CN102170289B

CN102170289B - 基于电流复用的低功耗正交lc压控振荡器

Info

Publication number: CN102170289B
Application number: CN201110140939.4A
Authority: CN
Inventors: 庄奕琪; 李振荣; 谭雅雯; 靳刚; 汤华莲; 李聪; 曾志斌
Original assignee: Xidian University
Current assignee: Xidian University
Priority date: 2011-05-28
Filing date: 2011-05-28
Publication date: 2013-03-20
Anticipated expiration: 2031-05-28
Also published as: CN102170289A

Abstract

本发明公开了一种基于电流复用的低功耗正交LC压控振荡器。主要解决现有LC压控振荡器功耗大，调谐线性度差的缺点。它包括：上、下回路和电流镜，该上回路中的PMOS谐振回路包括差分固定电容阵列Ca1、可变电容阵列Ca2、开关电容阵列Ca3和电感La；该下回路中的NMOS谐振回路包括差分固定电容阵列Cb1、可变电容阵列Cb2、开关电容阵列Cb3和电感Lb；两个电感La和Lb均采用中间带抽头的对称电感，且中间抽头相连，实现电流复用；电流镜在提供基本电流的基础上，增加两路接入电路的偏置电流，以减小功耗；两个可变电容阵列Ca2和Cb2采用偏置电压不同的两个可变电容并联的阵列结构，以提高LC压控振荡器的调谐线性度。本发明可用于射频前端接收机系统频率综合器中。

Description

基于电流复用的低功耗正交LC压控振荡器

技术领域

本发明属于集成电路设计技术领域，涉及低功耗正交LC压控振荡器，尤其是涉及了一种电流复用模式的新型LC压控振荡器，可用于射频前端接收机系统频率综合器中。

背景技术

随着社会的不断发展，科学技术日新月异，特别是现代无线通讯技术极大的改变了人类的生活方式。随着手持无线通讯设备，如GPS定位系统、手机的普及，无线通讯设备由单模块、分立器件向着小型化、低功耗、低成本、高集成度方向发展。而在几乎所有的无线通讯设备中，压控振荡器都是必不可少的。压控振荡器一般应用于频率综合器中，是射频接收、发送装置中的关键模块。

目前压控振荡器结构一般分为环形振荡器和LC压控振荡器。环形振荡器，存在相位噪声性能较差，功耗高，输出振荡频率杂散大、频率纯度低的缺点，使得它不可能被用在性能要求很高的场合。LC压控振荡器，具有相位噪声性能好，输出振荡频率杂散小、频率纯度高，功耗较小等优点，使得其经常被用在性能要求比较苛刻的场合。因此，在射频前端接收机的设计中，通常采用LC压控振荡器结构。作为频率综合器的关键模块，LC压控振荡器的功耗与噪声水平直接决定频率综合器锁相环电路的功耗和噪声的性能，因此应用标准CMOS工艺设计生产高性能的LC压控振荡器，已经是射频集成电路中的一个重要课题。

LC压控振荡器利用电感、电容组成的谐振网络进行选频。该谐振网络中并联的电感、电容按照下面的公式决定压控振荡器的振荡频率：

f_{o} = \frac{1}{2 π \sqrt{LC}}

由上式可以发现，通过改变电感、电容的取值便可改变压控振荡器的振荡频率。目前的主流技术是通过改变电容的容值进行频率调谐，且电容的品质因子较高，接入的电容对整体电路品质因子的影响远小于电感接入引起的效果。因此LC压控振荡器一般通过可变电容来实现电容值的连续变化从而实现调谐频率的连续变化，得到理想可变电容的电容-电压特性十分必要的。

