專利名稱：一種能抑制電源噪聲的低電壓壓控振蕩器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于鎖相環(huán)技術(shù)中的壓控振蕩器領(lǐng)域，是一種能抑制電源噪聲的低電源電壓壓控振蕩器，能夠改善鎖相環(huán)的時(shí)鐘抖動特性，適用于低功耗設(shè)計(jì)。
背景技術(shù)：
壓控振蕩器是鎖相環(huán)的重要組成部分，壓控震蕩器的輸出時(shí)鐘經(jīng)過分頻和鎖相環(huán)的輸入?yún)⒖紩r(shí)鐘比較，再經(jīng)過鑒相、濾波，實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘相位鎖定、時(shí)鐘抖動過濾、頻率綜合等鎖相環(huán)功能。壓控振蕩器的基本結(jié)構(gòu)是環(huán)形振蕩器，環(huán)形振蕩器的振蕩頻率由輸入的控制電壓決定，理想情況下壓控振蕩器的輸出時(shí)鐘的振蕩頻率和控制電壓成線性關(guān)系。壓控振蕩器產(chǎn)生的時(shí)鐘的邊沿出現(xiàn)在理想時(shí)間點(diǎn)的前后，這種邊沿位置的不確定經(jīng)過幾個時(shí)鐘周期的累加，反映到鎖相環(huán)輸出，會產(chǎn)生較大的時(shí)鐘抖動。在數(shù)據(jù)通信領(lǐng)域，時(shí)鐘抖動會使采樣時(shí)鐘和被采樣的數(shù)據(jù)相位偏移，特別是在高速數(shù)據(jù)通信中，由于每個數(shù)據(jù)的采樣時(shí)間窗口較短，時(shí)序上的偏差有可能使采樣時(shí)鐘的邊沿錯過數(shù)據(jù)采樣窗口，產(chǎn)生誤碼，影響通信系統(tǒng)·的穩(wěn)定性。壓控振蕩器輸出的時(shí)鐘抖動的主要來源是電源電壓的噪聲，這種噪聲引起組成環(huán)形振蕩器的各個延時(shí)單元延遲時(shí)間的不確定，導(dǎo)致振蕩頻率隨電源電壓而變化。開關(guān)電源產(chǎn)生的電壓紋波是壓控振蕩器工作電源上噪聲的主要來源之一；其次在芯片系統(tǒng)集成中，鎖相環(huán)通常和大規(guī)模數(shù)字電路集成在一個芯片上，大量數(shù)字電路在工作中由于寄存狀態(tài)的翻轉(zhuǎn)向電源線注入大量的噪聲。為減小壓控振蕩器產(chǎn)生的時(shí)鐘抖動，現(xiàn)行的方法通常是在芯片輸入電源和環(huán)形振蕩器之間插入一個源極跟隨器，隔離來自電源的噪聲。但是源極跟隨器所消耗的電壓裕量會使得現(xiàn)行壓控振蕩器在低電源電壓下的實(shí)現(xiàn)變得困難，不利于低功耗設(shè)計(jì)；其次在采用先進(jìn)的深亞微米技術(shù)甚至納米技術(shù)工藝下，源極跟隨器的主要元件NMOS晶體管在飽和工作區(qū)的輸出電阻變小，對電源噪聲的隔離效果并不理想。本專利發(fā)明了一種高效隔離電源噪聲的新型濾波器結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)消耗的電壓裕量較小，利于壓控振蕩器在低電源電壓下工作；本發(fā)明還克服了先進(jìn)工藝下器件特性變差的缺陷，較好地阻隔來自電源的噪聲。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是一種能抑制電源噪聲的低電壓壓控振蕩器，包含一個環(huán)形振蕩器和一個電源噪聲濾波器。所述環(huán)形振蕩器的振蕩頻率由輸入的參考電壓控制，所述環(huán)形振蕩器的偏置電壓來自所述電源噪聲濾波器的輸出。