CN103684441A

CN103684441A - 一种低噪声压控振荡器

Info

Publication number: CN103684441A
Application number: CN201210357240.8A
Authority: CN
Inventors: 吕志强; 陈岚
Original assignee: Institute of Microelectronics of CAS
Current assignee: Institute of Microelectronics of CAS
Priority date: 2012-09-21
Filing date: 2012-09-21
Publication date: 2014-03-26
Anticipated expiration: 2032-09-21
Also published as: CN103684441B

Abstract

本发明提供一种低噪声压控振荡器，其中，电流源电路用于产生压控振荡器工作的电流；谐振电路用于产生压控振荡器的振荡信号；所述谐振电路为电感电容式谐振电路，其中的电容采用MOS容抗管，增加电路的调谐范围；负阻电路用于产生负阻，以抵消所述谐振电路产生的正阻；所述反馈电路用于将所述谐振电路产生的振荡信号反馈给所述电流源电路，从而为电流源注入新的电流，提高压控振荡器的使用效率。并且，电流源电流采用第一MOS管和第二MOS管，由于第一MOS管和第二MOS管具有较小的阈值电压，因此使本发明实施例的压控振荡器具有更大的输出电压幅度。压控振荡器的输出电压幅度越大，其相位噪声性能便越好。

Description

一种低噪声压控振荡器

技术领域

本发明涉及集成电路技术领域，特别涉及一种低噪声压控振荡器。

背景技术

压控振荡器(VCO，voltage-controlled oscillator)是指输出频率与输入控制电压有对应关系的振荡电路。

压控振荡器是集成电路中非常重要的基本电路之一，其电路的实现方式主要有两种，分别是环形压控振荡器（Ring VCO）和电感电容压控振荡器（LCVCO）。压控振荡器被广泛地应用于微处理器中的时钟同步（ClockSynchronization）电路；无线通信收发器中的频率综合器（FrequencySynthesizer）；光纤通信中的时钟恢复电路（CRC，Clock Recovery Circuit）以及多相位采样（Multi-phase Sampling）电路中。

相位噪声是衡量压控振荡器性能的主要参数之一。大多数情况下，压控振荡器的相位噪声性能是影响集成接收机灵敏度的最主要因素。理想的压控振荡器输出的信号频谱是一个脉冲函数，但是由于实际电路中存在各种噪声源，压控振荡器输出的信号频谱特性都是频罩曲线。

压控振荡器电路中的噪声源可以分为两大类：器件噪声和外界干扰噪声，前者主要包括热噪声和闪烁噪声；后者主要包括衬底和电源噪声。压控振荡器的器件噪声主要来源于片上电感和可变电容的串联寄生电阻、开关差分对管和尾电流源。

参见图1，该图为现有技术中的一种压控振荡器示意图。

图1所示的压控振荡器的电流源是由直流电压控制的，如图1中的电压VBIAS控制三极管Q0。

压控振荡器输出端（POUT和NOUT）的最低电压为两个双极型晶体管（Q0和Q1）的集电极-发射极压降之和，由于两个HBT的结电压之和较小，因此造成压控振荡器有较小的输出。

因此，图1所示的压控振荡器存在较高的相位噪声，相位噪声性能较低。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种低噪声压控振荡器，具有较大的输出电压幅度，能够降低整个电路的相位噪声，提高相位噪声性能。

