專利名稱：一種多程環(huán)振蕩器的離散頻率調節(jié)方法
技術領域：
本發(fā)明涉及芯片設計，尤其是一種多程環(huán)振蕩器的離散頻率調節(jié)方法，在設計多程環(huán)振蕩器的延遲單元時，將輔助環(huán)路設計為固定輔助環(huán)路和可變輔助環(huán)路，并依靠控制電路來調節(jié)延遲單元的電源電壓和可變輔助環(huán)路的共模點電壓，根據(jù)芯片的實際測試頻率，選擇性地切換控制電路中的控制點，以此來對芯片的工作頻率范圍進行調節(jié)。
背景技術：
在邏輯電路和無線通信系統(tǒng)中，時鐘或載波的質量是確保系統(tǒng)能否正常工作的關鍵因素.對時鐘而言，時間抖動(Jitter)是評價其質量的重要標準；對于載波而言，相位噪聲(Phase Noise)是評價其質量的重要標準.實際上,時間抖動和相位噪聲都是附加在理想正弦信號上的隨機噪聲.因此，如何減小這種附加噪聲是設計者最為關注的方面之 一.隨著芯片性能的不斷提升，對時鐘頻率的要求也越來越高，例如個人電腦的主頻早已達到了 GHz并不斷提高.除了依靠工藝進步帶來了器件尺寸的縮小外，還必須通過結構的設計來滿足對超高頻時鐘產生模塊的需求.在CMOS邏輯工藝中，環(huán)振蕩器是時鐘產生電路最常見形式，其具有多相位差分輸出和面積緊湊的特點，但是工作頻率和相位噪聲都比較受限.因此，提升環(huán)振蕩器的振蕩頻率和優(yōu)化其相位噪聲是芯片設計人員努力的方向.多程環(huán)振蕩器(Multi-pass Ring Oscillator)是一種考慮了頻率提升和相位噪聲優(yōu)化的結構.其原理可以簡單描述如下振蕩環(huán)路由級聯(lián)的延遲單元構成，每個延遲單元包含主振蕩環(huán)路和輔助振蕩環(huán)路，輔助振蕩環(huán)路先于主振蕩環(huán)路啟動，進而縮小延遲單元的延遲時間；由于增益級晶體管周期性的短時間導通，噪聲只能少量地注入到振蕩環(huán)路中，再加上振蕩信號接近滿擺幅，因此可以達到提升振蕩頻率和優(yōu)化相位噪聲的雙重目的.參考文獻[1]C. H. Park, and B. Kim, “A Low-Noise, 900-MHz VCO in 0. 6-mm CMOS, ” IEEEJ.Solid State Circuits，vol. 34，pp.586-591，May 1999.[2] Yalcin Alper Eken，and John P.Uyemura，“A 5. 9~GHz Voltage-ControlledRing Oscillator inO. 18 u m CMOS，”1EEE J. Solid State Circuits，vol. 39，pp. 230-233，Jan. 2004.

發(fā)明內容
一般來說，批量生產芯片時，同批次的晶片存在較為一致的偏向性，即芯片的振蕩頻率整體往上漂或者整體往下漂.基于當前的設計水平和生產水平，環(huán)振蕩器的設計振蕩頻率范圍與實際測試結果很難做到完全相同，原因在于工藝的穩(wěn)定性以及有限的仿真設計手段.雖然環(huán)振蕩器具有一定頻率范圍內的連續(xù)可調能力，但是仍然面臨頻率范圍偏高或者偏低的問題.為確保良率，最好在設計階段加入對頻率調節(jié)的考慮，增加設計上的冗余量.該方案必須具有易于實現(xiàn)且性能影響小的雙向調節(jié)能力，即能夠對振蕩頻率進行整體性地提升或者降低.在多程環(huán)振蕩器中，可供調節(jié)的參數(shù)很有限，造成了雙向調節(jié)能力的設計難度.為解決上述問題，本發(fā)明主要目的在于提供一種多程環(huán)振蕩器的離散調節(jié)頻率的方法.在設計多程環(huán)振蕩器時，通過控制電路調節(jié)延遲單元中可調輔助增益級共模點的等效反饋電阻來改變上述可調輔助增益級的驅動能力，以此調節(jié)延遲單元的延遲時間進而實現(xiàn)對振蕩頻率的離散調節(jié).
