一种压控振荡器电路

摘要

本发明公开了一种压控振荡器电路，包括：电压转电流模块，用于将PLL低通滤波器的输出的压控电压VC转换为与其相关的电流；压控振荡器，用于在所述电压转电流模块产生的电流的控制下改变输出信号的频率，通过本发明，可有效地增加压控电压VC的使用范围，并能够抑制压控电压VC上的高频噪声干扰。

权利要求

1.一种压控振荡器电路，包括：

电压转电流模块，用于将PLL低通滤波器的输出的压控电压VC转换为与其相关的电流；

压控振荡器，用于在所述电压转电流模块产生的电流的控制下改变输出信号的频率；

所述电压转电流模块包括：

第一电流镜，用于产生固定拉电流偏置I0向外输出以调整压控振荡器的受控范围；

电压电流转换单元，用于将所述压控电压VC转换为线性灌电流I1；

第二电流镜,用于将线性灌电流I1转化为拉电流I1向外输出；

第三电流镜，将所述第一电流镜和第二电流镜输出的固定拉电流偏置I0和拉电流I1合并产生灌电流I2；

第四电流镜，用于将所述第三电流镜产生的灌电流I2转换为拉电流I2向外输出至所述压控振荡器。

2.如权利要求1所述的一种压控振荡器电路，其特征在于，所述第一电流镜包括参考电流源Iref0、第一PMOS管和第二PMOS管，所述第一PMOS管、第二PMOS管的源极连接至电源电压，第一PMOS管的栅极和漏极短接并与参考电流源Iref0的一端和第二PMOS管的栅极相连，所述参考电流源Iref0的另一端接地，所述第二PMOS管的漏极连接至所述第二电流镜、第三电流镜。

3.如权利要求2所述的一种压控振荡器电路，其特征在于：所述电压电流转换单元包括第一NMOS管和第一电阻，所述第一NMOS管漏极接第二电流镜，栅极接所述压控电压VC，源极与第一电阻的一端相连组成节点VB，所述第一电阻的另一端接地。

4.如权利要求3所述的一种压控振荡器电路，其特征在于：所述第二电流镜包括第三PMOS管和第四PMOS管，所述第三PMOS管、第四PMOS管源极接电源电压，第三PMOS管的栅极和漏极短接并与第一NMOS管的漏极和第四PMOS管的栅极相连，第四PMOS管漏极接所述第二PMOS管漏极与第三电流镜。

5.如权利要求4所述的一种压控振荡器电路，其特征在于：所述第三电流镜包括第二电阻、第二NMOS管和第三NMOS管，所述第二PMOS管和第四PMOS管的漏极接所述第二电阻的一端，第二NMOS管的源极和第三NMOS管的源极接地，第二NMOS管的栅极和漏极短接并与第三NMOS管的栅极相连，第三NMOS管的漏极接所述第四电流镜。

6.如权利要求5所述的一种压控振荡器电路，其特征在于：所述第四电流镜包括第五PMOS管和第六PMOS管，所述第五PMOS管和第六PMOS管源极接电源电压，第五PMOS管的栅极和漏极短接并与第六PMOS管的栅极以及第三NMOS管的漏极相连，第六PMOS管的漏极连接至所述压控振荡器。

7.如权利要求1所述的一种压控振荡器电路，其特征在于：所述压控振荡器为电流驱动型环形振荡器。

8.如权利要求7所述的一种压控振荡器电路，其特征在于：所述压控振荡器包括奇数个首尾相连的反相器，所述电压转电流模块输出的电流连接至各反相器的电流控制端。

9.如权利要求6所述的一种压控振荡器电路，其特征在于：所述压控振荡器包括奇数个首尾相连的反相器，所述第六PMOS管的漏极连接至各反相器的电流控制端。

说明书

一种压控振荡器电路

技术领域

[0001] 本发明涉及一种压控振荡器电路，特别是涉及一种用于PLL(Phase Locked Loop，锁相环)中的新型的压控振荡器电路。

背景技术

[0002] 在锁相环(PLL)设计中，压控振荡器(Voltage Controlled Oscillator，VCO)是核心模块之一。以电荷泵型PLL为例，在工作中，电荷泵将鉴频检相器的输出转化为脉冲电流，
经低通滤波器后转化为直流电压VC作为压控振荡器的电压控制信号。因此对于压控振荡器
来说，VC作为它的输入，频率作为它的输出，同时它的振荡频率直接决定了PLL可以工作的
频率范围。

