CN102158224A

CN102158224A - 一种压控振荡器

Info

Publication number: CN102158224A
Application number: CN 201110091000
Authority: CN
Inventors: 李正平; 王明照; 林荣
Original assignee: Guangzhou Runxin Information Technology Co Ltd
Current assignee: Guangzhou Runxin Information Technology Co Ltd
Priority date: 2011-04-12
Filing date: 2011-04-12
Publication date: 2011-08-17

Abstract

本发明公开了一种压控振荡器。压控振荡器，包括有电感L和电容C、NMOS管M1、NMOS管M2，电感L和电容C并联，NMOS管M1和NMOS管M2组成NMOS互耦对，NMOS管M1的漏极与NMOS管M2的栅极相接再与电容C的一端连接，NMOS管M2的漏极与NMOS管M1的栅极相接再与电容C的另一端连接，NMOS管M1和NMOS管M2的源极相接，还包括有NMOS管M3、NMOS管M4，NMOS管M3、NMOS管M4的漏极与NMOS管M1、NMOS管M2的源极相接，NMOS管M3、NMOS管M4的栅极分别与电容C的两端相连，NMOS管M3和NMOS管M4的源极相接后接地。本发明通过实现一种恰当偏置的电流源，在正确的时机为谐振腔注入能量，优化了LC振荡器的相位噪声性能。

Description

一种压控振荡器

技术领域

本发明属于射频收发机领域，具体涉及一种电感电容压控振荡器。

背景技术

目前，随着蓝牙、无线局域网和3G等无线应用的兴起，射频收发机的研究引起了人们的广泛兴趣，频率综合器为射频收发系统提供本地振荡信号，是收发机的重要组成部分。而高性能高集成度的压控振荡器是频率综合器和收发机面临的重要挑战。

目前通信标准要求的载波频率大都在1GHz以上，信道频带也常较宽。这就要求振荡器具有中心频率高、调谐范围宽、相位噪声低和功耗低的特点。压控振荡器可分为两大类：电感电容振荡器和环型振荡器。环型振荡器噪声性能差，功耗高，这些缺点限制了它在高性能通信系统中的应用，因此，射频通信系统大都使用电感电容振荡器。

相位噪声和抖动是用来衡量振荡器噪声性能的参数，相位噪声是在频率域来衡量振荡器的频谱纯度，而抖动是在时间域来衡量振荡器信号过零点的时间不确定性，它们是对同一现象的不同描述，从原理上来说，它们是等效的。当振荡器用来做本地振荡信号时，一般用相位噪声来描述它的噪声性能，而当振荡器用作时钟发生器时，一般用抖动来描述它的噪声性能。锁相环的相位噪声是信息传输质量和可靠性的重要参数。压控振荡器（VCO）是频率综合器的重要组成部分，频综的远端相位噪声主要由压控振荡器决定，因而设计低噪声VCO显得十分关键。低噪声VCO甚至是一些通信标准电路实现的瓶颈。近些年来，人们对压控振荡器进行了大量的研究，取得很大成效，但努力减小相位噪声仍是研究的热点。

普通的电压偏置型LC振荡器如图2所示，M1，M2为NMOS互耦对，形成负阻，抵消谐振腔中的电阻损耗，维持电路稳定振荡。电容的两端形成振荡器的差分输出端。通常结构中耦合对下面的电流源被短路到地的导线取代。在这种振荡器中，两个晶体管的

与谐振回路上的差分电压幅度相等，但方向相反。当振荡信号为0时，两个晶体管都工作于饱和区，没有能量注入谐振腔。当振荡信号增加到超过晶体管的阈值电压

时，一个晶体管的

超过+，迫使它进入线性区工作，而另一个晶体管的

进一步减小，迫使其进入更深的饱和区。在线性区工作的晶体管相当于一个电阻，给谐振腔回路引入额外的损耗，而且该电阻会随着振荡信号的增加而减小，引入的损耗也会增加。在下一个半周期，两个晶体管的工作状态会发生转换，另一个晶体管会进入线性区工作，给谐振回路引入损耗。这些损耗会降低Q值，从而增大振荡器的相位噪声。

