可编程频率发生器及其校准方法与流程

1.本发明涉及半导体集成电路振荡器技术，特别是涉及一种可编程频率发生器及其校准方法。


背景技术：

2.可编程频率发生器(pfg)可以对输出的频率通过软件控制进行调节，可以用于雾化器等应用，雾化器的雾化片的频率和pfg的输出频率越接近，产生的雾化效果就越好。因为不同的雾化片的频率有差异，并且工作环境变化也会改变雾化片的频率，因此需要pfg的输出频率在一定范围内可调并且在追频时的step(步长)能均匀变化，这样才会使雾化器产生最佳的使用效果。
3.如图1所示，一般不带校准的可编程频率发生器(pfg)电路的原理如下：输入电流i1＝vgs/r0，vgs为左边的第零nmos管的栅源电压，r0为图1中第0电阻r0的阻值，输入电流i1经第一调频nmos管n1m、第二调频nmos管n2m、
…
、第m调频nmos管nmm和第二nmos管n2等后镜像输出到第三pmos管p3，然后再镜像给第四pmos管p4～第七pmos管p7、第三nmos管n3～第六nmos管n6、第零电容c0～第二电容c2等组成的环形振荡器电路产生震荡，最后由可编程频率发生器(pfg)输出端vout输出方波，该方波的频率正比于程频率发生器(pfg)输出端vout输出方波，该方波的频率正比于其中，i取1，2，3，
…
，m，in2为第二nmos管n2的漏端电流，iim是第i调频nmos管nim导通时流过其中的电流，bi是iim的加权系数，当第i使能信号eni为高电压时，bi为1，当第i使能信号eni为0v时，bi＝0，并且第零电容c0、第一电容c1、第二电容c2的容值相等，m为大于1的整数(根据应用情况，m可以取8或9等值)，i为小于或等于m的正整数；为第一调频nmos管n1m的宽长比，为第二调频nmos管n2m的宽长比，为第(m-1)调频nmos管n(m-1)m的宽长比，为第m调频nmos管nmm的宽长比，各调频nmos管用于调节可编程频率发生器(pfg)的输出频率的范围。
4.由上面的公式可知，方波的频率步长(step)正比于在电路中，该值通常很小。以输出频率为2.4mhz的可编程频率发生器(pfg)为例，如果频率步长(step)为1khz，则这要求第二nmos管n2的尺寸很大，以便满足mos管失配的要求，这会导致第一调频nmos管n1m～第m调频nmos管nmm和第二nmos管n2的总面积会很大，不利于芯片节约成本。


技术实现要素：

5.本发明要解决的技术问题是提供一种可编程频率发生器及校准方法，在保证可编程频率发生器输出的频率的范围及精度的同时，使可编程频率发生器有较小芯片面积，节约校准可编程频率发生器成本。
6.为解决上述技术问题，本发明提供的可编程频率发生器，其包括电流产生电路、镜像电流电路、环形震荡电路及校准电路；
7.所述电流产生电路包括第二pmos管p2、第一nmos管n1；
8.第二pmos管p2，其源端接工作电压vdd，其漏端接第一nmos管n1的漏端及栅端；
9.第一nmos管n1的源端接地；
10.所述镜像电流电路，包括调频电路、校准电路及第三pmos管p3；
11.所述调频电路包括第一调频nmos管n1m、第二调频nmos管n2m、
…
、第n调频nmos管nnm、第一镜像nmos管n1ma及第一调频控制nmos管n1mc、第二调频控制nmos管n2mc、
…
、第n调频控制nmos管nnmc、第一镜像控制nmos管n1mac；
12.第i调频nmos管nim的漏端接第i调频控制nmos管nimc的源端，n为大于1的整数，(i＝1，2，
……
，n)；
13.第一镜像nmos管n1ma漏端接第一镜像控制nmos管n1mac源端；
14.第i调频控制nmos管nimc的栅端接第i使能信号eni，第一镜像控制nmos管n1mac接基本镜像使能信号en1a；
15.各调频控制nmos管及第一镜像控制nmos管n1mac的漏端接第三pmos管p3的漏端及栅端；
