CN101986556A - 用于提高相位噪声性能的正交lc压控振荡器结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于提高相位噪声性能的正交LC压控振荡器结构，该结构包括第一LC压控振荡器、第二LC压控振荡器和耦合网络，其中：耦合网络由交叉耦合对构成，用于对第一LC压控振荡器和第二LC压控振荡器共模路径上的信号进行差分放大；第一LC压控振荡器和第二LC压控振荡器通过耦合网络锁定到共模路径上注入的二次谐波信号而获得正交的输出。LC压控振荡器的共模路径引入了滤波电感，提供对地的高阻抗并抑制偏置管引入的电流噪声。耦合网络增加了LC压控振荡器共模点的信号幅度，不影响LC压控振荡器的谐振频率和品质因子，因而有助于提高LC压控振荡器的相位噪声性能。

Description

用于提高相位噪声性能的正交LC压控振荡器结构

技术领域

本发明涉及压控振荡器改良设计技术领域，尤其涉及一种用于提高相位噪声性能的正交LC压控振荡器结构。

背景技术

随着通信技术的发展，采用正交上变频或者正交下变频来完成变频操作的收发机结构得到了越来越广泛地应用。在这类收发机中，关键问题是如何产生低相位噪声、高相位准确度的正交本地振荡信号。人们提出多种方法来实现正交的本地振荡信号。

一种方法是压控振荡器工作在两倍的工作频率，在压控振荡器后面接两个1/2分频器产生正交信号。这种方法的缺点是功耗大，输出信号的正交性差，要求压控振荡器输出信号有50％的占空比。

另外一种方法是采用电阻电容实现复数滤波器来产生正交信号。这种方法的缺点是需要在压控振荡器和滤波器之间插入高功耗的缓存器。

目前应用比较广泛的方法是将LC压控振荡器和环路振荡器结合起来产生正交振荡信号方法，如图1所示。这种技术在正交相位的精度和相位噪声之间存在一个折衷关系。当耦合因子增强时，输出信号的正交信号的相位精度提高，但是振荡频率会偏离谐振回路的偏振点，谐振回路的品质因子下降，将严重恶化振荡器的相位噪声性能。当耦合因子很弱时，两个振荡器之间存在的不匹配性可能不能使得两个振荡器的振荡频率相同，从而会破坏输出振荡信号之间的正交关系，使得输出的正交信号的相位精度变差。此外，耦合的晶体管将会增加功耗，增加输出接点的寄生电容，导致更小的频率调谐范围。

现代通信的发展对正交信号的产生提出了越来越苛刻的要求，上述几种结构在功耗，相位噪声以及相位精度等都无法满足收发信机对正交信号的要求，因此，需要一种正交信号产生的电路解决方案，能够解决上述相关技术中的问题。

发明内容

(一)要解决的技术问题

有鉴于此，本发明的主要目的是引入一种用于提高相位噪声性能的正交LC压控振荡器结构，该电路结构在不改变LC压控振荡器的谐振频率和品质因子的情况下，能有效地提高正交振荡器的相位噪声性能。

(二)技术方案

为达到上述目的，本发明提供了一种用于提高相位噪声性能的正交LC压控振荡器结构，该正交LC压控振荡器结构包括第一LC压控振荡器、第二LC压控振荡器和耦合网络，其中：

耦合网络由交叉耦合对构成，用于对第一LC压控振荡器和第二LC压控振荡器共模路径上的信号进行差分放大；第一LC压控振荡器和第二LC压控振荡器通过耦合网络锁定到共模路径上注入的二次谐波信号而获得正交的输出。

上述方案中，该第一LC压控振荡器由第一nmos管Mn1和第二nmos管Mn2交叉耦合提供负阻，该第二LC压控振荡器由第三nmos管Mn3和第四nmos管Mn4交叉耦合提供负阻。

