专利名称：低噪声可编程电流源的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种低噪声可编程电流源。
技术背景传统上，把通常使用电流镜(cuirent mirror)实现的可编程电流源 用于控制到多个不同类型的负栽的电流。例如，在许多现代通信系统 中，要求宽带低相位噪声VCO。由于这些VCO提供了相当好的相位 噪声性能，所以通常把这些VCO实现为LC调谐的VCO。由于相位 噪声随调谐灵敏度(Kve。)的增加而恶化，所以通常通过与变容二级 管并行的可切换电容器组进行宽带设计。电容器组把VCO的频率范 围分割成小频带。这允许VCO以小的Kvc。覆盖大的频率范围。就针对给定偏置电流的最佳相位噪声而言，期望按限流方式，而 不是按限压方式操作VCO。使用宽带VCO，储能电路幅度(tank amplitude)随频率显著变化，因此，期望具有一种控制振荡幅度的方 法。在振荡器中，偏置电流按限流方式控制振荡的幅度。对于固定的 偏置电流，在限流方式下振荡的幅度随储能电路阻抗而增加，而储能 电路阻抗通常随频率而增加。可以通过用电流源DAC取代偏置源或 者电流镜，数字地控制偏置电流。这两种方法中的每一种方法都允许 根据VCO的频带选择不同的偏置。在其中用DAC取代偏置源的情况下，镜晶体管的vdsat将随VCO 的偏置电流而减小。在其中用DAC取代镜的情况下，晶体管的vdsat 将不随偏置电流变化。在振荡器中，VCO的偏置电流中的噪声可能为明显的相位噪声 源。在振荡器中低频偏置噪声向相位噪声的转换依赖于核心晶体管的 过渡频率(ft)。由于固定宽度的晶体管在较低偏置电流的情况下具
有较低的ft，所以当偏置电流最低时，偏置噪声向相位噪声的转换最 糟糕。发明内容因此，本发明的目的是提供一种改进的低噪声可编程电流源。 本发明的另一个目的是提供一种改进的低噪声可编程电流源，该低噪声可编程电流源通过可用的余量(headroom)优化控制电压，以 最小化噪声。本发明的另 一个目的是提供这样一种改进的低噪声可编程数字 可控电流源。本发明的另 一个目的是提供这样一种改进的低噪声可编程数字 可控电流源，该低噪声可编程数字可控电流源使用电流镜与/或数字 到模拟转换器实现。本发明的另 一个目的是提供这样一种改进的低噪声可编程数字 可控电流源，该低噪声可编程数字可控电流源提高了对减小的输出电 流的依从性。本发明的另 一个目的是提供这样一种改进的低噪声可编程数字 可控电流源，该低噪声可编程数字可控电流源在电流减小时提供可调 整的退化(degeneration)(例如，电阻器)。本发明的另 一个目的是提供这样一种改进的低噪声可编程数字 可控电流源，该低噪声可编程数字可控电流源在电流减小时提供可调 整的器件尺寸。本发明源自这样一种认识由于驱动负载的电流源可用的余量 随电流的减小而增加，所以可以通过增加MOS电流镜中的控制电压， 例如Vgs,最佳地降低噪声，以通过可编程电流源和控制电路最佳地利 用所述余量，其中，可编程电流源具有用于提供输出负载电流的输出 数字到模拟转换器，控制电路响应定义预定的负栽电流的输入和负栽 电压来为数字到模拟转换器生成控制字和控制电压，所述控制字和控 制电压驱动数字到模拟转换器，以产生预定的负栽电流，并且控制电
压把数字到模拟转换器的适从电压(compliance voltage )设置为基本 上等于负栽电压，以最小化电流源中的电流噪声。本发明的特征在于低噪声可编程电流源，该低噪声可编程电流源 包括输出数字到模拟转换器和控制电路，其中，所述输出数字到模拟 转换器用于提供输出负栽电流，所述控制电路响应定义预定的负栽电 流的输入，来为数字到模拟转换器生成控制字和控制电压。控制字和 控制电压驱动数字到模拟转换器，以产生预定的负栽电流，而控制电 压设置数字到模拟转换器的适从电压，以最小化数字到模拟转换器中 的电流噪声。在优选实施例中，控制电路也可以响应负载电压。可以把适从电 压设置为基本上等于负载电压。控制电路可以包括开关电流镜的主要 部分。开关电流镜的主要部分可以包括至少一个级和相关的开关电路， 用于有选择地连接/断开所述至少一个级。输出数字到模拟转换器可 以包括开关电流镜的从属部分。从属部分可以包括至少一个级和相关 的开关电路，用于有选择地连接/断开至少一个级。可以与从属部分 中相应的级同时操作主要部分的每一个级。从属部分可以包括超过主 要部分中的级数的至少一个附加的级。