由于半导体制造工艺技术的不断进步，使得无线通讯设备向着小型化、低功耗、低成本、高集成度方向发展，尽管相对于环形振荡器，LC压控振荡器相噪和功耗性能已得到极大改善，但随着器件特征尺寸的不断缩小，射频接收机对LC压控振荡器的功能要求也随之提高，传统的LC压控振荡器已经很难满足目前RF接收机对其性能的要求。因此对于RF接收机系统的设计而言，LC压控振荡器的设计仍为其主要瓶颈和挑战。这类挑战中主要包括降低相位噪声和功率消耗，提高调谐线性度等。在相噪性能方面，主流技术采用正交LC压控振荡器，已基本可以满足相噪性能的要求。在目前的正交LC压控振荡器中，对于每个振荡回路，电源都必须提供一专用的电流通路以保证振荡器的正常工作，这样做的结果使得电路功耗比较大，而随着集成电路对低功耗性能的要求越来越高，未经改善的正交LC压控振荡器设计已不能满足RF接收机系统对低功耗的要求，从而使低功耗成为正交LC压控振荡器设计的难点之一。为了满足RF收发机对正交LC压控振荡器低功耗方面的要求，各种低功耗正交LC压控振荡器结构被提出，但是在这些低功耗结构中，大多以牺牲其他指标如相噪或电路复杂度来获得功耗性能的改善，相关文献如《Muer B D，hoh N Borremans，et a1.A 1.8GHz highly-tunablelow-phase-noise CMOS VCO.IEEE Custom Integrated Circults Conference，2000；J.Bhattacharjee，D.Mukherjee，E.Gebara，S.Nuttinck and J.Laskar，“A5.8GHz fully integrated low power low phase noise CMOS LC VCO for WLANapplications，”in Proc.IEEE Int.Sym.on PFIC，Jun.2002》中，虽然文献中提出的正交LC压控振荡器的功耗性能得到了改善，但是电路复杂度比原来明显提高，相噪性能明显恶化。因此在功耗指标愈发重要的今天，寻求相位噪声与功耗之间的优化，在提高振荡器性能的同时尽可能的降低功耗变得逐渐必要。

发明内容

本发明的目的在于克服上述已有技术的缺点，提出一种基于电流复用的低功耗正交LC压控振荡器，以减小电路的功耗和相位噪声，提高RF接收机中频率综合器的性能。

实现本发明目的技术关键是：采用TSMC 0.18um CMOS工艺提供的中间带抽头的对称电感，上下两回路中的电感通过中间抽头连接，使得上谐振回路中的电流可以通过中间抽头流入下谐振回路，实现电流复用。其整个正交LC压控振荡器包括：上回路A、下回路B、电流镜、低通滤波器和尾电流管，该上回路A由PMOS谐振回路、PMOS负阻差分对管(P1a、P1b)和PMOS正交管(P2a、P2b)组成，该PMOS谐振回路由差分固定电容Ca1、可变电容阵列Ca2、开关电容阵列Ca3和对称电感La四部分并联连接组成；该下回路B由NMOS谐振回路、NMOS负阻差分对管(N1a、N1b)和NMOS正交管(N2a、N2b)组成，该NMOS谐振回路由差分固定电容Cb1、可变电容阵列Cb2、开关电容阵列Cb3和对称电感Lb四部分并联连接组成；且上谐振回路和下谐振回路通过PMOS正交管(P2a、P2b)和NMOS正交管(N2a、N2b)耦合，其中：NMOS和PMOS谐振回路里的电感均采用TSMC 0.18um RF CMOS工艺提供的中间带抽头的对称电感，该电感La的中间抽头与电感Lb的中间抽头相连，使上谐振回路中的电流通过中间抽头流入下谐振回路，以实现电流复用，降低功耗。

所述的电流镜，包括一个基本电流镜和两路镜像管，该基本电流镜由第一NMOS管N1和第二NMOS管N2连接构成；该两路镜像管包括并联连接的第三NMOS管N3、第四NMOS管N4，且这两路NMOS管与基本电流镜中的第二NMOS管N2并联连接，输出两路大小不同的偏置电流。

所述的上回路中可变电容阵列Ca2和下回路中可变电容阵列Cb2结构相同，它们均采用加不同偏置电压的两个可变电容Cv1和Cv2并联的阵列结构，通过调整Cv1和Cv2所加偏压，得到阵列结构的理想电容-电压特性，以提高LC压控振荡器的调谐线性度。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