上述方案中，该第一LC压控振荡器中的第三电感L3和该第二LC压控振荡器中的第四电感L4均为中间抽头的差分电感，第三电感L3和第一电容C1、第二电容C2、第一变容管Cv1、第二变容管Cv2一起构成谐振电路；第四电感L4和第三电容C3、第四电容C4、第三变容管Cv3、第四变容管Cv4一起构成谐振电路。

上述方案中，在该第一LC压控振荡器和该第二LC压控振荡器中，第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3和第四电阻R4为偏置电阻，而第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3和第四电容C4为隔直电容。

上述方案中，该第一LC压控振荡器中的第一电感L1和第一nmos管Mn1、第二nmos管Mn2构成交叉耦合对，该交叉耦合对的共源节点的寄生电容在该第一LC压控振荡器的输出频率的两倍处谐振；该第二LC压控振荡器中的第二电感L2和第三nmos管Mn3、第四nmos管Mn4构成交叉耦合对，该交叉耦合对的共源节点的寄生电容在第二LC压控振荡器的输出频率的两倍处谐振。

上述方案中，该耦合网络包括第二pmos管Mp2、第三pmos管Mp3和第五pmos管Mp5，其中第二pmos管Mp2和第三pmos管Mp3交叉耦合，第五pmos管Mp5是pmos偏置管，该耦合网络用于对第一LC压控振荡器和第二LC压控振荡器的共模路径上的信号进行差分放大。

上述方案中，该耦合网络还包括一第五电容c5，用于滤除共模路径上第五pmos管Mp5的电流噪声。

上述方案中，该第一LC压控振荡器中的第一pmos管Mp1和该第二LC压控振荡器中的第四pmos管Mp4共同定义了第一LC压控振荡器和第二LC压控振荡器的静态偏置电流，同时为第二pmos管Mp2和第三pmos管Mp3构成的交叉耦合对提供了一个输出的静态偏置点。

上述方案中，该第一LC压控振荡器还包括第一缓存器buf1和第二缓存器buf2，该第二LC压控振荡器还包括第三缓存器buf3和第四缓存器buf4，第一缓存器buf1、第二缓存器buf2、第三缓存器buf3和第四缓存器buf4分别提供0度、90度、180度和270度四路正交输出信号。

上述方案中，该第一LC压控振荡器和该第二LC压控振荡器在共模路径上引入滤波电感，提供对地的高阻抗并抑制偏置管引入的电流噪声。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明具有如下特点及良好效果：

1、本发明提供的这种用于提高相位噪声性能的正交LC压控振荡器结构，耦合网络有助于提高共模点的振幅，对LC压控振荡器的谐振频率和品质因子没有影响，因而有助于提高正交LC压控振荡器的相位噪声。

2、本发明提供的这种用于提高相位噪声性能的正交LC压控振荡器结构，耦合网络使得两个LC压控振荡器的共模点的信号成为差分形式，保证了两个LC压控振荡器的输出为正交形式，不会出现两个LC压控振荡器同相工作的状态。耦合因子仅仅影响正交信号产生的动态过程，对正交相位的精度没有影响。

3、本发明提供的这种用于提高相位噪声性能的正交LC压控振荡器结构，LC压控振荡器的共模路径上引入了滤波电感，提供了一个对地的高阻抗，削弱了偏置管的电流噪声，阻止了线性区工作的交叉耦合对给谐振回路引入的损耗，有助于提高正交LC压控振荡器的相位噪声性能。

