CN101159427A - 电压控制振荡器的对称噪声滤波技术 - Google Patents

Abstract

本发明涉及压控振荡器芯片的制造技术，具体地说是一种用于压控振荡器的VCO对称噪声滤波技术。按照本发明提供的技术方案，在4个差分对管M1～4中，差分对管M1的栅极与差分对管M2的漏极相连，差分对管M2的栅极与差分对管M1的漏极相连，差分对管M1的栅极与差分对管M2的源极相互连接到节点A，形成互锁的形式；差分对管M3的栅极与差分对管M4的漏极相连，差分对管M4的栅极与差分对管M3的漏极相连，差分对管M3的栅极与差分对管M4源极相互连接到节点B，同样形成互锁的形式。利用本发明后可以进一步抑制电流源的噪声。

Description

电压控制振荡器的对称噪声滤波技术

技术领域

本发明涉及压控振荡器芯片的制造技术，具体地说是一种用于电压控制振荡器(VCO)的对称噪声滤波技术。

背景技术

单片集成的射频收发器是当前研究的重点，而高谱纯度、低相位噪声的压控振荡器研究是其中难点之一，原因是缺乏高品质的片上无源器件和对噪声的机理缺乏本质的认识。传统的噪声分析都是基于Leeson噪声公式，而Leeson公式源于振荡器的在周期稳态状态下的线形模型，它是一个缺乏理论证明的经验表达式，而实际上振荡器是在大信号状态下工作且非线形明显，因此在压控振荡器设计中Leeson公式还需要进一步完善。

1、电感电容振荡器相位噪声

图1是一种基于尾电流偏置的N/PMOS互补型差分振荡器，(a)是电路结构，(b)是其等效电路模型。互补差分对管M1、M2和M3、M4产生“负阻抗”抵消谐振网络等效电阻而形成振荡。Real et al把振荡器噪声源分为三部分：谐振网络噪声，互补差分对管噪声及尾电流源噪声。压控振荡器的噪声可表示为：

$L_{\mathrm{total}}\left({\mathrm{\ω}}_m\right)=8F\frac{\mathrm{kTR}}{V_0^2}\left(\frac{{\mathrm{\ω}}_0}{2Q{\mathrm{\ω}}_m}\right)---\left(1\right)$

其中

$F=(1+\frac{4\mathrm{\γIR}}{\mathrm{\π}{V}_0}+\frac{4}{9}\mathrm{\γ}{g}_{m}R)---\left(2\right)$

式中I为偏置电流，γ为差分对管的沟道噪声系数，R为谐振网络等效电阻，V₀为振荡器幅度，g_m为尾电流管M0的跨导。k为波尔兹曼常数，T为绝对温度，ω₀为载波频率，ω_m为频偏。F定义为振荡器噪声系数，式中三项分别表示谐振网络，互补差分对管(MOS)及尾电流源的噪声系数。

Real et al分析了电感电容压控振荡器中的噪声，不足之处是没有提出噪声抑制方法。Hegazi分析了(2)中三种噪声的组成，指出尾电流源所贡献的噪声占75％左右。因此降低尾电流噪声成为降低整个系统相位噪声的关键。并且最重要的是二次谐波噪声。

Hegazi et al依据阻塞二次谐波来降低尾电流源的噪声的原理，提出图2所示电路，阻止在频率为2ω₀处尾电流源噪声和差分对管M1和M2进行混频，抑制其产生位于载波处的相位噪声。该电路在实际设计中取到一定的降低尾电流源噪声效果。

2对称噪声滤波技术

Hegazi et al等人认识到了克服尾电流源噪声的重要意义，不足之处是其设计都是基于NMOS差分对管的“负阻”结构，对于N/PMOS互补类型压控振荡器的噪声抑制，目前文献均报道较少。Pietro Andreani et al曾把Hegazi的噪声滤波技术应用到N/PMOS互补类型压控振荡器中，但也无明显的改善。