為獲致上述的目的，本發(fā)明的多程環(huán)振蕩器的離散頻率調節(jié)方法，通過調節(jié)延遲單元中輔助增益級的驅動能力來對多程環(huán)振蕩器的振蕩頻率進行調節(jié)，而該輔助增益級的驅動能力由其源極的負反饋電阻來調節(jié)，該源極負反饋電阻由開關陣列控制的等效電阻網(wǎng)絡實現(xiàn).依靠本發(fā)明的多程環(huán)振蕩器得離散頻率調節(jié)方法，可以使多程環(huán)振蕩器產生多條離散的調諧曲線，擴大了頻率的覆蓋范圍，增強了抗工藝波動的能力，可以有效提高芯片的良率.


圖I是傳統(tǒng)的多程環(huán)振蕩器的原理圖；圖2是多程環(huán)振蕩器器中延遲單元的結構圖；圖3是根據(jù)本發(fā)明實施的輔助增益級的原理圖；圖4是根據(jù)本發(fā)明實施的具備離散頻率調節(jié)能力的多程環(huán)振蕩器的原理圖；圖5是根據(jù)本發(fā)明實施的可變電阻的原理圖；圖6是根據(jù)本發(fā)明實施的多程環(huán)振蕩器的頻率覆蓋范圍.圖中元件參數(shù)說明11延遲單元111輔助增益級112主增益級113連續(xù)調節(jié)負載12可變電阻FC輔助增益級的共模點Rs等效可調電阻Rl/R2/Rn電阻Sffl/SW2/Sffn控制開關P+/P-主增益級端口信號S+/S-輔助增益級端口信號
具體實施例方式如圖I所示，傳統(tǒng)的N級多程環(huán)振蕩器由N個相同的延遲單元級聯(lián)成一個閉合環(huán)(N彡2).其中，如圖2所示，延遲單元11為差分結構(輸出信號為OUT+和0UT-)，上述延遲單元由連續(xù)調節(jié)負載113(控制信號為VCTRL)，主增益級112 (控制信號為P+和P-)以及輔助增益級111 (控制信號為S+和S-)共同組成.上述連續(xù)調節(jié)負載具有隨VCTRL連續(xù)調節(jié)振蕩頻率的能力；上述主增益級由該延遲單元的前一級延遲單元的輸出驅動；上述輔助增益級由該延遲單元的前兩級延遲單元的輸出驅動.正常工作時，以延遲單元11為例，由于其輔助增益級111的控制信號脈沖比其主增益級112的控制信號脈沖先到來，導致輔助增益級111比主增益級112提前啟動，輔助增益級111加快了該延遲單元11輸出端口電平Ql+和Ql-的切換速度，不僅降低了環(huán)路的相位噪聲(陡峭的上升/下降沿使噪聲注入振蕩環(huán)路的時間比例降低，進而使相位噪聲性能得到改善)，還提升了環(huán)路振蕩頻率(延遲單元11的延遲時間為Tdelay,環(huán)路的振蕩頻率等于l/2/N/Tdelay,顯然Tdelay的減小會導致環(huán)振蕩器振蕩頻率的上升) 根據(jù)上述分析，很容易進一步推論在參數(shù)不變時，增強輔助增益級可以提升振蕩頻率.圖3給出的是上述多程環(huán)振蕩器中延遲單元的輔助增益級的具體實現(xiàn)方式，分別采用的是基于PMOS晶體管差分對結構和基于NMOS晶體管差分對結構.這種差分放大結構的驅動能力是與其有效跨導成正向比例關系的.圖4給出的是基于本發(fā)明實施的具備離散頻率調節(jié)能力的多程環(huán)振蕩器原理圖，與圖I中所示傳統(tǒng)的多程環(huán)振蕩器相比，輔助增益級的共模點不再是一個固定電平，而是一個可以控制的可變電阻12.