发明内容

本发明的目的在于改善压控振荡器的相位噪声，在基本的LC振荡器的电路基础上，结合Hajimiri相位噪声模型，提出了一种结构合理、简单的优化振荡器相位噪声的压控振荡器。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：压控振荡器，包括有电感L和电容C、NMOS管M1、NMOS管M2，电感L和电容C并联，NMOS管M1和NMOS管M2组成NMOS互耦对，NMOS管M1的漏极与NMOS管M2的栅极相接再与电容C的一端连接，NMOS管M2的漏极与NMOS管M1的栅极相接再与电容C的另一端连接，NMOS管M1和NMOS管M2的源极相接，还包括有NMOS管M3、NMOS管M4，NMOS管M3、NMOS管M4的漏极与NMOS管M1、NMOS管M2的源极相接，NMOS管M3、NMOS管M4的栅极分别与电容C的两端相连，NMOS管M3和NMOS管M4的源极相接后接地。

所述的电感L为COMS工艺的片上螺旋电感。

所述的电容C为CMOS工艺的电容。

本发明的有益效果：

本发明提出一种可优化振荡器相噪的电流源，使其在振荡波形的峰、谷值处向谐振环路注入电流，而其他时刻不注入电流，减小了互耦对和电流源对相位噪声的影响，优化了LC振荡器的相位噪声性能。

附图说明

图１是振荡输出差分波形、ISF函数波形、注入电流波形对比示意图。

图２是现有的普通电压偏置型LC振荡器电路图。

图３是本发明具有优化相位噪声效果的LC振荡器电路图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的描述。

本发明详细分析了LC压控振荡器的相位噪声模型，找出可以提高振荡器相位噪声性能的具体实现方法，具体过程如下：

LC振荡器的噪声模型分析

振荡器刚开始起振时，它的环路增益必须大于1，将振荡器内部噪声或干扰进行放大，使其振荡幅度不断增加。当振荡幅度增加大一定程度时，有源器件的非线性会使环路增益开始下降，只有当环路增益下降到1，振荡信号幅度才能达到稳定。因此，为了保证振荡器能正常起振，并维持稳定的振荡，所有的振荡器都是非线性系统。而且，振荡器的振荡幅度一般会很高，会使得有源器件周期性的导通或截止，这使得振荡器的开环传输函数是一时变函数，所以振荡器是一个非线性时变系统，不能利用线性时不变（LTI）模型来分析它的相位噪声性能。目前人们提出了许多有用的相位噪声模型。

根据Hajimiri相位噪声模型可知，振荡器是一个非线性时变系统，引入冲击灵敏度函数（impulse sensitivity function, ISF）

，这是个无量纲的与频率和幅度无关的函数，周期为2

。这个函数指振荡器被相位

处注入的冲击脉冲所扰动的灵敏度。如图1（a）、（b），在LC振荡器中，在振荡波形的过零点处存在最大值，在振荡波形的峰值处为0。

如图3所示，本发明所述的压控振荡器，包括有电感L和电容C、NMOS管M1、NMOS管M2，电感L和电容C并联，所述的电感L为COMS工艺的各类片上螺旋电感。所述的电容C为CMOS工艺的各种电容。NMOS管M1和NMOS管M2组成NMOS互耦对， NMOS管M1的漏极与NMOS管M2的栅极相接再与电容C的一端连接，NMOS管M2的漏极与NMOS管M1的栅极相接再与电容C的另一端连接，NMOS管M1和NMOS管M2的源极相接，还包括有NMOS管M3、NMOS管M4，NMOS管M3、NMOS管M4的漏极与NMOS管M1、NMOS管M2的源极相接，NMOS管M3、NMOS管M4的栅极分别与电容C的两端相连，NMOS管M3和NMOS管M4的源极相接后接地。

