CN101212198B - 压控振荡器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种压控振荡器，包括：四个晶体管、集成的片上电感和两个对称的可变电容；其中，两个晶体管通过交叉耦合实现负阻提供能量使得电感和可变电容组成的LC回路振荡，通过改变可变电容的电容值，以获得不同的振荡器输出频率；还包括两个相同值的电阻和两个相同值的电容，剩下的一个晶体管的栅端同时连接到一个电阻的一端和一个电容的一端，它们共同组成一个有源电感；剩下的另一个晶体管的栅端同时连接到另一个电阻的一端和另一个电容的一端，它们共同组成另一个有源电感；这两个有源电感为压控振荡器提供偏置电流。本发明提高了压控振荡器的调谐范围，降低了相位噪声。

Description

压控振荡器

技术领域

本发明涉及无线电传输技术，尤其涉及一种无线收发系统中的压控振荡器。 

背景技术

随着集成电路工艺技术的快速发展，给无线收发机系统高度集成提供了可能。集成的压控振荡器(vco)和频率综合器是无线收发机系统的非常重要和关键的部分。目前比较流行的无线通信标准，如无线局域网(WLAN)、GSM(Globle System for Mobile Communication)、WiMax(Worldwide Interoperability for Microwave Access，微波存取全球互通)等，都要求压控振荡器具有宽的调谐范围和低的相位噪声。 

所述的宽的调谐范围是指在一定的控制电压变化范围之内，压控振荡器输出的频率基于某一个中心频率(f0)，可以从频率f1变化到频率f2(f1<f0<f2，且f2-f1等于一个很大的正值)。宽的调谐范围可以保证在工艺、温度和电压等变化的情况下，压控振荡器的输出频率范围可以覆盖通信协议所指定要求的频段。在压控振荡器产生的本振信号频谱中，由于噪声的原因，导致压控振荡器产生的频谱不是一个单一的谱线，而是一个带有边带的信号，如图1所示，所述的相位噪声简单来讲指的是偏离中心频率f0某一个频率值(如Δf)的位置的频谱能量与中心频率位置的频谱能量的差值ΔP。相位噪声越低，差值ΔP越大。降低压控振荡器的相位噪声，对整个无线收发机系统的性能将会有很大的提高。 

目前，有很多的方法来实现低相位噪声的压控振荡器，如提高压控振荡器的输出功率和使用高Q值的电感等，提高压控振荡器的输出功率将导致压控振荡器的功耗增加，而使用高Q值的电感目前在片上集成又存在一定的困难。因此，需要寻求更好的结构或方法，使得可以在片上集成低相位噪声和宽调谐范围的压控振荡器。

目前通常使用的片上集成的压控振荡器如图2所示，它由P型晶体管M1和M2，N型晶体管M3和M4，集成的片上电感L，可变电容Cv所组成。P型晶体管M1和M2的源端连接到一起并且连接到电源电压VDD，它们的漏端分别连接到压控振荡器的输出端Vout1和Vout2，而且M1的栅端连接到输出端Vout2，而M2的栅端连接到输出端Vout1。集成的片上电感L的两端分别连接到压控振荡器的两个输出端Vout1和Vout2。同样，N型晶体管M3和M4的源端连接在一起并且连接到地电位GND，它们的漏端分别连接到压控振荡器的输出端Vout1和Vout2，而且M3的栅端连接到输出端Vout2，而M4的栅端连接到输出端Vout1。而两个可变电容Cv中的一个可变电容的一端连接到压控振荡器的输出端Vout1，另一端连接到控制电压Vctr1；两个可变电容Cv中的另一个可变电容的一端连接到压控振荡器的输出端Vout2，另一端连接到控制电压Vctr1。这里，图2中的两个可变电容Cv是一个总体上的可变电容的标识，在实际使用时，两个可变电容Cv必须是对称的，而且其中的任何一个可变电容Cv可以由如下几种方式实现：1)只是由集成的MOS结构的变容管实现的可变电容；2)只是由集成的二极管结构实现的可变电容；3)由集成的MOS结构的变容管并联或串联可以通过开关控制变化电容值的网络组成，而开关控制变化电容值的网络由集成的固定值的电容通过开关实现串联或并联进而实现电容值的变化；4)由集成的二极管结构实现的可变电容并联或串联可以通过开关控制变化电容值的网络组成，而开关控制变化电容值的网络由集成的固定值的电容通过开关实现串联或并联进而实现电容值的变化；5)由上述3)和上述4)两种电容网络组成的可变电容。晶体管M1和M2通过交叉耦合实现负阻提供能量使得电感和可变电容组成的LC回路振荡；同样，晶体管M3和M4也通过交叉耦合实现负阻提供能量使得电感和可变电容组成的LC回路振荡。电感L和可变电容Cv组成振荡回路，通过改变控制电压Vctr1的值和/或改变控制固定电容串联或并联的开关状态，就可以改变可变电容Cv的电容值。LC谐振回路产生的振荡频率可表示为： 

