CN101820250A - 一种宽带正交双模压控振荡器 - Google Patents

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Abstract

本发明属于射频无线接收机集成电路技术领域，具体涉及一种应用于无线接收机集成电路中的宽带正交双模压控振荡器。本发明使用两个分别工作在高低两个相邻频段的宽带压控振荡器来覆盖一个非常宽的频率范围；将这两个振荡器在它们的重叠频段进行耦合，使得这两个振荡器在它们的重叠频段产生正交信号。通过这种设计，这两个分别工作在高低两个相邻频段的宽带压控振荡器既能合起来覆盖一个非常宽的频率范围，又能在重叠频段像正交压控振荡器那样工作，产生所需要的正交信号。这样一种能工作在宽带模式和正交模式两种模式下的双模压控振荡器，具有非常高的可重构性，适用于具有软件定义功能的多模可重构频率综合器。

Description

一种宽带正交双模压控振荡器
技术领域
本发明属于射频无线接收机集成电路技术领域，具体涉及一种应用于无线接收机频率综合器中的宽带正交双模压控振荡器的设计。可用于无线广播、通信和全球定位等技术标准的射频信号接收机芯片。
背景技术
随着技术的不断发展，人们对无线广播、通信和全球定位等方面的要求越来越高。因此，能够支持多种模式标准的无线接收机以及未来的软件定义无线电和认知无线电将是未来无线电发展的一个重要趋势。为了实现这样一种多模式的可重构接收机，设计一款宽频率范围的高性能频率综合器是一个关键。
通常宽带频率综合器，都需要一个低相位噪声、宽调谐范围的电感电容压控振荡器。但是，在满足一定相位噪声和功耗的前提下，传统的单个电感电容压控振荡器的调谐范围是非常有限的。这样的电感电容压控振荡器是无法满足未来软件定义无线电和认知无线电的要求的。为了实现宽调谐范围，可以用两个工作在高低两个不同频段的压控振荡器来覆盖一个非常宽的调谐范围。但是，这样的一种架构需要压控振荡器工作在所需频率的两倍频率处，然后通过除二除法器来产生镜像抑制接收机所需要的正交信号。由于高频宽带除法器的使用，因此这种架构的频率综合器在高频段需要消耗大量的功耗。
另一方面，为了避免高频宽带除法器的使用，传统的频率综合器通常会使用单边带混频器来进行上变频操作。并用正交压控振荡器或者多相滤波器来提供单边带混频器所需要的正交信号。但是，这样的方案存在如下问题：正交压控振荡器的调谐范围非常有限而宽带的多相滤波器的功耗又非常大。
综上所述，未来的多模可重构频率综合器需要一个宽调谐范围、并且能给单边带混频器提供正交信号的高性能电感电容压控振荡器。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有宽调谐范围的，能产生正交信号的双工作模式的电感电容压控振荡器的实现方式。
本发明提供的这种的实现方式包括两个分别工作在高低两个不同频段的电感电容压控振荡器，同时这两个频段存在一定的交叠。当需要宽调谐范围时，工作在高低不同频段的两个振荡器一起来覆盖一个非常宽的调谐范围。另一方面，当需要产生正交信号时，这两个振荡器同时工作在它们的交叠频段，通过晶体管耦合的方式来产生正交信号。这两个工作在高低不同频段的压控振荡器具有如下相同的结构：
(1)一个高品质因数的片上电感电容(LC)谐振器；
(2)一个用来对振荡频率进行微调的片上可变电容；
(3)一个由2个NMOS管交叉耦合连接而成的负阻产生器；
(4)用于控制宽带压控振荡调谐曲线的数字控制电容阵列和数字控制可变电容阵列；
(5)一个用来使压控振荡器调谐曲线线性化的可变电容阵列；
(6)一个正交耦合器，包括一条直接正交耦合路径和一条交叉正交耦合路径；
(7)用来给有源器件提供偏置电流，且电流值可变的偏置电流源阵列；
其中，片上电感电容谐振器用以提供振荡器所需要的振荡信号；交叉耦合的负阻值晶体管并联在谐振器两端，为振荡器提供振荡所需要的能量；振荡器的输出频率的粗调谐和细调谐分别由同样并联在谐振腔两端的数字控制电容阵列和数字控制可变电容阵列来完成；为了产生正交模式下的正交差分信号，高低频段两个振荡器的正交耦合管分别通过交叉耦合和直接耦合，连接到振荡器电路里来产生所需要的信号；为了实现对工作模式的切换以及对振荡器振荡幅度的控制，交叉耦合的负阻值晶体管和正交耦合的正交晶体管的电流都有电流源阵列来提供。
附图说明
图1本发明的宽带正交双模压控振荡器的结构示意图。
图2数字控制电容阵列(DCCA)的单元结构。
图3具有线性化功能的可变电容结构。
图4压控振荡器A和B的调谐曲线。
图5数字控制可变电容阵列(DCVA)的单元结构。
图6相移网络的结构。
图7正交模式下的振荡曲线。
图中标号：1为线性化可变电容阵列，2为数字控制电容阵列，3为数字控制可变电容阵列，4为相位网络。
具体实施方式