圖5給出了可變電阻12的三種具體實現(xiàn)方式(I)開關控制的并聯(lián)PMOS晶體管陣列；(2)開關控制的并聯(lián)NMOS晶體管陣列；(3)開關控制的串并聯(lián)混合結構的電阻網(wǎng)絡.可變電阻12的等效電阻值為Rs，上述等效電阻Rs是上述輔助增益級111的源極負反饋電阻，上述多程環(huán)振蕩器的振蕩波形是接近于滿擺幅的周期電壓脈沖，是大信號的振蕩波形，當上述輔助增益級111的柵極-源極電壓差很大時，該輔助增益級111的有效跨導~ 1/Rs.結合上述的分析結論，振蕩環(huán)路的振蕩頻率可以依靠對可變電阻12的調節(jié)來實 現(xiàn).當可變電阻12增加時，振蕩頻率下降；當可變電阻12減小時，振蕩頻率上升.如此，可以實現(xiàn)多條離散的頻率調諧曲線，如圖6所示.進一步來看，本發(fā)明中將所有延遲單元的輔助增益級共模點都接至的同一點FC，有利于穩(wěn)定上述輔助增益級共模點FC的電平，對環(huán)路的相位噪聲性能有幫助.此外，由于可變電阻的共模特性，不用擔心其與某一級延遲單元之間得串擾影響，因此從版圖設計上來看，可變電阻的布局和位置可以很靈活去實現(xiàn).設計者實施本發(fā)明所提及的方法后，可以有效增加多程環(huán)振蕩器的頻率覆蓋范圍，而且調節(jié)方式簡單易行.本發(fā)明中列出了一種具體詳盡的示意圖，但是其并非限定了本發(fā)明的范圍，任何集成電路設計者，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內，當可做些許的更改，因此本發(fā)明的保護范圍當以權利要求書所界定為準。
權利要求
1.一種多程環(huán)振蕩器的離散頻率調節(jié)方法，其特征是通過對多程環(huán)振蕩器中延遲單元輔助增益級的驅動能力的調節(jié)來實現(xiàn)該多程環(huán)振蕩器的離散頻率的調節(jié)。
2.如權利要求I所述的一種多程環(huán)振蕩器的離散頻率調節(jié)方法，其特征是輔助增益級由晶體管的差分對放大電路構成，輔助增益級的驅動能力的調節(jié)由差分對放大電路的有效跨導的調節(jié)來實現(xiàn)。
3.如權利要求I或2所述的一種多程環(huán)振蕩器的離散頻率調節(jié)方法，其特征是有效跨導通過差分對放大電路中源極負反饋電阻的調節(jié)來實現(xiàn)。
4.如權利要求3所述的一種多程環(huán)振蕩器的離散頻率調節(jié)方法，其特征是源極負反饋電阻通過開關控制的并聯(lián)形式的晶體管陣列或通過開關控制的串-并聯(lián)混合形式的電阻陣列實現(xiàn)。
全文摘要
一種多程環(huán)振蕩器的離散頻率調節(jié)方法，通過調節(jié)延遲單元中輔助增益級的驅動能力來對多程環(huán)振蕩器的振蕩頻率進行調節(jié)，而該輔助增益級的驅動能力由其源極的負反饋電阻來調節(jié)，該源極負反饋電阻由開關陣列控制的等效電阻網(wǎng)絡實現(xiàn)。
文檔編號H03L7/099GK102739245SQ20111009345
公開日2012年10月17日 申請日期2011年4月14日 優(yōu)先權日2011年4月14日
發(fā)明者潘杰 申請人:北京中電華大電子設計有限責任公司