控制电路可以包括电流源。电 流源可以包括固定电流源；其可以包括可变电流源。可变电流源可以 包括数字到模拟转换器。开关电流镜的主要部分可以包括至少一个级， 每一个级包括可切换的退化电阻。输出数字到模拟转换器可以包括开 关电流镜的从属部分。从属部分可以包括至少一个级，每一个级可以 包括可切换的退化电阻(degeneration resistor)。可以与从属部分中 的相应的级同时操作主要部分的每一个级。从属部分可以包括超过主 要部分中的级数的至少一个附加的级。控制电路可以包括固定电流源 或者可变电流源。可变电流源可以包括数字到模拟转换器。电流镜的 主要部分可以包括固定电流源或者可变电流源。可变电流源可以包括 输入数字到模拟转换器。控制电路可以包括响应负栽电压以及至少控 制电压的比较器，所述控制电压用于确定输出模拟到数字转换器是否 具有比其正在使用的余量多的余量。还可以有响应比较器和定义了预 定的负载电流的输入以生成调整适从电压的控制字和控制电压的数字 状态机。本发明的特征还在于压控振荡器(vco)系统，该vco系统具有低噪声可编程电流源，该低噪声可编程电流源包括输出数字到模拟 转换器和控制电路，其中，所述输出数字到模拟转换器用于向vco 提供输出负栽电流，控制电路响应为vco定义了预定的负栽电流的输入来为数字到模拟转换器生成控制字和控制电压。控制字和控制电压驱动数字到模拟转换器，以为vco产生预定的负载电流。控制电压为数字到模拟转换器设置适从电压，以最小化数字到模拟转换器中的电流噪声以及vco中的相位噪声。
通过以下对优选实施例和附图的描述，本领域技术人员将会意识到本发明的其它目的、特性以及优点，其中图1为宽带vco的示意性方框图，该宽带vco具有使用电流镜(current mirror)的现有技术电流源；图2为类似于图l的电流源的可选的现有技术电流源的示意性方 框图，该电流源具有可变电流源，例如向电流镜的主要部分供电的输 入DAC;图3为类似于图l的电流源的可选的现有技术电流源的示意性方 框图，该电流源具有作为输出DAC的一部分实现的电流镜的从属部分；图4说明了与现有技术DAC和电流镜器件相比本发明的随负载电流减小而增加的控制电压；图5为根据本发明的低噪声可编程电流源的示意性方框图；图6为使用所切换的器件尺寸针对所预期的负载电压的图5的低噪声可编程电流源的更详细的示意性方框图；图7为使用所切换的器件退化针对所预期的负栽电压的图5的低 噪声可编程电流源的更详细的示意性方框图8说明了使用可用的余量将控制电压，例如Vgs，优化为负载 电压随负载电流的减小而增加；以及图9为用于监视所测量的负载电压的图5的控制电路的示意性方框图。
具体实施方式
除了以下所公开的一个或多个优选实施例之外，本发明也能够体 现为其它的实施例，并且能够按不同的方式加以实践或者实现。因此， 应该认识到，本发明不局限于其对以下描述中所阐述的或者在附图中 所说明的部件的构造与配置的具体细节的应用。图1中描述了宽带低相位噪声LC压控振荡器(VCO)系统IO， 其包括VCO电路12和电流源14。 VCO 12包括LC电路16， LC电 路16具有一对电感器18和20以及一对可变电容器22和24。由于相 位噪声随调谐灵敏度(Kve。)的增加而恶化，所以通常使用与变容二 级管22、 24以及电感器18和20并行的可切换的电容器组26进行宽 带设计。这把VCO 12的频率范围分割成小频带，并且允许其覆盖较 大的频率范围，同时保持小的Kvc。。开关晶体管30和32也形成了 VCO 12的一部分。电流源14包括通过电流镜36传递的固定电流源34，IbiM, 电流镜36包括分别由晶体管42和44形成的主要部分38和从属部分 40。为了优化针对给定偏置电流的相位噪声，期望按限流方式，而不 是按限压方式操作VCO 12。使用宽带VCO 12，储能电路幅度，即跨 越由元件18、 20、 22以及24构成的LC电路的峰值电压，随频率明 显变化，因此，期望具有一种控制振荡幅度的方法。通过最终由电流 源14的偏置电流源34提供的振荡器中的偏置电流，按限流方式控制 振荡的幅度。对于固定的偏置电流，在限流方式下振荡的幅度通常随 频率而增加。可以通过用可变电流源34a (图2)或者输入DAC34aa 取代固定电流源34，数字地控制偏置电流。可替换地，如图3中所示， 电流源34可以保持固定，但可以把晶体管镜44的从属部分40实现为
