CN103414434B

CN103414434B - 一种低相位噪声正交压控振荡器

Info

Publication number: CN103414434B
Application number: CN201310342346.5A
Authority: CN
Inventors: 张长春; 董程宏; 郭宇锋; 刘蕾蕾
Original assignee: Nanjing Post and Telecommunication University
Current assignee: Nanjing Low Power Chip Technology Research Institute Co., Ltd.
Priority date: 2013-08-08
Filing date: 2013-08-08
Publication date: 2016-03-23
Anticipated expiration: 2033-08-08
Also published as: CN103414434A

Abstract

本发明属于射频无线发射机/接收机集成电路技术领域，具体为一种低相位噪声正交压控振荡器，可应用于无线发射机/接收机集成电路中。该正交振荡器由两个电感电容压控振荡器，两对电容耦合管和分裂转换偏置管组成。本发明采用分裂转换偏置技术和电容耦合技术，设计一种新颖的正交压控振荡器电路。同传统的正交压控振荡器不同，本发明新颖电路增加了输出摆幅，减少1/f噪声，降低相位噪声。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

一种低相位噪声正交压控振荡器

技术领域

本发明属于射频无线发射机/接收机集成电路技术领域，具体为一种低相位噪声正交压控振荡器（QuadratureVoltage-ControlledOscillator，QVCO）。

背景技术

近年来，无线通信市场的高速增长推动了高数据传输速度收发机（highdata-ratetransceiver）的发展，如直接变频结构（directconversion）的收发机已经可以达到非常高的集成度。为了增加数据传输速度,避免信息的损失,一般选用两路成正交信号处理通道的收发机,这样一个准确的正交相位输出本振源就成为现代无线收发机中的关键模块，同时也是一个设计难点。目前，通常有三种方法来产生正交信号，一种是采用RC-CR多相滤波网络，这种方法的缺点是高功耗以及无源电阻电容器件的失配。第二种方法是两分频法，此方法主要的缺点是需要二倍的参考频率和一个二分频电路，因此将需要更多的功耗；第三种方法是采用电感电容正交压控振荡器（QVCO），此典型结构如图1。QVCO相比其他方法在高频段具有相位噪声小、正交特性好的优点，因此被广泛的应用。QVCO的相位噪声受输出振幅和CMOS的1/f噪声影响。通常，LC-QVCO由一个尾电流源为其提供稳定的电流，尾电流源产生闪烁噪声，恶化了QVCO的相位噪声。QVCO的性能也受两个VCO耦合方式的影响。采用晶体管并联耦合方式，如图1所示，限制了振荡器的频率调谐范围、恶化相位噪声、影响振荡器振幅和谐振腔的品质因数。采用串联耦合方式会使振荡器工作过载，限制振荡器的工作频率和频率调谐范围。

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正交压控振荡器。

技术方案：为了实现上述发明目的，本发明采用低相位噪声正交压控振荡器由两个工作频率相同的第一差分电感电容压控振荡器、第二差分电感电容压控振荡器，两对电容耦合管和分裂转换偏置管构成；其中所述第一差分电感电容压控振荡器的正同相输出端通过第四耦合电容接至第二差分电感电容压控振荡器；所述第一差分电感电容压控振荡器的负同相输出端通过第三耦合电容接至第二差分电感电容压控振荡器；所述第二差分电感电容压控振荡器的正正交输出端通过第一耦合电容接至第一差分电感电容压控振荡器，所述第二差分电感电容压控振荡器的负正交输出端通过第二耦合电容接至第一差分电感电容压控振荡器。

所述的第一差分电感电容压控振荡器单元结构包括第一电感、第七电容、第八电容、第一NMOS管、第二NMOS管、第七PMOS管、第八PMOS管；其中第一电感、第七电容、第八电容顺序连接组成谐振腔，第一NMOS管的栅极接第二NMOS管的漏极，第一NMOS管的漏极与第二NMOS管的栅极、谐振腔一端、第七PMOS管的漏极、第八PMOS管的栅极相连接，第一NMOS管的源极接分裂转换偏置管的漏极；

