[发明专利]具有轨到轨电压调节范围的高速高带宽VCO延迟单元

说明书

技术领域

本发明主要涉及到频率综合器，时钟恢复电路以及锁相环中的压控振荡器（VCO）设计领域，特指一种应用于高速压控振荡器（VCO）的延迟单元电路。

背景技术

压控振荡器（Voltage-controlled-Oscillator，VCO）作为一种振荡频率可随外加控制电压变化而变化的可调信号源，被广泛应用于现代通信系统中，特别是在锁相环、时钟恢复和频率综合等电路中，是影响整个系统性能的关键部件。在集成电路中，对采用CMOS工艺实现的VCO研究主要集中在LC谐振器和RC环形振荡器两种类型；其中LC谐振器的噪声性能较好，但在标准CMOS工艺中实现片上集成电感难度较大，而且占用面积较大，而CMOS环形振荡器有着易于与数字电路集成的优点，相对面积较小，同时具有较大的调节范围，在系统芯片中有着较好的应用前景。

根据延迟单元的结构不同，环形振荡器可以分为单端和差分两种结构，分别如图 1和图 2所示。单端环形振荡器是最初的环形振荡器设计形式，其延迟单元结构简单，所占芯片面积小，可调范围较宽，可以实现全电压摆幅输出，但是由于全电压摆幅的振荡器很长时间工作在饱和区以及截止区，使得整个振荡器工作频率低，另外单端环形振荡器对电源噪声抑制能力较差，相位噪声较大。

与单端环形振荡器相比，差分环形振荡器因其显著的特点而被普遍采用，如较高的工作频率，较好的共模噪声、环境噪声和电源噪声抑制能力。另外，差分结构的振荡器级数可以是偶数也可以是奇数，使设计更具有灵活性。

图3给出了用于实现差分环形振荡器的传统差分延迟单元，其结构是一个带对称负载的差分反相器，其中M1和M2为差分输入对管，栅极分别接IN+和IN-，PMOS管M3和M5，M4和M6分别形成两个对称负载，其中M5和M6采用二极管连接，M3和M4的栅极都接控制电压Vcont，通过控制电压调节M3和M4的导通能力来改变对称负载的等效电阻。尾电流源M0为整个延迟单元提供恒定的电流，保证电流在M1和M2两条支路上周期性的分配，Vb由偏置电路产生。为了保证M1和M2能够完全的切换，要求M0工作在饱和区。由于该结构通过控制PMOS管来调节对称负载的等效电阻实现调节VCO的工作频率，而栅极电压只在某一区间能够使得PMOS管导通，该区间之外的控制电压将无法调制延迟单元的负载电阻，从而无法调制VCO的振荡频率，导致该延迟单元级联而成的环形振荡器不能实现在轨到轨范围内进行工作，图9 给出了控制电压Vcont从0V变化到1.8时，负载电阻的变化趋势。

针对传统差分延迟单元形成的VCO存在的缺陷，设计人员提出了同时控制PMOS管和NMOS管来实现控制电压在轨到轨范围内调节VCO振荡频率的差分延迟单元，如图5 所示。为了实现轨到轨电压调节范围，压控振荡器（VCO）的延迟单元的负载电阻必须在全范围内随着控制电压的变化而变化。同时为了提高压控振荡器（VCO）的线性度，应使其负载管具有较好的I-V特性曲线。如图5所示的延迟单元的左边支路采用MOS管M3、M7、M9和M5作负载管，右边支路则采用M6、M10、M8和M4作为负载管。另一方面，为了提高环形振荡器的振荡频率，对负载管中M5和M6采用正反馈技术进行连接，加速了输出节点高低电平的跳变。另外，改进后的延迟单元去掉了尾电流源，不再需要偏置模块，使得电路设计更加简单，更易实现，同时能够实现全摆幅输出。

发明内容

本发明要解决的问题在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种轨到轨电压调节范围、工作频率高和线性度好的高速高带宽延迟单元电路结构。