附图说明

图1是传统正交LC压控振荡器电路的结构示意图；

图2是本发明提供的正交LC压控振荡器电路的结构示意图；

图3是本发明中的电流注入锁定的示意图；

图4是本发明中正交LC压控振荡器的等效电路示意图；

图5是本发明中信号矢量的示意图；

图6本发明一个实例的相位噪声和单个LC压控振荡器的相位噪声的对比示意图；

图7是本发明一个实例的正交输出信号的示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

图2示出了本发明提供的低相位噪声的正交LC压控振荡器的结构示意图。该正交LC压控振荡器结构由第一LC压控振荡器(VCO1)、第二LC压控振荡器(VCO2)和耦合网络构成。VCO1和VCO2完全相同，以VCO1为例，两个交叉耦合的nmos管——第一nmos管(Mn1)和第二nmos管(Mn2)提供负阻，用于补偿振荡回路的能量损耗。第一电阻(R1)和第二电阻(R2)一端接在一起，并接地，为第一变容管(Cv1)和第二变容管(Cv2)提供反偏的静态偏置点。第一电阻(R1)和第二电阻(R2)的另一端和第一电容(C1)，第二电容(C2)一端相连。第一变容管(Cv1)和第二变容管(Cv2)的一端和第一电容(C1)、第二电容(C2)连接，作为压控振荡器的电压控制端。第一电容(C1)和第二电容(C2)的另一端作为压控振荡器的差分输出端。第三电感(L3)为中间抽头的差分电感。第三电感(L3)和第一电容(C1)、第二电容(C2)、第一变容管(Cv1)、第二变容管(Cv2)一起构成了谐振电路。第一电感(L1)和振荡器共模点的寄生电容谐振在输出频率的两倍处，形成一个对地的高阻抗，并阻止线性区工作的交叉耦合对第一nmos管(Mn1)和第二nmos管(Mn2)给谐振回路引入的损耗。第五电容(c5)用于滤除由第二pmos管(Mp2)和第三pmos管(Mp3)构成的差分耦合对的共模路径上的噪声信号。

耦合网络由两个交叉耦合pmos管——即第二pmos管(Mp2)和第三pmos管(Mp3)与第五pmos管(Mp5)构成。第一pmos管(Mp1)定义了LC压控振荡器的偏置电流，提供了一个对电源的高阻抗，同时为第二pmos管(Mp2)和第三pmos管(Mp3)构成的交叉耦合对提供了一个输出的静态偏置点。第一缓存器buf1、第二缓存器buf2、第三缓存器buf3和第四缓存器buf4对振荡器输出信号起隔离和放大作用，分别提供0度、90度、180度和270度四路正交输出信号。

耦合网络由第二pmos管(Mp2)、第三pmos管(Mp3)和第五pmos管(Mp5)构成。第二pmos管(Mp2)和第三pmos管(Mp3)交叉耦合连接在一起，构成一个正反馈，第五pmos管(Mp5)提供交叉耦合对第二pmos管(Mp2)和第三pmos管(Mp3)的偏置电流，第五电容(c5)用来滤除第五pmos管(Mp5)的高频噪声。

当Vs1和Vs2的信号为同相时，会使Vs1和Vs2的信号同时升高或者减小，而偏置管第五pmos管(Mp5)的电流跟偏置电路有关，不随Vs1和Vs2信号变化而变化。因而Vs1和Vs2同相这种状态不稳定存在，偏置管第五pmos管(Mp5)使得Vs1和Vs2信号最终进入差分状态。

第一pmos管(Mp1)和第四pmos管(Mp4)除了提供给第一LC压控振荡器和第二LC压控振荡器偏置电流之外，还提供了第二pmos管(Mp2)、第三pmos管(Mp3)构成的差分对的输出静态偏置点。输出偏置点的作用是避免Vs1和Vs2的电压一个降为地，一个是电源，正交无法产生这种状态。

第二pmos管(Mp2)和第三pmos管(Mp3)构成的交叉耦合对的增益跟第二pmos管(Mp2)和第三pmos管(Mp3)跨导有关，通过增加第二pmos管(Mp2)和第三pmos管(Mp3)的宽长比能有效地提高跨导，从而有效地提高增益。大的宽长比的缺点是使得寄生电容增加。