16.各调频nmos管及第一镜像nmos管n1ma的源端接地；
17.各调频nmos管及第一镜像nmos管n1ma的栅端接第二pmos管p2的源端；
18.第三pmos管p3的源端接工作电压vdd；
19.所述第三pmos管p3的栅端输出震荡控制信号到所述环形震荡电路；
20.所述校准电路包括第零校正nmos管nc0、第一校正nmos管nc1、...、第(k-1)校正nmos管nc(k-1)、第零校正控制nmos管nc0c、第一校正控制nmos管nc1c、...、第(k-1)校正控制nmos管nc(k-1)c，k为小于n的正整数；
21.第j校正nmos管ncj，其漏端接第j校正控制nmos管ncjc的源端，(j＝1，2，
……
，k-1)，其栅端接第j校正使能信号calen(j)，其漏端接第三pmos管p3的漏端及栅端；
22.各校正nmos管的源端接地；
23.各校正nmos管的栅端接第二pmos管p2的源端。
24.较佳的，镜像电流电路中的各调频nmos管及第一镜像nmos管n1ma的总的宽长比设计为最高位n的第n调频nmos管nnm对应的宽长比(w/l)n为次高位n-1的第(n-1)调频nmos管n(n-1)m对应的宽长比为(w/l)
n-1
为其余低位的宽长比依次是其前一位调频nmos管对应的宽长比的1/2，直到最低位的第一调频nmos管n1m)的宽长比(w/l)1为另外第一镜像nmos管n1ma的宽长比也为
25.所述校准电路，其第零校正nmos管nc0、第一校正nmos管nc1、...、第(k-1)校正
nmos管nc(k-1)的宽长比依次加倍。
26.较佳的，第零校正nmos管nc0、第一校正nmos管nc1、...、第(k-1)校正nmos管nc(k-1)的宽长比之和，大于第一nmos管n1的宽长比，并且小于
27.较佳的，第零校正nmos管nc0的宽长比小于第一调频nmos管n1m的宽长比；
28.第(k-1)校正nmos管nc(k-1)的宽长比小于
29.较佳的，校正电路中的各个校正控制nmos管的栅端分别连接一与门and的输出；
30.每一个与门and，其一个输入端用于接校正使能信号calen，另一个输入端用于接校正选择信号cal(k-1：0)。
31.较佳的，所述电流产生电路还包括第零pmos管p0、第一pmos管p1、第零nmos管n0、第零电阻r0及运算放大器op；
32.第零pmos管p0、第一pmos管p1的源端接工作电压vdd；
33.第零pmos管p0、第一pmos管p1、第二pmos管p2的栅端接所述运算放大器op的输出；
34.第零pmos管p0的漏端短接第零nmos管n0的漏端、栅端及所述运算放大器op的输入负；
35.第一pmos管p1的漏端接所述运算放大器op的输入正及第零电阻r0一端；
36.第零nmos管n0的源端及第零电阻r0另一端接地。
37.较佳的，所述环形震荡电路包括第四pmos管p4、第五pmos管p5、第六pmos管p6、第七pmos管p7、第三nmos管n3、第四nmos管n4、第五nmos管n5、第六nmos管n6、第零电容c0、第一电容c1、第二电容c2及缓冲器buf；
38.第四pmos管p4、第五pmos管p5、第六pmos管p6、第七pmos管p7的源端接工作电压vdd,栅端接第三pmos管p3的栅端；
39.第三nmos管n3，其栅端接第六pmos管p6漏端、第五nmos管n5漏端及第二电容c2一端；
40.第四nmos管n4，其栅端接第四pmos管p4漏端、第三nmos管n3漏端及第零电容c0一端；
41.第五nmos管n5，其栅端接第五pmos管p5漏端、第四nmos管n4漏端及第一电容c1一端；
42.第三nmos管n3、第四nmos管n4、第五nmos管n5、第六nmos管n6的源端及第零电容c0另一端、第一电容c1另一端、第二电容c2另一端接地；
43.第七pmos管p7漏端、第六nmos管n6漏端接缓冲器buf输入端，
