CN103078591A - 低功耗宽带压控振荡器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种低功耗宽带压控振荡器，包括第一负阻电路模块、第二负阻电路模块和四阶谐振腔，利用四阶谐振腔的双谐振频率特性，通过控制第一负阻电路模块或第二负阻电路模块补偿四阶谐振腔的能量损耗，使四阶谐振腔择一地谐振在高、低两个相邻频段并使两个频段有一定的重合来覆盖一个非常宽的频率范围。此外，第一负阻电路模块和第二负阻电路模块采用电流复用技术来降低功耗并改进相位噪声，使得所述压控振荡器电路在输出宽频率范围的同时能获得较低的功耗和相位噪声。

Description

低功耗宽带压控振荡器

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合成器中的低功耗宽带压控振荡器。

背景技术

当前，无线通信技术及其相关服务正在全球范围内迅猛发展，能够支持多种模式、多种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，使得多模多频无线通信系统的研究和实现成为无线通信技术发展的热点。这种新趋势和新要求为无线收发机的设计带来了巨大的挑战。而频率合成器作为收发芯片最关键的模块之一，其性能的好坏直接影响整个接收机的性能。因此，设计宽频带可重构的高性能频率合成器是一个关键。

通常宽频带频率合成器都需要一个宽频率调谐范围的压控振荡器。但是，在满足一定相位噪声和功耗的前提下，传统的电感电容压控振荡器受可变电容可获得的最大与最小电容值之比限制，其输出频率范围有限，是无法满足未来多模多频系统应用要求的。

为了实现宽的频率调谐范围，可以采用多个电感电容压控振荡器相并联，这种简单的集成方式不可避免的会导致面积的不断增大和功耗的急剧上升。此外，也可以采用电感电容压控振荡器结合分频器、倍频器、混频器等附加电路对信号进行频谱搬移来拓宽频率输出范围，然而附加电路不仅带来额外的硬件开销同时也增加了整体功耗，同时由于信号耦合、泄漏等效应的影响，输出信号杂散较大，在实际使用中通常需要滤波器加以抑制。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的问题和不足，提供一种低功耗宽带压控振荡器，在有效扩展输出频率范围的同时可获得较低的功耗和相位噪声。

为实现上述发明目的，本发明采取的技术方案如下：

一种低功耗宽带压控振荡器，其特征是：包括第一、第二两个负阻电路模块和四阶谐振腔，其中：

第一负阻电路模块包括PMOS管M_p1、NMOS管M_n1以及开关K₁及K₂，电源VDD串联开关K₁后连接PMOS管M_p1的源极，NMOS管M_n1的源极串联开关K₂后接地，NMOS管M_n1的栅极连接PMOS管M_p1的漏极作为输出端Q₁，PMOS管M_p1的栅极连接NMOS管M_n1的漏极作为输出端Q₂，外部控制信号Mode同时控制开关K₁及K₂的导通或断开；

第二负阻电路模块包括PMOS管M_p2、NMOS管M_n2以及开关K₃及K₄，电源VDD串联开关K₃后连接PMOS管M_p2的源极，NMOS管M_n2的源极串联开关K₄后接地，NMOS管M_n2的栅极连接PMOS管M_p2的漏极作为输出端Q₃，PMOS管M_p2的栅极连接NMOS管M_n2的漏极作为输出端Q₄，外部控制信号Mode经反相器后同时控制开关K₃及K₄的导通或断开；

四阶谐振腔包括电感L₁及第一电容单元和电感L₂及第二电容单元，电感L₁与第一电容单元并联在第一负阻电路模块的输出端Q₁与输出端Q₂之间，电感L₂与第二电容单元并联在第二负阻电路模块的输出端Q₃与输出端Q₄之间；其中：

第一电容单元包括第一开关电容阵列和第一模拟调谐电容，第一开关电容阵列包括n条并列支路，每条支路包含两个电容和一个开关，开关串联接在两个电容之间，两个电容未连接开关的一端分别与第一负阻电路模块的输出端Q₁和输出端Q₂连接，n条并列支路中从第一条到第n条支路，电容值以第一条支路电容值为基数，按2的倍数增长，第一条支路中的两个电容均定义为C_b1、一个开关定义为SW₀，由外部控制信号S₀控制SW₀导通和关断，直至第n条支路中的两个电容定义均为2^n-1C_b1、一个开关定义为SW_n-1，由外部控制信号S_n-1控制SW_n-1导通和关断；第一模拟调谐电容包括两个可变电容C_v1，两个可变电容C_v1背靠背对接，对接端与模拟调谐电压V_ctrl相连，两个可变电容C_v1未连接在一起的一端分别与第一负阻电路模块的输出端Q₁和输出端Q₂连接；