如图1所示，为本发明的宽带正交双模压控振荡器。双模压控振荡器由工作在高频段的压控振荡器A和工作在低频段的压控振荡器B构成。其中，片上电感L1(L2)以及连在电感两端中的寄生电容构成LC谐振腔。交叉耦合的负阻值晶体管Mn并联在谐振腔两端来为振荡器提供振荡所需要的能量。振荡器的输出频率的粗调谐和细调谐分别由同样并联在谐振腔两端的数字控制电容阵列1和数字控制可变电容阵列2来完成。另外，为了产生正交模式下的正交差分信号，高低频段两个振荡器的正交耦合管Mc分别通过交叉耦合和直接耦合，连接到振荡器电路里来产生所需要的信号。最后，为了实现对工作模式的切换以及对振荡器振荡幅度的控制，交叉耦合的负阻值晶体管和正交耦合的正交晶体管的电流都有电流源阵列来提供。
由于双模压控振荡器包括宽带模式和正交模式，因此具体实施方式也包括宽带模式的实现和正交模式的实现两个方面。下面就分别从这两个方面来具体论述。
宽带压控振荡器的设计主要涉及三个方面：DCCA的使用；负阻管电流和栅极偏压的控制；线性化可变电容阵列的使用。首先，宽带压控振荡器通过图1中的数字控制电容阵列将整个调谐范围划分为32条调谐曲线。通过这种方法，压控振荡器的增益大大减小，因此VCO的相位噪声以及频率综合器的杂散性能均得到了提高。数字控制电容阵列的单元结构如图2所示，MIM电容Ca通过中间的由两个NMOS构成的开关来控制，控制信号为Dn，并通过由两个PMOS构成的上拉管和两个NMOS构成的下拉管提供一个偏置电平。另外，为了能更好地在压控振荡器的性能和功耗间进行折中，压控振荡器中负阻管的电流和栅极电压分别受到尾电流源阵列和栅极偏压VBIAS的控制。控制电流的大小能使压控振荡器在一个宽的调谐范围内始终工作在电流受限区，而不至于进入电压受限区或者由于电流太小而导致幅度太小。栅极偏压VBIAS通过一个低通RC滤波器来提供，如图1中的RB和CB。控制负阻管的栅极偏压能保证负阻管不会进入线性区去给谐振腔带来而外的损耗，并且能在大振幅条件下提高电流的利用效率。最后，由于传统可变电容具有非线性的特点，因此其能将振荡器调制在幅度上的噪声转化为频率调制的噪声，从而恶化振荡器的相位噪声。本发明中，为了提高相位噪声性能，使用线性化的可变电容结构。如图3所示，三个可变电容通过一个由电阻R构成的分压网络被分别偏置在三个不同的偏置电压，VDD、VDD/2和VSS上。通过这样一种可变电容的设计，压控振荡器的调谐曲线的线性度得到大大提高。可变电容的大小由VTUNE控制，调谐曲线如图4所示。
与传统的正交压控振荡器由两个一模一样的振荡器构成不同，本发明中的两个压控振荡器并不是相同的。由于通过两个振荡器进行耦合的方式来产生正交信号的方法需要两个振荡器的频率和幅度都要一致，否则产生的正交信号的相位误差就会非常大。因此，下面论述如何保证两个不同的振荡器的频率和幅度尽可能一致。压控振荡器的振荡频率为，
f VCO , n = 1 2 π LC tot , n - - - ( 1 )
其中，Ctot，n为谐振腔的总电容，且Ctot，n＝Cp+Ca，n+Cv，Cp为总寄生电容，Ca，n为DCCA总的电容值，Cv为可变电容容值。
如采用传统的二进制的MIM电容阵列结构，从(1)中可以看到，两个调谐曲线间的间隔将是不相等的，且会随着电容容值的增加而减小。为了能使两个压控振荡器的调谐曲线一致，采用n个MIM开关电容来控制n条调谐曲线。通过对这n个MIM开关电容的仔细设计，可以保证每个调谐曲线的间隔是相同的。另外，尽管每条调谐曲线间的间距相等了，但是调谐曲线的斜率还是不相等，两个振荡器的调谐曲线还是存在很大差别。式(2)是压控振荡器的增益或者调谐曲线的斜率，
K VCO , n = ∂ f VCO , n ∂ V ctrl = - 1 4 π LC 3 tot , n · ∂ C v ∂ V TUNE - - - ( 2 )
传统的压控振荡器都采用一个固定的可变电容来实现振荡器的压控功能，因此(2)中的是一个常量。那么，从式(2)中，不难发现当谐振腔中总的容值Ctot，n小的时候，即振荡器的振荡频率高的时候，调谐曲线的斜率大；当谐振腔中总的容值Ctot，n大的时候，即振荡器的振荡频率低的时候，调谐曲线的斜率小。为了抵消电容容值的变化对振荡器调谐曲线斜率的影响，本发明采用一个由控制信号Dn控制的数字控制可变电容阵列(DCVA)来对可变电容的大小进行调节。当Ctot，n增大时，使更多的可变电容接入谐振腔；当Ctot，n减小时，减小可变电容接入谐振腔的数量。DCVA的单元结构图如图5所示。
使用本发明中的DCCA和DCVA后的宽带正交双模振荡器的调谐曲线如图4所示。
另外，尽管两个压控振荡器的调谐曲线能做的比较接近，但是正交VCO对频率的失配和幅度的失配还是非常敏感的。为了减低这种对失配的敏感，本发明采用了如图6所示的RC相移网络。下面是耦合管的大信号等效跨导，
G m _ Mc = g m _ Mc 1 + g m _ Mc R s 1 + s R s C s 1 + s R s C s / ( 1 + g m _ Mc R s ) - - - ( 3 )
从式(3)中可以看到，只要采用合适的电阻和电容值，就能提供一个接近90°的相移。这个90°的相移能大大降低正交VCO对频率和幅度的失配的敏感性。
最后，为了防止工艺偏差对性能的影响，如图1中所示，使用一个由外部控制信号VTEST来控制的可变电容来对振荡器的频率进行细调节。最终双模VCO的调谐曲线如图4所示。正交模式下产生的正交信号(分别为I、Q两路)如图7所示。

