CN102545780A - 压控振荡器的偏置电路 - Google Patents

本发明公开了一种压控振荡器的偏置电路，包括基准电流源、第一组电流镜和第二组电流镜。第二组电流镜包括一低通滤波器；低通滤波器的电阻单元由一在线性区工作的MOS管组成、电容单元由源漏相连的MOS管组成。本发明能减少器件的尺寸、易于集成、能降低产品成本，还能降低拐点频率、提高产品性能。

压控振荡器的偏置电路

技术领域

本发明涉及一种半导体集成电路，特别是涉及一种压控振荡器的偏置电路。

背景技术

随着半导体工艺技术的不断进步，现代通信技术数据传输速度也越来越快，从而对通信系统的技术参数要求也越来越高。低噪声压控振荡器(VCO)是现代通信系统中不可或缺的电路，其中LC压控振荡器依其优越的低噪声性能被普遍应用于各种通信系统中。

LC压控振荡器的噪声源包括偏置电路噪声、开关管噪声以及谐振器的损耗。除了优化压控振荡器本身的噪声性能以外，目前已经有多种方法来减小由偏置电路带来的噪声，现有一种方法就是用低通滤波器来滤除偏置电路的噪声。现有偏置电路的低通滤波器一般由电阻(R)和电容(C)构成。如图1所示，为一种现有压控振荡器的偏置电路的电路图。现有压控振荡器的偏置电路包括带隙基准电流源(Bandgap Circuit)、第一组电流镜和第二组电流镜。所述第一组电流镜和所述第二组电流镜分别包括基准电流路径和镜像电流路径。所述第一组电流镜的基准电流路径由第一MOS管M1组成、镜像电流路径由第二MOS管M2组成，所述第一MOS管M1和所述第二MOS管M2为等比例NMOS管。所述第一MOS管M1的栅极、漏极和所述第二MOS管M2栅极相连并都和所述带隙基准电流源相连，所述第一MOS管M1的源极和所述第二MOS管M2的源极相连并都接地。

所述第二组电流镜的基准电流路径由第三MOS管M3组成、镜像电流路径由第四MOS管M4组成，所述为三MOS管M3和所述第四MOS管M4等比例PMOS管。所述第二组电流镜还包括一低通滤波器，所述低通滤波器包括电阻R和第七MOS管M7，所述第七MOS管M7为PMOS管且所述第七MOS管M7的源漏连接形成一PMOS管电容。所述第三MOS管M3的漏极、栅极和所述电阻R的第一端相连并和所述第二MOS管M2的漏极相连；所述第四MOS管M4的栅极、所述第七MOS管M7的栅极和所述电阻R的第二端相连；所述第七MOS管M7的源极、漏极和所述第三MOS管M3的源极、所述第四MOS管M4的源极相连并都接电源电压VDD；所述第四MOS管M4的漏极接压控振荡器。

工作时，所述带隙基准电流源为所述第一组电流镜的基准电流路径提供第一基准电流I₀，在所述第一组电流镜的镜像电流路径和所述第二组电流镜的基准电流路径中流过第一偏置电流I₁，在所述第二组电流镜的镜像电流路径中流过第二偏置电流I₂，所述第二偏置电流I₂提供给所述压控振荡器工作。其中所述第一偏置电流I₁为所述第一基准电流I₀的镜像电流，所述第二偏置电流I₂为所述第一偏置电流I₁的镜像电流。所述电阻R和由所述第七MOS管M7形成的PMOS管电容形成电阻电容(RC)低通滤波器，在所述第一偏置电流I₁和所述第二偏置电流I₂间滤除所述基准电流I₀中的噪声，即滤除所述带隙基准电流源产生的噪声。

由于现有偏置电路的噪声多为低频噪声，所以所述低通滤波器的电阻、电容的取值都比较大，一般采用片外滤波电容，如果在集成电路上实现则会占用相当大的晶片面积，成本较高。现有技术中的所述低通滤波器的电阻一般采用阱(well)电阻和多晶硅(Poly)电阻，阱电阻和多晶硅电阻都会占用较大的面积。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种压控振荡器的偏置电路，能减少器件的尺寸、易于集成、能降低产品成本，还能降低拐点频率、提高产品性能。

