[发明专利]一种频率稳定的环形振荡器

说明书

技术领域

本发明涉及电子电路领域，具体涉及一种频率稳定的环形振荡器。

背景技术

振荡器是电子系统的重要组成部分，自其诞生之日起就一直在通信、机械、电子以及航海航空等领域扮演着十分重要的角色。压控振荡器(VCO，Voltage Controlled Oscillator)是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，被广泛的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，VCO已经成为影响整个系统性能的关键部件。

环形振荡器作为VCO的一种，可以通过调节振荡器的级数方便地获得不同相位的一系列时钟信号。环形振荡器的基本结构都比较简单，一般由多级反相器组成，每一级的输出端和输入端首尾相接，构成环状，在其中任何一个连接的位置都可以引出输出信号。以三级反相器组成的环形振荡器为例，假定某一时刻T0，反相器X输入端变为高电平，则反相器X输出端(反相器Y输入端)在非门延迟时间Td后(T＝T0+Td)变为低电平，T＝T0+2Td后反相器Y输出端(反相器Z输入端)变为高电平，T＝T0+3Td后反相器Z输出端(即反相器X输入端)由高电平变为低电平，此时反相器X输入端电平与T0时正好相反。依次类推，6Td后反相器X输入端又变回高电平完成一个周期的振荡，如此往复。由此可以看出，对于单端电路来说，总的反相器级数必须是奇数，不然电路就会进入“闩锁”状态，无法产生振荡电流。如果Td代表每级反相器的延迟时间，N代表反相器的级数，那么整个振荡器的振荡频率f可以由下式确定：

然而，传统的环形振荡器通常采用基准电流偏置的工作方式，这样会使得振荡器对电源电压的变化非常敏感，导致振荡器噪声大，振荡频率线性度差等问题。因此，在实际应用中，振荡器电路通常接在稳压电路(如低压差线性稳压器，LDO)的后面使用。这样虽然为振荡器电路提供了更加稳定的电源电压，一定程度上提高了振荡频率的稳定性，但是稳压电路增加了整个电路系统的复杂性，提高了工艺难度和器件成本。

发明内容

本发明的目的在于提出一种频率稳定的环形振荡器，解决环形振荡器频率容易随电源电压变化产生波动的问题，使环形振荡器稳定的输出振荡频率，并且环形振荡器的结构简单、易于制造、成本低廉。

本发明公开了一种频率稳定的环形振荡器，包括工作电源、电流发生单元和延迟单元，其中：

所述电流发生单元用于向所述延迟单元输出电流信号，所述电流信号与所述工作电源的电压成正比；

所述延迟单元包括N级相同的延迟子单元，各级延迟子单元都具有输入端和输出端，各级的输出端与下一级的输入端连接，最末级的输出端与第一级的输入端连接，其中N是大于等于3的奇数，所述延迟子单元的延迟时间，与工作电源的电压成正比，与流经所述延迟子单元的电流成反比。

进一步地，所述环形振荡器还包括电流镜像单元，连接在所述电流发生单元与所述延迟单元之间，用于将所述电流发生单元输出的电流信号镜像输入到所述延迟单元中。

进一步地，所述电流发生单元包括第一电阻器、第二电阻器、第三电阻器、运算放大器和第一NMOS管，其中：

所述第一电阻器连接于所述工作电源和所述运算放大器的正输入端之间；

所述第二电阻器连接于所述运算放大器的正输入端和地线之间；

所述第三电阻器连接于所述运算放大器的负输入端和地线之间；

所述第一NMOS管的栅极与所述运算放大器的输出端连接，所述第一NMOS管的源极与所述运算放大器的负输入端连接，所述第一NMOS管的漏极与所述电流镜像单元的输入端连接。

进一步地，所述延迟子单元是电流饥饿型延迟子单元。

进一步地，所述电流饥饿型延迟子单元包括第一PMOS管、第二PMOS管、第二NMOS管和第三NMOS管，其中：

所述第一PMOS管的源极与所述工作电源连接，所述第一PMOS管的漏极与所述第二PMOS管的源极连接；

所述第二PMOS管的栅极与第二NMOS管的栅极连接形成所述延迟子单元的输入端，所述第二PMOS管的漏极与所述第二NMOS管的漏极连接形成所述延迟子单元的输出端；

所述第二NMOS管的源极与第三NMOS管的漏极连接，所述第三NMOS管的源极与地线连接。

进一步地，所述电流镜像单元包括第三PMOS管、第四PMOS管和第四NMOS管，其中：

所述第三PMOS管和所述第四PMOS管的栅极相连接，所述第三PMOS管和所述第四PMOS管的源极都与工作电源相连接；