44.缓冲器buf输出端作为可编程频率发生器输出端vout。
45.较佳的，第零电容c0、第一电容c1、第二电容c2的电容值相同。
46.为解决上述技术问题，本发明提供的所述可编程频率发生器的校准方法，其包括以下步骤：
47.s1.在可编程频率发生器工作前先进行可编程频率发生器校准，在可编程频率发生器校准前，将校准电路的第(k-1)校正控制nmos管nc(k-1)c的栅端的第(k-1)校正使能信号calen(k-1)配置为高电平1，其余各校正控制nmos管的栅端的校正使能信号配置为低电
平0；
48.s2.进行可编程频率发生器校准，包括以下步骤：
49.s21.测量各调频nmos管的失配导致的pfg频率差：
50.先将最高位n对应的第n调频nmos管nnm的电流断开，并将其余低位对应的各调频nmos管和第一镜像nmos管n1ma的电流导通，记录此时可编程频率发生器输出端vout输出方波的频率fn；然后将最高位n对应的第n调频nmos管nnm的电流导通，并将其余低位对应的各调频nmos管和第一镜像nmos管n1ma的电流断开，记录此时可编程频率发生器输出端vout输出方波的频率f
nt
，记录f
n-f
nt
的频率差为f
δn
；
51.再将最高位n及次高位n-1对应的第n调频nmos管nnm及第(n-1)调频nmos管n(n-1)m的电流断开，并将其余低位对应的各调频nmos管和第一镜像nmos管n1ma的电流导通，记录此时可编程频率发生器输出端vout输出方波的频率f
n-1
；然后保持最高位n对应的第n调频nmos管nnm的电流断开，并将次高位n-1对应的第n-1调频nmos管n(n-1)m的电流接通，将其余低位对应的各调频nmos管和第一镜像nmos管n1ma的电流断开，记录此时可编程频率发生器输出端vout输出方波的频率f
(n-1)t，记录f
(n-1)-f
(n-1)t的频率差为f
δ(n-1)
；
52.其余位的测量依次类推，直到测量完成每一位的频率差f
δi
，(i＝1，2，
……
，n)；
53.s22.可编程频率发生器工作时，当使用到至少一个调频nmos管的对应位电流镜时，将校准电路的第(k-1)校正控制nmos管nc(k-1)c的栅端的第(k-1)校正使能信号calen(k-1)配置为低电平0，并控制其余各校正控制nmos管的栅端的校正使能信号配置为至少一个为高电平1，从而控制校准电路减去相应的频率差；校正电路需要减去的总频率差为需要使用的各调频nmos管的对应位电流镜的需要减去的频率的总和；
54.当使用第n调频nmos管nnm对应的最高位n电流镜时，需要控制校准电路使输出频率减去的频率为1/2*f
δn
；当使用第n-1调频nmos管n(n-1)m对应的次高位n-1电流镜时，需要控制校准电路使输出频率减去的频率为1/2*(f
δ(n-1)-1/2*f
δn
)，依次类推，当使用第t位电流镜对应的第t调频nmos管ntm时，需要控制校准电路使输出频率减去的频率为(t＝1，2
…
，n-1)。
55.本发明的可编程频率发生器(pfg)，在电路中加入了校准电路，校准电路的位数为k小于调频电路的位数n，从而可以减少调频电路的位数及第一镜像nmos管n1ma宽长比，以大幅减小调频电路面积，通过更小位数及总宽长比的校准电路对可编程频率发生器(pfg)输出的频率进行校准，从而在保证可编程频率发生器(pfg)输出的频率的范围及精度的同时，使可编程频率发生器(pfg)有较小芯片面积，节约校准可编程频率发生器(pfg)成本。
附图说明
56.为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面对本发明所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
57.图1是现有一种不带校准的频率可编程频率发生器电路图；
58.图2本发明的可编程频率发生器一实施例电路图；
59.图3本发明的可编程频率发生器一实施例的校准电路的电路图；