1)功耗显著降低，电路面积有所下降。

本发明由于通过中间带抽头的对称电感连接上下谐振回路，因而在工作时可使上谐振回路中的电流可通过中间抽头流入下谐振回路，实现了电流复用，使得整个LC压控振荡器的功耗随之降低，电路面积也有所下降；同时由于本发明中的电流镜可为谐振回路提供三路大小不同的偏置电流，在保证LC压控振荡器在极限情况下也可以正常工作的同时，调节电流镜输出电流的大小，进一步降低了功耗。

2)调谐线性度明显提高。

本发明由于对可变电容阵列(Ca2、Cb2)采用加不同偏置电压的两个可变电容并联的阵列结构，通过对这两个可变电容所加偏压的调整，故拟合后得到的阵列结构电容-电压特性较为理想，克服了单一可变电容的电容-电压特性线性度差的缺点，从而使LC压控振荡器的频率-电压特性得到很大改善，即提高了LC压控振荡器的调谐线性度。

附图说明

图1为本发明基于电流复用的低功耗正交LC压控振荡器的原理图。

图2为本发明采用的电流镜电路图。

图3为本发明上回路可变电容阵列Ca2及下回路可变电容阵列Cb2的电路图。

图4为本发明上回路开关阵列Ca3及下回路开关电容阵列Cb3的电路图。

图5为本发明上回路固定差分电容阵列Ca1及下回路固定差分电容阵列Cb1的电路图。

具体实施方式

为了进一步说明本发明的优势所在以及具体采取的技术手段，以下便结合图示详细说明本发明的具体实施方式及电路结构。

参照图1，本发明所提供的一种新型的基于电流复用的低功耗正交LC压控振荡器，包括上回路A、下回路B、电流镜、低通滤波器和尾电流管P0。其中：

上回路A，由PMOS谐振回路、PMOS负阻差分对管P1a，P1b和PMOS正交管P2a，P2b组成。所述的PMOS负阻差分对管P1a，P1b的源级与尾电流源管P0的漏极相连，负阻差分对管中的P1a管的栅极与其P1b管的漏极相连，P1a的漏极与P1b的栅极相连。所述的PMOS正交管P2a，P2b的源极与尾电流管P0的漏极相连，PMOS正交管中的P2a管的漏极与其P1a管的漏极相连，P2a的栅极与输出信号Q相连；P2b管的漏极与P1b管的漏极相连，P2b管的栅极与输出信号QB相连。所述的PMOS谐振回路由差分固定电容Ca1、可变电容阵列Ca2、开关电容阵列Ca3和对称电感La四部分并联连接组成。该开关电容阵列Ca1的一端与输出信号I相连，另一端与输出信号IB相连，其结构如图4(a)所示，它包括两个电阻R1和Rb1、两级反相器连接的NMOS管Ns1和分别串联在左右两端的两个固定电容C1和Cb1，外部数字信号经过两级反相器，控制用作开关管的NMOS管Ns1的开启或关断，从而控制固定电容C1和Cb1是否接入电路，在较宽范围内进行频率调整，扩大LC压控振荡器的频率覆盖范围；该可变电容阵列Ca2的一端与输出信号I相连，另一端与输出信号IB相连，其结构如图3(a)所示，它由两个可变电容Cv1和Cv2并联构成，Cv1偏置电压Vbias1和Cv2偏置电压Vbias2不同，Cv1和Cv2均包括连接偏置电压的两个电阻R2和Rb2、两个反向连接的容抗管Cm1和Cm2、分别串联在左右两端的两个固定电容C2和Cb2。由于Cv1和Cv2的偏置电压不同，它们并联得到的可变电容阵列Ca2的电容-电压特性将是Cv1和Cv2电容-电压特性拟合在一起的效果，因此通过调节Cv1和Cv2的偏置电压，可得到相当理想的可变电容阵列Ca2的电容-电压特性，可变电容阵列Ca2由模拟电压控制，在一定的范围内对频率进行精确调整，从而得到精度很高的输出振荡频率，在可变电容阵列Ca2中，加入与可变电容串联的固定电容C2和Cb2，以降低LC压控振荡器的灵敏度，从而降低相位噪声和改善LC压控振荡器的线性度；该差分固定电容Ca1的一端与输出信号I相连，另一端与输出信号IB相连，其结构如图5(a)所示，包括串联连接的两个固定电容C3和Cb3，差分固定电容Ca1的接入用以降低LC压控振荡器的灵敏度，从而降低相位噪声和改善LC压控振荡器的线性度；该对称电感La的一端与输出信号I相连，另一端与输出信号IB相连。