由于所述電源噪聲濾波器對于電源噪聲的隔離作用，所述環(huán)形振蕩器的振蕩頻率不受電源噪聲的影響。所述環(huán)形振蕩器工作在負(fù)反饋模式，包含一串首尾相連的相同的延時(shí)單元，每個延時(shí)單兀有一對差分輸入端、一對差分輸出端、一個電壓控制端和一個電壓偏置端，延遲單元的個數(shù)由實(shí)際應(yīng)用所要求的振蕩頻率范圍決定。每級延時(shí)單元的差分輸入端和上級延時(shí)單元的差分輸出端連接，每級延時(shí)單元的差分輸出端和下級延時(shí)單元的差分輸入端連接，這樣首尾相連形成環(huán)形電路。所有延時(shí)單元的電壓控制端短接在一起，電壓控制端的電壓來自外部輸入信號，控制每個延時(shí)單元的延遲時(shí)間。電壓偏置端接所述電源噪聲濾波器的輸出端。所述延時(shí)單元電路結(jié)構(gòu)包括第一和第二 PMOS晶體管和第一至第四NMOS晶體管。所述第一和第二 PMOS晶體管的源極短接在一起，和所述電壓偏置端連接，第一和第二 PMOS晶體管的柵極分別作為延時(shí)單元的正相輸入端和反相輸入端，第一和第二 PMOS晶體管的漏極分別作為延時(shí)單元的反相輸出端和正相輸出端。第一和第二 NMOS晶體管的漏極分別接反相輸出端和正相輸出端，其柵極短接，并作為所述延時(shí)單元的電壓控制端，其源極均接地。第三和第四NMOS晶體管的漏極分別接反相輸出端和正相輸出端，其柵極分別接正相輸出端和反相輸出端，其源極分別接地。第三和第四NMOS晶體管構(gòu)成交叉耦合結(jié)構(gòu)，形成一個負(fù)電阻，與第一和第二 NMOS晶體管并聯(lián)。所述電源噪聲濾波器包含一個PMOS晶體管、一個運(yùn)算放大器和一個電平轉(zhuǎn)換器。 所述電平轉(zhuǎn)換器一端和所述電壓控制端相連，另一端和所述運(yùn)算放大器的反相輸入端連接，所述電平轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)電平的變化，用來升高電壓控制端輸入的電壓。所述運(yùn)算放大器的輸出端接所述PMOS晶體管的柵極，正相輸入端和所述PMOS晶體管的漏極相連，所述PMOS晶體管的源極接電源電壓，所述PMOS晶體管的漏極作為所述電源噪聲濾波器的輸出。所述運(yùn)算放大器和PMOS晶體管構(gòu)成一個負(fù)反饋環(huán)路，使所述電源噪聲濾波器的輸出穩(wěn)定在電平轉(zhuǎn)換器的輸出電壓，實(shí)現(xiàn)抑制電源電壓的噪聲。


圖I所示為現(xiàn)行壓控振蕩器結(jié)構(gòu)。圖2所示為一種現(xiàn)行延時(shí)單元電路結(jié)構(gòu)。圖3所示為本發(fā)明提出的能抑制電源噪聲的壓控振蕩器結(jié)構(gòu)。
具體實(shí)施例方式圖I是現(xiàn)行使用的一種壓控振蕩器結(jié)構(gòu)，包括延時(shí)單元11至13、NMOS晶體管14和電平轉(zhuǎn)換器15。所述延時(shí)單元11至13首尾環(huán)形相連組成環(huán)形振蕩器，延時(shí)單元級數(shù)由實(shí)際要求的振蕩頻率范圍決定，延時(shí)單元的延遲時(shí)間由電壓控制端V。決定。NMOS晶體管14和電平轉(zhuǎn)換器15組成電源噪聲濾波器，NMOS晶體管14工作在飽和區(qū)，形成源極跟隨器，其源極電壓由參考電壓Vqi減去一個Ves決定，和電源電壓無關(guān)，有效地阻隔了電源上的噪聲電壓，所述源極電壓為所述環(huán)形振蕩器的偏置電壓\。