[0003] 常用的压控振荡器以多级单端或差分的反相器级联构成的环形振荡器为主，通过控制电压VC来改变反相器的输出端等效电阻或者等效电容来改变环形振荡器的振荡频率。

[0004] 图1为现有技术中一种常用压控振荡器的示意图。由奇数个反相器构成环形振荡器，由滤波器的输出电压VC控制的PMOS管给环形振荡器提供驱动。VC不同，PMOS管给环形振
荡器提供的电流能力也将不同，进而有不同的振荡频率输出。

[0005] 现有技术这种直接由VC控制的环形振荡器，一是对于VC上任何的噪声干扰，都会在频率上得到体现，即噪声抑制能力较弱；二是在VC的使用范围受限，PMOS提供的电流与VC
电压非线性，那么PLL频率变化时，容易在PLL的输出上产生抖动。

发明内容

[0006] 为克服上述现有技术存在的不足，本发明之目的在于提供一种压控振荡器电路，有效地增加压控电压VC的使用范围，并能够抑制压控电压VC上的高频噪声干扰。

[0007] 为达上述及其它目的，本发明提出一种压控振荡器电路，包括：

[0008] 电压转电流模块，用于将PLL低通滤波器的输出的压控电压VC转换为与其相关的电流；

[0009] 压控振荡器，用于在所述电压转电流模块产生的电流的控制下改变输出信号的频率。

[0010] 进一步地，所述电压转电流模块包括：

[0011] 第一电流镜，用于产生固定拉电流偏置I0向外输出以调整压控振荡器的受控范围；

[0012] 电压电流转换单元，用于将所述压控电压VC转换为线性灌电流I1；

[0013] 第二电流镜,用于将线性灌电流I1转化为拉电流I1向外输出；

[0014] 第三电流镜，将所述第一电流镜和第二电流镜输出的固定拉电流偏置I0和拉电流I1合并产生灌电流I2；

[0015] 第四电流镜，用于将所述第三电流镜产生的灌电流I2转换为拉电流I2向外输出至所述压控振荡器。

[0016] 进一步地，所述第一电流镜包括参考电流源Iref0、第一PMOS管和第二PMOS管，所述第一PMOS管、第二PMOS管的源极连接至电源电压，第一PMOS管的栅极和漏极短接并与参
考电流源Iref0的一端和第二PMOS管的栅极相连，所述参考电流源Iref0的另一端接地，所
述第二PMOS管的漏极连接至所述第二电流镜、第三电流镜。

[0017] 进一步地，所述电压电流转换单元包括第一NMOS管和第一电阻，所述第一NMOS管漏极接第二电流镜，栅极接所述压控电压VC，源极与第一电阻的一端相连组成节点VB，所述
第一电阻的另一端接地。

[0018] 进一步地，所述第二电流镜包括第三PMOS管和第四PMOS管，所述第三PMOS管、第四PMOS管源极接电源电压，第三PMOS管的栅极和漏极短接并与第一NMOS管的漏极和第四PMOS
管的栅极相连，第四PMOS管漏极接所述第二PMOS管漏极与第三电流镜。

[0019] 进一步地，所述第三电流镜包括第二电阻、第二NMOS管和第三NMOS管，所述第二PMOS管和第四PMOS管的漏极接所述第二电阻的一端，第二NMOS管的源极和第三NMOS管的源
极接地，第二NMOS管的栅极和漏极短接并与第三NMOS管的栅极相连，第三NMOS管的漏极接
所述第四电流镜。

[0020] 进一步地，所述第四电流镜包括第五PMOS管和第六PMOS管，所述第五PMOS管和第六PMOS管源极接电源电压，第五PMOS管的栅极和漏极短接并与第六PMOS管的栅极以及第三
NMOS管的漏极相连，第六PMOS管的漏极连接至所述压控振荡器。