下回路B，由NMOS谐振回路、NMOS负阻差分对管N1a，N1b和NMOS正交管N2a，N2b组成。所述的NMOS正交管N2a，N2b的源极直接与地相连，N2a管的漏极与N1a的漏极相连，N2a的栅极与输出信号IB相连；N2b管的漏极与N1b管的漏极相连，N2b管的栅极与输出信号I相连。所述的NMOS负阻差分对管N1a、N1b的源级直接与地相连，N1a管的栅极与N1b管的漏极相连，N1a管的漏极与N1b管的栅极相连。所述的NMOS谐振回路由差分固定电容Cb1、可变电容阵列Cb2、开关电容阵列Cb3和对称电感Lb四部分并联连接组成。该开关电容阵列Cb3的一端与输出信号Q相连，另一端与输出信号QB相连，其结构如图4(b)，它包括两个电阻R3和Rb3、两级反相器连接的NMOS管Ns2和分别串联在左右两端的两个固定电容C4和Cb4，外部数字信号经过两级反相器，控制用作开关管的NMOS管Ns2的开启或关断，从而控制固定电容C4和Cb4是否接入电路，在较宽范围内进行频率调整，扩大LC压控振荡器的频率覆盖范围；该可变电容阵列Cb2的一端与输出信号Q相连，另一端与输出信号QB相连，其结构如图3(b)所示，它由两个可变电容Cv3和Cv4并联构成，Cv3偏置电压Vbias3和Cv4偏置电压Vbias4不同，Cv3和Cv4均包括连接偏置电压的两个电阻R4和Rb4、两个反向连接的容抗管Cm3和Cm4、分别串联在左右两端的两个固定电容C5和Cb5。由于Cv3和Cv4的偏置电压不同，它们并联得到的可变电容阵列Cb2的电容-电压特性将是Cv3和Cv4电容-电压特性拟合在一起的效果，因此通过调节Cv3和Cv4的偏置电压，可得到相当理想的可变电容阵列Cb2的电容-电压特性，可变电容阵列Cb2由模拟电压控制，在一定的范围内对频率进行精确调整，从而得到精度很高的输出振荡频率，在可变电容阵列Cb2中，加入与可变电容串联的固定电容C5和Cb5，以降低LC压控振荡器的灵敏度，从而降低相位噪声和改善LC压控振荡器的线性度；该差分固定电容Cb1的一端与输出信号Q相连，另一端与输出信号QB相连，其结构如图5(b)，它包括串联连接的两个固定电容C6和Cb6，差分固定电容Cb1的接入用以降低LC压控振荡器的灵敏度，从而降低相位噪声和改善LC压控振荡器的线性度；该对称电感Lb的一端与输出信号Q相连，另一端与输出信号QB相连。

上回路的对称电感La和下回路的对称电感Lb均采用TSMC 0.18um RF CMOS工艺提供的中间带抽头的对称电感，且上回路对称电感La和下回路对称电感Lb中间抽头连接，使电流可以从上回路流入下回路，实现电流复用。上回路中PMOS谐振回路和下回路中NMOS谐振回路通过上回路中PMOS正交管P2a，P2b和下回路中NMOS正交管N2a，N2b耦合在一起，输出四路正交信号I、Ib、Q和Qb。

