技术领域
[0001] 本
发明属于射频
电路技术领域，具体涉及一种应用于全数字
锁相环的数字控制振荡器。
背景技术
[0002] 在过去十年中，随着无线射频应用需求的不断增长，以及CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor，互补金属
氧化物
半导体)先进制造工艺的不断革新，数字辅助射频的无线芯片设计模式已逐渐演变成了一种新的设计模式：数字射频(Digital RF)。
[0003] 数字射频是指无线射频芯片中大多数的电路模
块都将由数字电路来实现，这样不仅能够有效的减小芯片的实际面积，降低整个SoC(System on Chip)芯片的成本，并且还能增强射频电路模块的可配置性及其工艺移植性。在整个数字射频的演变过程中，最早发生根本性改变的电路模块则为收发机中的
频率综合器(Frequency Synthesizer)。而在
频率综合器中，最为关键的是数字控制振荡器(DCO，Digital-Controlled Oscillator)模块，其
精度将影响整个数字锁相环输出的性能。
[0004] 但是，目前的数字控制振荡器不能满足频率综合器的精度和功耗要求，从而影响整个数字锁相环输出的性能。
发明内容
[0005] 为了解决
现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种应用于
全数字锁相环的数字控制振荡器。
[0006] 本发明的一个
实施例提供了一种应用于全数字锁相环的数字控制振荡器，包括：
[0007] 整数控制单元，用于接收调谐字的整数部分，并根据所述调谐字的整数部分得到第一
温度计码控制
信号；
[0008] 小数控制单元，用于接收调谐字的小数部分，并根据所述调谐字的小数部分得到第二
温度计码
控制信号；
[0009] 振荡器核心单元，连接所述整数控制单元和所述小数控制单元，用于根据所述第一温度计码控制信号和所述第二温度计码控制信号的调节所述数字控制振荡器的频率。
[0010] 在本发明的一个实施例中，所述整数控制单元包括第一温度计码转换器和动态元件匹配电路，其中，
[0011] 所述第一温度计码转换器，连接所述动态元件匹配电路，用于接收调谐字的整数部分，并将所述调谐字的整数部分转换为第一温度计码控制信号；
[0012] 所述动态元件匹配电路，连接所述振荡器核心单元，用于对所述第一温度计码控制信号进行轮转，并将轮转得到的第一温度计码控制信号输入至所述振荡器核心单元。
[0013] 在本发明的一个实施例中，所述小数控制单元包括数字
调制器和第二温度计码转换器，其中，
[0014] 所述数字调制器，连接所述第二温度计码转换器，用于接收调谐字的小数部分，并将所述调谐字的小数部分调制为设
定位数的数字码；
[0015] 所述第二温度计码转换器，连接所述振荡器核心单元，用于将所述数字码转换为所述第二温度计码控制信号，并将所述第二温度计码控制信号输入至所述振荡器核心单元。
[0016] 在本发明的一个实施例中，所述调谐字的整数部分包括粗调谐字、中调谐字和精调谐字。
[0017] 在本发明的一个实施例中，所述振荡器核心单元包括
二极管M1、二极管M2、二极管M3、二极管M4、二极管M5、二极管M6、二极管M7、二极管M8、电容C1、电容C2、电容C3、电容C4、
电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电感L和调谐阵列，其中，
[0018] 所述二极管M1的源极连接于接地端，所述二极管M1的栅极连接于所述电容C2的第一端和所述电阻R2的第一端，所述二极管M1的漏极连接于所述电容C1的第一端、所述二极管M3的漏极、所述二极管M4的栅极、所述调谐阵列的第一端、所述电感L的第一端、所述电阻R3的第一端、所述电阻R4的第一端、所述二极管M7的漏极、所述二极管M8的栅极、所述电容C3的第一端和所述二极管M5的漏极；
