CN100539395C - 一种超低电压的cmos电感电容谐振腔压控振荡器 - Google Patents

Abstract

本发明属于压控振荡器技术领域，本发明是在传统的对地引入相应并接电感、电容后的低电压电感电容压控振荡器基础上实现的，本发明的特征在于：它是通过把两个N型的MOS管的衬底分别连接到电源的正电压端以降低晶体管的阈值来实现超低电压电感电容压控振荡器的，所述相互并接的电感电容的一个连接点是与所述两个N型MOS管的源极相连的。本发明中晶体管阈值低，从而功耗也小。在SMIC 0.18微米工艺条件下，工作电压可以低至0.4伏，而平均电流只有2.6毫安。本发明适用于手持移动设备的锁相环频率合成器中，也适用于其他电感、电容低电压压控振荡器中。

Description

一种超低电压的CMOS电感电容谐振腔压控振荡器

技术领域

一种超低电压的CMOS电感电容谐振腔压控振荡器属于锁相环集成电路设计领域。

背景技术

手持移动设备通常需要尽可能长的工作时间以避免充电或者更换电池。对于应用于在射频无线接收机的锁相环频率合成器而言，其中有两个模块需要工作很高的频率下面，一个是预分频器，另外一个压控振荡器，它们也是最耗电的模块。当保持相同的电路性能而不需要增加电路的偏置电流的时候，降低电路的工作电压是节省功耗的好方法。但是，低电压工作同时也会限制信号的幅度，这反过来会影响电路的信噪比从而会降低电路的性能。特别对于在各种无线或有线的通信系统中，为了得到更低的相位噪声，压控振荡器往往需要增加功耗。作为一个需要较大功耗的模块，压控振荡器需要获得较小的相位噪声而同时又希望它可以工作在最小的功耗。现有的低电压低功耗的压控振荡器通常会采用特殊的工艺或者外部的高品质因数的器件，在本发明中，我们应用中芯国际标准的射频及混合信号工艺，仅仅通过将N型MOS晶体管的衬底连接到电源正电压端从而降低晶体管的阈值来实现低电压的压控振荡器的设计。

发明内容

本发明的目的在于提供一种超低电压的CMOS电感电容压控振荡器。

本发明的特征在于：该压控振荡器是通过把N型MOS管的衬底连接到电源的正电压端从而降低晶体管的阈值来实现低电压压控振荡器的，该压控振荡器含有：

电感L1和电感L2，两者相互串接，串接后接电源正电压；

MOS管M3和MOS管M4，两者反向串接，串接后接电压控制信号输入端，反向串接的后另外两端是和所述串接后的电感L1、L2的两端分别相连，同时所述串接后两端分别由寄生的电容C1和电容C2，所述的MOS管M3和MOS管M4在这里作为压控可变电容使用；

NMOS管M1和NMOS管M2，各自得衬底接电源正电压端，所述的M1管和M2管的漏极各自分别反向串接的后所述M3管和M4管的另外两个端点相连，所述M1管的栅极和M2管的漏极相连，所述M2管的栅极和M1管的漏极相连；

电容Cs和电感Ls，两者相互并接，一个并接点同时与所述的M1管和M2管的漏极相连，而另外一个并接点接地。

实验证明本发明的性能优于图2所示的传统的噪声性能较好的低电压电感电容谐振腔压控振荡器，见表1：

表1  性能比较

 

	图2所示电路	图3所示电路
			电源电压(伏)	0.46	0.4
平均电流(毫安)	3.0	2.6
			功耗(毫瓦)	1.38	1.04
相位噪声(1.8GHz)	-122dBc/Hz@1MHz	-120dBc/Hz@1MHz
			频率范围(GHz)	1.62-2.10	1.62-2.13
频率增益(MHz/V)	60	55

附图说明

图1：传统的电感电容谐振腔压控振荡器。

图2：传统的噪声性能较好的低电压压控振荡器。

图3：本发明推荐的低电压电感电容谐振腔压控振荡器。

具体实施方式

本发明是通过将N型MOS晶体管的衬底连接到电源正电压端从而降低晶体管得阈值来实现低电压的压控振荡器的，见图3，即是在图2所示的振荡器上改进的。

所提及的电路结构基于用电感和电容并联回路做谐振回路，用晶体管的负阻作为损耗补偿的压控振荡器结构，如图1。在文献1(E.Hegazi，H.Sjoland，and A.A.Abidi，＂A filteringtechnique to lower LC oscillator phase noise，＂IEEE J.Solid-State Circuits，vol.36，no.12，pp.1921-1930，Dec.2001.)中，这种结构作了一些修改以获得更好的噪声性能，在文献1中，作者说明了如图2所示的电路比带有电流源的电路有更好的相位噪声性能，因为这种结构没有用做电流偏置的晶体管M5，这种晶体管是这一类压控振荡器中的主要的噪声来源。M3通常会将电路中高次谐波附近的噪声折叠到我们关心的频率范围。另外在图2所示的电路中引入的电感Ls和电容Cs，并且它们谐振在两倍的工作频率，这样就可以减小输出的共模效因带来的二次谐波附近的噪声。

