CN103107811A

CN103107811A - 一种低相位噪声电感电容压控振荡器

Info

Publication number: CN103107811A
Application number: CN2012105195986A
Authority: CN
Inventors: 张长春; 董程宏; 郭宇锋; 方玉明; 李卫; 陈德媛
Original assignee: Nanjing Post and Telecommunication University
Current assignee: Nanjing University of Posts and Telecommunications Nantong Institute Limited
Priority date: 2012-12-07
Filing date: 2012-12-07
Publication date: 2013-05-15
Anticipated expiration: 2032-12-07
Also published as: CN103107811B

Abstract

本发明公开了一种低相位噪声电感电容压控振荡器，该振荡器包括谐振腔和Q值增大级；所述的谐振腔包括由电感（L）、第三电容（C3）、第一电容（Cv1）、第二电容（Cv2），第四电容（C4）顺序连接组成的一个闭环，第一电阻（R1）、第二电阻（R2）串联连接后，其一端接在第三电容（C3）、第一电容（Cv1）之间，另一端接在第二电容（Cv2）、第四电容（C4）之间；所述Q值增大级包括由第零NMOS管（NM0）、第一NMOS管（NM1）、第二NMOS管（NM2）、第三NMOS管（NM3）组成的放大器，本发明压控振荡器具有相位噪声低、结构简单、芯片面积小等特点。

Description

一种低相位噪声电感电容压控振荡器

技术领域

本发明属于半导体集成电路设计领域，具体涉及一种低相位噪声电感电容压控振荡器。

背景技术

最近新的通信标准，比如WLAN，GSM，UWB和DVB，都对整体系统的要求增加。最近几十年来，电压控制振荡器的许多研究已完成，在射频子系统中压控振荡器发挥重要作用。针对高性能要求的无线通信应用，设计一个低相位噪声、芯片占用面积小的压控振荡器显得尤为重要。

现有CMOS振荡器可以分为环形振荡器和电感电容振荡器两大类。环形压控振荡器主要通过调节振荡器单元的延时或者个数来改变振荡器输出频率。由于受到单元最小延时的限制，所以振荡器的频率无法做到很高。而且，环形振荡器的噪声特性也不太理想。因此在对噪声要求很高的锁相环设计中，电感电容压控振荡器成为首要选择；电感电容振荡器由于其良好的相位噪声性能而广泛用来为射频通信系统提供本振信号。近年来，随着CMOS技术的发展，片上电感的实现成为了可能，这就使得全集成的片上电感电容振荡器的实现变得更加容易。

图1示出了一个典型的CMOS电感电容压控振荡器的原理图，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；电感L和可变电容Cv形成谐振腔。通过改变控制电压Vtune，导致可变电容Cv的有效值改变，从而使得振荡频率发生改变。电容的两端形成振荡器的差分输出端。

交叉耦合电感电容压控振荡器中近载波的相位噪声主要由交叉耦合管对中的闪烁噪声上变频产生，为了减小耦合管对的寄生电容对压控振荡器输出频率范围的影响，通常耦合管对的沟道长度取工艺允许的最小值，而MOS管的闪烁噪声与其沟道长度成反比。随着集成电路工艺特征尺寸的不断缩小，耦合管对的本征闪烁噪声增大，导致近载波相位噪声性能不断恶化，传统的电感电容压控振荡器很难满足相位噪声性能要求。

发明内容

发明目的：针对上述现有存在的问题和不足，本发明的目的是提供一种低相位噪声电感电容压控振荡器。

技术方案：为了实现上述发明目的，本发明采用的低相位噪声电感电容压控振荡器包括谐振腔和Q值增大级；所述的谐振腔包括由电感、第三电容电容、第一电容、第二电容，第四电容顺序连接组成的一个闭环，第一电阻、第二电阻串联连接后，其一端接在第三电容电容、第一电容之间，另一端接在第二电容、第四电容之间；其中，第一电阻、第二电阻之间为偏置电压，第一电容、第二电容之间为频率调谐电压，电感、第三电容电容之间为正输出端, 电感、第四电容电容之间为负输出端；