[0019] 所述二极管M2的源极连接于接地端，所述二极管M2的栅极连接于所述电容C1的第二端和所述电阻R1的第一端，所述二极管M2的漏极连接于所述电容C2的第二端、所述二极管M3的栅极、所述二极管M4的漏极、所述调谐阵列的第二端、所述电感L的第二端、所述二极管M7的栅极、所述二极管M8的漏极、所述电容C4的第一端和所述二极管M6的漏极；
[0020] 所述二极管M3的源极和所述二极管M4的源极均连接于接地端；
[0021] 所述二极管M5的源极连接于电源端，所述二极管M5的栅极连接于所述电容C4的第二端和所述电阻R4的第一端；
[0022] 所述二极管M6的源极连接于电源端，所述二极管M6的栅极连接于所述电容C3的第二端和所述电阻R3的第一端；
[0023] 所述二极管M7的源极和所述二极管M8的源极均连接于电源端；所述电阻R1的第二端连接于所述电阻R2的第二端，所述电阻R3的第二端连接于所述电阻R4的第二端。
[0024] 在本发明的一个实施例中，所述二极管M1、所述二极管M2、所述二极管M3和所述二极管M4是NMOS管，所述二极管M5、所述二极管M6、所述二极管M7和所述二极管M8是PMOS管。
[0025] 本发明的一个实施例中，所述调谐阵列包括第一调谐模块、第二调谐模块和第三调谐模块，所述第一调谐模块、所述第二调谐模块和所述第三调谐模块并接于所述二极管M1的漏极和所述二极管M2的漏极，其中，
[0026] 所述第一调谐模块，用于根据所述粗调谐字的第一温度计码控制信号调节所述数字控制振荡器的频率；
[0027] 所述第二调谐模块，用于根据所述中调谐字的第一温度计码控制信号和所述第二温度计码控制信号调节所述数字控制振荡器的频率；
[0028] 所述第三调谐模块，用于根据所述精调谐字的第一温度计码控制信号和所述第二温度计码控制信号调节所述数字控制振荡器的频率。
[0029] 在本发明的一个实施例中，所述第一调谐模块包括二极管M9、二极管M10、二极管M11、电容C5、电容C6、电阻R5和电阻R6，其中，
[0030] 所述电容C5的第一端连接于所述二极管M2的漏极，所述电容C5的第二端连接于所述电阻R5的第一端、所述二极管M9的漏极，所述电容C6的第一端连接于所述二极管M1的漏极，所述电容C6的第二端连接于所述电阻R6的第一端、所述二极管M9的源极，所述电阻R5的第二端连接于所述电阻R6的第二端、所述二极管M10的漏极和所述二极管M11的漏极，所述二极管M9的栅极、所述二极管M10的栅极和所述二极管M11的栅极连接于所述整数控制单元，所述二极管M10的源极连接于电源端，所述二极管M11的源极连接于接地端。
[0031] 在本发明的一个实施例中，所述第二调谐模块包括
变容二极管B1、变容二极管B2、二极管M12和二极管M13，其中，
[0032] 所述变容二极管B1的第一端连接于所述二极管M2的漏极，所述变容二极管B2的第一端连接于所述二极管M1的漏极，所述变容二极管B1的第二端连接于所述变容二极管B2的第二端、所述二极管M12的漏极和所述二极管M13的漏极，所述二极管M12的栅极和所述二极管M13的栅极连接于所述整数控制单元和所述小数控制单元，所述二极管M12的源极连接于电源端，所述二极管M13的源极连接于接地端。
[0033] 在本发明的一个实施例中，所述第三调谐模块包括二极管M14和二极管M15、二极管M16和二极管M17，其中，
[0034] 所述二极管M14的栅极连接于所述二极管M2的漏极，所述二极管M15的栅极连接于所述二极管M1的漏极，所述二极管M14的源极连接于所述二极管M14的漏极、所述二极管M15的源极、所述二极管M15的漏极、所述二极管M16的漏极和所述二极管M17的漏极，所述二极管M16的栅极和所述二极管M17的栅极连接于所述整数控制单元和所述小数控制单元，所述二极管M16的源极连接于电源端，所述二极管M17的源极连接于接地端。