为解决上述技术问题，本发明提供的压控振荡器的偏置电路包括基准电流源、第一组电流镜和第二组电流镜。所述第一组电流镜和所述第二组电流镜分别包括基准电流路径和镜像电流路径，所述第一组电流镜的基准电流路径的第一MOS管和镜像电流路径的第二MOS管为类型相同的等比例晶体管，所述第一MOS管的栅极、漏极和所述第二MOS管栅极相连，所述第一MOS管的源极和所述第二MOS管的源极相连；所述第二组电流镜的基准电流路径的第三MOS管和镜像电流路径的第四MOS管为类型相同的等比例晶体管，所述第三MOS管和所述第四MOS管的类型和所述第一MOS管和所述第二MOS管的类型相反。所述基准电流源和所述第一组电流镜的基准电流路径相连；所述第一组电流镜的镜像电流路径和所述第二组电流镜的基准电流路径相连，所述第二组电流镜的镜像电流路径和压控振荡器相连；工作时，所述基准电流源为所述第一组电流镜的基准电流路径提供第一基准电流，在所述第一组电流镜的镜像电流路径和所述第二组电流镜的基准电流路径中流过第一偏置电流，在所述第二组电流镜的镜像电流路径中流过第二偏置电流，所述第二偏置电流提供给所述压控振荡器工作。所述第二组电流镜还包括一低通滤波器；所述低通滤波器包括第五MOS管、第六MOS管和第七MOS管，所述第五MOS管、第六MOS管和第七MOS管的类型和所述第三MOS管和所述第四MOS管的类型相同。所述第五MOS管连接于所述第二组电流镜的基准电流路径上，所述第五MOS管的栅极、漏极和所述第六MOS管的栅极相连、并和所述第一组电流镜的镜像电流路径相连；所述第五MOS管的源极、所述第三MOS管的漏极和栅极、所述第六MOS管的源极相连；所述第六MOS管的漏极、所述第四MOS管的栅极、所述第七MOS管的栅极相连；所述第七MOS管的源极和漏极、所述第三MOS管的源极、所述第四MOS管的源极相连。工作时，所述第五MOS管工作于饱和区，所述第五MOS管的栅源电压使所述第六MOS管导通并工作于线性区并形成一MOS管电阻，所述第七MOS管形成一MOS管电容，所述第六MOS管的电阻和所述第七MOS管的电容一起形成所述低通滤波器的电阻电容滤波单元，所述第六MOS管的电阻和所述第七MOS管的电容的大小满足形成的所述低通滤波器能够滤除所述基准电流源的噪声，即形成的所述低通滤波器的拐点频率要足够低。

更进一步的改进是，所述第六MOS管的导通电阻的大小通过所述第五MOS管的沟道宽长比、所述第六MOS管的沟道宽长比和所述第一偏置电流的大小进行调节。

更进一步的改进是，所述第七MOS管的尺寸大于所述第四MOS管的尺寸，所述第七MOS管形成的电容大于所述第四MOS管的栅源电容。

更进一步的改进是，所述基准电流源为带隙基准电流源。

更进一步的改进是，所述第一MOS管和所述第二MOS管为NMOS管；所述第三、四、五、六和七MOS管为PMOS管；所述第一MOS管的源极和所述第二MOS管的源极接地；所述第三MOS管的源极和所述第四MOS管的源极接电源电压。

更进一步的改进是，所述低通滤波器还包括第八MOS管，所述第八MOS管为PMOS开关管；所述第八MOS管的源极和所述第六MOS管的源极相连、所述第八MOS管的漏极和所述第六MOS管的漏极相连，所述第八MOS管的栅极接控制电压；所述控制电压控制所述第八MOS管在所述偏置电路接通瞬间开启，加快所述第六MOS管的开启速度，所述第六MOS管开启后，所述控制电压控制所述第八MOS管关闭。