60.图4本发明的可编程频率发生器一实施例的环形震荡电路的电路图。
具体实施方式
61.下面将结合附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
62.实施例一
63.如图2所示，可编程频率发生器(pfg)包括电流产生电路、镜像电流电路、环形震荡电路及校准电路；
64.所述电流产生电路包括第二pmos管p2、第一nmos管n1；
65.第二pmos管p2，其源端接工作电压vdd，其漏端接第一nmos管n1的漏端及栅端；
66.第一nmos管n1的源端接地；
67.所述镜像电流电路，包括调频电路、校准电路及第三pmos管p3；
68.所述调频电路包括第一调频nmos管n1m、第二调频nmos管n2m、
…
、第n调频nmos管nnm、第一镜像nmos管n1ma及第一调频控制nmos管n1mc、第二调频控制nmos管n2mc、
…
、第n调频控制nmos管nnmc、第一镜像控制nmos管n1mac；
69.第i调频nmos管nim的漏端接第i调频控制nmos管nimc的源端，n为大于1的整数，(i＝1，2，
……
，n)；
70.第一镜像nmos管n1ma漏端接第一镜像控制nmos管n1mac源端；
71.第i调频控制nmos管nimc的栅端接第i使能信号eni，第一镜像控制nmos管n1mac接基本镜像使能信号en1a；
72.各调频控制nmos管及第一镜像控制nmos管n1mac的漏端接第三pmos管p3的漏端及栅端；
73.各调频nmos管及第一镜像nmos管n1ma的源端接地；
74.各调频nmos管及第一镜像nmos管n1ma的栅端接第二pmos管p2的源端；
75.第三pmos管p3的源端接工作电压vdd；
76.所述第三pmos管p3的栅端输出震荡控制信号到所述环形震荡电路；
77.如图3所示，所述校准电路包括第零校正nmos管nc0、第一校正nmos管nc1、...、第(k-1)校正nmos管nc(k-1)、第零校正控制nmos管nc0c、第一校正控制nmos管nc1c、...、第(k-1)校正控制nmos管nc(k-1)c，k为小于n的正整数；
78.第j校正nmos管ncj，其漏端接第j校正控制nmos管ncjc的源端，(j＝1，2，
……
，k-1)，其栅端接第j校正使能信号calen(j)，其漏端接第三pmos管p3的漏端及栅端；
79.各校正nmos管的源端接地；
80.各校正nmos管的栅端接第二pmos管p2的源端。
81.实施例一的可编程频率发生器(pfg)，由第一调频nmos管n1m、第二调频nmos管n2m、
…
、第n调频nmos管nnm、第一镜像nmos管n1ma、第一调频控制nmos管n1mc、第二调频控制nmos管n2mc、
…
、第n调频控制nmos管nnmc、第一镜像控制nmos管n1mac等组成镜像电流电路，第一调频控制nmos管n1mc、第二调频控制nmos管n2mc、
…
、第n调频控制nmos管nnmc、第
一镜像控制nmos管n1mac用于控制相应支路电流的通断；由第零校正nmos管nc0、第一校正nmos管nc1、...、第(k-1)校正nmos管nc(k-1)、第零校正控制nmos管nc0c、第一校正控制nmos管nc1c、...、第(k-1)校正控制nmos管nc(k-1)c等组成校准电路。
82.实施例一的可编程频率发生器(pfg)，在电路中加入了校准电路，校准电路的位数为k小于调频电路的位数n，从而可以减少调频电路的位数及第一镜像nmos管n1ma宽长比，以大幅减小调频电路面积，通过更小位数及总宽长比的校准电路对可编程频率发生器(pfg)输出的频率进行校准，从而在保证可编程频率发生器(pfg)输出的频率的范围及精度的同时，使可编程频率发生器(pfg)有较小芯片面积，节约校准可编程频率发生器(pfg)成本。
83.实施例二
