CN103633940A - 一种有源电感型压控振荡器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种有源电感型压控振荡器，所述振荡器主要包括LC谐振回路，负阻电路；LC谐振回路主要是由第一有源电感、第二有源电感和电容组成，负阻电路包括第一NMOS管、第二NMOS管和偏置电流源，第一NMOS管、第二NMOS管以交叉耦合方式连接，通过调整偏置电流源改变负阻的大小，用于补充LC谐振回路能量的损失；有源电感与电容构成等效LC谐振电路，通过调整有源电感电感值，来实现振荡器中心频率的调谐；本发明电路调谐带宽大，简洁方便，节约芯片面积。

Description

一种有源电感型压控振荡器

技术领域

本发明涉及集成电路技术领域，具体涉及一种有源电感型压控振荡器。

背景技术

振荡器是电子系统中非常重要的电路之一，目前其电路的实现方式主要有两种，分别是环形压控振荡器、电感电容压控振荡器，就以往发表的学术报道而言，对CMOS振荡器的工作频率能够达到几百MHz至几十GHz的设计方案中，直接或间接地使用无源LC拓扑结构，来满足设计中具有较高工作频率的要求。片上无源电感是在Si衬底上由金属线绕制而成，由于片上无源电感的互连线厚度有限，导致线圈的金属损耗较大，趋肤效应十分显著，高频情形下，线圈与硅衬底间的耦合十分强烈，尽管引入外接地可在一定程度上屏蔽损耗，但这两种损耗机制的存在使得CMOS工艺的电感品质因数较低，一般仅为十几左右，而且无源电感很难实现调节，而且占用芯片电路的面积大，增加了集成电路制造的成本，目前采用片上无源LC结构，还很难达到通信系统所要求的性能指标。相对而言，采用有源电感实现一种等效的LC振荡器，可以使芯片面积较小，工作频率较高，可调谐性好。对于降低系统的成本，提高系统的集成度将很有帮助。

发明内容

本发明的技术内容是提供一种有源电感型压控振荡器。通过采用两个对称的有源电感和电容构成等效LC谐振电路，通过调谐有源电感，实现宽带可调谐的压控振荡器。

本发明具体是这样实现的：

一种有源电感型压控振荡器，包括LC谐振回路和负阻电路，所述的LC谐振回路包括第一有源电感、电容单元和第二有源电感，第一有源电感的一端连接第一高电平，第一有源电感的另一端分别连接电容单元的一端和压控振荡器的第一输出端，第二有源电感的一端连接第二高电平，第二有源电感的另一端分别连接电容单元的另一端和压控振荡器的第二输出端，所述的负阻电路包括第一NMOS管、第二NMOS管和偏置电流源，第一NMOS管和第二NMOS管交叉连接，第一NMOS管的栅极连接第二输出端，第二NMOS管的栅极连接第一输出端，第一NMOS管的漏极连接第一输出端，第二NMOS管的漏极连接第二输出端，偏置电流源的一端分别连接第一NMOS管的源极和第二NMOS管的源极，偏置电流源的另一端连接地。

本发明还具有如下特征：

1、所述的第一有源电感包括第一PMOS管和第三NMOS管，第一PMOS管的源极连接第一高电平，第一PMOS管的漏极连接第一输出端，第一PMOS管的栅极连接第三NMOS管的漏极，第三NMOS管的栅极连接第一直流偏置电平，第三NMOS管的源极连接第一输出端。

2、所述的第二有源电感包括第二PMOS管和第四NMOS管，第二PMOS管的源极连接第二高电平，第二PMOS管的漏极连接第一输出端，第二PMOS管的栅极连接第四NMOS管的漏极，第四NMOS管的栅极连接第三直流偏置电平，第四NMOS管的源极连接第二输出端。

3、所述的电容单元包括两个对称的固定电容和两个变容二极管，第一固定电容的一端连接第一PMOS管的漏极，第一固定电容的另一端连接第一变容二极管的一端，第一变容二极管的另一端分别连接第一参考电平和第二变容二极管的一端，第二变容二极管的另一端连接第二固定电容的一端，第二固定电容的另一端连接第二PMOS管的漏极。

4、所述的偏置电流源包括第五NMOS管，第五NMOS管的漏极分别连接第一NMOS管的源极和第二NMOS管的源极，第五NMOS管的栅极连接第五直流偏置电平，第五NMOS管的源极接地。

5、所述的第五NMOS管为负阻调谐管，能够调谐负阻大小。

6、还包括第一偏置NMOS管和第二偏置NMOS管，第一偏置NMOS管的漏极连接第三NMOS管的漏极，第一偏置NMOS管的栅极连接第二直流偏置电平，第一偏置NMOS管的源极接地；第二偏置NMOS管的漏极连接第四NMOS管的漏极，第二偏置NMOS管的栅极连接第四直流偏置电平，第二偏置NMOS管的源极接地。

本发明的有益效果：

本发明的目的在于提出一种有源电感型振荡器能够满足多模、多频射频收发器对高频率、大带宽、可调谐强、低成本的需求，同时它也是一种能极大地节约芯片面积的振荡器电路，其中，通过调整两个有源电感值来实现有源电感型振荡器中心频率的调谐，本发明所提出的电路调谐带宽大，简洁方便，节约芯片面积。