[0021] 进一步地，所述压控振荡器为电流驱动型环形振荡器。

[0022] 进一步地，所述压控振荡器包括奇数个首位相连的反相器，所述电压转电流模块输出的电流连接至各反相器的电流控制端。

[0023] 进一步地，所述压控振荡器包括奇数个首位相连的反相器，所述第六PMOS管的漏极连接至各反相器的电流控制端。

[0024] 与现有技术相比，本发明一种压控振荡器电路通过利用电压转电流模块将PLL低通滤波器输出的压控电压VC转换为与其相关的电流，然后利用该电流控制电流驱动型环形
振荡器的工作频率，使得环形振荡器不再直接受压控电压VC的控制，有效地增加压控电压
VC的使用范围，同时能够抑制压控电压VC上的高频噪声干扰。

附图说明

[0025] 图1为现有技术中一种常用压控振荡器的示意图；

[0026] 图2为本发明一种压控振荡器电路的电路结构图；

[0027] 图3(a)、(b)分别为本发明具体实施例电流及振荡频率随压控电压VC的变化曲线；

[0028] 图4为应用本发明之压控振荡器电路的PLL电路结构图。

具体实施方式

[0029] 以下通过特定的具体实例并结合附图说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其它优点与功效。本发明亦可通过其它不同
的具体实例加以施行或应用，本说明书中的各项细节亦可基于不同观点与应用，在不背离
本发明的精神下进行各种修饰与变更。

[0030] 图2为本发明一种压控振荡器电路的电路结构图。如图2所示，本发明一种压控振荡器电路，包括：电压转电流模块10以及压控振荡器20。

[0031] 其中，电压转电流模块10，用于将PLL低通滤波器的输出的压控电压VC转换为与其相关的电流；压控振荡器20，用于在电压转电流模块10产生的电流的控制下改变输出信号
的频率。

[0032] 具体地，电压转电流模块10包括：第一电流镜101、电压电流转换单元102、第二电流镜103、第三电流镜104、第四电流镜105。

[0033] 其中，第一电流镜101由参考电流源Iref0、第一PMOS管PM1和第二PMOS管PM2组成，用于产生固定拉电流(Source)偏置I0向外输出以调整压控振荡器的受控范围；电压电流转
换单元102由第一NMOS管NM1和第一电阻R1组成，用于将压控电压VC转换为线性灌电流
(Sink)I1；第二电流镜103由第三PMOS管PM3和第四PMOS管PM4组成，用于将线性灌电流
(Sink)I1转化为拉电流(Source)I1向外输出；第三电流镜104由第二电阻R2、第二NMOS管
NM2和第三NMOS管NM3组成，用于将第一电流镜101和第二电流镜103输出的固定拉电流
(Source)偏置I0和拉电流(Source)I1合并产生灌电流(Sink)I2；第四电流镜105由第五
PMOS管PM5和第六PMOS管PM6组成，用于将第三电流镜104产生的灌电流(Sink)I2转换为拉
电流(Source)向外输出；压控振荡器20，为电流驱动型环形振荡器，由奇数个反相器INV0、
INV1、……、INV(2K+1)组成，用于在第四电流镜105产生的拉电流(Source)的控制下改变输
出信号的频率。

[0034] 第一PMOS管PM1、第二PMOS管PM2、第三PMOS管PM3、第四PMOS管PM4、第五PMOS管PM5和第六PMOS管PM6的源极均连接至电源VDD，第一PMOS管PM1的栅极和漏极短接并与参考电
流源Iref0的一端(输入端)和第二PMOS管PM2的栅极相连，参考电流源Iref0的另一端接地，
第三PMOS管PM3的栅极和漏极短接并与第一NMOS管NM1的漏极和第四PMOS管PM4的栅极相
连，第一NMOS管NM1的栅极连接压控电压VC，第一NMOS管NM1的源极与第一电阻R1的一端相
连组成节点VB，第一电阻R1的另一端接地，第二PMOS管PM2的漏极与第四PMOS管PM4的漏极
和第二电阻R2的一端相连，第二NMOS管NM2的栅极和漏极短接并与第三NMOS管NM3的栅极和
第一电阻R2的另一端相连，第二NMOS管NM2的源极和第三NMOS管NM3的源极接地，第五PMOS
管PM5的栅极和漏极短接并与第六PMOS管PM6的栅极和第三NMOS管NM3的漏极相连，第六
PMOS管PM6的漏极连接至反相器INV1、INV2、……、INV(2K+1)的电流控制端，反相器INV1、
INV2、……、INV(2K+1)的输入和输出依次首尾相连，即反相器INV(i)输出端连接至反相器
INV(i+1)的输入端，i＝1,2,…,2K，反相器INV(2K+1)输出端连接至反相器INV1的输入端，
从反相器INV(2K+1)输出端输出频率受控的信号。

