本發(fā)明涉及一種應(yīng)用于亞速率結(jié)構(gòu)時(shí)鐘數(shù)據(jù)恢復(fù)電路(CDR)中的八相位壓控振蕩器。

背景技術(shù)：

隨著數(shù)據(jù)速率的提高，電路已經(jīng)能夠工作在微波毫米波頻段，由于速度、抖動(dòng)、信號(hào)完整性、噪聲等因素的影響，超高速CDR電路的設(shè)計(jì)面臨著越來(lái)越大的挑戰(zhàn)。近年來(lái)，隨著CMOS工藝的快速發(fā)展，利用其集成度高、功耗小的優(yōu)點(diǎn)，采用亞微米CMOS工藝的幾十Gb/s CDR電路已經(jīng)成功實(shí)現(xiàn)。超高速CDR電路的芯片面積一般相對(duì)較大，恢復(fù)出時(shí)鐘和數(shù)據(jù)信號(hào)的抖動(dòng)偏高，誤碼率偏大。為了突破工藝的限制，多種超高速的CDR電路結(jié)構(gòu)已經(jīng)提出來(lái)，目前對(duì)于幾十Gb/s速率級(jí)的超高速CDR電路的設(shè)計(jì)國(guó)際上普遍采用半速率和1/4速率電路結(jié)構(gòu)，從而緩解電路的設(shè)計(jì)壓力。

對(duì)于1/4速率電路結(jié)構(gòu)的CDR芯片，八相位壓控振蕩器模塊電路對(duì)整體芯片的性能起著關(guān)鍵的作用。對(duì)于采用電感的八相位壓控振蕩器來(lái)說(shuō)，至少需要八個(gè)電感，而無(wú)源螺旋電感通常占用較大的芯片面積，單個(gè)電感占用的芯片面積一般為200×200～300×300μm2，大大增加了芯片的面積，從而增加了成本。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

發(fā)明目的：針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)，提出一種寬調(diào)諧范圍八相位壓控振蕩器，

技術(shù)方案：一種寬調(diào)諧范圍八相位壓控振蕩器，包括4個(gè)壓控振蕩器單元、耦合電容單元和緩沖電路單元；4個(gè)振蕩器單元產(chǎn)生振蕩輸出差分信號(hào)，繼而共有八路輸出信號(hào)Vout1+，Vout1-，Vout2+，Vout2-，Vout3+，Vout3-，Vout4+和Vout4-，振蕩器單元之間通過(guò)耦合電容單元進(jìn)行耦合，產(chǎn)生八相位信號(hào)通過(guò)緩沖單元輸出最終的輸出信號(hào)V1+，V1-，V2+，V2-，V3+，V3-，V4+和V4-；

其中，所述壓控振蕩器單元包括PMOS管M₅和M₆，NMOS管M₁、M₂、M₃、M₄、M₇和M₈，以及累積型MOS變?nèi)莨蹸_var1和C_var2；NMOS管M₇和NMOS管M₈源級(jí)接地，NMOS管M₇的漏極連接NMOS管M₈的柵極并連接輸出信號(hào)正端Vout+，NMOS管M₈的漏極連接NMOS管M₇的柵極并連接輸出信號(hào)負(fù)端Vout-，NMOS管M₁和NMOS管M₃的源級(jí)互連并連接所述輸出信號(hào)正端Vout+，NMOS管M₂和NMOS管M₄的源級(jí)互連并連接所述輸出信號(hào)負(fù)端Vout-，NMOS管M₁和NMOS管M₃的柵級(jí)互連并連接NMOS管M₂和PMOS管M₅的漏極，NMOS管M₂和NMOS管M₄的柵級(jí)互連并連接NMOS管M₁和PMOS管M₆的漏極，NMOS管M₃的漏極和PMOS管M₅的源級(jí)互連并連接電源V_DD，NMOS管M₄的漏極和PMOS管M₆的源級(jí)互連并連接電源V_DD，PMOS管M₅和PMOS管M₆的柵級(jí)互連并連接控制信號(hào)V_ctrl1，累積型MOS變?nèi)莨蹸_var1的柵極連接所述差分輸出信號(hào)正端Vout+，累積型MOS變?nèi)莨蹸_var2的柵極連接所述差分輸出信號(hào)負(fù)端Vout-，累積型MOS變?nèi)莨蹸_var1和C_var2的漏極和源級(jí)互聯(lián)并連接控制信號(hào)V_ctrl2。