附图说明

图1为本发明的有源电感型压控振荡器结构示意图；

图2为本发明的有源电感型压控振荡器电路原理图。

其中，1、第一有源电感，2、第二有源电感，3、电容单元，4、第一输出端，5、第二输出端，6、第一NMOS管，7、第二NMOS管，8、负阻电路，9、偏置电流源，10、第一高电平，11、第二高电平，12、第一PMOS管，13、第二PMOS管，14、第一参考电平，15、第一固定电容，16、第一变容二极管，17、第二变容二极管，18、第二固定电容，19、第一直流偏置电平，20、第三NMOS管，21、第四NMOS管，22、第三直流偏置电平，23、第二直流偏置电平，24、第一偏置NMOS管，25、第五直流偏置电平，26、第五NMOS管，27、第二偏置NMOS管，28、第四直流偏置电平。

具体实施方式

实施例1

一种有源电感型压控振荡器，包括LC谐振回路和负阻电路，所述的LC谐振回路包括第一有源电感1、电容单元3和第二有源电感2，第一有源电感1的一端连接第一高电平10，第一有源电感1的另一端分别连接电容单元3的一端和压控振荡器的第一输出端4，第二有源电感2的一端连接第二高电平11，第二有源电感2的另一端分别连接电容单元3的另一端和压控振荡器的第二输出端5，所述的负阻电路8包括第一NMOS管6、第二NMOS管7和偏置电流源9，第一NMOS管6和第二NMOS管7交叉连接，第一NMOS管6的栅极连接第二输出端5，第二NMOS管7的栅极连接第一输出端4，第一NMOS管6的漏极连接第一输出端4，第二NMOS管7的漏极连接第二输出端5，偏置电流源9的一端分别连接第一NMOS管6的源极和第二NMOS管7的源极，偏置电流源9的另一端连接地；所述的第一有源电感1包括第一PMOS管12和第三NMOS管20，第一PMOS管12的源极连接第一高电平1O，第一PMOS管12的漏极连接第一输出端4，第一PMOS管12的栅极连接第三NMOS管20的漏极，第三NMOS管20的栅极连接第一直流偏置电平19，第三NMOS管20的源极连接第一输出端4；所述的第二有源电感2包括第二PMOS管13和第四NMOS管21，第二PMOS管13的源极连接第二高电平11，第二PMOS管13的漏极连接第一输出端4，第二PMOS管13的栅极连接第四NMOS管21的漏极，第四NMOS管21的栅极连接第三直流偏置电平22，第四NMOS管21的源极连接第二输出端5；所述的电容单元3包括两个对称的固定电容和两个变容二极管，第一固定电容15的一端连接第一PMOS管12的漏极，第一固定电容15的另一端连接第一变容二极管16的一端，第一变容二极管16的另一端分别连接第一参考电平14和第二变容二极管17的一端，第二变容二极管17的另一端连接第二固定电容18的一端，第二固定电容18的另一端连接第二PMOS管13的漏极；所述的偏置电流源9包括第五NMOS管26，第五NMOS管26的漏极分别连接第一NMOS管6的源极和第二NMOS管7的源极，第五NMOS管26的栅极连接第五直流偏置电平25，第五NMOS管26的源极接地；所述的第五NMOS管26为负阻调谐管，能够调谐负阻大小；还包括第一偏置NMOS管24和第二偏置NMOS管27，第一偏置NMOS管24的漏极连接第三NMOS管20的漏极，第一偏置NMOS管24的栅极连接第二直流偏置电平23，第一偏置NMOS管24的源极接地；第二偏置NMOS管24的漏极连接第四NMOS管21的漏极，第二偏置NMOS管24的栅极连接第四直流偏置电平28，第二偏置NMOS管24的源极接地。

实施例2

本实施方式所提出的振荡器电路是一种全差分电路结构，本实施方式由分别对称的两个有源电感、1组电容(包括两个对称的固定电容、两个变容二极管)和一个负阻电路组成；

负阻由NMOS管M7、M8组成，NMOS管M9为偏置电流源，调谐负阻的大小，来补充有源电感与电容谐振回路损失的能量；第一有源电感由PMOS管M1和NMOS管M2组成；第一PMOS管M1的源极接高电平；第一PMOS管M1的漏极与第二NMOS管M2源极和第一负阻NMOS管M7的漏极和第二负阻NMOS管M8的栅极和第一固定电容C1的一端相连接，并与振荡器的输出端Vout1相连接；第一有源电感的NMOS管M2的漏极与偏置NMOS管M5的漏极相连，第一有源电感NMOS管M2的漏极与第一有源电感的PMOS管M1的栅极相连接；第一有源电感的NMOS管M2的栅极与直流偏置电平Vb1相连接；第一偏置NMOS管M5的栅极接直流偏置电平Vb2相连接，源极接地；有源电感为回转器接法结构；