输出DAC 50 (图3)的一部分。在用可变源34a、 34aa (图2)取代 偏置源34的情况下，镜晶体管42和44的V^t将随VCO 12的偏置 电流而减少，在图4中用52表示。在用输出DAC 50 (图3)取代镜 的从属部分40的情况下，这些晶体管的V^t将不随VCO 12的偏置 电流变化，在图4中用54表示。本发明基于这样一种认识如果对偏置电流进行调整以使振荡幅 度在所有频带上约为常数，则电流源可用的电压余量随核心晶体管 30， 32 (图1)中的偏置的减小而增大。由于这些核心晶体管30， 32的Vgs减小(此处，Vgs通常为控制 电压，并且具体地，对于图1中所示的MOS晶体管，其为栅极到源 极电压)，而使得可用余量增加，可以把这些额外的余量用于降低偏 置电流源的噪声。由于可用于电流源的余量随电流的减小而增加，如 图4中的56所示，所以随着电流的减小，降低偏置电流源的噪声是可 能的。因此，当这样做最为关键时，可以降低偏置噪声。根据本发明 的低噪声电流源70 (图5)包括控制电路72和电流输出DAC74。 Din 为指示预定的负载电流I1()ad的数字输入。控制电路72响应线路76上 的数字输入D化和负载电压V1()ad，以产生控制字DAC输入78和其为 电流输出DAC中Vgs的对应物的控制电压80。作为选择，控制电路 72响应数字输入Din，以根据与所希望的负载电流相关联的所期望的 负载电压而产生控制字78和控制电压80。当在设计控制电路72时已 知负载电压随负载电流变化时，这一较简单的方案是可行的。控制电 路72生成控制字、线路78上的DAC输入、以及线路80上的控制电 压，以使数字到模拟转换器74能够产生数字输入Din所要求的预定的 负载电流。控制电压80还设置DAC74的适从电压，以使其基本上等 于负载电压V,。ad,以最小化数字到模拟转换器中的电流噪声。适从电 压为可以以其适当地操作电流源的DAC的最小电压。可以看出，在图1中，对于像电流源一样运作的器件Mml (40) 而言，V^d必须^Vgs-Vt，其中，Vi为Mml MOS晶体管的本征阈 值电压。当负栽电流减小而负栽电压增高时，Vgs的余量也增大。由于
噪声为Vp的反函数:噪声<formula>formula see original document page 11</formula> (1)所以使Vgs尽可能地大，可以降低噪声。因此，根据本发明，应 该认识到，令Vgs等于V,。ad加Vi的全值，可最大程度地降低噪声。另外，Vgs还为MOS晶体管的物理维度的函数<formula>formula see original document page 11</formula>(2)，其中，W和L为MOS晶体管的维度。因此，通过减小W，可 增加Vgs，以及降低噪声。通过充分地减小W，以使Vgs可以达到其最 大值，即V,。ad加VT，从而可以获得最大噪声抑制。在一个实施例中，电流源34c(图6)包括DAC,而主要部分38c 包括多个级100、 102、 104以及106。级100包括晶体管108。级102、 104以及106中的每一个分别包括晶体管110、 112和114以及开关116、 118以及120。这些晶体管中的每一个可具有同样的面积、电流密度， 或者它们也可以不同。从属部分40c也包括多个级122、 124、 126以 及128。级122- 128中的每一个分别包括晶体管130、 132、 134以及 136。级124 - 128也包括开关138、 140以及142。数字字D^到达DAC 34c的输入端，定义了所希望的负栽电流I^d,并且以信号形式发送数 字输出ON0、 ON" ON2，以相应地设置开关116、 118、 120。例如， 这保持了或者或多或少地减小了晶体管110、 112以及114的尺寸或者 宽度，从而调整了 Vgs的值。晶体管122- 128在尺寸上可以相互相等， 也可以不同，并且可以具有与它们的对应晶体管108-114相同的面 积，或者它们也可以成比例。例如，从属部分40c中的晶体管的全部 面积可以为主要部分38c中它们的对应晶体管的面积的2或3倍或4 倍。可以把级122 - 128实现为数字到模拟转换器50c的一部分，数字 到模拟转换器50c可以包括具有晶体管154、 156与开关158和160的 附加的级150、 152...。