本发明实施例提供一种低噪声压控振荡器，包括：谐振电路、负阻电路、电流源电路和反馈电路；

所述谐振电路，用于产生压控振荡器的振荡信号，所述谐振电路为电感电容式谐振电路，其中的电容采用MOS容抗管；

所述负阻电路，用于产生负阻，以抵消所述谐振电路产生的正阻；

所述反馈电路，用于将所述谐振电路产生的振荡信号反馈给所述电流源电路；

所述电流源电路，用于产生压控振荡器工作的电流；具体包括：第一MOS管、第二MOS管、第五电阻、第六电阻、第九电容和第十电容；

所述第一MOS管的栅极连接接地的第九电容，所述栅极为反馈电路的第一反馈信号的输入端，第一MOS管的源极接地；

所述第二MOS管的栅极连接接地的第十电容，所述栅极为反馈电路的第二反馈信号的输入端，第二MOS管的源极接地；

所述第一MOS管的漏极与所述第二MOS管的漏极相接，相接的节点作为负阻电路的输入端与电流源电路的输出端相接点；

所述第五电阻的一端连接所述第一MOS管的栅极，另一端连接第三控制电压；

所述第六电阻的一端连接所述第二MOS管的栅极，另一端连接第三控制电压。

优选地，所述谐振电路包括：差分电感、第一MOS容抗管、第二MOS容抗管、第三电容、第四电容、第一电阻、第二电阻；

所述差分电感的一端连接第一节点，另一端连接第二节点；

所述第一MOS容抗管的栅极连接第三节点，漏极和源极短接在一起连接第一控制电压；

所述第二MOS容抗管的栅极连接第四节点，漏极和源极短接在一起连接所述第一控制电压；

所述第一电阻的一端连接所述第三节点，另一端接地；

所述第二电阻的一端连接所述第四节点，另一端接地；

所述第三电容的两端分别连接所述第一节点和第三节点，所述第四电容的两端分别连接所述第二节点和第四节点；

所述第一节点为所述谐振电路与负阻电路的第一相接点，输出第一谐振信号，所述第二节点为所述谐振电路与负阻电路的第二相接点，输出第二谐振信号。

优选地，所述负阻电路包括：第一双极型晶体管、第二双极型晶体管、第三电阻、第四电阻、第五电容、第六电容和第十一电容；

第一双极型晶体管的基极连接第五节点，集电极连接第一节点，所述第一节点为所述负阻电路与谐振电路的第一相接点；

第二双极型晶体管的基极连接第六节点，集电极连接第二节点，所述第二节点为所述负阻电路与谐振电路的第二相接点；

所述第一双极型晶体管的发射极与所述第二双极性晶体管的发射极相接，相接的节点作为所述负阻电路的输入端与电流源电路的输出端相接点；

第三电阻的一端连接第五节点，另一端连接第二控制电压；

第四电阻的一端连接第六节点，另一端连接第二控制电压；

第五电容的一端连接所述第一节点，另一端连接所述第六节点；

第六电容的一端连接所述第二节点，另一端连接所述第五节点；

第十一电容的两端分别连接所述第二控制电压和地。

优选地，

所述反馈电路包括：第七电容和第八电容；

所述第七电容的一端连接谐振电路的第一输出端，另一端连接电流源电路的第一信号输入端，第一谐振信号通过所述第七电容反馈至电流源电路，所述第七电容的另一端为压控振荡器的第一输出端；

所述第八电容的一端连接谐振电路的第二输出端，另一端连接电流源电路的第二信号输入端，第二谐振信号通过所述第八电容反馈至电流源电路，所述第八电容的另一端为压控振荡器的第二输出端。

优选地，所述第三电容和第四电容的容值比第一MOS容抗管和第二MOS容抗管的容值至少大10倍。

优选地，所述第一MOS容抗管和第二MOS容抗管工作于积累区或耗尽区。

优选地，所述第一双极型晶体管和第二双极型晶体管处于正向工作区。

优选地，所述第一MOS管和第二MOS管处于饱和区。

优选地，所述第七电容和所述第八电容的容值是第一MOS容抗管和第二MOS容抗管容值的十分之一。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明提供的低噪声压控振荡器中，电流源电路用于产生压控振荡器工作的电流；谐振电路用于产生压控振荡器的振荡信号；所述谐振电路为电感电容式谐振电路，其中的电容采用MOS容抗管，增加电路的调谐范围；负阻电路用于产生负阻，以抵消所述谐振电路产生的正阻；所述反馈电路用于将所述谐振电路产生的振荡信号反馈给所述电流源电路，从而为电流源注入新的电流，提高压控振荡器的使用效率。并且，电流源电流采用第一MOS管和第二MOS管，由于第一MOS管和第二MOS管具有较小的阈值电压，因此使本发明实施例的压控振荡器具有更大的输出电压幅度。压控振荡器的输出电压幅度越大，其相位噪声性能便越好。