$f=\frac{1}{2\mathrm{\&pi;}\sqrt{L\&CenterDot;\mathrm{Cv}}}---\left(1\right)$

由(1)式可知，通过改变控制电压Vctr1的值和/或改变控制固定电容串联或并联的开关状态，可以改变可变电容Cv的电容值，进而改变LC谐振回路所产生的频率。这也是压控振荡器的基本工作原理。

但是，采用图2所示结构的压控振荡器有几个缺点：1)晶体管M1、M2、M3和M4存在一定的寄生电容，对高频的压控振荡器而言，将是一个很大的问题。一方面使得压控振荡器可获得的调谐范围降低，另一方面使得压控振荡器可获得的最高频率降低；2)晶体管M1、M2、M3和M4存在的闪烁噪声(1/f噪声)将降低整个压控振荡器的相位噪声性能。 

发明内容

因此本发明所要解决的技术问题是提供一种宽调谐范围和低相位噪声的压控振荡器，该振荡器能够保证在很低相位噪声的前提下，当工艺、温度和电压发生变化时，其输出频率范围仍然可以覆盖无线通信协议所要求的较宽的频段。 

本发明具体是这样实现的： 

1、一种压控振荡器，包括：四个晶体管、集成的片上电感和两个对称的可变电容；其中，集成的片上电感的两端分别连接到压控振荡器的两个输出端，一个可变电容的一端连接到压控振荡器的一个输出端，另一个可变电容的一端连接到压控振荡器的另一个输出端，两个晶体管通过交叉耦合实现负阻提供能量使得电感和可变电容组成的LC回路振荡，通过改变可变电容的电容值，以获得不同的振荡器输出频率；还包括两个相同值的电阻和两个相同值的电容，剩下的一个晶体管的栅端同时连接到一个电阻的一端和一个电容的一端，该电阻的另一端连接到压控振荡器的一个输出端，该电容的另一端连接到地电位，它们共同组成一个有源电感；剩下的另一个晶体管的栅端同时连接到另一个电阻的一端和另一个电容的一端，该电阻的另一端连接到压控振荡器的另一个输出端，该电容的另一端连接到地电位，它们共同组成另一个有源电感；这两个有源电感为压控振荡器提供偏置电流；剩下的两个晶体管的源端连接在一起并且连接到地电位，而它们的漏端分别连接到压控振荡器的输出端。 

进一步，通过交叉耦合实现负阻的两个晶体管为N型晶体管，组成有源电感提供偏置电流的两个晶体管为P型晶体管。 

进一步，通过交叉耦合实现负阻的两个晶体管为P型晶体管，组成有源电感提供偏置电流的两个晶体管为N型晶体管。 

进一步，其中的任何一个可变电容可以由如下方式实现：由集成的MOS结构的变容管实现的可变电容；或由集成的二极管结构实现的可变电容；还包括一个控制电压，接于两个可变电容的连接点，通过改变控制电压的值，以改变可变电容的电容值。 

进一步，其中的任何一个可变电容可以由如下方式实现：由集成的MOS结构的变容管并联或串联可以通过开关控制变化电容值的网络组成，而开关控制变化电容值的网络由集成的固定值的电容通过开关实现串联或并联进而实现电容值的变化；或由集成的二极管结构实现的可变电容并联或串联可以通过开关控制变化电容值的网络组成，而开关控制变化电容值的网络由集成的固定值的电容通过开关实现串联或并联进而实现电容值的变化；或由上述两种电容网络组成的可变电容。 

