一种用于高速窄带压控振荡器VCO的偏置电压产生电路.pdf

本发明公开了一种用于高速窄带压控振荡器(VCO)的偏置电压产生电路。本偏置电路通过用共源共栅结构作为放大器的负载，降低放大器输出偏置电压Vbias相对控制电压VC变化的斜率，增强了控制电压VC对压控振荡器(VCO)的控制能力，使输出偏置电压Vbias在给定电压值附近小幅度的变化，从而降低了压控振荡器(VCO)输出抖动。

1、  一种用于高速窄带压控振荡器(VCO)的偏置电压产生电路，其特征在于：
差分延迟负载的半复制电路3由(M1)、(M2)、(M3)、(M4)组成，放大器的一个输出端连接到(M4)的栅极，另一个输出端输出提供偏置电压(Vbias)差分放大器的启动电路1由(M5)、(M6)、(M7)、(M8)、(M9)组成，(M10)、(M11)、(M12)形成分压电路为(M12)、(M13)的电流镜提供偏置电压，最终使差分放大器的尾电流管(M13)获得一个合适电流；(M14)、(M15)为放大器的差分输入管，(M14)的栅极接(VC)，(M15)接(M3)的漏极；(M16)、(M17)、(M18)、(M19)为放大器的负载，(M17)、(M18)的源漏极相连；其中(M14)的漏极同时连接到(M10)、(M4)的栅极，形成两个反馈回路，保证(Vbias)在一个合适的电位随着(VC)反向变化，同时变化斜率较小，保证压控振荡器(VCO)的延迟单元的尾电流源偏置电压变化较小；此外双反馈环路保证电路在电源电压变化时，(Vbias)也会相应变化，保证压控振荡器(VCO)的频率恒定，从而增强了压控振荡器(VCO)抗电源噪声的能力，提高了压控振荡器(VCO)的抖动性能。