電平轉(zhuǎn)換器15通過對\的升壓為NMOS晶體管14提供適當(dāng)?shù)膮⒖茧妷篤CH。圖2為所述環(huán)形振蕩器中延時(shí)單元的電路結(jié)構(gòu)，包括PMOS晶體管21和22、NMOS晶體管23至26。PMOS晶體管21和22的源極短接并由電壓偏置端Vk供電，PMOS晶體管的21和22的柵極連接差分輸入IP和IN、漏極分別和NMOS晶體管23和24的漏極相連。NMOS晶體管23和24的源極接地、柵極和電壓控制端V。短接在一起，NMOS晶體管23和24作為差分結(jié)構(gòu)的電阻負(fù)載，其漏極作為差分輸出OP和0N。所述延時(shí)單元的延遲時(shí)間與輸出端OP和ON的輸出電阻和在該節(jié)點(diǎn)的電容的乘積成正比，通過輸入電壓控制端V。改變NMOS晶體管23和24的電阻值，就能調(diào)節(jié)延時(shí)單元的延遲時(shí)間。NMOS晶體管25和26的源極接地，漏極和柵極交叉耦合連接，并和輸出端OP和ON連接，該結(jié)構(gòu)用于抑制共模信號，促使由延時(shí)單元組成的所述環(huán)形振蕩器工作在差分放大的模式。圖I所示壓控振蕩器工作時(shí)在所述延時(shí)單元的輸出端產(chǎn)生差分時(shí)鐘信號，當(dāng)所述延時(shí)單元的輸入端與輸出端IP、IN、OP、ON達(dá)到相同的電平時(shí)，Vk需要至少大于2Vgs才能保證晶體管21、22、25和26導(dǎo)通工作。NMOS晶體管14工作在飽和區(qū)，Vai必須大于VK+Ves，也即電源電壓必須大于3Ves才能保證圖I所示壓控振蕩器的正常直流偏置。在深亞微米和納米工藝條件下，電源電壓已低至IV或IV以下，上述正常直流偏置的要求已經(jīng)限制了所述壓控振蕩器結(jié)構(gòu)在低電源電壓下的應(yīng)用。其次，在先進(jìn)的深亞微米和納米工藝條件下，NMOS晶體管14的溝道長度調(diào)制效應(yīng)非常顯著，電源電壓的變化會導(dǎo)致NMOS晶體管的電流的變化，對電源噪聲的抑制能力大大下降，時(shí)鐘抖動增加。最后，NMOS晶體管14的襯底端接地，不和源極短接，來自襯底的電壓變化在源極和襯底間形成噪聲，改變晶體管14中的工作電流，引起時(shí)鐘抖動的增加。圖3所示為本發(fā)明提出的能抑制電源噪聲的壓控振蕩器結(jié)構(gòu)，包括由延時(shí)單元組 成的環(huán)形振蕩器、電平轉(zhuǎn)換器15、運(yùn)算放大器31和PMOS晶體管32。電平轉(zhuǎn)換器15通過對輸入端V。的升壓輸出適當(dāng)?shù)钠秒娢籚qi，偏置電位Vai為運(yùn)算放大器31的參考電壓。運(yùn)算放大器31和PMOS晶體管32構(gòu)成一個閉合負(fù)反饋回路，將Vr和Vch的電位鉗位在一起，有效地過濾來自于電源的噪聲。其次，PMOS晶體管32可以工作在飽和區(qū)，也可以工作在線性區(qū)，Vdd可以低至接近Vk的電壓值，也即Vdd最低為2Ves時(shí)就能滿足環(huán)形振蕩器的工作電壓偏置的要求。本發(fā)明和圖I所示的現(xiàn)行壓控振蕩器相比，電源電壓降低33%。最后，PMOS晶體管32的襯底和源極均接電源電壓VDD，保持襯底和源極間電壓差為零，避免了襯底噪聲對PMOS晶體管工作電流的影響。所述電源噪聲濾波器中的電平轉(zhuǎn)換器15的結(jié)構(gòu)可以多種多樣，包括但不限于源極跟隨器、電阻分壓網(wǎng)絡(luò)、DC-DC轉(zhuǎn)換器等。所述環(huán)形振蕩器中的延時(shí)單元級數(shù)由具體設(shè)計(jì)所需的振蕩頻率范圍決定，所述環(huán)形振蕩器的結(jié)構(gòu)既可以由差分放大延時(shí)單元構(gòu)成，也可以由單端信號延時(shí)單元組成。另外，所述壓控振蕩器中的環(huán)形振蕩器還可以由其他結(jié)構(gòu)的振蕩器替代，包括但不限于LC振蕩器等。