第二pmos管(Mp2)和第三pmos管(Mp3)构成的差分耦合对在每半个Vs1和Vs2的周期内在差分耦合对的输出节点切换偏置电流，使得Vs1和Vs2的信号工作在差分状态，Vs1和Vs2的差分工作状态最终导致两个LC压控振荡器的输出信号为正交形式。Vs1和Vs2信号首先从同频同相逐渐过渡为差分形式，然后，LC压控振荡器输出逐渐从同相过渡到正交形式，过渡时间跟第二pmos管(Mp2)、第三pmos管(Mp3)和第五pmos管(Mp5)构成的差分对的增益和偏置电流有直接关系。

当Vs1和Vs2工作在差分状态时，Vs1位置的信号是一个LC压控振荡器共模位置信号和另外一个LC压控振荡器的放大后的共模位置信号的叠加。这两个信号相位相反。如果第二pmos管(Mp2)和第三pmos管(Mp3)构成的交叉耦合对的增益小于1，这意味着Vs1信号叠加后跟叠加前相位保持一致，幅值减小，同理Vs2信号也是叠加后跟叠加前相位保持一致，幅值减小。Vs1和Vs2保持同相状态，这是不需要的，因此，必须保持第二pmos管(Mp2)和第三pmos管(Mp3)构成的差分对有足够的增益，从而使得Vs1和Vs2能工作在差分状态。

第五pmos管(Mp5)的偏置电流和第一pmos管(Mp1)或者第四pmos管(Mp4)的偏置电流的比定义了耦合因子K，K过小，正交产生过程很长，但是相位噪声会较好，当K过大时，LC压控振荡器输出信号迅速进入正交状态，但是相位噪声会变差。为了提高正交振荡器的噪声性能，在每个LC的对地位置引入了一个滤波电感，滤波电感和共模点的杂散电容谐振在LC压控振荡器的输出频率的两倍处，提供了一个对地的高阻抗，滤除了两倍谐振频率位置处的噪声，阻止了线性工作的交叉耦合对给谐振回路引入的损耗，从而能有效地提高噪声性能，代价是增加了芯片的面积。

第一pmos管(Mp1)和第四pmos管(Mp4)不能插入并联的滤波电容，并联的滤波电容在每个LC的共模点构成了一个对电源的交流通路，使得第二pmos管(Mp2)和第三pmos管(Mp3)构成的差分对的增益减小，对Vs1和Vs2位置的信号放大作用减弱，相当于耦合因子变小，导致LC压控振荡器无法输出正交信号。

相对于单个LC压控振荡器而言，正交LC压控振荡器因为引入了耦合差分对，耦合差分对为有源器件，对正交振荡器的相位噪声有一定的影响，但是另外一方面，耦合网络增强了LC压控振荡器的输出信号的幅值，而且最大耦合电流是在最大振幅，也就是相位不敏感时引入到压控振荡器中，这些因素有助于获得更好的相位噪声性能。最后，为了进一步抑制耦合网络对LC压控振荡器的噪声性能的影响，引入了尾电流滤波技术。综合这些考虑，当选择合适的耦合因子，正交LC压控振荡器的相位噪声可以比拟于单个LC压控振荡器。

图3描述了注入锁定的基本原理，这里以VCO1为例来说明注入锁定的工作过程，在每半个周期里，第一nmos管(Mn1)和第二nmos管(Mn2)在Vo_{diff_1}(Vo_{diff_1}＝V_A-V_B)的驱动下在输出节点A和B之间切换尾电流。差分振荡器的电流I_T是来源于尾电流和开关信号混频后的结果，这里开关信号近似于矩形波。因为LC压控振荡器的带通特性，它将滤除I_T的高次谐波，仅仅基波得到保存，产生了输出电压Vo_{diff_1}。

图2的等效差分电路如图4所示，LC压控振荡器Vo_{diff_1}＝I₁×R₁。I_b1是偏置电流I_bias1的基波，而I_i1是注入电流I_inj1的基波。为了使得振荡器振荡在谐振频率，振荡器中的电流I₁＝I_b1+I_i1必须跟Vo_{diff_1}一致。I_b1总是跟Vo_{diff_1}相位保持一致，因此，在稳定状态下，当压控振荡器锁定到注入信号电流时，I_b1和I_i1保持同相。也就是说，当压控振荡器注入锁定到I_inj1后，它输出相位锁定到注入电流信号相位的一半。