84.基于实施例一的可编程频率发生器(pfg)，镜像电流电路中的各调频nmos管及第一镜像nmos管n1ma的总的宽长比设计为最高位n的第n调频nmos管nnm对应的宽长比(w/l)n为次高位n-1的第(n-1)调频nmos管n(n-1)m对应的宽长比为(w/l)
n-1
为其余低位的宽长比依次是其前一位调频nmos管对应的宽长比的1/2，直到最低位的第一调频nmos管n1m)的宽长比(w/l)1为另外第一镜像nmos管n1ma的宽长比也为
85.所述校准电路，其第零校正nmos管nc0、第一校正nmos管nc1、...、第(k-1)校正nmos管nc(k-1)的宽长比依次加倍。
86.较佳的，第零校正nmos管nc0、第一校正nmos管nc1、...、第(k-1)校正nmos管nc(k-1)的宽长比之和，大于第一nmos管n1的宽长比，并且小于
87.较佳的，第零校正nmos管nc0的宽长比小于第一调频nmos管n1m的宽长比；
88.第(k-1)校正nmos管nc(k-1)的宽长比小于
89.较佳的，校正电路中的各个校正控制nmos管的栅端分别连接一与门and的输出；
90.每一个与门and，其一个输入端用于接校正使能信号calen，另一个输入端用于接校正选择信号cal(k-1：0)。
91.实施例二的可编程频率发生器(pfg)，在电路设计时，可以通过配合电流产生电路中的电阻及环形震荡电路中的电容大小确定将最低位的第一调频nmos管n1m的宽长比(w/l)1为另外第一镜像nmos管n1ma的宽长比也为两者相同的作用是在校准时可以让最高位的宽长比w/l和所有低位的总w/l尺寸相同。
92.实施例三
93.基于实施例一的可编程频率发生器(pfg)，所述电流产生电路还包括第零pmos管p0、第一pmos管p1、第零nmos管n0、第零电阻r0及运算放大器op；
94.第零pmos管p0、第一pmos管p1的源端接工作电压vdd；
95.第零pmos管p0、第一pmos管p1、第二pmos管p2的栅端接所述运算放大器op的输出；
96.第零pmos管p0的漏端短接第零nmos管n0的漏端、栅端及所述运算放大器op的输入负；
97.第一pmos管p1的漏端接所述运算放大器op的输入正及第零电阻r0一端；
98.第零nmos管n0的源端及第零电阻r0另一端接地。
99.实施例三的可编程频率发生器(pfg)，由第零pmos管p0、第一pmos管p1、第二pmos管p2、第零nmos管n0、第一nmos管n1、第零电阻r0及运算放大器op等组成电流产生电路。
100.实施例四
101.基于实施例一的可编程频率发生器(pfg)，如图4所示，所述环形震荡电路包括第四pmos管p4、第五pmos管p5、第六pmos管p6、第七pmos管p7、第三nmos管n3、第四nmos管n4、第五nmos管n5、第六nmos管n6、第零电容c0、第一电容c1、第二电容c2及缓冲器buf；
102.第四pmos管p4、第五pmos管p5、第六pmos管p6、第七pmos管p7的源端接工作电压vdd,栅端接第三pmos管p3的栅端；
103.第三nmos管n3，其栅端接第六pmos管p6漏端、第五nmos管n5漏端及第二电容c2一端；
104.第四nmos管n4，其栅端接第四pmos管p4漏端、第三nmos管n3漏端及第零电容c0一端；
105.第五nmos管n5，其栅端接第五pmos管p5漏端、第四nmos管n4漏端及第一电容c1一端；
106.第三nmos管n3、第四nmos管n4、第五nmos管n5、第六nmos管n6的源端及第零电容c0另一端、第一电容c1另一端、第二电容c2另一端接地；
107.第七pmos管p7漏端、第六nmos管n6漏端接缓冲器buf输入端，
108.缓冲器buf输出端作为可编程频率发生器输出端vout。
109.较佳的，第零电容c0、第一电容c1、第二电容c2的电容值相同。
110.实施例五
111.实施例二的可编程频率发生器(pfg)的校准方法，包括以下步骤：