更进一步的改进是，所述控制电压由一控制电路产生，所述控制电路包括第九MOS管、第十MOS管、第一电阻、第二电阻和一迟滞电压比较器；所述第九MOS管和所述第十MOS管为具有相同尺寸的PMOS管，所述第一电阻和所述第二电阻的电阻值相同；所述第九MOS管的源极和所述第十MOS管的源极都接电源电压，所述第九MOS管的漏极、所述第一电阻的第一端、所述迟滞电压比较器的反相输入端相连，所述第十MOS管的漏极、所述第二电阻的第一端、所述迟滞电压比较器的同相输入端相连，所述第九MOS管的栅极接所述第六MOS管的源极，所述第十MOS管的栅极接所述第六MOS管的漏极，所述第一电阻的第二端和所述第二电阻的第二端接地。

更进一步的改进是，所述第一组电流镜的基准电流路径由所述第一MOS管组成、所述第一组电流镜的镜像电流路径由所述第二MOS管组成，所述基准电流源和所述第一MOS管的漏极连接；所述第二组电流镜的基准电流路径由所述第三MOS管和所述第五MOS管组成、所述第二组电流镜的镜像电流路径由所述第四MOS管组成，所述第五MOS管的漏极和所述第二MOS管的漏极连接，所述第四MOS管的漏极和所述压控振荡器连接。

本发明采用MOS管在线性工作区的导通电阻作为压控振荡器的偏置电路的低通滤波器的电阻、源漏极相连接的MOS管的栅极电容作为压控振荡器的偏置电路的低通滤波器的电容，使本发明压控振荡器的偏置电路的低通滤波器具有大电阻、小电容的特点；本发明的MOS管在线性工作区的导通电阻与现有技术中阱电阻和多晶硅电阻相比，能够大大较少偏置电路的低通滤波器的在晶片上的占用面积，本发明的MOS管的栅极电容也同样能大大较少偏置电路的低通滤波器的在晶片上的占用面积，从而能够实现低通滤波器的在晶片上的片上集成、并降低成本。本发明MOS管在线性工作区的导通电阻易于实施大电阻，从而能降低低通滤波器的拐点频率、提高产品性能。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：

图1是现有压控振荡器的偏置电路的电路图；

图2是本发明实施例一压控振荡器的偏置电路的电路图；

图3是本发明实施例二压控振荡器的偏置电路的电路图；

图4是本发明实施例二的开关管的控制电路的电路图；

图5是本发明实施例二的偏置电路电源启动时的电源电压、A点和B点电压、控制信号电压的变化波形。

具体实施方式

如图2所示，是本发明实施例一压控振荡器的偏置电路的电路图，本发明实施例一压控振荡器的偏置电路包括带隙基准电流源、第一组电流镜和第二组电流镜。

所述第一组电流镜和所述第二组电流镜分别包括基准电流路径和镜像电流路径。所述第一组电流镜的基准电流路径由第一MOS管M1组成、镜像电流路径由第二MOS管M2组成，所述第一MOS管M1和所述第二MOS管M2为等比例NMOS管。所述第一MOS管M1的栅极、漏极和所述第二MOS管M2栅极相连并都和所述带隙基准电流源相连，所述第一MOS管M1的源极和所述第二MOS管M2的源极相连并都接地。

所述第二组电流镜还包括一低通滤波器；所述低通滤波器包括第五MOS管M5、第六MOS管M6和第七MOS管M7；所述第二组电流镜的基准电流路径由第三MOS管M3和所述第五MOS管M5组成、所述第二组电流镜的镜像电流路径由所述第四MOS管M4组成。所述第三MOS管M3、第四MOS管M4、所述第五MOS管M5、第六MOS管M6和第七MOS管M7为PMOS管。

所述第五MOS管M5的栅极、漏极和所述第六MOS管M6的栅极相连、并和所述第一组电流镜的镜像电流路径即所述第二MOS管M2的漏极相连；所述第五MOS管M5的源极、所述第三MOS管M3的漏极和栅极、所述第六MOS管M6的源极相连；所述第六MOS管M6的漏极、所述第四MOS管M4的栅极、所述第七MOS管M7的栅极相连；所述第七MOS管M7的源极和漏极、所述第三MOS管M3的源极、所述第四MOS管M4的源极相连并都接电源电压VDD；所述第四MOS管M4的漏极接压控振荡器。