本发明在图2所示LC振荡器的基础上，增加两个NMOS管M3、M4作为尾电流源，M3、M4的栅极分别与两输出端（即电容的两端）相连，振荡器输出信号控制这两个电流源。其中M1、M2仍为NMOS互耦对，互耦对形成负阻，也就是正反馈。负阻型LC振荡器利用负阻来补偿LC谐振回路的能量损失，在谐振时，负阻提供的能量等于谐振回路损失的能量，维持电路稳定振荡。

本发明独特之处是使用了图3中所示的电流源。此电流源由M3和M4两个NMOS晶体管组成，其漏端和源端都连在一起，栅端分别连到两个输出端（电容C的两端是振荡器的差分输出端，作为一种自治电路，振荡器没有输入）。电路工作时，当输出处于直流点时，如图1中t2时刻（振荡器对扰动敏感）。此时M3和M4截止，没有电流注入。当输出达到峰值点附近时，如图1中t1时刻（振荡器对扰动不敏感）。此时M3和M4只有一个导通，为电路注入电流。这样电流源在为电路注入能量维持正常振荡的同时，又只在特定的时机注入，以保证达到较低的相位噪声。

下面分析振荡器在一个振荡周期内的具体的工作状态。如图1所示，在t=0时，在振荡信号靠近直流点的时候，互耦对两个晶体管都导通，仔细设计M3、M4 两个晶体管的尺寸（两个管子的尺寸设计得完全相同），使得这时候M3、M4晶体管截止，也就是在振荡信号过零点附近没有电流注入谐振回路，当振荡信号离开零点，M1漏端电压增大，晶体管M3开始导通进入线性区，增加到峰值时，晶体管M3进入饱和区，晶体管M4截止，流过M3的电流注入谐振回路。仔细设计M1，M2的尺寸（两个管子尺寸完全相同），使得此时的M1、M2仍然工作在饱和区，形成负阻，给谐振回路补充能量损失，维持电路稳定振荡。在下一个半周期，左右两边的晶体管的工作状态会发生转换，晶体管M4导通，晶体管M3截止，流过M4的电流注入谐振回路，M1、M2两晶体管形成负阻，给谐振回路补充能量损失。根据上面第一部分对相位噪声模型分析得知，ISF在振荡信号波形的峰、谷值处（t1）为0，也就是在振荡波形峰、谷值注入的电流脉冲而引入的噪声对相位噪声性能影响最小。而且两个尾电流源只是在振荡波形的峰、谷值处导通其中一个，在波形过零点时刻这两个管子均截止，其他时刻这两个管子工作在线性区，注入电流小，因此电流源引入的噪声也大大减小。这样就优化了LC振荡器的相位噪声性能。

总之，本发明虽然例举了上述优选实施方式，但是应该说明，虽然本领域的技术人员可以进行各种变化和改型，除非这样的变化和改型偏离了本发明的范围，否则都应该包括在本发明的保护范围内。

Claims

1. 一种压控振荡器，包括有电感（L）和电容（C）、NMOS管（M1）、NMOS管（M2），电感（L）和电容（C）并联，NMOS管（M1）和NMOS管（M2）组成NMOS互耦对， NMOS管（M1）的漏极与NMOS管（M2）的栅极相接再与电容（C）的一端连接，NMOS管（M2）的漏极与NMOS管（M1）的栅极相接再与电容（C）的另一端连接，NMOS管（M1）和NMOS管（M2）的源极相接，其特征在于：还包括有NMOS管（M3）、NMOS管（M4），NMOS管（M3）、NMOS管（M4）的漏极与NMOS管（M1）、NMOS管（M2）的源极相接，NMOS管（M3）、NMOS管（M4）的栅极分别与电容（C）的两端相连，NMOS管（M3）和NMOS管（M4）的源极相接后接地。

2. 按照权利要求1所述的一种压控振荡器，其特征在于：所述的电感（L）为COMS工艺的片上螺旋电感。

3.按照权利要求1所述的一种压控振荡器，其特征在于：所述的电容（C）为CMOS工艺的电容。