[发明专利]一种工作在近阈值电源电压下的数控振荡器

说明书

本发明涉及一种工作在近阈值电源电压下的数控振荡器，采用具有高相位噪声性能的LC交叉耦合结构振荡器，并基于差分结构设计的自举型缓冲器，利用自举电路的原理，通过充电晶体管对自举电容充放电，在电源电压的基础上进行电压量叠加，从而将DCO振荡电路的输出信号进行放大，使输出摆幅达到两倍以上的电源电压值，在保证低功耗的前提下，提高了DCO振荡电路的相位噪声性能，解决了近阈值电源电压下DCO振荡电路功耗与相位噪声之间的矛盾关系。

技术领域

本发明涉及一种工作在近阈值电源电压下的数控振荡器，属于数控技术领域。

背景技术

DCO在集成电路中有着广泛的应用，作为数字锁相环的输出信号产生模块，为无线收发系统提供本振信号，以及为片上系统(System on Chip，SoC)提供时钟信号。DCO由数字控制字对输出信号的频率进行调谐，相比传统的压控振荡器(Voltage ControlledOscillator，VCO)，数字控制字不易受到工艺偏差、电源电压和温度变化的干扰，因此DCO具有更好的噪声免疫特性。DCO的噪声性能决定了数字锁相环的带外相位噪声性能，并进而影响整个系统的性能，因此DCO是数字锁相环中的关键模块。

近年来，蓝牙、WI-FI、GPS等通信方式的迅速普及推动了便携式无线通信设备的发展和应用，实现更低功耗水平从而延长电池续航时间成为业界不断追求的目标。作为无线系统中的高功耗模块，超低功耗锁相环是实现系统低功耗的关键，而DCO又是数字锁相环中功耗最大的模块。综上所述，实现低功耗高噪声性能的DCO具有重要意义。

降低电源电压是实现低功耗的一种直接而有效的途径，采用近阈值电源电压实现DCO成为新的研究热点。电源电压的大幅降低虽然可以显著地降低DCO功耗，但同时也降低了振荡信号的输出幅度。而电路中的噪声并没有随之减小，这样就相当于降低了电路的信噪比，并进而恶化DCO的相位噪声性能。目前大多数文献采用环形振荡器结构以满足DCO在低电压的正常工作，虽然环形振荡器适合于低电压环境工作，但其噪声性能难以令人满意，而要达到与LC结构振荡器相同的相位噪声性能，环形振荡器需要消耗450倍的电流值。因此采用环形振荡器实现DCO是以牺牲噪声性能来换取低功耗的实现。

另一种实现结构是基于片内变压器耦合技术的LC交叉耦合振荡器，利用晶体管源极和漏极的电感值的差异，实现输出信号的放大。这种结构虽然可以实现比环形振荡器更好的噪声性能，但基于变压器耦合技术的电路对无源器件的匹配要求相当高，电感之间的失配会导致电压幅度的不稳定，并通过幅度-相位(AM-PM)调制增大环路的相位噪声。此外，该结构共需要4个电感，这大大增加了芯片的面积和成本。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种通过数字控制字调谐输出频率，在降低功耗的同时，能够兼顾高相位噪声性能实现的工作在近阈值电源电压下的数控振荡器。

本发明为了解决上述技术问题采用以下技术方案：本发明设计了一种工作在近阈值电源电压下的数控振荡器，包括DCO振荡电路和自举型缓冲器，其中，DCO振荡电路的两个输入端分别外接输入电流与调谐控制字OTW；DCO振荡电路的DCOp差分振荡信号输出端与自举型缓冲器的DCOp差分振荡信号输入端相连接，DCO振荡电路的DCOn差分振荡信号输出端与自举型缓冲器的DCOn差分振荡信号输入端相连接。

作为本发明的一种优选技术方案：所述自举型缓冲器包括第一PMOS晶体管M_p1、第二PMOS晶体管M_P2、第三PMOS晶体管M_P3、第四PMOS晶体管M_P4、第一NMOS晶体管M_N1、第二NMOS晶体管M_N2、第三NMOS晶体管M_N3、第四NMOS晶体管M_N4、第一自举电容C_P1、第二自举电容C_P2、第三自举电容C_N1和第四自举电容C_N2，其中：