分析图3(a)所示N/PMOS互补类型压控振荡器的结构可知，与NMOS差分对管M1、M2类似，PMOS差分对管M3、M4在大信号作用下频繁开关也形成噪声混频效应，对频率位于2ω₀±ω_m的噪声具有下混频作用，产生的信号ω₀±ω_m通过反馈回路进入到谐振电路中，形成相位噪声，传统的分析认为B点是一个理想的交流地，不具备噪声源，而实际上的效果并非如此，在B点所包括的噪声源有：

A、键合电感的电阻热噪声。芯片都要通过键合线连接到封装上，而键合线本身具有一定的电阻，大小和键合线的长度，键合线半径以及键合线电阻率有关。

B、键合线与键合线之间的耦合噪声。不同的键合线与邻近键合线之间存在较大耦合电感，其他键合线上的噪声可以耦合到该键合线上。耦合系数M与两条键合的长度以及距离有关。

C、滤波电容的等效电阻热噪声。由于在电源Pad上通常有较大的滤波电容，且大电容对高频噪声没有很好的抑制能力，相反滤波电容本身具有寄生电阻，在2ω₀±ω_m处产生热噪声。

发明内容

本发明的目的在于通过分析基于电感电容压控振荡器的噪声机理，提出电压控制振荡器(VCO)对称噪声滤波技术，以进一步抑制电流源的噪声。

按照本发明提供的技术方案，在4个差分对管M1～4中，差分对管M1的栅极与差分对管M2的漏极相连，差分对管M2的栅极与差分对管M1的漏极相连，差分对管M1的栅极与差分对管M2的源极相互连接到节点A，形成互锁的形式；差分对管M3的栅极与差分对管M4的漏极相连，差分对管M4的栅极与差分对管M3的漏极相连，差分对管M3的栅极与差分对管M4源极相互连接到节点B，同样形成互锁的形式；

差分对管M1的栅极与差分对管M3的漏极相连于节点E，差分对管M2的栅极与差分对管M4的漏极相连于节点D，在节点E与D之间并接电感Ld和可变电容Cd；

其特征是：在节点A上通过电感Lx1连接到差分对管M0的漏极节点F，在节点A与零电位之间产生一个寄生电容Cp1；在节点F和零电位之间并接电容Cx，差分对管M0的源极接零电位，栅极由外部控制；

在节点B上通过电感Lx2连接到节点C，在节点B与零电位间产生一个寄生电容Cp2；在节点C和电源之间串接包括电阻Rb和电感Lb的键合电感模型，在节点C与零电位之间串接包括电阻Rf与电容Cf的电源滤波电容模型，由电感Lx2和PMOS对差分对管M3、差分对管M4的源极产生的寄生电容Cp2谐振在2ω₀上，在B点形成一个对2ω₀频率的高阻抗，这样来自电源线端的2ω₀±ω_m噪声不能在PMOS对差分对管M3、差分对管M4中变频到载波频段形成相位噪声，从而在源头上抑制与电流源相关的噪声形成。

针对电源极的噪声及PMOS差分对管的噪声混频效应，本申请创新性的提出一种对称噪声滤波技术，如图3(b)所示，与传统结构不同的是，在节点B增加一个电感Lx2，它和PMOS差分对管M3、M4的源极产生的寄生电容Cp2谐振在2ω₀上，在B点形成一个对2ω₀频率的高阻抗，这样来自电源线端的2ω₀±ω_m噪声不能在PMOS差分对管M3、M4中下变频到载波频段形成相位噪声，从而在源上抑制与电流源相关的噪声形成。

由于噪声滤波网络都谐振在2ω₀上，因此电感Lx1和电感Lx2电感都比较小，不占太大面积，通常，谐振网络的寄生电容Cp1和Cp2都是利用差分耦合对NMOS差分对管M1、M2和PMOS差分对管M3、M4的源极寄生电容形成，噪声谐振网络中电感的Q值要适中，这样可以拓宽频带，有效的克服因为工艺，温度和电压变化而引起谐振点的偏移。

针对传统分析的局限性，在充分理解噪声机理的基础上，提出对称噪声滤波技术，进一步抑制电流源的噪声。在此基础上所实现的4.8GHz VCO取到-123.66dBc/Hz的噪声性能，在同类设计中取得很好的结果。