[0035] 与现有技术相比，本发明的有益效果：
[0036] 本发明提出一种应用于全数字锁相环中的数字控制振荡器，该数字控制振荡器将调谐字分为整数部分和小数部分，分别将整数部分对应的控制信号和小数部分对应的控制
信号传输至振荡器核心单元，使得该数字控制振荡器具有高精度，低功耗的特点。
附图说明
[0037] 图1为本发明实施例提供的一种数字控制振荡器的结构示意图；
[0038] 图2为本发明实施例提供的另一种数字控制振荡器的结构示意图；
[0039] 图3为本发明实施例提供的一种振荡器核心单元的结构示意图；
[0040] 图4为本发明实施例提供的一种第一调谐模块的结构示意图；
[0041] 图5为本发明实施例提供的一种第二调谐模块的结构示意图；
[0042] 图6为本发明实施例提供的一种第三调谐模块的结构示意图。
具体实施方式
[0043] 下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
[0044] 请参见图1，图1为本发明实施例提供的一种数字控制振荡器的结构示意图。本发明实施例提供的一种应用于全数字锁相环的数字控制振荡器，该数字控制振荡器包括：
[0045] 整数控制单元，用于接收调谐字的整数部分，并根据所述调谐字的整数部分得到第一温度计码控制信号；
[0046] 小数控制单元，用于接收调谐字的小数部分，并根据所述调谐字的小数部分得到第二温度计码控制信号；
[0047] 振荡器核心单元，连接所述整数控制单元和所述小数控制单元，用于根据所述第一温度计码控制信号和所述第二温度计码控制信号的调节所述数字控制振荡器的频率。
[0048] 本发明提出一种应用于全数字锁相环中的数字控制振荡器，该数字控制振荡器将调谐字分为整数部分和小数部分，分别将整数部分对应的控制信号和小数部分对应的控制信号传输至振荡器核心单元，使得该数字控制振荡器具有高精度，低功耗的特点。
[0049] 具体地，请参见图2，本发明实施例的数字控制振荡器，包括：整数控制单元、小数控制单元和振荡器核心单元，其中，整数控制单元和小数控制单元分别连接振荡器核心单元。
[0050] 调谐字即为频率控制字，用以达到控制某种频率，对于调谐字而言，多数情况下调谐字包括整数部分和小数部分。
[0051] 在一个具体实施例中，整数控制单元用于接收调谐字的整数部分，并根据调谐字的整数部分得到第一温度计码控制信号；
[0052] 进一步，整数控制单元包括第一温度计码转换器(B to T1)和动态元件匹配电路(DEM,DYNAMIC ELEMENT MATCHING)，第一温度计码转换器连接动态元件匹配电路，动态元件匹配电路连接振荡器核心单元，其中，
[0053] 第一温度计码转换器，用于接收调谐字的整数部分，并将调谐字的整数部分转换为第一温度计码控制信号；
[0054] 第一温度计码控制信号包括粗调谐字的第一温度计码控制信号、中调谐字的第一温度计码控制信号和细调谐字的第一温度计码控制信号；
[0055] 调谐字的整数部分粗调谐字、中调谐字和精调谐字，其中，粗调谐字的大小大于中调谐字的大小、中调谐字的大小大于精调谐字的大小，并分别将粗调谐字、中调谐字和精调谐字输入至第一温度计码转换器，粗调谐字通过第一温度计码转换器转换为粗调谐字的第一温度计码控制信号，中调谐字通过第一温度计码转换器转换为中调谐字的第一温度计码控制信号，细调谐字通过第一温度计码转换器转换为细调谐字的第一温度计码控制信号，通过粗调谐字可以实现对数字控制振荡器的精度进行粗调，通过中调谐字可以实现对数字控制振荡器的精度进行中调，通过细调谐字可以实现对数字控制振荡器的精度进行细调，即粗调得到的精度小于中调得到的精度，中调得到的精度小于细调得到的精度。
[0056] 例如，粗调谐字为6bit，中调谐字和精调谐字均为7bit。
[0057] 动态元件匹配电路，用于对所述第一温度计码控制信号进行轮转，并将轮转得到的第一温度计码控制信号输入至所述振荡器核心单元；
