，使得整個環(huán)路的振蕩頻率發(fā)生改變，這就是環(huán)路壓控振蕩器輸出信號頻率隨控制電壓變化的原理，輸出信號頻率隨控制電壓的變化率稱為壓控振蕩器的增益，用Kv表示。
VCO輸出信號的振蕩頻率受溫度影響比較大。根據(jù)我們對某0.35umCMOS工藝的計算機模擬，在1GHz頻段，VCO的振蕩頻率隨溫度變化大約1.4MHz/℃，也就是說，如果在常溫下VCO振蕩頻率為1GHz，在125℃時振蕩頻率變?yōu)?.14GHz，相差140MHz。這么大的頻率變化，有可能超過鎖相環(huán)的鎖定范圍，使得鎖相環(huán)無法正常工作。解決這個問題的方法之一是使得VCO的增益盡可能大，則無論溫度如何變化，頻率隨溫度漂移的范圍總在VCO的調(diào)節(jié)范圍之內(nèi)。但VCO增益越大，越容易受外界的干擾，不利于改善鎖相環(huán)的相位噪聲，而相位噪聲是鎖相環(huán)的最重要指標。其次，VCO增益越大，將使得環(huán)路濾波器的電容越大，不利于電路集成。
對于具有數(shù)字粗調(diào)或者數(shù)字預置的VCO來說，VCO增益一般都比較小，約為幾十MHz/V，因此頻率隨溫度的漂移將嚴重影響到鎖相環(huán)能否正常工作。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服以上缺點，我們提出一種具有溫度補償效應的環(huán)路VCO。這種VCO由連接成環(huán)狀的N個具有溫度補償功能的延遲單元和溫度傳感電路構(gòu)成。延遲單元可以是單端的，也可以是差分的。對于單端的延遲單元來說，N只能是大于等于3的奇數(shù)；對于差分延遲單元來說，N可以是大于等于2的偶數(shù)或者奇數(shù)，其個數(shù)N的多少視所需產(chǎn)生的頻率高低而定。本發(fā)明的延遲單元是在普通的反相器的基礎(chǔ)上，在其負載管上并聯(lián)一個或多個MOS管，用于溫度補償。若溫度升高引起VCO振蕩頻率下降，則溫度傳感電路的輸出電壓使得延遲單元的補償管導通速度加快，從而補償頻率的下降；若溫度降低引起VCO振蕩頻率升高，則溫度傳感電路輸出電壓使得延遲單元的補償管導通速度減緩，從而補償頻率的升高。設(shè)計恰當?shù)膮?shù)，就能使得該VCO的輸出頻率在各種溫度下保持恒定。
一種環(huán)路壓控振蕩器，由連接成環(huán)狀的N個延遲單元和溫度補償電路兩部分構(gòu)成，其特征在于，延遲單元的負載晶體管上并聯(lián)有用作溫度補償?shù)呢撦d管，可以受到溫度補償電壓的控制來調(diào)節(jié)輸出信號頻率，以補償溫度變化導致的輸出頻率誤差，使得輸出頻率在不同溫度下保持一致。
一種環(huán)路壓控振蕩器，由連接成環(huán)狀的N個延遲單元和溫度補償電路兩部分構(gòu)成，其特征在于，溫度補償電路由溫度傳感器和電壓放大器構(gòu)成，溫度傳感器由二極管構(gòu)成，而電壓放大器的放大倍數(shù)受該壓控振蕩器的外接電壓Vc控制，使得壓控振蕩器的輸出頻率在不同的Vc下都能得到相應的溫度補償，保持和溫度沒有變化前一致。
本發(fā)明闡述的環(huán)路壓控振蕩器的優(yōu)點是它可以精確補償溫度變化導致的輸出頻率誤差，特別適合于具有數(shù)字預置或數(shù)字粗調(diào)的鎖相環(huán)中，便于數(shù)字準確預置，以加快鎖定速度。同時，在數(shù)字預置或數(shù)字粗調(diào)的鎖相環(huán)中，壓控振蕩器的增益較小，較大的溫度變化所引起的頻率漂移有可能超出鎖相環(huán)的鎖定范圍，使鎖相環(huán)不能正常工作，本發(fā)明很好地解決了這個問題。