正交振荡器各个点的矢量图如图5所示，VB和VA信号为差分信号，相位相差±π。对于M1管来说，根据交流小信号模型，电流Id1信号和电压VA信号相位相反，同理，对于M2管来说，Id2信号和VB信号相反。共模点Vs1信号和VS2信号相位相反。Vodiff_1＝VA-VB信号和Vs1信号同相，原因是这里假定Vs1的初始相位为零，Vodiff_1信号的初始相位是Vs1初始相位的两倍，因而Vodiff_1的初始相位也为零。Vodiff_2＝VC-VD，当压控振荡器输出信号锁定到注入电流信号时，如前面分析，压控振荡器的相位为注入锁定信号相位的一半，因而Vodiff_2信号的相位是Vs2信号的相位的一半，也就是±π/2。因为电路是完全对称的，正交LC压控振荡器输出保持严格的正交关系，但是无法选择是π/2还是-π/2，这种正交性对无线应用是足够的，但是在一些对正交信号的相位序列有要求的场合，需要额外的电路来获得正确的相位系列，因而需要占用额外的芯片面积和消耗少量的功耗。

传统结构的压控振荡器是利用几个差分输出交叉耦合产生正交输出，正交性跟耦合因子有直接关系，而且跟相位噪声成反向的关系。而在本发明的结构中，正交性由第二pmos管(Mp2)、第三pmos管(Mp3)和第五pmos管(Mp5)构成的差分对决定，该差分对的失配使得共模点的输出信号不能保持严格的差分关系，由于共模路径上的信号的相差跟单个LC压控振荡器输出信号的相差成两倍的关系，第二pmos管(Mp2)、第三pmos管(Mp3)和第五pmos管(Mp5)构成的差分对的失配意味着正交输出的相位差的失配减小了一半，相对于传统结构而言，这有助于提高输出信号正交相位的精度。

当电路存在任何失配时，会引入幅值和相位的差异，为了减小这些相差，需要尽可能使得版图完全对称，同时减小电感的互感。当两个LC压控振荡器的振荡回路存在差异，将导致两个LC压控振荡器的振荡频率有差异，从而导致相位差异。偏置电流的失配不会影响相位的正交性，但是影响正交信号的幅值。交叉耦合对的失配对相位精度和幅值都有直接影响。

图6为本发明给出的一个设计实例的相位噪声仿真结果，该设计实例基于TSMC 0.18μm CMOS工艺，LC谐振回路工作于2.5GHz左右，耦合因子约为25％。可以看出，在低频段，正交LC压控振荡器比单个LC压控振荡器有更好的相位噪声，在高频段，两者的相位噪声结果基本保持一致。这说明耦合网络对相位噪声没有造成明显的影响。图7为正交压控振荡器的输出波形，输出波形保持了较好的正交性，输出波形不再是正弦波，包含了一些高次谐波，高次谐波容易滤除，不会对通信系统噪声影响。

本发明优于传统结构的锁相环频率综合器，因为耦合网络增加了LC压控振荡器的输出信号的振幅，对LC压控振荡器的谐振频率和品质因子没有影响，提高了环路的相位噪声性能。

本发明的第二个优点是耦合网络使得两个LC压控振荡器的共模点的信号成为差分形式，保证了两个LC压控振荡器的输出为正交形式，不会出现两个LC压控振荡器同相工作的状态。耦合因子仅仅影响正交信号产生的动态过程，对正交相位的精度没有影响。

本发明的第三个优点是LC压控振荡器的共模路径上引入了滤波电感，和共模路径上的寄生电容谐振于输出信号频率的两倍处，提供了一个对地的高阻抗，阻止了线性区工作的交叉耦合对给谐振回路引入的损耗，滤除了电流偏置管的噪声，有助于提高相位噪声性能。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于提高相位噪声性能的正交LC压控振荡器结构，其特征在于，该正交LC压控振荡器结构包括第一LC压控振荡器、第二LC压控振荡器和耦合网络，其中：