第二NMOS管的栅极接第一NMOS管的漏极，第二NMOS管的漏极与第一NMOS管的栅极、谐振腔另一端、第八PMOS管的漏极、第七PMOS管的栅极相连接，第二NMOS管的源极接分裂转换偏置管的漏极；第七PMOS管的源极接电源；第八PMOS管的源极接电源；

所述的第二差分电感电容压控振荡器单元结构包括第二电感、第五电容、第六电容、第九NMOS管、第十NMOS管、第十五PMOS管、第十六PMOS管，其中第二电感、第五电容、第六电容顺序连接组成谐振腔，第九NMOS管的栅极接第十NMOS管的漏极，第九NMOS管的漏极与第十NMOS管的栅极、谐振腔一端、第十五PMOS管的漏极、第十六PMOS管的栅极相连接，第九NMOS管的源极接分裂转换偏置管的漏极；第十NMOS管的栅极接第九NMOS管的漏极，第十NMOS管的漏极与第九NMOS管的栅极、谐振腔另一端、第十六PMOS管的漏极、第十五PMOS管的栅极相连接，第十NMOS管的源极接分裂转换偏置管的漏极；第十五PMOS管的源极接电源；第十六PMOS管的源极接电源；

所述的分裂转换偏置管有四对，即第三NMOS管、第四NMOS管、第五NMOS管、第六NMOS管、第十一NMOS管、第十二NMOS管、第十三NMOS管、第十四NMOS管；其中第三NMOS管的栅极接第二差分电感电容压控振荡器的正正交输出端端，第三NMOS管的漏端与第四NMOS管的漏端、第一NMOS管的源端、第一耦合电容端相连接，第三NMOS管的源端接地；第四NMOS管的栅极接第一差分电感电容压控振荡器的负同相输出端，第四NMOS管的漏端与第三NMOS管的漏端、第一NMOS管的源端、第一耦合电容端相连接，第四NMOS管的源端接地；第五NMOS管的栅极接第一差分电感电容压控振荡器的正同相输出端，第五NMOS管的漏端与第六NMOS管的漏端、第二NMOS管的源端、第二耦合电容端相连接，第五NMOS管的源端接地；第六NMOS管的栅极接第二差分电感电容压控振荡器的负正交输出端，第六NMOS管的漏端与第五NMOS管的漏端、第二NMOS管的源端、第二耦合电容端相连接，第六NMOS管的源端接地；第十一NMOS管的栅极接第一差分电感电容压控振荡器的正同相输出端，第十一NMOS管的漏端与第十二NMOS管的漏端、第九NMOS管的源端、第三耦合电容端相连接，第十一NMOS管的源端接地；第十二NMOS管的栅极接第二差分电感电容压控振荡器的负正交输出端，第十二NMOS管的漏端与第十一NMOS管的漏端、第九NMOS管的源端、第三耦合电容端相连接，第十二NMOS管的源端接地；第十三NMOS管的栅极接第二差分电感电容压控振荡器的正正交输出端，第十三NMOS管的漏端与第十四NMOS管的漏端、第十NMOS管的源端、第四耦合电容端相连接，第十三NMOS管的源端接地；第十四NMOS管的栅极接第一差分电感电容压控振荡器的正同相输出端，第十四NMOS管的漏端与第十三NMOS管的漏端、第十NMOS管的源端、第四耦合电容端相连接，第十四NMOS管的源端接地。

所述的第一电感、第二电感为标准CMOS工艺支持的片上螺旋电感。

所述的第一电容、第二电容、第三电容、第四电容，为标准CMOS工艺支持的电容。

所述的第五电容、第六电容、第七电容、第八电容为可变电容。

有益效果：本发明采用一种新颖的分裂转换偏置技术和电容耦合技术。分裂转换偏置、电容耦合可以去除由晶体管耦合带来的不良问题，增加QVCO振荡幅度，减少由耦合晶体管带来的噪声，降低QVCO相位噪声。