由于采用了上述方案，本发明与现有技术相比，具有以下优点： 

本发明采用的图3所示的有源电感结构的压控振荡器可以获得如下几个好处：1)晶体管M3和M4，两个电阻RL和两个电容CL组成的两个有源电感除了作为有源电感之外，同时为压控振荡器提供了偏置电流，也提供了和地线(GND)之间的噪声隔离。2)图3所示结构可以为用P型晶体管提供偏置、用N型晶体管交叉耦合提供负阻，也可以为用N型晶体管提供偏置、用P型晶体管交叉耦合提供负阻；作为本发明的优选实施例，用N型晶体管提供偏置、用P型晶体管交叉耦合提供负阻可以降低闪烁噪声(1/f噪声)对输出的影响，进而可以降低压控振荡器输出信号的相位噪声。这是因为P型晶体管的闪烁噪声固有的比N型晶体管的要低，而N型晶体管没有处于输出信号的通路上，所以，N型晶体管的闪烁噪声对输出信号的影响就减小到最低，进而降低了相位噪声。3)晶体管M3和M4，两个电阻RL和两个电容CL组成的两个有源电感可以谐振掉压控振荡器中Vout1和Vout2两个节点的一些寄生电容，进而可以提高该压控振荡器的调谐范围和提高可获得的最高振荡频率。 

在本发明采用的图3所示的压控振荡器相对于图2所示的普通结构的压控振荡器直接增加了两个电阻RL1、RL2和两个电容CL1、CL2，其它参数完全相同的情况下，也即在晶体管M1、M2、M3和M4，电感L和可变电容Cv参数保持不变的情况下，各自仿真获得的性能指标如下表所示： 

  

压控振荡器结构	控制电压范 围(V)	输出频率范围 (Hz)	偏离中心频率10kHz的相位噪 声(dBc/Hz)	偏离中心频率100kHz的相位噪 声(dBc/Hz)
					图2所示的普通结构	0～2.5	1.88G～2.408G	-63.86	-93.17
本发明采用的结构	0～2.5	1.99G～2.73G	-77.44	-102.51

从上表可以看出，普通结构的压控振荡器获得的调谐带宽为528MHz，而本发明采用的压控振荡器获得的调谐带宽为740MHz，调谐范围扩大40％，同时可获得的最高振荡频率也获得大约13％的提高；在偏离中心频率10kHz和100kHz的位置上，本发明采用的压控振荡器获得的相位噪声性能比普通结构的压控振荡器获得的相位噪声性能分别好13.6dB和9.3dB。普通结构的压控振荡器和本发明采用的压控振荡器详细的偏离中心频率不同频率位置的相位噪声性能对比如图4所示。图4中下面的图中有两根曲线，靠近上面的那根曲线为普通结构的压控振荡器获得的相位噪声曲线，靠近下面的那根曲线为本发明采用的压控振荡器获得的相位噪声曲线；图4中上面的图中的曲线为图4中下面的两根曲线的差值，也即用普通结构的压控振荡器获得的相位噪声曲线减去本发明采用的压控振荡器获得的相位噪声曲线所获得的差值。由此可知，本发明采用的压控振荡器获得的相位噪声对闪烁噪声(1/f噪声)的抑制作用相当明显。从图4中可知，最大可以获得接近15dB的相位噪声抑制；在偏离中心频率1MHz或以上时，热噪声将占主导地位，相应的对闪烁噪声(1/f噪声)的抑制作用将减小，在本实施例中，在偏离中心频率1MHz时的相位噪声抑制大约为2dB。 

由上可知，本发明采用的压控振荡器可以获得宽的调谐范围，同时可以获得低的相位噪声性能。 

附图说明

图1为普通压控振荡器的相位噪声示意图； 

图2为普通结构的片上集成的压控振荡器的电路结构图； 

图3为本发明采用的压控振荡器的电路结构图； 

图4为普通结构的压控振荡器与本发明采用的压控振荡器偏离中心频率不同频率位置的 相位噪声性能对比示意图。 

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施作进一步的说明： 

本发明采用片上集成的有源电感技术实现低相位噪声和宽调谐范围的压控振荡器。有源电感结构的压控振荡器是在图2所示的普通结构的片上集成的压控振荡器的基础上增加了两个电阻和两个电容，改变了晶体管M3和M4交叉耦合的连接方式，通过晶体管M3、M4和增加的两个电阻和两个电容组成两个有源电感，并为压控振荡器提供偏置电流，同时提供和地线(GND)之间的噪声隔离。 