下面結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明作詳細說明。
圖1本發(fā)明提出的具有溫度補償效應的環(huán)路壓控振蕩器方框圖；圖2本發(fā)明提出的單端環(huán)路壓控振蕩器實施例的結(jié)構(gòu)框圖；圖3本發(fā)明提出的單端延遲單元電路圖；圖4本發(fā)明提出的溫度傳感電路圖；圖5本發(fā)明提出的偶數(shù)個延遲單元構(gòu)成的差分環(huán)路壓控振蕩器實施例的結(jié)構(gòu)框圖；圖6本發(fā)明提出的奇數(shù)個延遲單元構(gòu)成的差分環(huán)路壓控振蕩器實施例的結(jié)構(gòu)框圖；圖7本發(fā)明提出的差分延遲單元電路圖。
具體實施例方式
圖1是本發(fā)明提出的具有溫度補償效應的環(huán)路壓控振蕩器方框圖。它包含一個環(huán)路振蕩器和一個溫度傳感電路。其中環(huán)路振蕩器由連接成環(huán)狀的N個延遲單元構(gòu)成，延遲單元的個數(shù)N及其具體的連接形式因具體的實施例而有所不同。溫度傳感電路控制環(huán)路振蕩器的每個延遲單元的延遲時間，使得輸出振蕩頻率不隨環(huán)境溫度的改變而改變。模擬輸入電壓Vc調(diào)節(jié)環(huán)路振蕩器輸出頻率的高低；頻率信號從Fout端輸出。
圖2是本發(fā)明的單端延遲單元構(gòu)成的環(huán)路壓控振蕩器實施例結(jié)構(gòu)框圖。它由連接成環(huán)狀的N個具有溫度補償功能的單端延遲單元和溫度傳感電路兩部分構(gòu)成，其中N是大于等于3的奇數(shù)，它的延遲單元有(1)模擬信號輸入端Vc；(2)溫度補償控制端Vt；(3)輸入輸出端Vin和Vout。模擬電壓Vc來自環(huán)路濾波器的輸出，Vc控制每一個延遲單元的導通程度來改變延遲時間，從而改變輸出信號頻率。當溫度變化導致VCO輸出信號頻率改變時，溫度傳感電路感知溫度的變化，使溫度補償控制電壓Vt產(chǎn)生相應的變化，控制延遲單元電路的導通程度進行頻率補償，使得VCO輸出信號頻率與原來一致。同時溫度傳感電路受到Vc的控制，使得壓控振蕩器的輸出頻率在不同的Vc下都能得到相應的溫度補償，都能保持振蕩器的振蕩頻率和溫度沒有變化前一致。
圖3是本發(fā)明的以PMOS晶體管為負載的單端延遲單元電路圖，它由一對反相放大管MN23和MP23、兩個并聯(lián)的負載管MP22、MP24、一個二極管MN24、以及電壓控制端Vc、溫度補償端Vt、輸入端Vin、輸出端Vout構(gòu)成。其中，MN23和MP23構(gòu)成單端反相器作基本的延時單元，負載管MP22受外界電壓Vc的控制，改變Vc可以改變MP22的導通電阻，從而改變反相器的延遲時間，達到壓控調(diào)節(jié)輸出信號頻率的目的。負載管MP24受溫度補償電壓Vt的控制，改變Vt可以改變MP24的導通電阻，從而改變反相器的延遲時間，補償輸出信號頻率隨溫度的變化。恰當設(shè)計延遲單元和溫度傳感器的參數(shù)，就能使受溫度影響的頻率變化剛好被補償，使得輸出信號頻率幾乎不隨溫度變化。