112.s1.在可编程频率发生器工作前先进行可编程频率发生器校准，在可编程频率发生器校准前，将校准电路的第(k-1)校正控制nmos管nc(k-1)c的栅端的第(k-1)校正使能信号calen(k-1)配置为高电平1，其余各校正控制nmos管的栅端的校正使能信号配置为低电平0；
113.s2.进行可编程频率发生器校准，包括以下步骤：
114.s21.测量各调频nmos管的失配导致的pfg频率差：
115.先将最高位n对应的第n调频nmos管nnm的电流断开，并将其余低位对应的各调频nmos管和第一镜像nmos管n1ma的电流导通，记录此时可编程频率发生器输出端vout输出方波的频率fn；然后将最高位n对应的第n调频nmos管nnm的电流导通，并将其余低位对应的各调频nmos管和第一镜像nmos管n1ma的电流断开，记录此时可编程频率发生器输出端vout输出方波的频率f
nt
，记录f
n-f
nt
的频率差为f
δn
；
116.再将最高位n及次高位n-1对应的第n调频nmos管nnm及第(n-1)调频nmos管n(n-1)m的电流断开，并将其余低位对应的各调频nmos管和第一镜像nmos管n1ma的电流导通，记录此时可编程频率发生器输出端vout输出方波的频率f
n-1
；然后保持最高位n对应的第n调频
nmos管nnm的电流断开，并将次高位n-1对应的第n-1调频nmos管n(n-1)m的电流接通，将其余低位对应的各调频nmos管和第一镜像nmos管n1ma的电流断开，记录此时可编程频率发生器输出端vout输出方波的频率f
(n-1)t
，记录f
(n-1)-f
(n-1)t
的频率差为f
δ(n-1)；
117.其余位的测量依次类推，直到测量完成每一位的频率差f
δi
，(i＝1，2，
……
，n)；
118.s22.可编程频率发生器工作时，当使用到至少一个调频nmos管的对应位电流镜时，将校准电路的第(k-1)校正控制nmos管nc(k-1)c的栅端的第(k-1)校正使能信号calen(k-1)配置为低电平0，并控制其余各校正控制nmos管的栅端的校正使能信号配置为至少一个为高电平1，从而控制校准电路减去相应的频率差；校正电路需要减去的总频率差为需要使用的各调频nmos管的对应位电流镜的需要减去的频率的总和；
119.当使用第n调频nmos管nnm对应的最高位n电流镜时，需要控制校准电路使输出频率减去的频率为1/2*f
δn
；当使用第n-1调频nmos管n(n-1)m对应的次高位n-1电流镜时，需要控制校准电路使输出频率减去的频率为1/2*(f
δ(n-1)-1/2*f
δn
)，依次类推，当使用第t位电流镜对应的第t调频nmos管ntm时，需要控制校准电路使输出频率减去的频率为(t＝1，2
…
，n-1)。
120.以n＝10为例，当可编程频率发生器(pfg)的输出对应的输入为11,1100,0011时，校准电路需要减去的频率误差如下：
121.1/2*f
δ10
122. 1/2*(f
δ9-1/2*f
δ10
)
123. 1/2*(f
δ8-1/2*f
δ9-1/4*f
δ10
)
124. 1/2*(f
δ7-1/2*f
δ8-1/4*f
δ9-1/8*f
δ10
)
125. 1/2*(f
δ2-1/2*f
δ3-1/4*f
δ4-1/8*f
δ5-1/16*f
δ6-1/32*f
δ7-1/64*f
δ8-1/128*f
δ9-1/256*f
δ10
)
126. 1/2*(f
δ1-1/2*f
δ2-1/4*f
δ3-1/8*f
δ4-1/16*f
δ5-1/32*f
δ6-1/64*f
δ7-1/128*f
δ8-1/256*f
δ9-1/512*f
δ10
)。
127.本发明的可编程频率发生器(pfg)的校准方法，可以大大减小电路的总面积，节约电路成本。
128.以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。