在另一个实现(图7)中，主要部分38d包括多个级170、 172、 174，它们分别包括由开关182、 184、 186控制的退化电阻176、 178、 180。电阻器176- 180可以相互相等，也可以互不相同。从属部分40d 也包括由退化电阻194、 196、 198和相关的开关200、 202、 204形成 的多个级188、 190、 192。退化电阻194-198的电阻可以相互相等， 也可以互不相同，并且它们可以与主要部分38d中它们的相应的退化 电阻对应者176、 178、 180相等或成比例。而且，由送给使用开关信 号ON。、ONpON2的DAC 34d的数字输入字D^，操作开关182 - 186、 200-204。可以把级188、 l卯、192形成为输出数字到模拟转换器50d 的一部分，输出数字到模拟转换器50d可以包括附加的级206、 208、 210，其每一个具有退化电阻和相关的开关218、 220以及222。图6中的晶体管被描述为MOS晶体管。也可以把它们的伴随开 关实现为MOS晶体管。然而，本发明并不局限于MOS晶体管。例如， 图7的实现可以将MOS晶体管或双极结晶体管用于主和从器件Mnl 和Mn2。另外，尽管所描述的所有MOS晶体管均为NMOS晶体管， 而且所公开的电流源用作电流吸入器，然而，这些晶体管也可以为 PMOS晶体管，在这一情况下，电压将被反相，而电流源将用于提供 电流，所有这些均为本领域技术人员所知并且在本领域范围之内。还 应该认识到，可以不简单地连接l、 2、 3个或者所有的不同值的晶体 管或者电阻器，而是可以使用这些不同值的晶体管或者电阻器的不同 组合，来操作图6和图7中的开关。可以有很多种组合。例如，为了 更具通用性，可以使用不相等的电阻器或晶体管面积实现类似的组合。 例如，如果令晶体管具有3个不同的面积a、 b以及c，则这些组合可 以为a、 b、 c、 ab、 ac、 bc、 abc。图8中给出了对其中本发明允许Vgs使用最大余量的方式的简要 说明，其中，可以看出，Vgs， max, 250位于上方，与负载电压252基本上平行。作为简单的例子，输入字Din仅可以选择3个Vgs电压Vgs。、 Vgsl、 Vgs2，它们将逐步优化Vgs或者V(c卯tr。n对余量的使用。当 选择了更多的Vgs步骤时，将可更有效地使用余量。尽管至此已公开 了根据所希望的负栽电流和连接于电流源的电路来预测V^d的电流
源，然而这并非对本发明的必要的限制。在图9中，使用了比较器300、 数字状态机302以及电流镜的主要部分38e。比较器300观察负栽电压V,。ad和控制电压Vgs减本征电压，例如，晶体管的阈值电压VT。如果DAC具有比其正在使用的余量更多的余量，则比较器300向数字 状态机302发送高信号。然后，其把线路304上的控制字Din传递给 从属部分40c中的开关，如图中所示，从属部分40c可以为输出数字 到模拟转换器的一部分。这是控制字。数字状态机302还向电流镜的 主要部分38e递送输出，在线路306上，电流镜的主要部分38e向输 出DAC提交控制电压，以向V,。ad增加V(compliance)0尽管在某些图中描述了本发明的具体特性，而在其它图中未加以 描述，然而这仅仅是为了便于描述，这是由于根据本发明，可以把每 一特性与任何或者所有其它特性加以组合。此处所使用的单词"包括(including)，，、"包含(comprising )，，、"具有(having )，,、"有(with )，， 被宽泛地加以解释，而且不局限于任何物理关联。此外，在本申请中 所公开的任何实施例不应被视为唯一可能的实施例。本领域技术人员将会意识到其它的实施例，而且这些实施例也在 以下权利要求的范围中。
权利要求
1.一种低噪声可编程电流源，包括输出数字到模拟转换器，用于提供输出负载电流；和控制电路，用于响应于定义预定的负载电流的输入，为所述数字到模拟转换器生成控制字和控制电压，所述控制字和控制电压驱动所述数字到模拟转换器，以产生所述预定的负载电流，并且所述控制电压设置所述数字到模拟转换器的适从电压，以最小化所述数字到模拟转换器中的电流噪声。
2. 根据权利要求1所述的低噪声可编程电流源，其中，所述控 制电路也响应于负栽电压。
3. 根据权利要求2所述的低噪声可编程电流源，其中，所述控 制电路把该适从电压设置为基本上等于所述负载电压。
4. 根据权利要求1所述的低噪声可编程电流源，其中，所述控 制电路包括开关电流镜的主要部分。