如图3所示，本发明包括：晶体管M1、M2、M3和M4，集成的片上电感L，可变电容Cv以及实现有源电感的两个电阻RL1、RL2和两个电容CL1、CL2。晶体管M1和M2的源端连接到一起并且连接到电源电压VDD，它们的漏端分别连接到压控振荡器的输出端Vout1和Vout2，而且M1的栅端连接到输出端Vout2，而M2的栅端连接到输出端Vout1。集成的片上电感L的两端分别连接到压控振荡器的两个输出端Vout1和Vout2。同样，晶体管M3和M4的源端连接在一起并且连接到地电位GND，而它们的漏端分别连接到压控振荡器的输出端Vout1和Vout2。M3的栅端同时连接到电阻RL1的一端和电容CL1的一端，电阻RL1的另一端连接到压控振荡器的Vout1输出端，电容CL1的另一端连接到了地电位GND。M4的栅端同时连接到另一个电阻RL2的一端和另一个电容CL2的一端，电阻RL2的另一端连接到压控振荡器的Vout2输出端，电容CL2的另一端连接到了地电位GND。而两个可变电容Cv中的一个可变电容的一端连接到压控振荡器的输出端Vout1，另一端连接到控制电压Vctr1；两个可变电容Cv中的另一个可变电容的一端连接到压控振荡器的输出端Vout2，另一端连接到控制电压Vctr1。这里，图2中的两个可变电容Cv是一个总体上的可变电容的标识，在实际使用时，两个可变电容Cv必须是对称的，而且其中的任何一个可变电容Cv可以由如下几种方式实现：1)只是由集成的MOS结构的变容管实现的可变电容；2)只是由集成的二极管结构实现的可变电容；3)由集成的MOS结构的变容管并联或串联可以通过开关控制变化 电容值的网络组成，而开关控制变化电容值的网络由集成的固定值的电容通过开关实现串联或并联进而实现电容值的变化；4)由集成的二极管结构实现的可变电容并联或串联可以通过开关控制变化电容值的网络组成，而开关控制变化电容值的网络由集成的固定值的电容通过开关实现串联或并联进而实现电容值的变化；5)由上述3)和上述4)两种电容网络组成的可变电容。晶体管M1和M2通过交叉耦合实现负阻提供能量使得电感和可变电容组成的LC回路振荡；晶体管M3和M4分别和一组相同值的电阻RL1、RL2和电容CL1、CL2组成两个有源电感，也即晶体管M3和一个电阻RL1、一个电容CL1组成一个有源电感；晶体管M4和一个电阻RL2、一个电容CL2组成另一个有源电感。电感L和可变电容Cv组成振荡回路，通过改变控制电压Vctr1的值和/或改变控制固定电容串联或并联的开关状态，就可以改变可变电容Cv的电容值，进而可以获得不同的振荡器输出频率。 

本发明可以为用P型晶体管M3和M4提供偏置电流、用N型晶体管M1和M2交叉耦合提供负阻，也可以为用N型晶体管M3和M4提供偏置电流、用P型晶体管M1和M2交叉耦合提供负阻。作为本发明的优选实施例，用N型晶体管M3和M4提供偏置电流、用P型晶体管M1和M2交叉耦合提供负阻可以降低闪烁噪声(1/f噪声)对输出的影响，进而可以降低压控振荡器输出信号的相位噪声。这是因为P型晶体管的闪烁噪声固有的比N型晶体管的要低，而N型晶体管没有处于输出信号的通路上，所以，N型晶体管的闪烁噪声对输出信号的影响就减小到最低，进而降低了相位噪声。 