第一固定电容C1为MIM(Metal-Insulator-Metal)电容，第一固定电容C1的一端与第一变容二极管Cc1相连接，第一变容二极管Cc1为累积型MOS管电容，源漏极相连接接作为电容的一端与固定电容C2相接，Cc1栅极作为另一端与参考电平Vcc相连接，通过改变参考电平Vcc可改变Cc1的电容值大小，从而对谐振频率进行微调。

第二有源电感PMOS管M3的源极接高电平；第二PMOS管M3的漏极与第二NMOS管M4源极和第一负阻NMOS管M7的栅极和第二负阻NMOS管M8的漏极相连接，并与振荡器的输出端Vout2相连接，M8管的漏极和第二固定电容C2的一端相连接；第二有源电感的NMOS管M4的漏极与偏置NMOS管M6的漏极相连，第二有源电感NMOS管M4的漏极与第二有源电感的PMOS管M3的栅极相连接；地二有源电感的NMOS管M4与直流偏置电平Vb3相连接；第二偏置NMOS管M6的栅极接直流偏置电平Vb4相连接，源极接地；有源电感为回转器接法结构；

第二固定电容C2为MIM(Metal-Insulator-Metal)电容，C2的一端与第二变容二极管Cc2相连接，第二变容二极管Cc2为累积型MOS管电容，源漏极相连接作为电容Cc2的一端与固定电容C2相接，Cc2栅极作为另一端与参考电平Vcc相连接；

本发明中，有源电感型振荡器其实质是由有源电感和固定电容和可变电容共同组成的等效LC型振荡器实现的。若以第一有源电感为例，第一PMOS管的跨导为Gm1，第二NMOS管的跨导为Gm2，第二NMOS管的栅源电容为Cgs，那么其有源电感等效值近似为

等效LC型振荡器中心频率f_c为

$f_C=\frac{1}{2\mathrm{\π}\sqrt{L_{\mathrm{eq}}(C+C_{\mathrm{cc}})}}$

通过调整偏置电压Vb1、Vb2、Vb3、Vb4和参考电压Vcc，使其具有较大的带宽调谐范围。

Claims (7)

1.一种有源电感型压控振荡器，包括LC谐振回路和负阻电路，其特征在于：所述的LC谐振回路包括第一有源电感、电容单元和第二有源电感，第一有源电感的一端连接第一高电平，第一有源电感的另一端分别连接电容单元的一端和压控振荡器的第一输出端，第二有源电感的一端连接第二高电平，第二有源电感的另一端分别连接电容单元的另一端和压控振荡器的第二输出端，所述的负阻电路包括第一NMOS管、第二NMOS管和偏置电流源，第一NMOS管和第二NMOS管交叉连接，第一NMOS管的栅极连接第二输出端，第二NMOS管的栅极连接第一输出端，第一NMOS管的漏极连接第一输出端，第二NMOS管的漏极连接第二输出端，偏置电流源的一端分别连接第一NMOS管的源极和第二NMOS管的源极，偏置电流源的另一端连接地。

2.如权利要求1所述的一种有源电感型压控振荡器，其特征在于：所述的第一有源电感包括第一PMOS管和第三NMOS管，第一PMOS管的源极连接第一高电平，第一PMOS管的漏极连接第一输出端，第一PMOS管的栅极连接第三NMOS管的漏极，第三NMOS管的栅极连接第一直流偏置电平，第三NMOS管的源极连接第一输出端。

3.如权利要求1所述的一种有源电感型压控振荡器，其特征在于：所述的第二有源电感包括第二PMOS管和第四NMOS管，第二PMOS管的源极连接第二高电平，第二PMOS管的漏极连接第一输出端，第二PMOS管的栅极连接第四NMOS管的漏极，第四NMOS管的栅极连接第三直流偏置电平，第四NMOS管的源极连接第二输出端。

4.如权利要求1所述的一种有源电感型压控振荡器，其特征在于：所述的电容单元包括两个对称的固定电容和两个变容二极管，第一固定电容的一端连接第一PMOS管的漏极，第一固定电容的另一端连接第一变容二极管的一端，第一变容二极管的另一端分别连接第一参考电平和第二变容二极管的一端，第二变容二极管的另一端连接第二固定电容的一端，第二固定电容的另一端连接第二PMOS管的漏极。

5.如权利要求1所述的一种有源电感型压控振荡器，其特征在于：所述的偏置电流源包括第五NMOS管，第五NMOS管的漏极分别连接第一NMOS管的源极和第二NMOS管的源极，第五NMOS管的栅极连接第五直流偏置电平，第五NMOS管的源极接地。

6.如权利要求1或5所述的一种有源电感型压控振荡器，其特征在于：所述的第五NMOS管为负阻调谐管，能够调谐负阻大小。

7.如权利要求1所述的一种有源电感型压控振荡器，其特征在于：还包括第一偏置NMOS管和第二偏置NMOS管，第一偏置NMOS管的漏极连接第三NMOS管的漏极，第一偏置NMOS管的栅极连接第二直流偏置电平，第一偏置NMOS管的源极接地；第二偏置NMOS管的漏极连接第四NMOS管的漏极，第二偏置NMOS管的栅极连接第四直流偏置电平，第二偏置NMOS管的源极接地。

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