[0058] 动态元件匹配电路采用轮转
算法，对接收到的粗调谐字的第一温度计码控制信号进行轮转，从而将轮转得到的粗调谐字的第一温度计码控制信号输入至振荡器核心单元的第一调谐模块，并对接收到的中调谐字的第一温度计码控制信号进行轮转，从而将轮转得到的中调谐字的第一温度计码控制信号输入至振荡器核心单元的第二调谐模块，对接收到的细调谐字的第一温度计码控制信号进行轮转，从而将轮转得到的细调谐字的第一温度计码控制信号输入至振荡器核心单元的第三调谐模块。
[0059] 动态元件匹配电路采用轮转算法，使得第一温度计码控制信号能够随机
抽取单位电容，从而平均化了单位电容的失配造成的误差。
[0060] 在一个具体实施例中，小数控制单元，用于接收调谐字的小数部分，并根据调谐字的小数部分得到第二温度计码控制信号；
[0061] 进一步地，小数控制单元包括数字调制器和第二温度计码转换器(B to T2)，数字调制器连接第二温度计码转换器，第二温度计码转换器连接振荡器核心单元，其中，[0062] 数字调制器，用于接收调谐字的小数部分，并将调谐字的小数部分调制为设定位数的数字码；
[0063] 该数字码能够控制第二调谐模块和第三调谐模块，从而改善数字控制振荡器的精度。数字调制器为sigma-delta调制，通过产生一系列数字码，这一系列数字码是一个小数数字外加一个高频噪声，相对来说这个高频噪声不会影响振荡器的性能，从而提高振荡器的频率精度。
[0064] 例如该数字调制器为5bit全数字调制器，则设定位数的数字码为5bit数字码。
[0065] 第二温度计码转换器，用于将数字码转换为第二温度计码控制信号，并将第二温度计码控制信号输入至所述振荡器核心单元。
[0066] 通过第二温度计码转换器将数字码转换为第二温度计码控制信号，从而将第二温度计码控制信号传输至第二调谐模块和第三调谐模块，通过第二温度计码控制信号调节数字控制振荡器的频率，通过第二调谐模块和第三调谐模块对调谐字的小数部分进行调谐，能够改善数字控制振荡器的精度。
[0067] 在一个具体实施例中，请参见图3，振荡器核心单元包括二极管M1、二极管M2、二极管M3、二极管M4、二极管M5、二极管M6、二极管M7、二极管M8、电容C1、电容C2、电容C3、电容C4、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电感L和调谐阵列，其中，
[0068] 二极管M1的源极连接于接地端，二极管M1的栅极连接于电容C2的第一端和电阻R2的第一端，二极管M1的漏极连接于电容C1的第一端、二极管M3的漏极、二极管M4的栅极、调谐阵列的第一端、电感L的第一端、电阻R3的第一端、电阻R4的第一端、二极管M7的漏极、二极管M8的栅极、电容C3的第一端和二极管M5的漏极；
[0069] 二极管M2的源极连接于接地端，二极管M2的栅极连接于电容C1的第二端和电阻R1的第一端，二极管M2的漏极连接于电容C2的第二端、二极管M3的栅极、二极管M4的漏极、调谐阵列的第二端、电感L的第二端、二极管M7的栅极、二极管M8的漏极、电容C4的第一端和二极管M6的漏极；
[0070] 二极管M3的源极和二极管M4的源极均连接于接地端；
[0071] 二极管M5的源极连接于电源端，二极管M5的栅极连接于电容C4的第二端和电阻R4的第一端；
[0072] 二极管M6的源极连接于电源端，二极管M6的栅极连接于电容C3的第二端和电阻R3的第一端；
[0073] 二极管M7的源极和二极管M8的源极均连接于电源端；
[0074] 电阻R1的第二端连接于电阻R2的第二端，电阻R3的第二端连接于电阻R4的第二端。
[0075] 其中，二极管M1、二极管M2、二极管M3和二极管M4是NMOS管，二极管M5、二极管M6、二极管M7和二极管M8是PMOS管。