附图说明

图1是传统的正交压控振荡器电路图；

图2是本发明正交压控振荡器电路图；

图3是本发明QVCO之间耦合示意图；

图4是本发明正交压控振荡器前后仿真对比图。

具体实施方式

为了进一步说明本发明的优势，以下将结合附图详细说明本发明的具体实施方式和电路结构。

参照图2，所本发明低相位噪声正交压控振荡器，包括两个工作频率相同的差分电感电容压控振荡器（VCO1/VCO2），两对电容耦合管和分裂转换偏置；其中：

VCO1的输出端I+通过第四耦合电容C4接至VCO2，VCO1的输出端I-通过第三耦合电容C3接至VCO2，VCO2的输出端Q+通过第一耦合电容C1接至VCO1，VCO2的输出端Q-通过第二耦合电容C2接至VCO1；

VCO1单元结构包括第一电感L1、第七电容C7、第八电容C8、第一NMOS管M1、第二NMOS管M2、第七PMOS管M7、第八PMOS管M8，其中第一电感L1、第七电容C7、第八电容C8顺序连接组成谐振腔，第一NMOS管M1的栅极接第二NMOS管M2的漏极，第一NMOS管M1的漏极与第二NMOS管M2的栅极、谐振腔一端、第七PMOS管M7的漏极、第八PMOS管M8的栅极相连接，第一NMOS管M1的源极接分裂转换偏置管M3、M4的漏极；第二NMOS管M2的栅极接第一NMOS管M1的漏极，第二NMOS管M2的漏极与第一NMOS管M1的栅极、谐振腔另一端、第八PMOS管M8的漏极、第七PMOS管M7的栅极相连接，第二NMOS管M2的源极接分裂转换偏置管M5、M6的漏极；第七PMOS管M7的源极接电源VDD；第八PMOS管M8的源极接电源VDD；VCO2单元结构包括电感L2、第五电容C5、第六电容C6、第九NMOS管M9、第十NMOS管M10、第十五PMOS管M15、第十六PMOS管M16，其中第二电感L2、第五电容C5、第六电容C6顺序连接组成谐振腔，第九NMOS管M9的栅极接第十NMOS管M10的漏极，第九NMOS管M9的漏极与第十NMOS管M10的栅极、谐振腔一端、第十五PMOS管M15的漏极、第十六PMOS管M16的栅极相连接，第九NMOS管M9的源极接分裂转换偏置管M11、M12的漏极；第十NMOS管M10的栅极接第九NMOS管M9的漏极，第十NMOS管M10的漏极与第九NMOS管M9的栅极、谐振腔另一端、第十六PMOS管M16的漏极、第十五PMOS管M15的栅极相连接，第十NMOS管M10的源极接分裂转换偏置管M13、M14的漏极；第十五PMOS管M15的源极接电源VDD；第十六PMOS管M16的源极接电源VDD；四对分裂转换偏置包括第三NMOS管M3、第四NMOS管M4、第五NMOS管M5、第六NMOS管M6、第十一NMOS管M11、第十二NMOS管M12、第十三NMOS管M13、第十四NMOS管M14，其中第三NMOS管M3的栅极接VCO2的Q+端，第三NMOS管M3的漏端与第四NMOS管M4的漏端、第一NMOS管M1的源端、第一耦合电容C1端相连接，第三NMOS管M3的源端接地GND；第四NMOS管M4的栅极接VCO1的I-端，第四NMOS管M4的漏端与第三NMOS管M3的漏端、第一NMOS管M1的源端、第一耦合电容C1端相连接，第四NMOS管M4的源端接地GND；第五NMOS管M5的栅极接VCO1的I+端，第五NMOS管M5的漏端与第六NMOS管M6的漏端、第二NMOS管M2的源端、第二耦合电容C2端相连接，第五NMOS管M5的源端接地GND；第六NMOS管M6的栅极接VCO2的Q-端，第六NMOS管M6的漏端与第五NMOS管M5的漏端、第二NMOS管M2的源端、第二耦合电容C2端相连接，第六NMOS管M6的源端接地GND；第十一NMOS管M11的栅极接VCO1的I+端，第十一NMOS管M11的漏端与第十二NMOS管M12的漏端、第九NMOS管M9的源端、第三耦合电容C3端相连接，第十一NMOS管M11的源端接地GND；第十二NMOS管M12的栅极接VCO2的Q-端，第十二NMOS管M12的漏端与第十一NMOS管M11的漏端、第九NMOS管M9的源端、第三耦合电容C3端相连接，第十二NMOS管M12的源端接地GND；第十三NMOS管M13的栅极接VCO2的Q+端，第十三NMOS管M13的漏端与第十四NMOS管M14的漏端、第十NMOS管M10的源端、第四耦合电容C4端相连接，第十三NMOS管M13的源端接地GND；第十四NMOS管M14的栅极接VCO1的I+端，第十四NMOS管M14的漏端与第十三NMOS管M13的漏端、第十NMOS管M10的源端、第四耦合电容C4端相连接，第十四NMOS管M14的源端接地GND；

