CN103107772A - 具有良好相位噪声性能的压控振荡器及电路 - Google Patents

Abstract

一种压控振荡器，包括第一MOS管、第二MOS管、第三MOS管和第四MOS管，所述第一MOS管和所述第二MOS管的源极接电源，所述第三MOS管和所述第四MOS管的源极接地，所述第一MOS管的漏极通过第一LC谐振单元连接所述第三MOS管的漏极，所述第一MOS管的栅极连接所述第三MOS管的漏极，所述第三MOS管的栅极连接所述第二MOS管的漏极，所述第二MOS管的漏极通过第二LC谐振单元连接所述第四MOS管的漏极，所述第二MOS管的栅极连接所述第四MOS管的漏极，所述第四MOS管的栅极连接所述第一MOS管的漏极。该压控振荡器将LC谐振单元串联在电路中，具有较好的相位噪声性能。

Description

具有良好相位噪声性能的压控振荡器及电路

技术领域

本发明属于模拟电路设计领域，特别涉及一种具有良好相位噪声性能的压控振荡器及电路。

背景技术

压控振荡器（VCO）用来产生振荡信号，在模拟电路中有重要的作用。使用电感电容构成谐振电路的LC VCO具有振荡频率高、选频精度高、相位噪声小等特点，因此得到了广泛的应用。LC VCO可以使用负阻结构的电路来实现，以有源器件实现负阻，抵消回路中的正阻损耗，使电路产生自激振荡。在集成电路中，通常需要差分的振荡信号，因此需要构造差分的负阻型LC VCO，其中一种实现电路如图1所示。MP1/MP2管构成一个负阻电路、MN3/MN4管构成另一个负阻电路，两个负阻电路和LC谐振回路并联，通过自激振荡产生差分输出电压Vout 1和Vout2。该VCO中各个MOS管的噪声对振荡器的相位噪声都有贡献，其中NMOS管MN3和MN4的闪烁噪声（1/f噪声）所占比重最大，VCO的相位噪声性能有待提高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有较好的相位噪声性能的压控振荡器。

另一目的在于提供具有这种压控振荡器的电路。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种压控振荡器，包括第一MOS管、第二MOS管、第三MOS管和第四MOS管，所述第一MOS管和所述第二MOS管的源极接电源，所述第三MOS管和所述第四MOS管的源极接地，所述第一MOS管的漏极通过第一LC谐振单元连接所述第三MOS管的漏极，所述第一MOS管的栅极连接所述第三MOS管的漏极，所述第三MOS管的栅极连接所述第二MOS管的漏极，所述第二MOS管的漏极通过第二LC谐振单元连接所述第四MOS管的漏极，所述第二MOS管的栅极连接所述第四MOS管的漏极，所述第四MOS管的栅极连接所述第一MOS管的漏极。

优选地，所述压控振荡器还可包括第一反相器、第二反相器、第三反相器和第四反相器，所述第一反相器的输入端连接所述第一MOS管的漏极，所述第二反相器的输入端连接所述第二MOS管的漏极，所述第三反相器的输入端连接所述第三MOS管的漏极，所述第四反相器的输入端连接所述第四MOS管的漏极。

优选地，所述第一MOS管和所述第二MOS管为PMOS管，所述第三MOS管和所述第四MOS管为NMOS管。

一种电路，包括所述的压控振荡器。

本发明有益的技术效果：

本发明的压控振荡器将LC谐振单元串联在电路中，在直流状态下，振荡器具有稳定的工作点；在谐振频率处，LC谐振单元产生高阻抗，使得电路进入正反馈状态，从而产生振荡。该压控振荡器具有较好的相位噪声性能。

附图说明

图1是经典负阻型LC VCO的电路原理图；

图2是本发明一个实施例的LC VCO的电路原理图；

图3是图2所示LC VCO的另一种等效电路原理图；

图4是图2所示LC VCO在直流下的等效电路图；

图5是图2所示LC VCO在振荡频率附近的等效电路图；

图6是本发明另一个实施例的LC VCO的电路原理图；

图7是图1经典VCO和图2所示VCO的相位噪声比较。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明提出的VCO的实施例作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

如图2所示，在一个具体实施例里，压控振荡器包括第一PMOS管MP1、第二PMOS管MP2、第三NMOS管MN3和第四NMOS管MN3。为使描述直观简便，以下将第一PMOS管、第二PMOS管、第三NMOS管和第四NMOS管分别称为MP1管、MP2管、MN3管和MN4管。