權(quán)利要求
1.本發(fā)明是一種能抑制電源噪聲的低電壓壓控振蕩器，屬于鎖相環(huán)技術(shù)中的壓控振蕩器領(lǐng)域，該裝置能夠改善鎖相環(huán)的時(shí)鐘抖動特性，適用于低功耗設(shè)計(jì)。
2.根據(jù)權(quán)利要求書I所述的一種能抑制電源噪聲的低電壓壓控振蕩器包括至少一個環(huán)路振蕩器和一個電源噪聲濾波器。
3.根據(jù)權(quán)利要求書2所述的環(huán)路振蕩器，其包含的延時(shí)單元級數(shù)由具體設(shè)計(jì)所需的振蕩頻率范圍決定，所述環(huán)形振蕩器的結(jié)構(gòu)既可以由差分放大延時(shí)單元構(gòu)成，也可以由單端信號延時(shí)單元組成；另外，所述環(huán)形振蕩器還可以由其他結(jié)構(gòu)的振蕩器替代，包括但不限于LC振蕩器等。
4.根據(jù)權(quán)利要求書2所述的電源噪聲濾波器包含至少PMOS晶體管32和運(yùn)算放大器31，運(yùn)算放大器31的反相輸入端可以是一個獨(dú)立的參考電壓，其特點(diǎn)是運(yùn)算放大器31和PMOS晶體管32構(gòu)成的負(fù)反饋環(huán)路濾除來自電源的噪聲，該裝置消耗的電壓裕量較小，適用于低電壓電路設(shè)計(jì)。
5.根據(jù)權(quán)利要求書2所述的電源噪聲濾波器除PMOS晶體管32、運(yùn)算放大器31外，還可以增加電平轉(zhuǎn)換器15，通過對壓控振蕩器控制電壓的升壓，為運(yùn)算放大器31的反相輸入端提供參考電壓。
6.根據(jù)權(quán)利要求書4所述的運(yùn)算放大器31，其電路設(shè)計(jì)可多種多樣，包含但不限于套筒式運(yùn)算放大器、折疊式運(yùn)算放大器、軌到軌運(yùn)算放大器等。
7.根據(jù)權(quán)利要求書4所述的電平轉(zhuǎn)換器15的設(shè)計(jì)可以多種多樣，輸出電壓與輸入電壓保持一定關(guān)系，實(shí)現(xiàn)方法有但不限于源極跟隨器、電阻分壓結(jié)構(gòu)、DC-DC轉(zhuǎn)換器等。
8.根據(jù)權(quán)利要求書5所述的電平轉(zhuǎn)換器15的輸入端既可以是所述壓控振蕩器的電壓控制端，也可以是獨(dú)立的偏置電壓。
全文摘要
本發(fā)明公布了一種能抑制電源噪聲的低電壓壓控振蕩器，所述電源噪聲濾波器消耗的電壓裕量較小，對電源噪聲的抑制能力高，利于壓控振蕩器在低電壓下工作。本發(fā)明和現(xiàn)行以源極跟隨器為核心的電源噪聲濾波器相比，電源電壓能降低33%。本發(fā)明包括一個環(huán)路振蕩器和一個電源噪聲濾波器，輸入的控制電壓在調(diào)整環(huán)路振蕩器的振蕩頻率的同時(shí)，還通過電平轉(zhuǎn)換器的升壓作為電源噪聲濾波器的參考電壓。本發(fā)明可用于各種鎖相環(huán)系統(tǒng)中，特別是低電源電壓的鎖相環(huán)系統(tǒng)。
文檔編號H03L7/099GK102843132SQ20121004767
公開日2012年12月26日 申請日期2012年2月28日 優(yōu)先權(quán)日2012年2月28日
發(fā)明者蓋偉新, 何金杰 申請人:無錫芯騁微電子有限公司