第二电容单元包括第二开关电容阵列和第二模拟调谐电容，第二开关电容阵列包括与第一开关电容阵列对应的n条并列支路，每条支路包含两个电容和一个开关，开关串联接在两个电容之间，两个电容未连接开关的一端分别与第一负阻电路模块的输出端Q₃和输出端Q₄连接，n条并列支路中从第一条到第n条支路，电容值以第一条支路电容值为基数，按2的倍数增长，第一条支路中的两个电容均定义为C_b2、一个开关定义为SW₀，由外部控制信号S₀控制SW₀导通和关断，直至第n条支路中的两个电容定义均为2^n-1C_b2、一个开关定义为SW_n-1，由外部控制信号S_n-1控制SW_n-1导通和关断；第二模拟调谐电容包括两个可变电容C_v2，两个可变电容C_v2背靠背对接，对接端与模拟调谐电压V_ctrl相连，两个可变电容C_v2未连接在一起的一端分别与第二负阻电路模块的输出端Q₃和输出端Q₄连接；第一开关电容阵列和第二开关电容阵列由同一组控制字S₀～S_n-1控制。

所说第一开关电容阵列和第二开关电容阵列中每条包含两个电容和一个开关的并列支路均可采用金属-绝缘介质-金属(MIM)电容加开关的实现形式，包括两个直流偏置电阻R、两级反相器连接的NMOS管和串联在NMOS管左右两端的两个固定电容C，外部控制信号通过两级反相器控制用作开关管的NMOS管的开启和关断，从而控制固定电容C是否接入谐振腔，实现频率的粗调。

所说四阶谐振腔中的电感L₁和L₂形成于衬底上，电感L₁和L₂采用对称差分结构且电感L₁形成于电感L₂的外围，电感L₁和电感L₂之间的耦合系数k约为0.36。

本发明的优点及有益效果：与现有技术相比，本发明所提供的低功耗宽带压控振荡器利用四阶谐振腔的双谐振频率特性，采用可控负阻单元电路模块择一地谐振在高、低两个相邻频段并使两个频段有一定的重合，使得输出频率频率范围大大扩宽。负阻单元电路采用电流复用结构，在获得同样负阻下可减少一半的偏置电流，且由于不存在传统负阻单元电路中的共模节点，不存在传统结构中共模节点的二次谐波对相位噪声的恶化，从而可提高相位噪声性能。该压控振荡器具有宽输出频率范围、低功耗、低相位噪声等特点。

附图说明

图1是本发明实施例的低功耗宽带压控振荡器结构示意图；

图2是图1中电容单元14之结构示意图；

图3是图1中电容单元15之结构示意图；

图4是图2中开关电容阵列第一条支路143之电路实施例；

图5是图3中开关电容阵列第一条支路153之电路实施例；

图6是传统差分互补结构负阻电路单元电路示意图；

图7是本发明实施例的电感的布置方式俯视图。

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，以下结合各附图详细说明本发明的具体实施例。理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均应落于本申请权利要求保护范围。

参照图1-3，一种低功耗宽带压控振荡器10，包括第一负阻电路模块11、第二负阻电路模块12和四阶谐振腔13，第一负阻电路模块11和四阶谐振腔13并联在输出端Q₁和输出端Q₂之间，第二负阻电路模块12和四阶谐振腔13并联在输出端Q₃和输出端Q₄之间。

四阶谐振腔13产生所需要的振荡频率。外部控制信号Mode择一的使能第一负阻电路模块11或第二负阻电路模块12，以补偿四阶谐振腔13的能量损耗，使四阶谐振腔13择一地谐振在高、低两个相邻频段并使两个频段有一定的重合来覆盖一个非常宽的频率范围。第一负阻电路模块11和第二负阻电路模块12采用电流复用结构以降低功耗并改善相位噪声。差分输出端包括输出端Q₁和输出端Q₂或者输出端Q₃和输出端Q₄。

第一负阻电路模块11包括NMOS管M_n1、PMOS管M_p1、开关K₁及K₂，PMOS管M_p1源级端通过开关K₁连接到电源电压VDD，其栅极与NMOS管M_n1漏极端相连并输出到输出端Q₂；NMOS管M_n1源级端通过开关K₂连接到地，其栅极与PMOS管M_p1漏极端相连并输出到输出端Q₁。