[0035] 当电路工作时，电压转电流模块10(第一电流镜101、电压电流转换单元102、第二电流镜103、第三电流镜104、第四电流镜105)将PLL低通滤波器输出的压控电压VC转换为与
其相关的电流I2，然后用电流控制电流驱动型环形振荡器的工作频率，这样环形振荡器不
再直接受压控电压VC的控制，从而避免VC上可能存在的高频噪声对振荡器输出频率的影
响，同时，由于电压转电流模块10(特殊结构的作用，当压控电压VC很小时，控制振荡器的电
流不为0，从而增大了环形振荡器的可工作范围，间接地增大了VC的可使用范围。

[0036] 在本发明具体实施例中，所有电流镜镜像比例为1：1进行分析示例，实际使用中不限于1：1镜像，首先，对于一个电流驱动型的环形振荡器而言，由于振荡频率f＝αI/CV，其中
α为比例系数，I为驱动电流，C为反相器输出端等效电容，V为反相器输出幅度。所以可以看
出，振荡频率与驱动电流成正比，且给定频率需求，电流的范围也就确定了。

[0037] 然后，对于电压转电流模块10(而言，电路正常工作时，当压控电压VC<随着VC的增大，第一NMOS管NM1逐渐开启，VB随着压控电压VC增大而增大，电流I1也逐渐增
大；当压控电压VC大于Vthn时，NM1表现为源极跟随器，此时VB＝VC‑Vthn。所以在第一电阻
R1上产生的电流I1＝VB/R0。由于第二电流镜103之PMOS管PM3‑PM4的镜像作用，流经第四
PMOS管PM4的电流也为I1。另一方面，由第一电流镜之PMOS管PM1‑PM2对参考电流源Iref0＝
I0的镜像作用，流经第一PMOS管PM1的电流也为I0，那么由于电流I0和电流I1在第二电阻R2
上汇总，流经第二电阻R2的电流为I2＝I0+I1＝I0+(VC‑Vthn)/R0

[0038] 仿真曲线如图3所示。由图可见，当电压VC小于Vthn(约500mV)时，电流I1很小且与控制电压VC非线性，当VC在Vthn附近时，I1与VC较为线性但绝对值过小(通过减小R0可以增
大此时I1绝对值，但当VC较大时，电流过大，频率超出使用范围，从而浪费VC的使用范围)，
无法满足后面电流驱动型环形振荡器的需求；当VC大于Vthn时，I1可以与VC较好的保持线
性关系。而电流I2是在I1的基础上叠加了固定偏置电流I0，通过调整I0的大小，可以满足在
I2的所有线性范围内环形振荡器都能很好的工作，频率的线性范围从最低VC＝800mV左右
降到了VC＝500mV，从而有效增大了VC的实际使用范围。

[0039] 包含本发明压控振荡器电路的PLL电路结构如图4所示。其中NDivider、MDivider和ODivider为参考频率分频器、鉴相频率分频器、输出频率分频器，PFD为鉴频检相器，CP为
电荷泵，LPF为滤波器，VCO为压控振荡器。本发明中的VC即为低通滤波器LPF输出的压控电
压，输出即VCO的振荡方波信号。

[0040] 综上所述，本发明一种压控振荡器电路通过利用电压转电流模块将PLL低通滤波器输出的压控电压VC转换为与其相关的电流，然后利用该电流控制电流驱动型环形振荡器
的工作频率，使得环形振荡器不再直接受压控电压VC的控制，有效地增加压控电压VC的使
用范围，同时能够抑制压控电压VC上的高频噪声干扰。

[0041] 上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何本领域技术人员均可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰与改变。因此，
本发明的权利保护范围，应如权利要求书所列。