圖4是本發(fā)明提出的溫度傳感電路圖。MN10、MP10、MP11三個晶體管各自的柵極和漏極相連，構(gòu)成三個二極管，三個二極管正向串連構(gòu)成偏置分壓器。二極管的正向電壓具有負的溫度系數(shù)，即溫度升高，正向電壓降低；溫度降低，正向電壓升高。二極管正向電壓的溫度系數(shù)很小，我們通過恰當設(shè)計MP10、MN10和MP11管的寬長比，使得節(jié)點電壓Vn能隨溫度產(chǎn)生較大的變化。晶體管MN11和MP12構(gòu)成電壓放大器，Vn經(jīng)過MN11晶體管的放大作用，產(chǎn)生較大的溫度補償電壓Vt，Vt控制單端延遲單元的負載管MP24的導通電阻，來補償延遲單元的延遲時間，也就是補償了VCO輸出頻率隨溫度的變化。在電壓放大器中，晶體管MP12是放大管MN11的負載，其柵極受外界電壓Vc的控制，也即放大器的放大倍數(shù)受Vc的控制。這是因為VCO的振蕩頻率受溫度影響的程度是隨Vc變化而變化的，不同的Vc下變化相同的溫度所需要的補償電壓Vt是不相同的，所以我們引入Vc來控制放大器的放大倍數(shù)，使得VCO的輸出頻率在不同的Vc下都能得到相應的溫度補償，在整個Vc動態(tài)范圍內(nèi)都能保持和溫度沒有變化前一致。
圖5和圖6是本發(fā)明的差分延遲單元環(huán)路壓控振蕩器實施例結(jié)構(gòu)框圖。它由連接成環(huán)狀的N個具有溫度補償功能的差分延遲單元和溫度傳感電路兩部分構(gòu)成，N是大于等于2的偶數(shù)或奇數(shù)，其中圖5是N為偶數(shù)時的環(huán)路連接方式；圖6是N為奇數(shù)時的環(huán)路連接方式。它們的延遲單元有(1)模擬信號輸入端Vc；(2)溫度補償控制端Vt；(3)差分輸入輸出端Vin-、Vin+、Vout-、Vout+。模擬電壓Vc來自環(huán)路濾波器的輸出，Vc控制每一個延遲單元的導通程度來改變延遲時間，從而改變輸出信號頻率。當溫度變化導致VCO輸出信號頻率改變時，溫度傳感電路感知溫度的變化，使溫度補償控制電壓Vt產(chǎn)生相應的變化，控制延遲單元電路的導通程度進行頻率補償，使得VCO輸出信號頻率與原來一致。同時溫度傳感電路受到Vc的控制，使得壓控振蕩器的輸出頻率在不同的Vc下都能得到相應的溫度補償，都能保持和溫度沒有變化前一致。
圖7是本發(fā)明的以PMOS晶體管為負載的差分延遲單元電路圖。它由2個差分輸入管MN1和MN2，6個并聯(lián)的負載管MP1、MP2、MP3、MP4、MP5和MP6，2個差分輸入端Vin-和Vin+，1個電壓控制端Vc，1個溫度補償端Vt，2個差分輸出端Vout-和Vout+構(gòu)成。其中，負載管MP1、MP2起正反饋加速延遲單元導通的作用；負載管MP3、MP4受外界電壓Vc的控制，用作壓控調(diào)節(jié)輸出信號頻率；負載管MP5和MP6受溫度補償電壓Vt的控制，用作輸出信號頻率的溫度補償。
圖5和圖6中的溫度傳感電路圖仍然和圖4一樣，溫度補償電壓Vt控制差分延遲單元的負載管MP5和MP6的導通程度，來補償延遲單元的延遲時間，也就是補償了VCO輸出頻率隨溫度的變化。
我們把本發(fā)明的差分延遲單元構(gòu)成的環(huán)路壓控振蕩器實施例應用到鎖相環(huán)中，對鎖相環(huán)進行了電路設(shè)計以及版圖設(shè)計，設(shè)計的VCO增益為20MHz/V。我們的計算機后仿真結(jié)果顯示，在-25℃～125℃以及更大的溫度范圍內(nèi)，鎖相環(huán)能夠很好的工作，證明本發(fā)明是切實可行的。
權(quán)利要求
1.一種環(huán)路壓控振蕩器，由連接成環(huán)狀的N個延遲單元和溫度補償電路兩部分構(gòu)成，其特征在于，延遲單元的負載晶體管上并聯(lián)有用作溫度補償?shù)呢撦d管，可以受到溫度補償電壓的控制來調(diào)節(jié)輸出信號頻率，以補償溫度變化導致的輸出頻率誤差，使得輸出頻率在不同溫度下保持一致。