第二负阻电路模块12包括NMOS管M_n2、PMOS管M_p2、开关K₃及K₄，PMOS管M_p2源级端通过开关K₃连接到电源电压VDD，其栅极与NMOS管M_n2漏极端相连并输出到输出端Q₄；NMOS管M_n2源级端通过开关K₄连接到地，其栅极与PMOS管M_p2漏极端相连并输出到输出端Q₃。

四阶谐振腔13包括电感L₁、电感L₂、第一电容单元14和第二电容单元15。电感L₁与第一电容单元14并联在输出端Q₁与输出端Q₂之间，电感L₂与第二电容单元15并联在输出端Q₃与输出端Q₄之间。电感L₁与电感L₂的电感值可以不同。

第一电容单元14包括第一开关电容阵列141和第一模拟调谐电容142，两者并联在输出端Q₁与输出端Q₂之间；第二电容单元15包括第二开关电容阵列151和第二模拟调谐电容152，两者并联在输出端Q₃和输出端Q₄之间。

第一开关电容阵列141包括n条(0≤n<10)并列支路，每条支路包含两个电容和一个开关，开关串联接在两个电容之间，两个电容未连接开关的一端分别和输出端Q₁与输出端Q₂相连，n条并列支路中从第一条到第n条支路，电容值以第一条支路电容值为基数，按2的倍数增长，第一条支路中的两个电容均定义为C_b1、一个开关定义为SW₀，由外部控制信号S₀控制SW₀导通和关断，直至第n条支路中的两个电容定义均为2^n-1C_b1、一个开关定义为SW_n-1，由外部控制信号S_n-1控制SW_n-1导通和关断；第二开关电容阵列151包括与第一开关电容阵列141对应的n条(0≤n<10)并列支路，每条支路包含两个电容和一个开关，开关串联接在两个电容之间，两个电容未连接开关的一端分别和输出端Q₃与输出端Q₄相连，n条并列支路中从第一条到第n条支路，电容值以第一条支路电容值为基数，按2的倍数增长，第一条支路中的两个电容均定义为C_b2、一个开关定义为SW₀，，由外部控制信号S₀控制SW₀导通和关断，直至第n条支路中的两个电容定义均为2^n-1C_b2、一个开关定义为SW_n-1，由外部控制信号S_n-1控制SW_n-1导通和关断；第一开关电容阵列141和第二开关电容阵列151由同一组控制字S₀～S_n-1控制。电容C_b2与电容C_b1的电容值可以不同。

第一模拟调谐电容142包括两个可变电容C_v1，两个可变电容C_v1背靠背对接，并与模拟调谐电压V_ctr1相连，两个可变电容C_v2未连接在一起的一端分别与输出端Q₁和输出端Q₂相连；第二模拟调谐电容152包括两个可变电容C_v2，两个可变电容C_v2背靠背对接，并与模拟调谐电压V_ctrl相连，两个可变电容C_v2未连接在一起的一端分别与输出端Q₃和输出端Q₄相连。可通过改变模拟调谐电压V_ctrl改变第一模拟调谐电容142和第二模拟调谐电容152接入到谐振腔的有效电容值，从而实现频率的连续调节。C_v1与C_v2对称。

如图6，传统电感电容压控振荡器中谐振腔采用单个电感L与电容C相并联而成，其谐振频率可表示为：

${\mathrm{\&omega;}}_0=1/\sqrt{{\mathrm{LC}}_{\mathrm{total}}}---\left(1\right)$

其中，L为谐振腔电感，C_total=C+C_p，C为谐振腔电容，C_pl为谐振腔的寄生电容。外接负阻电路单元只要满足起振条件，压控振荡器终将稳定振荡在谐振腔所给出的谐振频率ω₀上。

本发明中的四阶谐振腔13采用以互感相互耦合的两个电感L₁、L₂以及分别与L₁、L₂并联的第一电容单元14和第二电容单元15构成。与传统谐振腔不同的是，它具备两个谐振频率点ω_H、ω_L，且有：

${\mathrm{\&omega;}}_{H,L}=\sqrt{\frac{{\mathrm{\&omega;}}_1^2+{\mathrm{\&omega;}}_2^2\&PlusMinus;\sqrt{{({\mathrm{\&omega;}}_1^2+{\mathrm{\&omega;}}_2^2)}^2-4(1-k^2){\mathrm{\&omega;}}_1^2{\mathrm{\&omega;}}_2^2}}{2(1-k^2)}}---\left(2\right)$