[0076] 振荡器核心单元采用class-C和class-B混合的形式来产生负阻，其中class-B指的是MOS管会工作在线性区，而class-C指的是MOS管只会工作在饱和区。class-B主要由二极管M3、二极管M4、二极管M7和二极管M8部分形成，class-C主要由电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电容C1、电容C2、电容C3、电容C4、二极管M1、二极管M2、二极管M5和二极管M6部分形成。一部分负阻部分采用交叉耦合PMOS管对(二极管M7和二极管M8)和NMOS管对(二极管M3和二极管M4)来增加跨导，减小功耗；同时，另一部分负阻是NMOS管对(二极管M1和二极管M2)和PMOS管对(二极管M5和二极管M6)的栅极产生的偏置
电压(VB、VP)将根据振荡频率进行调整，以得到更好的
相位噪声，降低功耗。通过MOS管产生负阻，并利用所产生的负阻来抵消电感和电容组成的谐振槽的损耗。
[0077] 本发明实施例的数字控制振荡器使用双偏置(VB、VP)自动调整的方式，在频率高的时候，能够降低数字控制振荡器的负阻跨导，在频率低的时候，能够提高数字控制振荡器的负阻跨导。这种方式提高了数字控制振荡器的效率，并且使数字控制振荡器获得很好的
相位噪声。偏置的自动调整由数字方式实现，提高了调整精度。
[0078] 该振荡器核心单元采用LC振荡结构，负阻MOS管对由两部分构成，一部分为固定偏置，另一部分采用可调偏置，从而可以提高相位噪声，降低功耗。
[0079] 进一步地，调谐阵列包括第一调谐模块、第二调谐模块和第三调谐模块，第一调谐模块、第二调谐模块和第三调谐模块并接于二极管M1的漏极和二极管M2的漏极，其中，[0080] 第一调谐模块用于根据粗调谐字的第一温度计码控制信号调节数字控制振荡器的频率；
[0081] 第一调谐模块接收由粗调谐字转换的第一温度计码控制信号，从而根据该第一温度计码控制信号通过第一调谐模块对数字控制振荡器的频率进行调节。
[0082] 请参见图4，第一调谐模块包括二极管M9、二极管M10、二极管M11、电容C5、电容C6、电阻R5和电阻R6，其中，
[0083] 电容C5的第一端连接于二极管M2的漏极，电容C5的第二端连接于电阻R5的第一端、二极管M9的漏极，电容C6的第一端连接于二极管M1的漏极，电容C6的第二端连接于电阻R6的第一端、二极管M9的源极，电阻R5的第二端连接于电阻R6的第二端、二极管M10的漏极和二极管M11的漏极，二极管M9的栅极、二极管M10的栅极和二极管M11的栅极连接于整数控制单元的动态元件匹配电路，二极管M10的源极连接于电源端，二极管M11的源极连接于接地端。
[0084] 其中，二极管M9和二极管M11是NMOS管，二极管M10是PMOS管。
[0085] 在调谐阵列中，对于粗调谐字，输入的控制信号(粗调谐字的第一温度计码控制信号)为高时，即为逻辑高电平(
电源电压)时，二极管M9开启，电容接入谐振槽；当控制信号(粗调谐字的第一温度计码控制信号)为低时，即为逻辑低电平(地)时，二极管M9管关断，电容不接入谐振槽，以此控制数字控制振荡器的振荡频率。例如，粗调谐字为6bit，电容C5和电容C6为25fF时，低频处精度为10.24MHz。
[0086] 第二调谐模块，用于根据中调谐字的第一温度计码控制信号和第二温度计码控制信号调节数字控制振荡器的频率；
[0087] 首先第二调谐模块接收由中调谐字转换的第一温度计码控制信号，从而根据该第一温度计码控制信号对第二调谐模块对数字控制振荡器的频率进行调节。当调谐字的整数部分调谐完毕后，第二调谐模块则接收由调谐字的小数部分转换的第二温度计码控制信号，从而根据该第二温度计码控制信号通过第二调谐模块对数字控制振荡器的频率进行调节。
[0088] 请参见图5，第二调谐模块包括变容二极管B1、变容二极管B2、二极管M12和二极管M13，其中，