5. 根据权利要求4所述的低噪声可编程电流源，其中，所述开 关电流镜的所述主要部分包括至少一个级和相关的开关电路，所述开 关电路用于有选择地连接/断开所述至少一个级。
6. 根据权利要求5所述的低噪声可编程电流源，其中，所述输 出数字到模拟转换器包括所述开关电流镜的从属部分。
7. 根据权利要求6所述的低噪声可编程电流源，其中，所述从 属部分包括至少一个级和相关的开关电路，所述开关电路用于有选择 地连接/断开所述至少一个级。
8. 根据权利要求7所述的低噪声可编程电流源，其中，与所述 从属部分中的相应的级同时操作所述主要部分中的每一个所述级。
9. 根据权利要求6所述的低噪声可编程电流源，其中，所述从 属部分包括超过所述主要部分中的级的数目的至少一个附加的级。
10. 根据权利要求4所述的低噪声可编程电流源，其中，所述电 流源包括固定电流源。
11. 根据权利要求4所述的低噪声可编程电流源，其中，所述电 流源包括可变电流源。
12. 根据权利要求11所述的低噪声可编程电流源，其中，所述 可变电流源包括数字到模拟转换器。
13. 根据权利要求11所述的低噪声可编程电流源，其中，所述 控制电路包括开关电流镜的主要部分。
14. 根据权利要求13所述的低噪声可编程电流源，其中，所述 开关电流镜的所述主要部分包括至少一个级，其中每一个级包括可切 换的退化电阻。
15. 根据权利要求14所述的低噪声可编程电流源，其中，所述 输出数字到模拟转换器包括所述开关电流镜的从属部分。
16. 根据权利要求15所述的低噪声可编程电流源，其中，所述 从属部分包括至少一个级，其中每一个级包括可切换的退化电阻。
17. 根据权利要求16所述的低噪声可编程电流源，其中，与所 述从属部分中的相应的级同时操作所述主要部分的每一个所述级。
18. 根据权利要求15所述的低噪声可编程电流源，其中，所述 从属部分包括超过所述主要部分中的级的数目的至少一个附加的级。
19. 根据权利要求13所述的低噪声可编程电流源，其中，所述 控制电路包括固定电流源。
20. 根据权利要求13所述的低噪声可编程电流源，其中，所述 控制电路包括可变电流源。
21. 根据权利要求20所述的低噪声可编程电流源，其中，所述 可变电流源包括数字到模拟转换器。
22. 根据权利要求4所述的低噪声可编程电流源，其中，所述电 流源的所述主要部分包括固定电流源。
23. 根据权利要求4所述的低噪声可编程电流源，其中，所述电 流源的所述主要部分包括可变电流源。
24. 根据权利要求23所述的低噪声可编程电流源，其中，所述 可变电流源包括输入数字到模拟转换器。
25. 根据权利要求16所述的低噪声可编程电流源，其中，所述 电流源的所述主要部分包括固定电流源。
26. 根据权利要求16所述的低噪声可编程电流源，其中，所述 电流源的所述主要部分包括可变电流源。
27. 根据权利要求16所述的低噪声可编程电流源，其中，所述 可变电流源包括输入数字到模拟转换器。
28. 根据权利要求2所述的低噪声可编程电流源，其中，所述控模拟到数字转换器是否具有比其正在使用的余量多的余量的比较器， 响应于所述比较器和所述定义预定的负载电流的输入来生成用于调整 所述适从电压的所述控制字和所述控制电压的数字状态机。
29. —种具有低噪声可编程电流源的压控振荡器(VCO)系统，包括输出数字到模拟转换器，用于向VCO提供输出负载电流；以及 控制电路，用于响应于为该VCO定义了预定的负载电流的输入 来为该数字到模拟转换器生成控制字和控制电压，所述控制字和控制 电压驱动所述数字到模拟转换器为所述VCO产生所述预定的负栽电 流，所述控制电压设置所述数字到模拟转换器的适从电压，以基本上 最小化该数字到模拟转换器中的电流噪声以及该VCO中的相位噪声。
全文摘要
一种低噪声可编程电流源，其包括输出数字到模拟转换器，用于提供输出负载电流；以及控制电路，其响应定义了预定的负载电流的输入，来为数字到模拟转换器生成控制字和控制电压，所述控制字和控制电压驱动数字到模拟转换器产生预定的负载电流，并且控制电压设置数字到模拟转换器的适从电压，以最小化数字到模拟转换器中的电流噪声。
文档编号H03B5/32GK101118449SQ20071013826
公开日2008年2月6日 申请日期2007年7月31日 优先权日2006年7月31日
发明者斯蒂芬·C·罗斯, 理查德·E·施瑞尔 申请人:阿纳洛格装置公司