其中

且ω₂>ω₁。C_total1=C_n，b1+C_p1，C_total1为并联在L₁两端的总电容值，C_n,b1为第一电容单元14的总电容值，C_p1为寄生电容。C_total2=C_n，b2+C_p2，C_total2为并联在L₂两端的总电容值，C_n，b2为第二电容单元15的总电容值，C_p2为寄生电容。

由于四阶谐振腔13所具有的双谐振频率特性，在Mode信号的控制下，择一的使能第一负阻电路单元11或第二负阻电路单元12以补充四阶谐振腔13的能量损耗，即可实现振荡模式的切换。

当Mode信号为高电平时，开关K₁和开关K₂导通，与此同时，Mode信号经反相器后所得零电平关断K₃和K₄，此时第一负阻电路单元11与输出端Q₁和输出端Q₂并联并补偿四阶谐振腔13的能量损耗，此时压控振荡器振荡在低频ω_L。差分振荡信号从输出端Q₁和输出端Q₂输出。反之，当Mode为零电平时，开关K₃和开关K₄导通而开关K₁和开关K₂断开，第二负阻电路单元12与输出端Q₃和输出端Q₄并联并补偿四阶谐振腔13的能量损耗，此时压控振荡器振荡在低频ω_H。差分振荡信号从输出端Q₃和输出端Q₄输出。

在本发明的一个实施例中，第一负阻单元11和第二负阻单元12均采用电流复用交叉耦合差分对管结构。相对于传统的互补交叉耦合差分对管(图6)，该结构仅采用一个NMOS管与一个PMOS管交叉耦合，仅需要传统结构一半的偏置电流就可以提供相同的负阻。此外，由于MOS管数量减半，减少了MOS管所带来的寄生电容，进一步提高压控振荡器的频率调谐范围。再者，由于PMOS管与NMOS管在压控振荡器工作时同时导通或者关断，不存在传统结构中的共源节点，这使得其可以避免共源节点中的二次谐波频率对相位噪声所带来的影响。

图7示出了本发明的一个实例。形成于衬底20上的电感L₁和L₂的俯视图。电感L₁和L₂采用对称差分结构且电感L₁形成于电感L₂的外围，电感L₁和电感L₂之间的耦合系数k约为0.36。电感L₁与电感L₂分别并联第一电容单元14与第二电容单元15，通过改变第一电容单元14和第二电容单元15的总电容值调节输出频率，并使得高频段(ω_H)、低频段(ω_L)有一定的重合区(ω_L(max)>ω_H(min))以覆盖一个连续的频率调节范围。

在本发明的一个实施例中，第一开关电容阵列141采用了5条并列支路，由控制字(S₀～S₄)控制。图4给出了其中第一条支路143的结构（其它支路结构同此），采用金属-绝缘介质-金属(MIM)电容加开关的实现形式。包括两个直流偏置电阻R₁、两级反相器连接的NMOS管M_s1和串联在M_s1左右两端的两个固定电容C_b1。外部控制信号S₀通过两级反相器，控制用作开关管的NMOS管M_s1的开启和关断，从而控制两个固定电容C_b1是否接入谐振腔，实现频率的粗调。

同理，第二开关电容阵列151也相应采用5条并列支路，由控制字(S₀～S₄)控制。图5给出了其中第一条支路153的结构（其它支路结构同此），同样采用金属-绝缘介质-金属(MIM)电容加开关的实现形式，包括两个直流偏置电阻R₂、两级反相器连接的NMOS管M_s2和串联在M_s2左右两端的两个固定电容C_b2。外部控制信号S₀通过两级反相器，控制用作开关管的NMOS管M_s2的开启和关断，从而控制两个固定电容C_b1是否接入谐振腔，实现频率的粗调。

第一开关电容阵列141和第二开关电容阵列151由同一组控制字(S₀～S₄)控制且第一模拟调谐电容142和第二模拟调谐电容152接入同一个调谐电压V_ctrl。这使得当控制字(S₀～S₄)或调谐电压V_ctrl改变时，式(2)中角频率ω₂与ω₁的比值保持不变以避免对压控振荡器的起振条件等产生影响。

以设计一个2.0-5.6GHz的宽带压控振荡器为例，高频、低频两种模式下输出频率范围分别覆盖2.0-3.7GHz和3.6-5.6GHz，具有约100MHz的重叠频段，相对频率调谐范围可达95%，采用TSMC 0.18-μm CMOS工艺实现，在1.8V单电源电压下工作，高频、低频两种模式下消耗电流分别为7.2mA和5.6mA。在整个频率输出范围内1MHz频偏处的相位噪声性能为-122.8~-108.6dBc/Hz。实现了宽输出频率范围、低功耗、低相位噪声的压控振荡器。