進(jìn)一步的，所述耦合電容單元包含電容C1～C8，耦合電容耦合振蕩器輸出信號(hào)以實(shí)現(xiàn)八相位信號(hào)輸出，其中C1兩端分別連接壓控振蕩器單元1輸出信號(hào)Vout1+和壓控振蕩器單元2輸出信號(hào)Vout2+，C2兩端分別連接壓控振蕩器單元1輸出信號(hào)Vout1-和壓控振蕩器單元2輸出信號(hào)Vout2-，C3兩端分別連接壓控振蕩器2輸出信號(hào)Vout2+和壓控振蕩器3輸出信號(hào)Vout3+，C4兩端分別連接壓控振蕩器單元2輸出信號(hào)Vout2-和壓控振蕩器單元3輸出信號(hào)Vout3-，C5兩端分別連接壓控振蕩器單元3輸出信號(hào)Vout3+和壓控振蕩器單元4輸出信號(hào)Vout4+，C6兩端分別連接壓控振蕩器單元3輸出信號(hào)Vout3-和壓控振蕩器單元4輸出信號(hào)Vout4-，C7兩端分別連接壓控振蕩器單元4輸出信號(hào)Vout4+和壓控振蕩器單元1輸出信號(hào)Vout1-，C8兩端分別連接壓控振蕩器單元4輸出信號(hào)Vout4-和壓控振蕩器單元1輸出信號(hào)Vout1+。

進(jìn)一步的，所述緩沖電路單元由兩級(jí)差分緩沖電路組成，包含NMOS管M1～M6，電阻R1～R4；NMOS管M5和NMOS管M6的源級(jí)互連接地，NMOS管M5和NMOS管M6的柵級(jí)互連并連接偏置電壓V_b，NMOS管M1和NMOS管M2的源級(jí)互連并連接NMOS管M5的漏極，NMOS管M1柵極連接振蕩器單元輸出信號(hào)的正端Vout+，NMOS管M2的柵極連接振蕩器單元輸出信號(hào)的負(fù)端Vout-，NMOS管M1的漏極連接電阻R1的一端，NMOS管M2的漏極連接R2的一端，NMOS管M3和NMOS管M4的源級(jí)互連并連接NMOS管M6的漏極，NMOS管M3的柵極連接NMOS管M1的漏極，NMOS管M4的柵極連接NMOS管M2的漏極，NMOS管M3的漏極連接電阻R3的一端，NMOS管M4的漏極連接R4的一端，電阻R1、R2、R3和R4的另一端互連并接電源V_DD。

有益效果：(1)傳統(tǒng)八相位壓控振蕩器采用的電感類型基本上是無(wú)源螺旋電感，可用螺旋電感通常占用較大的芯片面積，單個(gè)電感占用的芯片面積一般為200×200～300×300μm²；本發(fā)明應(yīng)用于亞速率結(jié)構(gòu)時(shí)鐘數(shù)據(jù)恢復(fù)電路(CDR)中的八相位壓控振蕩器，采用有源電感，總體芯片面積為525μm×475μm，大大節(jié)約了芯片面積。

(2)有源電感的感值可以通過(guò)外部電壓來(lái)進(jìn)行調(diào)控，可以實(shí)現(xiàn)電感值的有效調(diào)節(jié)，使壓控振蕩器具有較寬的調(diào)諧范圍。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明八相位壓控振蕩器的電路結(jié)構(gòu)方框圖；

圖2是本發(fā)明中壓控振蕩器單元的電路原理圖；

圖3是本發(fā)明中緩沖電路原理圖；

圖4是本發(fā)明八相位壓控振蕩器的壓控頻率曲線。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做更進(jìn)一步的解釋。