附图说明

图1是现有技术中的一种压控振荡器示意图；

图2是本发明提供的低噪声压控振荡器实施例一示意图；

图3是本发明提供的低噪声压控振荡器实施例二示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

参见图2，该图为本发明提供的低噪声压控振荡器实施例一的示意图。

本发明实施例提供一种低噪声压控振荡器，包括：谐振电路100、负阻电路200、电流源电路300和反馈电路400；

所述谐振电路100，用于产生压控振荡器的振荡信号，所述谐振电路100为电感电容式谐振电路，其中的电容采用MOS容抗管；

所述负阻电路200，用于产生负阻，以抵消所述谐振电路100产生的正阻；

所述反馈电路400，用于将所述谐振电路100产生的振荡信号反馈给所述电流源电路300；

所述电流源电路300，用于产生压控振荡器工作的电流；具体包括：第一MOS管M1、第二MOS管M2、第五电阻R5、第六电阻R6、第九电容C9和第十电容C10；

所述第一MOS管M1的栅极连接接地的第九电容C9，所述栅极为反馈电路400的第一反馈信号的输入端，第一MOS管M1的源极接地；

所述第二MOS管M2的栅极连接接地的第十电容C10，所述栅极为反馈电路400的第二反馈信号的输入端，第二MOS管M2的源极接地；

所述第一MOS管M1的漏极与所述第二MOS管M2的漏极相接，相接的节点作为负阻电路200的输入端与电流源电路300的输出端相接点；

所述第五电阻R5的一端连接所述第一MOS管M1的栅极，另一端连接第三控制电压VBIAS；

所述第六电阻R6的一端连接所述第二MOS管M2的栅极，另一端连接第三控制电压VBIAS。

需要说明的是，可以通过控制第三控制电压VBIAS的电压大小来使M1和M2处于饱和区。

需要说明的是，C9和C10起滤波作用，滤除Q3和Q4产生的高频信号。

本发明提供的低噪声压控振荡器中，电流源电路300用于产生压控振荡器工作的电流；谐振电路100用于产生压控振荡器的振荡信号；所述谐振电路100为电感电容式谐振电路，其中的电容采用MOS容抗管，增加电路的调谐范围；负阻电路200用于产生负阻，以抵消所述谐振电路100产生的正阻；所述反馈电路400用于将所述谐振电路100产生的振荡信号反馈给所述电流源电路300，从而为电流源电路300注入新的电流，提高压控振荡器的使用效率。并且，电流源电流采用第一MOS管和第二MOS管，由于第一MOS管和第二MOS管具有较小的阈值电压，因此使本发明实施例的压控振荡器具有更大的输出电压幅度。压控振荡器的输出电压幅度越大，其相位噪声性能便越好。

下面结合附图介绍本发明实施例提供的低噪声压控振荡器的具体结构。

参见图3，该图为本发明提供的低噪声压控振荡器实施例二的示意图。

本实施例提供的压控振荡器，包括：谐振电路、负阻电路、电流源电路和反馈电路；

所述谐振电路包括：差分电感L0、第MOS容抗管C1、第二MOS容抗管C2、第三电容C3、第四电容C4、第一电阻R1、第二电阻R2；

差分电感L0的抽头连接电源。

所述差分电感L0的一端连接第一节点A，另一端连接第二节点B；

所述第一MOS容抗管C1的栅极连接第三节点C，漏极和源极短接在一起连接第一控制电压ATUNE；

所述第二MOS容抗管C2的栅极连接第四节点D，漏极和源极短接在一起连接所述第一控制电压ATUNE；该压控振荡器可以通过调节第一控制电压ATUNE的大小来调节压控振荡器的工作频率。

所述第一电阻R1的一端连接所述第三节点C，另一端接地；

所述第二电阻R2的一端连接所述第四节点D，另一端接地；

所述第三电容C3的两端分别连接所述第一节点A和第三节点C，所述第四电容C4的两端分别连接所述第二节点B和第四节点D。

所述第一节点A为所述谐振电路与负阻电路的第一相接点，输出第一谐振信号，所述第二节点B为所述谐振电路与负阻电路的第二相接点，输出第二谐振信号。

需要说明的是，C1和C2工作于积累区或耗尽区。

所述第三电容C3和第四电容C4的容值比第MOS容抗管C1和第二MOS容抗管C2的容值至少大10倍，这样可以保证本发明实施例提供的压控振荡器具有较宽的频率调谐范围。

需要说明的是，本发明实施例的谐振电路中的电容采用MOS容抗管（C1和C2）。MOS容抗管的容值大小随第一控制电压ATUNE的变化较大，从而采用MOS容抗管的压控振荡器具有较大的调谐范围。

所述负阻电路包括：第一晶体管双极型晶体管Q1、第二双极型晶体管Q2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电容C5、第六电容C6、第十一电容C11；

第一双极型晶体管Q1的基极连接第五节点M，集电极连接第一节点A，所述第一节点A为所述负阻电路与谐振电路的第一相接点；

第二双极型晶体管Q2的基极连接第六节点N，集电极连接第二节点B，所述第二节点B为所述负阻电路与谐振电路的第二相接点；

所述第一双极型晶体管Q1的发射极与所述第二双极性晶体管Q2的发射极相接，相接的节点作为所述负阻电路的输入端与电流源电路的输出端相接点；

第三电阻R3的一端连接第五节点M，另一端连接第二控制电压CDC；

第四电阻R4的一端连接第六节点N，另一端连接第二控制电压CDC；

第五电容C5的一端连接所述第一节点A，另一端连接所述第六节点N；

第六电容C6的一端连接所述第二节点B，另一端连接所述第五节点M；

第五电容C5和第六电容C6的作用主要是为了隔离直流信号，同时协助Q1和Q2实现负阻的作用，从而补偿谐振电路产生的正阻。

第十一电容C11的两端分别连接所述第二控制电压CDC和地。

需要说明的是，可以通过调整第二控制电压CDC的大小保证Q1和Q2处于正向工作区。

需要说明的是，所述Q1和Q2可以为异质结双极型晶体管（HBT，Heterojunction Bipolar Transistor）。

需要说明的是，所述M1和M2可以为NMOS管。

所述反馈电路包括：第七电容C7和第八电容C8；

所述第七电容C7的一端连接谐振电路的第一输出端（所述第一节点A），另一端连接电流源电路的第一信号输入端，第一谐振信号通过所述第七电容C7反馈至电流源电路，所述第七电容C7的所述另一端为压控振荡器的第一输出端NOUT；