一种用于高速窄带压控振荡器(VCO)的偏置电压产生电路
技术领域
本发明主要涉及时钟数据恢复等窄带锁相环电路中的压控振荡器领域，特指用于差分延迟单元中尾电流源的偏置电压产生电路。
背景技术
压控振荡器(Voltage-Controlled-Oscillator，VCO)是锁相环、时钟数据恢复电路、时钟产生电路等的关键模块。其中，时钟数据恢复电路要求频率高、带宽窄，这就要求压控振荡器能够工作在很高的中心频率下，且具有较窄的频率调节范围，即增益灵敏度较低。
用于压控振荡器(VCO)的带尾电流源的差分对称延迟单元如图1所示，其结构是一个带对称负载的差分反相器，M21管和M22管为两个对称的差分输入管，为了平衡功耗，M21和M22管的尺寸完全相同。它们的栅极分别接输入IN+和IN-。而IN+和IN-分别接前一级差分单元的输出OUT-和OUT+，这样形成环形结构。该结构的差分延迟单元有一个尾电流源，由M20管组成，其栅极接一个偏置电压Vbias。为了保证差分对管M21和M22是互补的，我们必须保证尾电流管M20始终工作在饱和状态，即Vbias-Vp＜V_TH，V_TH为M20管的阈值电压。因此，必须为尾电流源提供一个精确的偏置电压Vbias。
由于在高速时钟数据恢复电路中要求压控振荡器(VCO)工作在某一较高的频率附近，为了提高压控振荡器(VCO)抗噪声能力，要求压控振荡器的增益灵敏度较低，即要求压控振荡器(VCO)的控制电压变化范围较大，而对应的频率变化较小，这就要求偏置电压Vbias能随控制电压线性变化，并且变化较平坦。此外为了提高压控振荡器(VCO)抵抗电源噪声的能力，需要偏置电压能够补偿电源电压的变化，使得压控振荡器(VCO)的振荡频率恒定，从而降低了压控振荡器(VCO)的电源噪声灵敏度，提高了压控振荡器(VCO)的抖动性能。
为了给压控振荡器(VCO)提供偏置电压，同时增强其抗干扰能力，通常采用如图2或图3所示的偏置电路。图2中由于M14的漏极同时连接到左边反馈回路M10的栅极和右边反馈回路中半复制电路电流源M1的栅极，使得此偏置电路在VC变化或电源电压变化时，Vbias电压变化较大，并且在VC很大时Vbias会很小，因此这种常规偏置电路使Vbias随Vc变化范围很大，这样会引起压控振荡器(VCO)的时钟抖动很大，不适合给高速窄带锁相环中的压控振荡器(VCO)提供偏置。
在图3中，由于无启动电路，很可能导致电路无法正常工作，虽然具有简化电路的优点，但是没有反馈回路，使电路对电源噪声的抑制能力很差，不能提供一个精确合理的偏置电压，当然也不适合给高速窄带锁相环中的压控振荡器(VCO)提供偏置。
发明内容
本发明要解决的问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，提供一种适用于高速窄带锁相环的压控振荡器(VCO)的偏置电压产生电路。
为解决上述技术问题，本发明提出的解决方案为：一种适用于高速窄带锁相环的压控振荡器(VCO)的偏置电路，其特征在于：差分延迟负载的半复制电路由M1、M2、M3、M4组成，放大器的一个输出端连接到M4的栅极，另一个输出端输出提供偏置电压Vbias；差分放大器的启动电路由M5、M6、M7、M8、M9组成，M10、M11、M12形成分压电路为M12、M13的电流镜提供偏置电压，最终使差分放大器的尾电流管M13获得一个合适电流；M14、M15为放大器的差分输入管，M14的栅极接VC，M15接M3的漏极；M16、M17、M18、M19为放大器的负载，M17、M18的源漏极相连；其中M14的漏极同时连接到M10、M4的栅极，形成两个反馈回路，保证Vbias在一个合适的电位随着VC反向变化，同时变化斜率较小，保证压控振荡器(VCO)的延迟单元的尾电流源偏置电压变化较小；此外双反馈环路保证电路在电源电压变化时，Vbias也会相应变化，保证压控振荡器(VCO)的频率恒定，从而增强了压控振荡器(VCO)抗电源噪声的能力，提高了压控振荡器(VCO)的抖动性能。
与现有技术相比，本发明的优点就在于：
1、Vbias在一个合适的电压值附近与VC反向变化，且变化的斜率小，保证压控振荡器(VCO)尾电流源的控制电压变化较小，使压控振荡器(VCO)增益灵敏度降低，减小压控振荡器(VCO)的输出抖动。
2、双环反馈回路保证电路在电源电压变化时，Vbias也相应变化，保证压控振荡器(VCO)的频率恒定，从而增强了压控振荡器(VCO)抗电源噪声的能力。
3、增加的启动电路模块可以提高压控振荡器(VCO)的可靠性。
附图说明
图1是经典偏置结构延迟单元示意图；
图2是偏置产生电路结构示意图；
图3是不带启动电路的偏置产生电路结构示意图；
图4是改进的偏置结构差分延迟单元示意图；
图5是本发明偏置电路的结构示意图。
具体实施方式
以下将结合附图和具体实施对本发明做进一步详细说明。
如图5所示，本发明是一种适用于高速窄带锁相环的压控振荡器(VCO)的偏置电压产生电路，它包括MOS管M1、M2、M3、M4、M5、M6、M7、M8、M9，M10、M11、M12、M13、M14、M15、M16、M17、M18和M19。其中差分延迟负载的半复制电路由M1、M2、M3、M4组成，放大器的一个输出端连接到M4的栅极，另一个输出端输出提供偏置电压Vbias；差分放大器的启动电路由M5、M6、M7、M8、M9组成，M10、M11、M12形成分压电路为M12、M13的电流镜提供偏置电压，最终使差分放大器的尾电流管M13获得一个合适电流；M14、M15为放大器的差分输入管，M14的栅极接VC，M15接M3的漏极；M16、M17、M18、M19为放大器的负载，M17、M18的源漏极相连；其中M14的漏极同时连接到M10、M4的栅极，形成两个反馈回路，保证Vbias在一个合适的电位随着VC反向变化，同时变化斜率较小，保证压控振荡器(VCO)的延迟单元的尾电流源偏置电压变化较小；此外双反馈环路保证电路在电源电压变化时，Vbias也会相应变化，保证压控振荡器(VCO)的频率恒定，从而增强了压控振荡器(VCO)抗电源噪声的能力。
最终实现了当控制电压VC变化时可以产生一个变化较平坦的偏置电压Vbias，实现对压控振荡器(VCO)在较高的频率点和较窄的频率范围内的线性调节，解决了传统偏置电路的偏置电压变化大和噪声抑制能力差的问题，降低压控振荡器(VCO)的频率抖动；同时由于该结构中的双环反馈回路保证电路在电源电压变化时，Vbias也相应变化，保证压控振荡器(VCO)的频率恒定，从而增强了压控振荡器(VCO)抗电源噪声的能力。