图3是本发明QVCO之间耦合示意图，可以看出两个VCO之间如何耦合工作；

图4是本发明正交压控振荡器前后仿真对比图，频率在920MHz时，相位噪声为-73.4dBc/Hz10KHz，-101.4dBc/Hz100KHz，-127.5dBc/Hz1MHz。

综上所述，本发明实现了一种低相位噪声正交压控振荡器，使振荡器输出为满幅，并且减少1/f噪声，除去晶体管所带来的噪声，在低相位噪声正交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

1.一种低相位噪声正交压控振荡器，其特征在于该振荡器由两个工作频率相同的第一差分电感电容压控振荡器(VCO1)、第二差分电感电容压控振荡器(VCO2)，两对电容耦合管和分裂转换偏置管构成；其中所述第一差分电感电容压控振荡器(VCO1)的正同相输出端(I+)通过第四耦合电容(C4)接至第二差分电感电容压控振荡器(VCO2)；所述第一差分电感电容压控振荡器(VCO1)的负同相输出端(I-)通过第三耦合电容(C3)接至第二差分电感电容压控振荡器(VCO2)；所述第二差分电感电容压控振荡器(VCO2)的正正交输出端(Q+)通过第一耦合电容(C1)接至第一差分电感电容压控振荡器(VCO1)，所述第二差分电感电容压控振荡器(VCO2)的负正交输出端(Q-)通过第二耦合电容(C2)接至第一差分电感电容压控振荡器(VCO1)。

2.按照权利要求1所述的低相位噪声正交压控振荡器，其特征在于所述的第一差分电感电容压控振荡器(VCO1)单元结构包括第一电感(L1)、第七电容(C7)、第八电容(C8)、第一NMOS管(M1)、第二NMOS管(M2)、第七PMOS管(M7)、第八PMOS管(M8)；其中第一电感(L1)、第七电容(C7)、第八电容(C8)顺序连接组成谐振腔，第一NMOS管(M1)的栅极接第二NMOS管(M2)的漏极，第一NMOS管(M1)的漏极与第二NMOS管(M2)的栅极、谐振腔一端、第七PMOS管(M7)的漏极、第八PMOS管(M8)的栅极相连接，第一NMOS管(M1)的源极接分裂转换偏置管(M3、M4)的漏极；

第二NMOS管(M2)的栅极接第一NMOS管(M1)的漏极，第二NMOS管(M2)的漏极与第一NMOS管(M1)的栅极、谐振腔另一端、第八PMOS管(M8)的漏极、第七PMOS管(M7)的栅极相连接，第二NMOS管(M2)的源极接分裂转换偏置管(M5、M6)的漏极；第七PMOS管(M7)的源极接电源(VDD)；第八PMOS管(M8)的源极接电源(VDD)；

所述的第二差分电感电容压控振荡器(VCO2)单元结构包括第二电感(L2)、第五电容(C5)、第六电容(C6)、第九NMOS管(M9)、第十NMOS管(M10)、第十五PMOS管(M15)、第十六PMOS管(M16)，其中第二电感(L2)、第五电容(C5)、第六电容(C6)顺序连接组成谐振腔，第九NMOS管(M9)的栅极接第十NMOS管(M10)的漏极，第九NMOS管(M9)的漏极与第十NMOS管(M10)的栅极、谐振腔一端、第十五PMOS管(M15)的漏极、第十六PMOS管(M16)的栅极相连接，第九NMOS管(M9)的源极接分裂转换偏置管(M11、M12)的漏极；第十NMOS管(M10)的栅极接第九NMOS管(M9)的漏极，第十NMOS管(M10)的漏极与第九NMOS管(M9)的栅极、谐振腔另一端、第十六PMOS管(M16)的漏极、第十五PMOS管(M15)的栅极相连接，第十NMOS管(M10)的源极接分裂转换偏置管(M13、M14)的漏极；第十五PMOS管(M15)的源极接电源(VDD)；第十六PMOS管(M16)的源极接电源(VDD)。