附图说明

图1是一种基于尾电流偏置的N/PMOS互补型差分振荡器，其中的(a)是电路结构，(b)是其等效电路模型。

图2的a与b分别指传统的两种噪声滤波技术。

图3(a)为传统的N/PMOS互补类型压控振荡器的结构图。

图3(b)为本发明的N/PMOS互补类型压控振荡器的结构图。

具体实施方式

如图所示：在4个差分对管M1～4中，差分对管M1的栅极与差分对管M2的漏极相连，差分对管M2的栅极与差分对管M1的漏极相连，差分对管M1的栅极与差分对管M2源极相互连接到节点A，形成互锁的形式；差分对管M3的栅极与差分对管M4的漏极相连，差分对管M4的栅极与差分对管M3的漏极相连，差分对管M3的栅极与差分对管M4源极相互连接到节点B，同样形成互锁的形式；

差分对管M1的栅极与差分对管M3的漏极相连于节点E，差分对管M2的栅极与差分对管M4的漏极相连于节点D，在节点E于D之间并接电感Ld和可变电容Cd；

在节点A上通过电感Lx1连接到差分对管M0的漏极节点F，在节点A与零电位之间产生一个寄生电容Cp1；在节点F和零电位之间并接电容Cx，差分对管M0的源极接零电位，栅极由外部控制；

在节点B上通过电感Lx2连接到节点C，在节点B与零电位间产生一个寄生电容Cp2；在节点C和电源之间串接包括电阻Rb和电感Lb的键合电感模型，在节点C与零电位之间串接包括电阻Rf与电容Cf的电源滤波电容模型，由电感Lx2和PMOS对差分对管M3、差分对管M4的源极产生的寄生电容Cp2谐振在2ω₀上，在B点形成一个对2ω₀频率的高阻抗，这样来自电源线端的2ω₀±ω_m噪声不能在PMOS对差分对管M3、差分对管M4中变频到载波频段形成相位噪声，从而在源头上抑制与电流源相关的噪声形成。

Claims (1)

1.电压控制振荡器的对称噪声滤波技术，在4个差分对管(M1～4)中，差分对管(M1)的栅极与差分对管(M2)的漏极相连，差分对管(M2)的栅极与差分对管(M1)的漏极相连，差分对管(M1)的栅极与差分对管(M2)源极相互连接到节点(A)，形成互锁的形式；差分对管(M3)的栅极与差分对管(M4)的漏极相连，差分对管(M4)的栅极与差分对管(M3)的漏极相连，差分对管(M3)的栅极与差分对管(M4)源极相互连接到节点(B)，同样形成互锁的形式；

差分对管(M1)的栅极与差分对管(M3)的漏极相连于节点(E)，差分对管(M2)的栅极与差分对管(M4)的漏极相连于节点(D)，在节点(E)于(D)之间并接电感(Ld)和可变电容(Cd)；

其特征是：在节点(A)上通过电感(Lx1)连接到差分对管(M0)的漏极节点(F)，在节点(A)与零电位之间产生一个寄生电容(Cp1)；在节点(F)和零电位之间并接电容(Cx)，差分对管(M0)的源极接零电位，栅极由外部控制；

在节点(B)上通过电感(Lx2)连接到节点(C)，在节点(B)与零电位间产生一个寄生电容(Cp2)；在节点(C)和电源之间串接包括电阻(Rb)和电感(Lb)的键合电感模型，在节点(C)与零电位之间串接包括电阻(Rf)与电容(Cf)的电源滤波电容模型，由电感(Lx2)和PMOS对差分对管M3、差分对管(M4)的源极产生的寄生电容(Cp2)谐振在2ω₀上，在(B)点形成一个对2ω₀频率的高阻抗，这样来自电源线端的2ω₀±ω_m噪声不能在PMOS对差分对管(M3)、差分对管(M4)中变频到载波频段形成相位噪声，从而在源头上抑制与电流源相关的噪声形成。

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