所述Q值增大级包括由第零NMOS管、第一NMOS管、第二NMOS管、第三NMOS管组成的放大器，其中，

第一NMOS管的源级接地，漏极接第二NMOS管的源级，栅极接第二NMOS管的衬底；第三NMOS管的源级接地，漏极接第零NMOS管的源级，栅极接第零NMOS管的衬底；第二NMOS管与第零NMOS管栅极相连再与谐振腔的正输出端相连；第零NMOS管的漏极与第二NMOS管栅极相连再与谐振腔负输出端相连；第五电容的一端接地，另一端接第零NMOS管和第二NMOS管的源级。

所述的电感为标准CMOS工艺支持的片上螺旋电感。

所述的第三电容、第四电容，为标准CMOS工艺支持的电容。

所述的第一电容、第二电容为可变电容。

有益效果： 本发明以Q值增大级电路取代前述的耦合管对的方式，背栅结构技术可以减少MOS管漏源电流，从而增大跨导g _m，增大压控振荡器Q值，因此降低了压控振荡器中的近载波相位噪声；同时插入的电容减少了交叉耦合管的闪烁噪声上变频为相位噪声的增益，电容也对高次谐波噪声有滤除作用，从而达到降低压控振荡器近载波相位噪声的目的。

附图说明

图1是传统电感电容压控振荡器电路图；

图2是本发明电感电容压控振荡器电路图；

图3是本发明电感电容压控振荡电路和采用图1传统电感电容压控振荡电路的效果对比示意图。

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2，本发明所提供的一种新型的低相位噪声电感电容压控振荡器，包括电感电容谐振腔、负阻差分耦合电路、Q值增大电路。其中：

电感电容谐振腔，由电感L（所述的电感L为CMOS工艺的片上螺旋电感）；第一可变电容Cv1、第二可变电容Cv2；第三MIM电容C3、第四MIM电容C4（所述的电容为CMOS工艺的电容）；第一电阻R1、第二电阻R2组成。所述的谐振腔电感中间端与电源VDD相连，电感L的左端与第三MIM电容C3一端相连，第三MIM电容C3的另一端与第一可变电容Cv1再与第一电阻R1一端相连，第一可变电容Cv1的另一端与第二可变电容Cv2相连，第二可变电容Cv2的另一端与第四MIM电容C4相连再与第二电阻R2相连，第四MIM电容C4的另一端与电感L的右端相连，第一电阻R1和第二电阻R2相连。在实际应用中，电路中AM的噪声会通过可变电容转化成PM的噪声。为了减小这种从AM转化到PM的增益，通常在可变电容和振荡器的输出端插入一个电容，用来减小可变电容两端的噪声，但引入电容使得可变两端的直流电平不是固定的，因而加入偏置电压Vbias，一般Vbias会在VDD/2附近。

负阻差分耦合对来补偿谐振腔中电感和电容寄生电阻的功率消耗，从而产生稳定电压摆幅和频率的差分振荡信号。第一NMOS管NM1的源级接地，漏极接第二NMOS管NM2的源级，栅极接第二NMOS管NM2的衬底；第三NMOS管NM3的源级接地，漏极接第零NMOS管NM0的源级，栅极接第零NMOS管NM0的衬底；第二NMOS管NM2与第零NMOS管NM0栅极相连再与谐振腔的正输出端Vout+相连；第零NMOS管NM0的漏极与第二NMOS管NM2栅极相连再与谐振腔负输出端Vout-相连；第五电容C5的一端接地，另一端接第零NMOS管NM0和第二NMOS管NM2的源级。

Q值增大电路，是由负阻差分耦合对和第五电容（C5）组成，第五电容（C5）的一端接地，另一端接第一NMOS管（NM1）、第三NMOS（NM3）的漏端。在许多集成电路应用中，衬底端一般被连到源端。衬底效应表达式如：