耦合网络由交叉耦合对构成，用于对第一LC压控振荡器和第二LC压控振荡器共模路径上的信号进行差分放大；第一LC压控振荡器和第二LC压控振荡器通过耦合网络锁定到共模路径上注入的二次谐波信号而获得正交的输出。

2.根据权利要求1所述的用于提高相位噪声性能的正交LC压控振荡器结构，其特征在于，该第一LC压控振荡器由第一nmos管Mn1和第二nmos管Mn2交叉耦合提供负阻，该第二LC压控振荡器由第三nmos管Mn3和第四nmos管Mn4交叉耦合提供负阻。

3.根据权利要求1所述的用于提高相位噪声性能的正交LC压控振荡器结构，其特征在于，该第一LC压控振荡器中的第三电感L3和该第二LC压控振荡器中的第四电感L4均为中间抽头的差分电感，第三电感L3和第一电容C1、第二电容C2、第一变容管Cv1、第二变容管Cv2一起构成谐振电路；第四电感L4和第三电容C3、第四电容C4、第三变容管Cv3、第四变容管Cv4一起构成谐振电路。

4.根据权利要求1所述的用于提高相位噪声性能的正交LC压控振荡器结构，其特征在于，在该第一LC压控振荡器和该第二LC压控振荡器中，第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3和第四电阻R4为偏置电阻，而第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3和第四电容C4为隔直电容。

5.根据权利要求1所述的用于提高相位噪声性能的正交LC压控振荡器结构，其特征在于，该第一LC压控振荡器中的第一电感L1和第一nmos管Mn1、第二nmos管Mn2构成交叉耦合对，该交叉耦合对的共源节点的寄生电容在该第一LC压控振荡器的输出频率的两倍处谐振；该第二LC压控振荡器中的第二电感L2和第三nmos管Mn3、第四nmos管Mn4构成交叉耦合对，该交叉耦合对的共源节点的寄生电容在第二LC压控振荡器的输出频率的两倍处谐振。

6.根据权利要求1所述的用于提高相位噪声性能的正交LC压控振荡器结构，其特征在于，该耦合网络包括第二pmos管Mp2、第三pmos管Mp3和第五pmos管Mp5，其中第二pmos管Mp2和第三pmos管Mp3交叉耦合，第五pmos管Mp5是pmos偏置管，该耦合网络用于对第一LC压控振荡器和第二LC压控振荡器的共模路径上的信号进行差分放大。

7.根据权利要求6所述的用于提高相位噪声性能的正交LC压控振荡器结构，其特征在于，该耦合网络还包括一第五电容c5，用于滤除共模路径上第五pmos管Mp5的电流噪声。

8.根据权利要求1所述的用于提高相位噪声性能的正交LC压控振荡器结构，其特征在于，该第一LC压控振荡器中的第一pmos管Mp1和该第二LC压控振荡器中的第四pmos管Mp4共同定义了第一LC压控振荡器和第二LC压控振荡器的静态偏置电流，同时为第二pmos管Mp2和第三pmos管Mp3构成的交叉耦合对提供了一个输出的静态偏置点。

9.根据权利要求1所述的用于提高相位噪声性能的正交LC压控振荡器结构，其特征在于，该第一LC压控振荡器还包括第一缓存器buf1和第二缓存器buf2，该第二LC压控振荡器还包括第三缓存器buf3和第四缓存器buf4，第一缓存器buf1、第二缓存器buf2、第三缓存器buf3和第四缓存器buf4分别提供0度、90度、180度和270度四路正交输出信号。

10.根据权利要求1所述的用于提高相位噪声性能的正交LC压控振荡器结构，其特征在于，该第一LC压控振荡器和该第二LC压控振荡器在共模路径上引入滤波电感，提供对地的高阻抗并抑制偏置管引入的电流噪声。

Images