Claims (3)

1.一种低功耗宽带压控振荡器，其特征是：包括第一、第二两个负阻电路模块和四阶谐振腔，其中：

第一负阻电路模块包括PMOS管M_p1、NMOS管M_n1以及开关K₁及K₂，电源VDD串联开关K₁后连接PMOS管M_p1的源极，NMOS管M_n1的源极串联开关K₂后接地，NMOS管M_n1的栅极连接PMOS管M_p1的漏极作为输出端Q₁，PMOS管M_p1的栅极连接NMOS管M_n1的漏极作为输出端Q₂，外部控制信号Mode同时控制开关K₁及K₂的导通或断开；

第二负阻电路模块包括PMOS管M_p2、NMOS管M_n2以及开关K₃及K₄，电源VDD串联开关K₃后连接PMOS管M_p2的源极，NMOS管M_n2的源极串联开关K₄后接地，NMOS管M_n2的栅极连接PMOS管M_p2的漏极作为输出端Q₃，PMOS管M_p2的栅极连接NMOS管M_n2的漏极作为输出端Q₄，外部控制信号Mode经反相器后同时控制开关K₃及K₄的导通或断开；

四阶谐振腔包括电感L₁及第一电容单元和电感L₂及第二电容单元，电感L₁与第一电容单元并联在第一负阻电路模块的输出端Q₁与输出端Q₂之间，电感L₂与第二电容单元并联在第二负阻电路模块的输出端Q₃与输出端Q₄之间；其中：

第一电容单元包括第一开关电容阵列和第一模拟调谐电容，第一开关电容阵列包括n条并列支路，每条支路包含两个电容和一个开关，开关串联接在两个电容之间，两个电容未连接开关的一端分别与第一负阻电路模块的输出端Q₁和输出端Q₂连接，n条并列支路中从第一条到第n条支路，电容值以第一条支路电容值为基数，按2的倍数增长，第一条支路中的两个电容均定义为C_b1、一个开关定义为SW₀，由外部控制信号S₀控制SW₀导通和关断，直至第n条支路中的两个电容定义均为2^n-1C_b1、一个开关定义为SW_n-1，由外部控制信号S_n-1控制SW_n-1导通和关断；第一模拟调谐电容包括两个可变电容C_v1，两个可变电容C_v1背靠背对接，对接端与模拟调谐电压V_ctrl相连，两个可变电容C_v1未连接在一起的一端分别与第一负阻电路模块的输出端Q₁和输出端Q₂连接；

第二电容单元包括第二开关电容阵列和第二模拟调谐电容，第二开关电容阵列包括与第一开关电容阵列对应的n条并列支路，每条支路包含两个电容和一个开关，开关串联接在两个电容之间，两个电容未连接开关的一端分别与第一负阻电路模块的输出端Q₃和输出端Q₄连接，n条并列支路中从第一条到第n条支路，电容值以第一条支路电容值为基数，按2的倍数增长，第一条支路中的两个电容均定义为C_b2、一个开关定义为SW₀，由外部控制信号S₀控制SW₀导通和关断，直至第n条支路中的两个电容定义均为2^n-1C_b2、一个开关定义为SW_n-1，由外部控制信号S_n-1控制SW_n-1导通和关断；第二模拟调谐电容包括两个可变电容C_v2，两个可变电容C_v2背靠背对接，对接端与模拟调谐电压V_ctrl相连，两个可变电容C_v2未连接在一起的一端分别与第二负阻电路模块的输出端Q₃和输出端Q₄连接；第一开关电容阵列和第二开关电容阵列由同一组控制字S₀～S_n-1控制。

2.根据权利要求1所述的低功耗宽带压控振荡器，其特征是：第一开关电容阵列和第二开关电容阵列中每条包含两个电容和一个开关的并列支路均可采用金属-绝缘介质-金属(MIM)电容加开关的实现形式，包括两个直流偏置电阻R、两级反相器连接的NMOS管和串联在NMOS管左右两端的两个固定电容C，外部控制信号通过两级反相器控制用作开关管的NMOS管的开启和关断，从而控制固定电容C是否接入谐振腔，实现频率的粗调。

3.根据根据权利要求1或2所述的低功耗宽带压控振荡器，其特征是：四阶谐振腔中的电感L₁和L₂形成于衬底上，电感L₁和L₂采用对称差分结构且电感L₁形成于电感L₂的外围，电感L₁和电感L₂之间的耦合系数k约为0.36。

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