如圖1所示，一種寬調(diào)諧范圍八相位壓控振蕩器，包括4個(gè)壓控振蕩器單元、耦合電容單元以及4個(gè)緩沖電路單元。4個(gè)振蕩器單元產(chǎn)生振蕩輸出差分信號(hào)，繼而共有八路輸出信號(hào)Vout1+，Vout1-，Vout2+，Vout2-，Vout3+，Vout3-，Vout4+和Vout4-，振蕩器單元之間通過(guò)耦合電容單元進(jìn)行耦合，產(chǎn)生八相位信號(hào)通過(guò)緩沖單元輸出最終的輸出信號(hào)V1+，V1-，V2+，V2-，V3+，V3-，V4+和V4-。

其中，蕩器單元2產(chǎn)生差分振蕩信號(hào)Vout2+和Vout2-，八相位壓控振蕩器單元3產(chǎn)生差分振蕩信號(hào)Vout3+和Vout3-，八相位壓控振蕩器單元4產(chǎn)生差分振蕩信號(hào)Vout4+和Vout4-，信號(hào)端Vout1+和Vout2+之間采用電容C1進(jìn)行耦合，信號(hào)端Vout1-和Vout2-之間采用電容C2耦合，信號(hào)端Vout2+和信號(hào)端Vout3+之間采用電容C3耦合，信號(hào)端Vout2-和Vout3-之間采用電容C4耦合，信號(hào)端Vout3+和Vout4+之間采用電容C5耦合，信號(hào)端Vout3-和Vout4-之間采用電容C6耦合，信號(hào)端Vout4+和Vout1-之間采用電容C7耦合，信端號(hào)Vout4-和Vout1+之間采用電容C8耦合。Vout1+，Vout2+，Vout3+和Vout4+之間的相位差約為45°，Vout1-，Vout2-，Vout3-和Vout4-之間的相位差約為45°。振蕩信號(hào)Vout1+和Vout1-通過(guò)緩沖電路單元1輸出差分信號(hào)V1+和V1-，振蕩信號(hào)Vout2+和Vout2-通過(guò)緩沖電路單元2輸出差分信號(hào)V2+和V2-，振蕩信號(hào)Vout3+和Vout3-通過(guò)緩沖電路單元3輸出差分信號(hào)V3+和V3-，振蕩信號(hào)Vout4+和Vout4-通過(guò)緩沖電路單元1輸出差分信號(hào)V4+和V4-。

八相位壓控振蕩器電路中的振蕩器單元基于差分有源電感的方案來(lái)實(shí)現(xiàn)，如圖2所示，振蕩器單元電路產(chǎn)生振蕩信號(hào)Vout+和Vout-，包括NMOS管M₁，M₂，M₃，M₄，M₇和M₈，PMOS管M₅和M₆，以及累積型MOS變?nèi)莨蹸_var1和C_var2。NMOS管M₇和NMOS管M₈構(gòu)成交叉耦合差分放大器用來(lái)產(chǎn)生負(fù)阻，NMOS管M₇和NMOS管M₈的源級(jí)接地，NMOS管M₇的漏極接NMOS管M₈的柵極并接輸出信號(hào)正端Vout+，NMOS管M₈的漏極接NMOS管M₇的柵極并接輸出信號(hào)負(fù)端Vout-。NMOS管M₁和NMOS管M₃的源級(jí)互連并連接輸出信號(hào)正端Vout+，NMOS管M₂和NMOS管M₄的源級(jí)互連并連接輸出信號(hào)負(fù)端Vout-，NMOS管M₁和NMOS管M₃的柵級(jí)互連并連接NMOS管M₂和PMOS管M₅的漏極，NMOS管M₂和NMOS管M₄的柵級(jí)互連并連接NMOS管M₁和PMOS管M₆的漏極，NMOS管M₃的漏極和PMOS管M₅的源級(jí)互連并連接電源V_DD，NMOS管M₄的漏極和PMOS管M₆的源級(jí)互連并連接電源V_DD。NMOS管M₁，M₂，M₃，M₄以及PMOS管M₅和M₆構(gòu)成了差分有源電感，PMOS管M₅和PMOS管M₆的柵級(jí)互連并連接控制信號(hào)V_ctrl1，控制信號(hào)V_ctrl1實(shí)現(xiàn)壓控振蕩器的粗調(diào)，實(shí)現(xiàn)有源電感感值和品質(zhì)因數(shù)的變化。積型MOS變?nèi)莨蹸_var1的柵極連接所述差分輸出信號(hào)正端Vout+，累積型MOS變?nèi)莨蹸_var2的柵極連接所述差分輸出信號(hào)負(fù)端Vout-，累積型MOS變?nèi)莨蹸_var1和C_var2的漏極和源級(jí)互聯(lián)并連接控制信號(hào)V_ctrl2，改變控制信號(hào)V_ctrl2，可以改變累積型變?nèi)莨蹸_var1和C_var2的電容值，實(shí)現(xiàn)壓控振蕩器的振蕩頻率細(xì)調(diào)。