参见图2，MP1管的栅极接Vout2节点，MP1管的漏极接Vout1节点，MP1管的源极接电源VDD。MP2管的栅极接Vout4节点，MP2管的漏极接Vout3节点，MP1管的源极接电源VDD。MN3管的栅极接Vout3节点，MN3管的漏极接Vout2节点，MN3管的源极接GND。MN4管的栅极接Vout1节点，MN4管的漏极接Vout4节点，MN4管的源极接GND。一组LC谐振单元串接在Vout 1和Vout2之间，另一组LC谐振单元串接在Vout3和Vout4之间。Vout1和Vout2是反相信号，Vout3和Vout4是反相信号；Vout1和Vout3是同相信号，Vout2和Vout4是同相信号。Vout1、Vout2、Vout3、Vout4均可作为VCO的输出使用。

如图2所示，其中MP1管以及和MP1管串联的、位于MP1管栅极和漏极之间的LC谐振单元构成MN3管的负载；MP2管以及和MP2管串联的、位于MP2管栅极和漏极之间的LC谐振单元构成MN4管的负载。将图2的电路原理图转化为等效的图3的电路原理图，可见MN3管及其负载构成一个共源放大器，MN4管及其负载构成另一个共源放大器，两个共源放大器的输入、输出交叉连接，形成一种交叉耦合的结构。

在直流状态下，电感L相当于短路，电容C相当于开路，此时振荡器电路可以简化为图4，是两个使用二极管结构MOS管作为负载的共源放大器的连接。当每个放大器的直流增益小于1时，这一电路具有稳定的直流工作点。

在VCO的谐振频率附近，LC谐振单元具有很高的阻抗，定义该阻抗为Z，则此时VCO的等效电路图如图5a所示。此时其半边电路的开环增益，参考图5b，可得公式（1）。其中g_mn为NMOS管的跨导、r_on为NMOS管的输出电阻、g_mp为PMOS管的跨导、r_op为PMOS管的输出电阻。从公式（1）可知此增益远大于1时，电路为正反馈，且满足振荡条件，从而VCO开始振荡工作。

$\frac{v_{\mathrm{out}}}{v_{\mathrm{in}}}=\frac{g_{\mathrm{mn}}}{\frac{1}{Z}+\frac{1}{\left(g_{\mathrm{mp}}{r}_{\mathrm{op}}\right)r_{\mathrm{on}}}}---\left(1\right)$

为了提高VCO输出驱动能力，可以在图2所示电路的基础上增加由反相器构成的输出驱动电路，如图6所示。经过反相器对输出振荡信号的整形，该电路有两组差分输出（Vo+、Vo-）信号。

图7是图1所示经典VCO和图2所示新型VCO相位噪声的比较，其中，经典VCO的相位噪声曲线由A表示，新型VCO的相位噪声曲线由B表示。由图可见，本发明实施例的新型串联LC的VCO具有更低的相位噪声。

在另一些实施例里，多种使用压控振荡器的电路可以具有如图2或图6所示的压控振荡器。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种压控振荡器，其特征在于,包括第一MOS管、第二MOS管、第三MOS管和第四MOS管，所述第一MOS管和所述第二MOS管的源极接电源，所述第三MOS管和所述第四MOS管的源极接地，所述第一MOS管的漏极通过第一LC谐振单元连接所述第三MOS管的漏极，所述第一MOS管的栅极连接所述第三MOS管的漏极，所述第三MOS管的栅极连接所述第二MOS管的漏极，所述第二MOS管的漏极通过第二LC谐振单元连接所述第四MOS管的漏极，所述第二MOS管的栅极连接所述第四MOS管的漏极，所述第四MOS管的栅极连接所述第一MOS管的漏极。

2.如权利要求1所述的压控振荡器，其特征在于,还包括第一反相器、第二反相器、第三反相器和第四反相器，所述第一反相器的输入端连接所述第一MOS管的漏极，所述第二反相器的输入端连接所述第二MOS管的漏极，所述第三反相器的输入端连接所述第三MOS管的漏极，所述第四反相器的输入端连接所述第四MOS管的漏极。

3.如权利要求1或2所述的压控振荡器，其特征在于,所述第一MOS管和所述第二MOS管为PMOS管，所述第三MOS管和所述第四MOS管为NMOS管。

4.一种电路，其特征在于,包括如权利要求1或2或3所述的压控振荡器。

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