工作时，所述带隙基准电流源为所述第一组电流镜的基准电流路径提供第一基准电流I₀，在所述第一组电流镜的镜像电流路径和所述第二组电流镜的基准电流路径中流过第一偏置电流I₁，在所述第二组电流镜的镜像电流路径中流过第二偏置电流I₂，所述第二偏置电流I₂提供给所述压控振荡器工作。其中所述第一偏置电流I₁为所述第一基准电流I₀的镜像电流，所述第二偏置电流I₂为所述第一偏置电流I₁的镜像电流。所述第五MOS管M5工作于饱和区，所述第五MOS管M5的栅源电压使所述第六MOS管M6导通并工作于线性区并形成一MOS管电阻，所述第七MOS管M7形成一MOS管电容，所述第六MOS管M6的电阻和所述第七MOS管M7的电容一起形成所述低通滤波器的电阻电容滤波单元，所述低通滤波器在所述第一偏置电流I₁和所述第二偏置电流I₂间滤除所述基准电流I₀中的噪声，即滤除所述带隙基准电流源产生的噪声。要滤除所述带隙基准电流源产生的噪声，所述第六MOS管的电阻和所述第七MOS管的电容的大小要满足使形成的所述低通滤波器的拐点频率要足够低。

所述第五MOS管M5的栅源电压为所述第六MOS管M6提供偏置电压即栅源电压，使所述第六MOS管M6导通并工作于线性区并形成一MOS管电阻。所述第六MOS管M6的导通电阻的大小通过所述第五MOS管M5的沟道宽长比、所述第六MOS管M6的沟道宽长比和所述第一偏置电流I₁的大小进行调节。所述第六MOS管M6的导通电阻和所述第五MOS管M5的沟道宽长比、所述第六MOS管M6的沟道宽长比和所述第一偏置电流I₁的大小的关系如下公式所述：

g_m5＝μ_pC_ox(W/L)₅(V_GS5-V_TH5)            (1)

R_on6＝[μ_pC_ox(W/L)₆(V_GS6-V_TH6)]^-1       (2)

V_GS5＝V_GS6                                    (3)

上述公式中，g_m5为所述第五MOS管M5的跨导，u_p为P型半导体材料的电导率，C_ox为单位栅电容，(W/L)₅为所述第五MOS管M5的沟道的宽长比，V_GS5为所述第五MOS管M5的栅源电压，V_TH5为所述第五MOS管M5的阈值电压；R_on6为所述第六MOS管M6的导通电阻，(W/L)₆为所述第六MOS管M6的沟道的宽长比，V_GS6为所述第六MOS管M6的栅源电压，V_TH6为所述第六MOS管M6的阈值电压。

由(1)、(2)、(3)可以得到

R on 6 = g m 5 - 1 ( W / L ) 5 / ( W / L ) 6 - - - ( 4 )

因为作为二极管接法的所述第五MOS管M5永远工作在饱和区，所以

g m 5 = 2 μ p C ox ( W / L ) 5 I 1 - - - ( 5 )

把(5)带入(4)，得到

R on 6 = ( W / L ) 5 / ( W / L ) 6 2 μ p C ox ( W / L ) 5 I 1 - - - ( 6 )

由公式(6)可知，所述第六MOS管M6的导通电阻R_on6只取决于所述第五MOS管M5、所述第六MOS管M6的器件尺寸以及第一偏置电流I₁的大小，又因为所述第三MOS管M3、所述第五MOS管M5和所述第六MOS管M6都是相同类型的PMOS器件，它们具有相同的工艺参数，所以所述第六MOS管M6的导通电阻R_on6与温度以及工艺误差无关。同时，因为所述第七MOS管M7形成的MOS管电容工作在深度线性区，所以温度和工艺误差对它的影响也比较小。所以由所述第六MOS管M6和所述第七MOS管M7组成的RC低通滤波器的拐点频率也几乎不受温度和工艺误差的影响。