由于电路的偏置电流由电源电压决定，这一类的电路属于“电压偏置”的电路。由于没有一个偏置电流控制，在电路参数发生偏差的时候可能会引起很大的电流，但是由于从电源的正端到地之间没有级联的晶体管，这样的电路比较适合低电压工作，在文献2(N.Troedssonand H.Sjoland，＂An ultra low voltage 2.4GHz CMOS VCO，＂in Radio and WirelessConference，2002.RAWCON 2002.IEEE，2002，pp.205-208)等应用，这样的结构仍然得到应用。

尽管将电源电压降的越低，在晶体管保持同样尺寸的前提下，电路流过的电流会越小。但是电压是不可以无限制的降低，因为电源电压必须保证晶体管能够开启，并且提供足够大的跨到使得电路的有源器件能够补偿谐振回路的损耗，也就是说电路的跨导g_m满足如下条件：

g_m·R_L≥1      (1)

其中R_L谐振回路的并联等效电阻。我们需要在低电压下用尽可能少的电流来达到更大的g_m，根据晶体管的跨导公式：

$g_m=\mathrm{\μ}\·C_{\mathrm{OX}}\·\frac{W}{L}\·(V_{\mathrm{GS}}-V_{\mathrm{TH}})\·(1+\mathrm{\λ}\·V_{\mathrm{DS}})---\left(2\right)$

此处，μ为晶体管的沟道的载流子的迁移率，C_OX为晶体管栅极单位面积上的电容，λ是晶体管的沟道长度调制效应系数，W和L分别为晶体管的沟道的宽度和长度，V_GS和V_DS分别为栅源电压和漏源电压，V_TH是晶体管得阈值电压。我们可以通过增加晶体管的沟道宽度来增加晶体管的跨导，但是增加晶体管的尺寸会同时增加电路的寄生电容，为了达到特定的谐振频率和频率调节范围，晶体管的尺寸的增加会有限制。在本发明中，我们通过将晶体管的衬底连接到电源的电压正极，使得晶体管的阈值电压降低来V_TH来实现在特定电压下增加晶体管的跨导，因为我们有如下的晶体管衬底偏置效应公式：

$V_{\mathrm{TH}}=V_{\mathrm{TH}0}+\mathrm{\γ}(\sqrt{|{2\mathrm{\φ}}_F+(V_S-V_B)|}-\sqrt{\left|{2\mathrm{\φ}}_F\right|})---\left(3\right)$

在这里V_TH0是晶体管衬底零偏置时的阈值电压，φ_F是物理常数费米电动势，γ是晶体管衬底调制效应系数。当衬底电压V_B提高时，晶体管的阈值电压会降低，从而在相同的电源电压下，晶体管的跨到提高了。为了达到补偿谐振回路损耗的跨导值，电源电压的值也就降低了。通常的电路衬底和源极相连接，我们建议在低电压工作时，将衬底连接到电源电压的可以降低电路的阈值电压。低电压工作的VCO如图3所示。

为了验证将衬底连接到电源电压正极所带来的效应，我们用中芯国际0.18微米的CMOS工艺对文献2中提及的电路(如图2所示)和我们推荐的电路做比较。除了衬底偏置电压不同以外，两个电路的其它参数均相同，计算机模拟电路的结果如表1所示。从表1我们看到，无论从电源电压还是偏置电流看，我们推荐的电路都要由于传统的电路。电压降低了13％，而功耗降低了25％。两者在其它性能方面都相差不多，而且电路的复杂度不变。

Claims (1)

1.一种超低电压的CMOS电感电容谐振腔压控振荡器，其特征在于，该压控振荡器是通过把N型MOS管的衬底连接到电源的正电压端从而降低晶体管的阈值来实现低电压压控振荡器的，该压控振荡器含有：

电感L1和电感L2，两者相互串接，串接后接电源正电压；

MOS管M3和MOS管M4，两者反向串接，串接后接电压控制信号输入端，反向串接后的另外两端是和串接后的电感L1、电感L2的两端分别相连，同时串接后两端分别有寄生的电容C1和电容C2，MOS管M3和MOS管M4在这里作为压控可变电容使用；

NMOS管M1和NMOS管M2，各自的衬底接电源正电压端，M1管和M2管的漏极各自分别反向串接后与M3管和M4管的另外两个端点相连，M1管的栅极和M2管的漏极相连，M2管的栅极和M1管的漏极相连；

电容Cs和电感Ls，两者相互并接，一个并接点同时与所述的M1管和M2管的漏极相连，而另外一个并接点接地。

Images