参照图2，本发明采用的电流镜结构是在基本电流镜的基础上另外引出了两支电流支路。它包括由两个NMOS管N1，N2构成的基本电流镜、第一开关S1和NMOS管N3构成的第一电流支路，第二开关S2和NMOS管N4构成的第二电流支路。其中N1、N2、N3和N4的源级均接地，N1、N2、N3和N4的栅极接在一起。N1的漏极与其栅极短接，并与输入参考电流Iref连接；N2的漏极输出基本电流I1，为谐振回路提供工作时基本的电流偏置，保证电路正常情况下可以工作；N3的漏极连接开关S1，输出电流I2；N4的漏极连接开关S2，输出电流I3，两个支路电流I2、I3的值由设计时镜像管N3和N4的尺寸决定。两个开关S1、S2的开启或关闭均由数字控制位控制，工作中根据需要将S1、S2打开，使I2、I3接入电路，保证电路在极限情况下也能工作的同时，合理地降低功耗。该电流镜的输出电流I1与两个开关S1、S2的上端点经低通滤波器后与尾电流源管P0的栅极相连。

尾电流源管P0的源极接电源电压VDD，漏极与PMOS负阻差分对管P1a，P1b的源极、PMOS正交管P2b，P2b的源极相连，栅极接低通滤波器的输出。

以上仅是本发明的实例，不构成对本发明的任何限制，显然，在本发明的思想下，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，可利用上述揭示的技术内容对电路结构及元器件尺寸进行适当调整或优化，依据本发明的技术是指对以上实施例所作的任何简单修改、等同变换与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围。

Claims

1.一种基于电流复用的低功耗正交LC压控振荡器，包括：上回路A、下回路B、电流镜、低通滤波器和尾电流管，该上回路A由PMOS谐振回路、PMOS负阻差分对管P1a、P1b和PMOS正交管P2a、P2b组成，该PMOS谐振回路由差分固定电容Ca1、可变电容阵列Ca2、开关电容阵列Ca3和对称电感La四部分并联连接组成；该下回路B由NMOS谐振回路、NMOS负阻差分对管N1a、N1b和NMOS正交管N2a、N2b组成，该NMOS谐振回路由差分固定电容Cb1、可变电容阵列Cb2、开关电容阵列Cb3和对称电感Lb四部分并联连接组成；且上回路A和下回路B通过PMOS正交管P2a、P2b和NMOS正交管N2a、N2b耦合，其特征在于：NMOS和PMOS谐振回路里的电感均采用TSMC 0.18umRF CMOS工艺提供的中间带抽头的对称电感，该电感La的中间抽头与电感Lb的中间抽头相连，使上回路A的PMOS谐振回路中的电流通过中间抽头流入下回路B的NMOS谐振回路，以实现电流复用，降低功耗；

所述的电流镜包括一个基本电流镜和两路镜像管，该基本电流镜由第一NMOS管N1和第二NMOS管N2连接构成；该两路镜像管包括并联连接的第三NMOS管N3、第四NMOS管N4，且由第三NMOS管N3和第四NMOS管N4构成的两路NMOS管与基本电流镜中的第二NMOS管N2并联连接，输出两路大小不同的偏置电流；

所述的上回路中可变电容阵列Ca2采用加不同偏置电压的两个可变电容Cv1和Cv2并联的阵列结构，通过调整Cv1和Cv2所加偏压，得到阵列结构Ca2的理想电容-电压特性，以提高LC压控振荡器的调谐线性度；

所述的下回路中可变电容阵列Cb2采用加不同偏置电压的两个可变电容Cv3和Cv4并联的阵列结构，通过调整Cv3和Cv4所加偏压，得到阵列结构Cb2的理想电容-电压特性，以提高LC压控振荡器的调谐线性度；

所述的开关电容阵列Cb3，包括两个电阻R3和Rb3、两级反相器连接的NMOS管Ns2和分别串联在左右两端的两个固定电容C4和Cb4，外部数字信号经过两级反相器，控制用作开关管的NMOS管Ns2的开启或关断，从而控制固定电容C4和Cb4是否接入电路，在较宽范围内进行频率调整，扩大LC压控振荡器的频率覆盖范围。