如圖3所示，緩沖單元由兩級(jí)差分緩沖放大器級(jí)聯(lián)組成，第一級(jí)差分緩沖放大器包含NMOS管M1、M2、M5和電阻R1、R2；第二級(jí)差分緩沖放大器包括NOMOS管M3、M4、M6和電阻R3、R4。NMOS管M5和NMOS管M6的源級(jí)互連并接地，NMOS管M5和NMOS管M6的柵級(jí)互連并接偏置電壓V_b，為兩級(jí)差分緩沖放大器的尾電流，而NMOS管M1和NMOS管M2的柵極分別接振蕩單元產(chǎn)生的信號(hào)正端Vout+和負(fù)端Vout-，NMOS管M1和NMOS管M2的源級(jí)互連并接NMOS管M5的漏極，NMOS管M1和NMOS管M2的漏極分別接電阻R1和R2的一端，電阻R1，R2的另一端互連并接電源V_DD，R1和R2為第一級(jí)差分緩沖放大器的負(fù)載。NMOS管M1的漏極連接M3的柵極，NMOS管M2的漏極連接M4的柵極，NMOS管M3和M4的源級(jí)互連并接NMOS管M6的漏極，NMOS管M3和M4的源級(jí)互連并接NMOS管M6的漏極NMOS管，NMOS管M3和NMOS管M4的漏極分別接電阻R3和R4的一端，R3和R4的另一端互連并接電源VDD。

本發(fā)明由上述電路構(gòu)成寬調(diào)諧范圍八相位壓控振蕩器和傳統(tǒng)的八相位壓控振蕩器相比，優(yōu)點(diǎn)有：①傳統(tǒng)八相位壓控振蕩器采用的電感類型基本上是無(wú)源螺旋電感，單個(gè)電感占用的面積一般為200×200～300×300μm²，本發(fā)明采用有源電感，總體芯片面積為525μm×475μm，大大節(jié)約了芯片面積。②若LC諧振網(wǎng)絡(luò)具有很高的品質(zhì)因數(shù)，那么ω_osc趨近于而在目前CMOS工藝中，無(wú)源電感難以得到高的Q值，導(dǎo)致而且有限的Q值也影響了電路的相位噪聲。因此本次設(shè)計(jì)的振蕩器通過(guò)差分有源電感實(shí)現(xiàn)較高的Q值，同時(shí)實(shí)現(xiàn)寬調(diào)諧范圍?，F(xiàn)說(shuō)明如下：

寬調(diào)諧范圍VCO是基于可調(diào)有源電感來(lái)實(shí)現(xiàn)的，參看圖2，從直流角度看，M₁和M₂形成交叉耦合對(duì)，M₃和M₄形成共漏結(jié)構(gòu)。在靜態(tài)偏置的情況下，M₁-M₄處于飽和區(qū)，至于M₅和M₆即可工作在飽和區(qū)，也可工作在線性區(qū)。經(jīng)過(guò)小信號(hào)分析后，可得到等效電感L_eq和品質(zhì)因數(shù)Q：

其中，C_gs1、C_gs3分別為M₁和M₃柵源極間電容，g_m1和g_m3分別是M₁和M₃的跨導(dǎo)，g_ds5是M₅的漏源極間的輸出電導(dǎo)，ω為角頻率。

有源電感的感值可以通過(guò)外部電壓來(lái)進(jìn)行調(diào)控，可以實(shí)現(xiàn)電感感值的有效調(diào)節(jié)和較寬的調(diào)諧范圍，參看圖4，調(diào)諧范圍可達(dá)120％。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤(rùn)飾，這些改進(jìn)和潤(rùn)飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。