所述第八电容C8的一端连接谐振电路的第二输出端（所述第二节点B），另一端连接电流源电路的第二信号输入端，第二谐振信号通过所述第八电容C8反馈至电流源电路，所述第八电容C8的所述另一端为压控振荡器的第二输出端POUT。

第七电容C7和第八电容C8的作用主要是隔离直流电路，同时将交流信号反馈给电流源电路，为电流源电路注入新的电流。从而对谐振电路产生的振荡信号进行了反馈利用，这样可以提高使用效率。

需要说明的是，POUT和NOUT是压控振荡器的两个输出端，这两个输出端输出的振荡信号均是正电压的信号，但是POUT和NOUT输出的振荡信号的相位是相反的。

第七电容C7和第八电容C8的容值是第一MOS容抗管C1和第二MOS容抗管C2的容值的十分之一，从而保证该压控振荡器具有较宽的频率调谐范围。

下面结合图3详细说明本发明提供的压控振荡器的工作原理。

压控振荡器的相位噪声可以表达为：

L {Δω} = 10 \cdot \log [\frac{kT \cdot R_{eff} (1 + F) {(\frac{ω_{0}}{Δω})}^{2}}{V_{\max}^{2} / 2}] - - - (1)

其中F为经验系数；k为波尔兹曼常数；T为绝对温度；Δω为相对于载波频率ω₀的偏移频率；V_max为谐振电路的电压幅度；R_eff为有效电阻。需要指出的是，相位噪声越小，压控振荡器的相位噪声性能越好。

谐振电路与负阻电阻产生的振荡信号通过反馈电路中的电容（C7和C8）反馈到电流源电路中M1和M2的栅极。在相同的直流偏置条件下，本发明实施例提供的压控振荡器的电流源电路比现有技术中压控振荡器的电流源电路具有更小的压降，从而使本发明实施例的压控振荡器具有更大的输出电压幅度。

由公式（1）可知，压控振荡器的输出电压幅度越大，其相位噪声性能便越好。

本发明实施例提供的压控振荡器的最低输出电压（POUT和NOUT对地的电压）是M1或M2的阈值电压，从而增加了压控振荡器输出的峰峰值电压，提高了压控振荡器的相位噪声性能。

压控振荡器通过反馈电路使得HBT（Q1）的基极电压和MOS管（M2）的栅极电压具有相似的相位，进而使压控振荡器的电流在其噪声敏感区达到最小值，从而提高了压控振荡器的相位噪声性能。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims

1.一种低噪声压控振荡器，其特征在于，包括：谐振电路、负阻电路、电流源电路和反馈电路；

2.根据权利要求1所述的低噪声压控振荡器，其特征在于，所述谐振电路包括：差分电感、第一MOS容抗管、第二MOS容抗管、第三电容、第四电容、第一电阻、第二电阻；

所述差分电感的一端连接第一节点，另一端连接第二节点；

所述第一电阻的一端连接所述第三节点，另一端接地；

所述第二电阻的一端连接所述第四节点，另一端接地；

3.根据权利要求1所述的低噪声压控振荡器，其特征在于，所述负阻电路包括：第一双极型晶体管、第二双极型晶体管、第三电阻、第四电阻、第五电容、第六电容和第十一电容；

第三电阻的一端连接第五节点，另一端连接第二控制电压；

第四电阻的一端连接第六节点，另一端连接第二控制电压；

第十一电容的两端分别连接所述第二控制电压和地。

4.根据权利要求1所述的低噪声压控振荡器，其特征在于，

所述反馈电路包括：第七电容和第八电容；

5.根据权利要求2所述的低噪声压控振荡器，其特征在于，所述第三电容和第四电容的容值比第一MOS容抗管和第二MOS容抗管的容值至少大10倍。

6.根据权利要求2所述的低噪声压控振荡器，其特征在于，所述第一MOS容抗管和第二MOS容抗管工作于积累区或耗尽区。

7.根据权利要求3所述的低噪声压控振荡器，其特征在于，所述第一双极型晶体管和第二双极型晶体管处于正向工作区。

8.根据权利要求1所述的低噪声压控振荡器，其特征在于，所述第一MOS管和第二MOS管处于饱和区。

9.根据权利要求4所述的低噪声压控振荡器，其特征在于，所述第七电容和所述第八电容的容值是第一MOS容抗管和第二MOS容抗管容值的十分之一。