另外，所述第四MOS管M4的栅源电容也会影响低通滤波器的拐点频率，本发明实施例中所述第七MOS管的尺寸大于所述第四MOS管的尺寸，所述第七MOS管形成的电容大于所述第四MOS管的栅源电容，使所述第四MOS管M4的栅源电容对所述低通滤波器的拐点频率影响忽略掉。

本发明实施例的较低的拐点频率决定了所述低通滤波器具有较大的时间常数，也就是说整个偏置电路的稳定时间较长，这在某些应用中是不允许的。为了解决这个问题，在本发明实施例一的基础上做了进一步的改进，如图3所示为，本发明实施例二压控振荡器的偏置电路的电路图；和如图2所示的本发明实施例一不同之处在于本发明实施例二的所述低通滤波器还包括第八MOS管M8，所述第八MOS管M8为PMOS开关管；所述第八MOS管M8的源极和所述第六MOS管M6的源极即节点A相连、所述第八MOS管M8的漏极和所述第六MOS管M6的漏极即节点B相连，所述第八MOS管M8的栅极接控制电压Vc；所述控制电压Vc控制所述第八MOS管M8在所述偏置电路接通瞬间开启，加快所述第六MOS管M6的开启速度，所述第六MOS管M6开启后，所述控制电压Vc控制所述第八MOS管M8关闭。

如图4所示，是本发明实施例二的开关管的控制电路的电路图。所述控制电路用于产生所述控制电压Vc并控制所述第八MOS管M8的开和关。所述控制电路包括第九MOS管M9、第十MOS管M10、第一电阻R1、第二电阻R2和一迟滞电压比较器。所述第九MOS管M9和所述第十MOS管M10为具有相同尺寸的PMOS管，所述第一电阻R1和所述第二电阻R2的电阻值相同。所述第九MOS管M9的源极和所述第十MOS管M10的源极都接电源电压，所述第九MOS管M9的漏极、所述第一电阻R1的第一端、所述迟滞电压比较器的反相输入端相连，所述第十MOS管M10的漏极、所述第二电阻R2的第一端、所述迟滞电压比较器的同相输入端相连，所述第九MOS管M9的栅极接所述第六MOS管M6的源极即节点A，所述第十MOS管M10的栅极接所述第六MOS管M6的漏极即节点B，所述第一电阻R1的第二端和所述第二电阻R2的第二端接地。

所述控制电路的工作原理如下：如图5所示，在电路启动瞬间，电源电压上升到VDD，由于所述第七MOS管M7的MOS管电容两端的电压不能突变，图3中B点电压也被拉升至VDD，从而使所述第四MOS管M4截止。而A点电压则为VDD-V_SG4，所以A点电压低于B点电压。因为图4中所述第九MOS管M9和所述第十MOS管M10的栅极分别接到图3中的A、B两点，所以所述第九MOS管M9的栅极电压低于所述第十MOS管M10的栅极电压，导致的所述第九MOS管M9漏极电压即C点电压大于所述第十MOS管M10的漏极电压即D点电压，迟滞电压比较器(Comp)将输出低电压，迟滞电压比较器的输出端连接到图3中所述第八MOS管M8的栅极，从而使所述第八MOS管M8导通。所述第八MOS管M8导通电阻很小，从而使所述第七MOS管M7的栅极电压被迅速拉低，B点电压被迅速拉低至与A点电压相当的点位。当B、A两点的电位差小到一定程度，所述迟滞电压比较器输出高电平，关闭图3中的开关管即所述第八MOS管M8，电路进入稳定状态，所述第四MOS管M4导通并为VCO电路提供正常的低噪声偏置电流。

以上通过具体实施例对本发明进行了详细的说明，但这些并非构成对本发明的限制。在不脱离本发明原理的情况下，本领域的技术人员还可做出许多变形和改进，这些也应视为本发明的保护范围。