Claims (7)

1.一种宽带正交双模压控振荡器，其特征在于，由工作在高低不同频段的两个压控振荡器构成，其中，每个压控振荡器均包括：
(1)一个高品质因数的片上电感电容谐振器；
(2)一个用来对振荡频率进行微调的片上可变电容；
(3)一个由2个NMOS管交叉耦合连接而成的负阻产生器；
(4)用于控制宽带压控振荡调谐曲线的数字控制电容阵列和数字控制可变电容阵列；
(5)一个用来使压控振荡器调谐曲线线性化的可变电容阵列；
(6)一个正交耦合器，包括一条直接正交耦合路径和一条交叉正交耦合路径；
(7)用来给有源器件提供偏置电流，且电流值可变的偏置电流源阵列；
其中，片上电感电容谐振器用以提供振荡器所需要的振荡信号；交叉耦合的负阻值晶体管并联在谐振器两端，为振荡器提供振荡所需要的能量；振荡器的输出频率的粗调谐和细调谐分别由同样并联在谐振腔两端的数字控制电容阵列和数字控制可变电容阵列来完成；高低频段两个振荡器的正交耦合管分别通过交叉耦合和直接耦合，连接到振荡器电路里来产生所需要的信号，以产生正交模式下的正交差分信号；交叉耦合的负阻值晶体管和正交耦合的正交晶体管的电流都有电流源阵列来提供，以实现对工作模式的切换以及对振荡器振荡幅度的控制。
2.根据权利要求1所述的压控振荡器，其特征在于根据外部的控制信号而分别工作在双VCO宽调谐范围模式和正交VCO模式。
3.根据权利要求1所述的压控振荡器，其特征在于通过数字控制可变电容阵列和数字控制电容阵列对VCO的调谐曲线进行控制，使两个VCO在交叠频段内的调谐曲线非常接近，进而在正交耦合管的作用下产生质量较高的正交信号。
4.根据权利要求1所述的正交压控振荡器，其特征在于具有线性化功能的可变电容阵列由偏置在三个偏置点的累积型MOS电容组成，偏置均由大阻值电阻进行隔离。
5.根据权利要求1所述的正交压控振荡器，其特征在于通过使用一个RC源级耦合结构的相移网络提高正交VCO的性能。
6.根据权利要求1所述的压控振荡器，其特征在于负阻管的偏置电流由电流源阵列组成，并用开关控制其栅极电压来控制其通断，且受使能信号VCOA_EN和VCOB_EN的控制，使得DMVCO能在压控振荡器A和压控振荡器B间进行切换。
7.根据权利要求1所述的压控振荡器，其特征在于耦合管的偏置电流由电流源阵列组成，并用开关控制其栅极电压来控制其通断，且受正交使能信号IQ_EN的控制，使得VCO能在宽带和正交两个不同工作模式间进行切换。
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