在本实施例中，通过引入有源电感，可以获得大的调谐范围和高的振荡频率，同时获得低的相位噪声，其基本原理是：通过改变N型晶体管在压控振荡器结构中的连接方式，即增加了电阻RL和电容CL，电阻RL隔离或减小了N型晶体管对压控振荡器的寄生电容的贡献，寄生电容将影响LC振荡器中电容的值，寄生电容越小越好。同时，因为N型晶体管的栅端没有连接到压控振荡器输出信号的通路中，所以N型晶体管所产生的闪烁噪声就获得了抑制，同时CL的引入也一定程度上降低了闪烁噪声对压控振荡器输出信号的影响。这样，本发明通过降低寄生电容提高了振荡器的调谐范围和提高了可获得的最高振荡频率，同时通过降低闪烁噪声而获得低的相位噪声(闪烁噪声是相位噪声的直接影响因子)。也可以解释为通过引 入有源电感，因为有源电感的值比较大，但Q值很低，使得有源电感可以和部分寄生电容在低频串联谐振，而本发明的压控振荡器的核心是高Q值的并联谐振产生振荡频率，并且以该并联谐振为主导。如图3所示，本发明相当于一个高Q值的、占主导地位的并联谐振(电感L和可变电容Cv组成)的两端分别连接到压控振荡器的输出Vout1和Vout2，设并联谐振的谐振频率为f0；而分别由M3、电阻RL1和电容CL1组成的有源电感，以及M4、电阻RL2和电容CL2组成的有源电感分别与寄生的电容形成两个串联谐振回路，这两个串联谐振回路分别连接到Vout1和地电位GND，Vout2和地电位GND之间。设这两个串联谐振的谐振频率为f1。由于大电感值的有源电感和寄生电容形成的谐振是低频、低Q值的，所以，f0>>f1。而且，在频谱上，f0近似为一个单一的谱线，而f1将是一个相对比较宽的频带。两个频率在压控振荡器电路中相互调频作用，将产生m·f0±n·f1的频谱，这里，m和n为整数。由于在本发明的压控振荡器中，占主导地位的并联谐振回路的Q值很高，具有很好的频率选择特性，所以，只有f0、f0±f1的频谱可以在Vout1和Vout2输出。那么，Vout1和Vout2输出的频谱仍然相似于图1的频谱特性，只是因为产生f1的谐振网络是对地电位GND的串联谐振，考虑串联谐振的阻抗特性，可知，f0±f1的频谱能量将得到很大的抑制。那么，在压控振荡器中就表现为相位噪声的降低。同样，因为有源电感和部分的寄生电容谐振，所以减小了寄生电容对主导的并联谐振回路的影响，进而获得大的调谐范围和可获得最高振荡频率的提高。 

由上可知，本发明实质上是需要用一个很低Q值的大电感和寄生电容串联谐振并配合占主导地位的并联谐振来获得大调谐范围、低相位噪声的压控振荡器。那么，不用图3中的有源电感而采用低Q、大电感值的无源电感，也是可以实现的。但是，低Q、大电感值的无源电感集成在CMOS工艺中将占用很大的芯片面积，进而提高了芯片的成本。而用有源电感将可以在很小的芯片面积上实现低Q值的大电感，大大降低芯片的成本。

Claims (5)

1.一种压控振荡器，包括：四个晶体管、集成的片上电感和两个对称的可变电容；其中，集成的片上电感的两端分别连接到压控振荡器的两个输出端，一个可变电容的一端连接到压控振荡器的一个输出端，另一个可变电容的一端连接到压控振荡器的另一个输出端，两个晶体管通过交叉耦合实现负阻提供能量使得电感和可变电容组成的LC回路振荡，通过改变可变电容的电容值，以获得不同的振荡器输出频率；

其特征在于，还包括两个相同值的电阻和两个相同值的电容，剩下的一个晶体管的栅端同时连接到一个电阻的一端和一个电容的一端，该电阻的另一端连接到压控振荡器的一个输出端，该电容的另一端连接到地电位，它们共同组成一个有源电感；剩下的另一个晶体管的栅端同时连接到另一个电阻的一端和另一个电容的一端，该电阻的另一端连接到压控振荡器的另一个输出端，该电容的另一端连接到地电位，它们共同组成另一个有源电感；这两个有源电感为压控振荡器提供偏置电流；剩下的两个晶体管的源端连接在一起并且连接到地电位，而它们的漏端分别连接到压控振荡器的输出端。

2.如权利要求1所述的压控振荡器，其特征在于，通过交叉耦合实现负阻的两个晶体管为N型晶体管，组成有源电感提供偏置电流的两个晶体管为P型晶体管。

3.如权利要求1所述的压控振荡器，其特征在于，通过交叉耦合实现负阻的两个晶体管为P型晶体管，组成有源电感提供偏置电流的两个晶体管为N型晶体管。

4.如权利要求1至3中任意一项所述的压控振荡器，其特征在于，其中的任何一个可变电容可以由如下方式实现：

由集成的MOS结构的变容管实现的可变电容；

或由集成的二极管结构实现的可变电容；

还包括一个控制电压，接于两个可变电容的连接点，通过改变控制电压的值，以改变可变电容的电容值。

5.如权利要求1至3中任意一项所述的压控振荡器，其特征在于，其中的任何一个可变电容可以由如下方式实现：

由集成的MOS结构的变容管并联或串联可以通过开关控制变化电容值的网络组成，而开关控制变化电容值的网络由集成的固定值的电容通过开关实现串联或并联进而实现电容值的变化；

或由集成的二极管结构实现的可变电容并联或串联可以通过开关控制变化电容值的网络组成，而开关控制变化电容值的网络由集成的固定值的电容通过开关实现串联或并联进而实现电容值的变化；

或由上述两种电容网络组成的可变电容。

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