2.一種環(huán)路壓控振蕩器，由連接成環(huán)狀的N個延遲單元和溫度補償電路兩部分構(gòu)成，其特征在于，溫度補償電路由溫度傳感器和電壓放大器構(gòu)成，溫度傳感器由二極管構(gòu)成，而電壓放大器的放大倍數(shù)受該壓控振蕩器的外接電壓Vc控制，使得壓控振蕩器的輸出頻率在不同的Vc下都能得到相應的溫度補償，保持和溫度沒有變化前一致。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的環(huán)路壓控振蕩器，其特征在于，延遲單元由單端延遲單元電路構(gòu)成，單端延遲單元電路由一對反相放大管MN23和MP23、兩個并聯(lián)的負載管MP22、MP24、一個二極管MN24、以及電壓控制端Vc、溫度補償端Vt、輸入端Vin、輸出端Vout構(gòu)成，其中，MN23和MP23構(gòu)成單端反相器作基本的延時單元，負載管MP22受外界電壓Vc的控制，改變Vc可以改變MP22的導通電阻，從而改變反相器的延遲時間，達到壓控調(diào)節(jié)輸出信號頻率的目的，負載管MP24受溫度補償電壓Vt的控制，改變Vt可以改變MP24的導通電阻，從而改變反相器的延遲時間，補償輸出信號頻率隨溫度的變化。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的環(huán)路壓控振蕩器，其特征在于，延遲單元由差分延遲單元電路構(gòu)成，差分延遲單元電路由2個差分輸入管MN1和MN2，6個并聯(lián)的負載管MP1、MP2、MP3、MP4、MP5和MP6，2個差分輸入端Vin-和Vin+，1個電壓控制端Vc，1個溫度補償端Vt，2個差分輸出端Vout-和Vout+構(gòu)成，其中，負載管MP1、MP2起正反饋加速延遲單元導通的作用；負載管MP3、MP4受外界電壓Vc的控制，用作壓控調(diào)節(jié)輸出信號頻率；負載管MP5和MP6受溫度補償電壓Vt的控制，用作輸出信號頻率的溫度補償。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的環(huán)路壓控振蕩器，其溫度補償電路的特征在于，MN10、MP10、MP11三個晶體管各自的柵極和漏極相連，構(gòu)成三個二極管，三個二極管正向串連構(gòu)成溫度敏感的偏置分壓器，MN10的漏極電壓Vn隨著溫度的變化而變化，晶體管MN11和MP12構(gòu)成電壓放大器，其中晶體管MP12是放大管MN11的負載，電壓放大器把Vn放大，輸出溫度補償電壓信號Vt。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種具有溫度補償效應的環(huán)路壓控振蕩器，它由連接成環(huán)狀的N個帶溫度補償?shù)难舆t單元和溫度補償電路兩部分構(gòu)成，其延遲單元是在普通的反相器的基礎(chǔ)上，在其負載管上并聯(lián)一個或多個MOS管，使其受到溫度補償電壓的控制來調(diào)節(jié)導通程度，從而補償溫度變化所引起的頻率變化。其溫度補償電路由溫度傳感器和電壓放大器構(gòu)成，溫度傳感器由二極管構(gòu)成，而電壓放大器的放大倍數(shù)受該壓控振蕩器的外接電壓V
文檔編號H03L7/08GK1968006SQ20051008690
公開日2007年5月23日 申請日期2005年11月17日 優(yōu)先權(quán)日2005年11月17日
發(fā)明者鄺小飛, 吳南健, 王海永 申請人:中國科學院半導體研究所