[0089] 变容二极管B1的第一端连接于二极管M2的漏极，变容二极管B2的第一端连接于二极管M1的漏极，变容二极管B1的第二端连接于变容二极管B2的第二端、二极管M12的漏极和二极管M13的漏极，二极管M12的栅极和二极管M13的栅极连接于整数控制单元的动态元件匹配电路和小数控制单元的第二温度计码转换器，二极管M12的源极连接于电源端，二极管M13的源极连接于接地端。
[0090] 在调谐阵列中，对于中调谐字，输入的控制信号(中调谐字的第一温度计码控制信号)为高时，即为逻辑高电平(电源电压)时，变容二极管B1和变容二极管B2处于较小的电容；当控制信号(中调谐字的第一温度计码控制信号)为低时，即为逻辑低电平(地)时，变容二极管B1和变容二极管B2处于较大的电容，这将改变数字控制振荡器的振荡频率。例如，中调控制字为7bit，变容二极管B1和变容二极管B2为1fF，低频处精度为320kHz。
[0091] 第三调谐模块，用于根据精调谐字的第一温度计码控制信号和第二温度计码控制信号调节所述数字控制振荡器的频率。
[0092] 首先第三调谐模块接收由细调谐字转换的第一温度计码控制信号，从而根据该第一温度计码控制信号对第三调谐模块对数字控制振荡器的频率进行调节。当调谐字的整数部分调谐完毕后，第三调谐模块则接收由调谐字的小数部分转换的第二温度计码控制信号，从而根据该第二温度计码控制信号通过第三调谐模块对数字控制振荡器的频率进行调节。
[0093] 请参见图6，第三调谐模块包括二极管M14和二极管M15、二极管M16和二极管M17，其中，
[0094] 二极管M14的栅极连接于二极管M2的漏极，二极管M15的栅极连接于二极管M1的漏极，二极管M14的源极连接于二极管M14的漏极、二极管M15的源极、二极管M15的漏极、二极管M16的漏极和二极管M17的漏极，二极管M16的栅极和二极管M17的栅极连接于整数控制单元的动态元件匹配电路和小数控制单元的第二温度计码转换器，二极管M16的源极连接于电源端，二极管M17的源极连接于接地端。
[0095] 在调谐阵列中，对于精调谐字，输入的控制信号(精调谐字的第一温度计码控制信号)为高时，即为逻辑高电平(电源电压)时，二极管M14和二极管M15的衬底电位较低，电容较小；当控制信号(精调谐字的第一温度计码控制信号)为低时，即为逻辑低电平(地)时，二极管M14和二极管M15的衬底电位较高，电容较大。例如，精调控制字为7bit，二极管M14和二极管M15为75aF，低频处精度为10kHz。
[0096] 该数字控制振荡器首先由调谐字的整数部分对数字控制振荡器的频率进行调谐，当调谐字的整数部分调谐完毕后，调谐字的小数部分开始工作，调谐字的小数部分由小数控制单元转换为第二温度计码控制信号，再有该第二温度计码控制信号控制第二调谐模块和第三调谐模块，从而实现更高的精度。
[0097] 本发明提出一种应用于全数字锁相环中的高精度数字控制振荡器，该数字控制振荡器首先将调谐字的整数部分输入至第一温度计码转换器，产生控制信号后，通过动态元件匹配电路将该控制信号输入至振荡器核心单元，调谐字的小数部分经过数字调制器后产生控制信号后，通过第二温度计码转换器将该控制信号输入振荡器核心单元，最后产生振荡的电压信号。该数字控制振荡器的电路具有高精度，低功耗的特点。
[0098] 本发明实施例的振荡器核心单元采用class-C和class-B交叉耦合的方式来实现低功耗、低相位噪声的数字控制振荡器，该数字控制振荡器使用双偏置自动调整的方式，即在频率高的时候，降低数字控制振荡器的负阻跨导，在频率低的时候提高数字控制振荡器的负阻跨导，这种方式提高了数字控制振荡器的效率，并且使数字控制振荡器获得很好的相位噪声。偏置的自动调整由数字方式实现，提高了调整精度。
[0099] 最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行
修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