3.按照权利要求2所述的低相位噪声正交压控振荡器，其特征在于所述的分裂转换偏置管有四对，即第三NMOS管(M3)、第四NMOS管(M4)、第五NMOS管(M5)、第六NMOS管(M6)、第十一NMOS管(M11)、第十二NMOS管(M12)、第十三NMOS管(M13)、第十四NMOS管(M14)；其中第三NMOS管(M3)的栅极接第二差分电感电容压控振荡器(VCO2)的正正交输出端(Q+)端，第三NMOS管(M3)的漏端与第四NMOS管(M4)的漏端、第一NMOS管(M1)的源端、第一耦合电容(C1)端相连接，第三NMOS管(M3)的源端接地(GND)；第四NMOS管(M4)的栅极接第一差分电感电容压控振荡器(VCO1)的负同相输出端(I-)，第四NMOS管(M4)的漏端与第三NMOS管(M3)的漏端、第一NMOS管(M1)的源端、第一耦合电容(C1)端相连接，第四NMOS管(M4)的源端接地(GND)；第五NMOS管(M5)的栅极接第一差分电感电容压控振荡器(VCO1)的正同相输出端(I+)，第五NMOS管(M5)的漏端与第六NMOS管(M6)的漏端、第二NMOS管(M2)的源端、第二耦合电容(C2)端相连接，第五NMOS管(M5)的源端接地(GND)；第六NMOS管(M6)的栅极接第二差分电感电容压控振荡器(VCO2)的负正交输出端(Q-)，第六NMOS管(M6)的漏端与第五NMOS管(M5)的漏端、第二NMOS管(M2)的源端、第二耦合电容(C2)端相连接，第六NMOS管(M6)的源端接地(GND)；第十一NMOS管(M11)的栅极接第一差分电感电容压控振荡器(VCO1)的正同相输出端(I+)，第十一NMOS管(M11)的漏端与第十二NMOS管(M12)的漏端、第九NMOS管(M9)的源端、第三耦合电容(C3)端相连接，第十一NMOS管(M11)的源端接地(GND)；第十二NMOS管(M12)的栅极接第二差分电感电容压控振荡器(VCO2)的负正交输出端(Q-)，第十二NMOS管(M12)的漏端与第十一NMOS管(M11)的漏端、第九NMOS管(M9)的源端、第三耦合电容(C3)端相连接，第十二NMOS管(M12)的源端接地(GND)；第十三NMOS管(M13)的栅极接第二差分电感电容压控振荡器(VCO2)的正正交输出端(Q+)，第十三NMOS管(M13)的漏端与第十四NMOS管(M14)的漏端、第十NMOS管(M10)的源端、第四耦合电容(C4)端相连接，第十三NMOS管(M13)的源端接地(GND)；第十四NMOS管(M14)的栅极接第一差分电感电容压控振荡器(VCO1)的正同相输出端(I+)，第十四NMOS管(M14)的漏端与第十三NMOS管(M13)的漏端、第十NMOS管(M10)的源端、第四耦合电容(C4)端相连接，第十四NMOS管(M14)的源端接地(GND)。

4.按照权利要求2所述的低相位噪声正交压控振荡器，其特征在于所述的第一电感(L1)、第二电感(L2)为标准CMOS工艺支持的片上螺旋电感。

5.按照权利要求3所述的低相位噪声正交压控振荡器，其特征在于所述的第一耦合电容(C1)、第二耦合电容(C2)、第三耦合电容(C3)、第四耦合电容(C4)，为标准CMOS工艺支持的电容。

6.按照权利要求2所述的低相位噪声正交压控振荡器，其特征在于所述的第五电容(C5)、第六电容(C6)、第七电容(C7)、第八电容(C8)为可变电容。