Figure 2012105195986100002DEST_PATH_IMAGE003

，其中

（这里，V _t0是当V _SB=0时的阈值电压；ф _f是物理参数；γ加工工艺参数；q为电子量（1.6×10^-19C）；N _A是P型衬底的掺杂浓度；ε _s是硅的介电常数）

表达式表明V _SB的微小改变，将会影响V_t的改变。换句话说，当V _SB源衬底电压增大，MOS管的阈值电压V _t将也会增大。再根据MOS管饱和区漏端电流可知，背栅结构技术可以减小MOS管的漏源电流从而使得跨导g _m增大，压控振荡器电路的Q值增大，进而可以通过调节第一NMOS管NM1、第三NMOSNM3栅极的电压提高了压控振荡器的相位噪声。第五电容C5一方面为负阻回路增加容性阻抗，另一方面将压控振荡器回路中的二次以及二次以上谐波滤除，减小了噪声的影响，从而降低了相位噪声，提高压控振荡器的整体性能。

图3示出了图2中所示Q值增大结构、背栅结构压控振荡器的相位噪声。其中，空心圆圈曲线是采用图1所示的传统电感电容压控振荡器电路所对应的相位噪声特性，空心正方形曲线是采用图2本发明新结构的压控振荡器电路所对应的相位噪声特性。由图3可以看出，采用图2所示的压控振荡器电路所对应的相位噪声比传统压控振荡器结构的相位噪声降低许多。

综上所述，本发明的低相位噪声压控振荡器电路，可有效抑制闪烁噪声及高次谐波噪声，在低相位噪声压控振荡器中有着广大的应用前景。

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，均属于本发明技术方案的范围。

Claims

1. 一种低相位噪声电感电容压控振荡器，其特征在于该振荡器包括谐振腔和Q值增大级；所述的谐振腔包括由电感（L）、第三电容（C3）、第一电容（Cv1）、第二电容（Cv2），第四电容（C4）顺序连接组成的一个闭环，第一电阻（R1）、第二电阻（R2）串联连接后，其一端接在第三电容（C3）、第一电容（Cv1）之间，另一端接在第二电容（Cv2）、第四电容（C4）之间；其中，第一电阻（R1）、第二电阻（R2）之间为偏置电压（Vbias），第一电容（Cv1）、第二电容（Cv2）之间为频率调谐电压（Vtune），电感（L）、第三电容电容（C3）之间为正输出端（Vout+）, 电感（L）、第四电容电容（C4）之间为负输出端（Vout-）；

所述Q值增大级包括由第零NMOS管（NM0）、第一NMOS管（NM1）、第二NMOS管（NM2）、第三NMOS管（NM3）组成的放大器，其中，

第一NMOS管（NM1）的源级接地，漏极接第二NMOS管（NM2）的源级，栅极接第二NMOS管（NM2）的衬底；第三NMOS管（NM3）的源级接地，漏极接第零NMOS管（NM0）的源级，栅极接第零NMOS管（NM0）的衬底；第二NMOS管（NM2）与第零NMOS管（NM0）栅极相连再与谐振腔的正输出端（Vout+）相连；第零NMOS管（NM0）的漏极与第二NMOS管（NM2）栅极相连再与谐振腔负输出端（Vout-）相连；第五电容（C5）的一端接地，另一端接第零NMOS管（NM0）和第二NMOS管（NM2）的源级。

2. 按照权利要求1所述的低相位噪声电感电容压控振荡器，其特征在于：所述的电感（L）为标准CMOS工艺支持的片上螺旋电感。

3. 按照权利要求1所述的低相位噪声电感电容压控振荡器，其特征在于：所述的第三电容（Cv3）、第四电容（Cv4），为标准CMOS工艺支持的电容。

4. 按照权利要求1所述的低相位噪声电感电容压控振荡器，其特征在于：所述的第一电容（Cv1）、第二电容（Cv2）为可变电容。