CN104485950B - 一种低相位噪声的电感电容压控振荡器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低相位噪声的电感电容压控振荡器，包括第一镜像恒流源、第二镜像恒流源、压控振荡器，所述电感电容压控振荡器还包括动态电流源噪声抑制电路，所述第一镜像恒流源的输出连接至所述动态电流源噪声抑制电路以作为后续电路的偏置，所述动态电流源噪声抑制电路受控于所述压控振荡器的输出，用于在所述压控振荡器的输出高出阈值后关断偏置电流，其输出连接至所述第二镜像恒流源，本发明通过在压控振荡器的振荡幅度大于某个阈值之后，把第二镜像恒流源关断，使振荡器靠谐振腔中储存的能量继续振荡，达到降低第二镜像恒流源噪声传递到谐振腔的噪声能量，进而降低相位噪声的目的。

Description

一种低相位噪声的电感电容压控振荡器

技术领域

本发明涉及一种电感电容压控振荡器，特别是涉及一种动态电流源噪声抑制的低相位噪声的电感电容压控振荡器。

背景技术

低相位噪声的电感电容压控振荡器是锁相环中不可或缺的模块，也是现代通信系统中不可或缺的本振信号产生模块，当前常用的几种电感电容压控振荡器中，电流源的噪声贡献了相位噪声的主要部分。

图1为现有技术中3种典型电感电容压控振荡器，基准电流源I5、I6、I7产生基准电流，NMOS管M7-M8或NMOS管M11-12或NMOS管M13-14组成1：N的第一镜像恒流源，第一镜像恒流源的输出再连接至PMOS管M1-M2或PMOS管M17-M18或PMOS管M21-M22组成1：M的第二镜像恒流源，NMOS管M3-M4、PMOS管M5-M6交叉耦合与可变电容C2-C3、电容C6-C7、电感L1组成压控振荡电路，或PMOS管M15-16交叉耦合与可变电容C4-5、电容C8-9、电感L2组成压控振荡电路，或NMOS管M9-10交叉耦合与可变电容C10-11、电容C12-13、电感L4组成压控振荡电路，第二镜像恒流源的输出连接至压控振荡电路，并在第二镜像恒流源的两个PMOS管的栅极间增加RC滤波器如R0与C14、R1与C15、R2与C16来抑制偏置电路(基准电流源、第一镜像恒流源、第二镜像恒流源)的噪声。但是为了有效的滤除偏置电路的噪声，需要RC滤波器的带宽比较低，这样就需要比较大的R×C值，由于电阻也会贡献噪声，那就需要比较大的电容，而集成电路中电容构建效率较低，这就会占用比较大的基片(Wafer)面积。

以下以图1所示的传统电感电容压控振荡器的其中一种进行分析，其电路如图2a，仿真结果如图2b。

从图2b中可以看出振荡器工作的3个明显的区域，在图中1和3区域，某一个交叉耦合管(负阻管)导通，另外一个交叉耦合管截止，尾部电流源全部通过导通管；在区域2，两个交叉耦合管M15-16同时导通，尾部电流在两个管子之间分配。

假设尾部第二镜像恒流源源的噪声是恒定的，通过分析交叉耦合管的工作状态可以得出该噪声源是如何传递到谐振腔中。当只有一个交叉耦合管导通时，尾部电流源的噪声直接传递到谐振腔，传递函数的增益是1或者-1取决于哪一个管子导通，此时噪声最差；当两个管子同时导通，传递到谐振腔的噪声为分别流过两个管子的噪声电流的差值(注意：由于两部分噪声是同一噪声源的，是直接相关的，所以是差值，否则应该是噪声功率的叠加)。在图中A点，电流平分到两个交叉耦合管中，噪声也平分到谐振腔的两端，所以该点噪声传递函数是0即噪声最低。由于电路噪声取决于最差噪声，虽然存在某段时间噪声较低(A点)，但在仅有一个交叉耦合管导通时，其噪声很高，因此，电路的噪声性能较差。

发明内容

为克服上述现有技术存在的不足，本发明之目的在于提供一种低相位噪声的电感电容压控振荡器，其在压控振荡器的振荡幅度大于某个阈值之后，把尾部电流源(第二镜像恒流源)关断，使振荡器靠压控振荡器谐振腔中储存的能量继续振荡，达到降低尾部电流源(第二镜像恒流源)噪声传递到谐振腔的噪声能量，进而降低相位噪声的目的，本发明可显著改善压控振荡器噪声而且不需要采用大面积的RC滤波器。

为达到上述目的，本发明提供一种低相位噪声的电感电容压控振荡器，包括第一镜像恒流源、第二镜像恒流源、压控振荡器，所述电感电容压控振荡器还包括动态电流源噪声抑制电路，所述第一镜像恒流源的输出连接至所述动态电流源噪声抑制电路以作为后续电路的偏置，所述所述动态电流源噪声抑制电路受控于所述压控振荡器的输出，用于在所述压控振荡器的输出高出阈值后关断偏置电流，其输出连接至所述第二镜像恒流源。

进一步地，所述动态电流源噪声抑制电路包括串联连接的第五PMOS管与第六PMOS管，所述第六PMOS管漏极接所述第一镜像恒流源输出端，源极连接所述第五PMOS管漏极，所述第五PMOS管源极连接至第二镜像恒流源的偏置输入端，所述第五PMOS管与第六PMOS管的栅极分别接所述压控振荡器的两输出端。

进一步地，所述第一镜像恒流源将基准电流源按1：N镜像为一较大电流输出至所述动态电流源噪声抑制电路用作后续电路的偏置。

进一步地，所述第一镜像恒流源至少包括基准电流源、栅漏相连的第七NMOS管以及作为镜像输出管的第八NMOS管，所述基准电流源连接所述第七NMOS管漏极，所述第八NMOS管漏极连接至所述第六PMOS管漏极，所述第七NMOS管以及第八NMOS管源极接地，栅极互连。

进一步地，所述第二镜像恒流源将所述动态电流源噪声抑制电路输出的偏置电流按1：M镜像为一较大电流供给所述压控振荡器。

进一步地，所述第二镜像恒流源为典型的PMOS恒流源。

进一步地，所述第二镜像恒流源至少包括栅漏短接的第二PMOS管及作为镜像输出管的第一PMOS管，所述第五PMOS管源极连接至所述第二PMOS管的栅漏短接端，所述第一PMOS管漏极连接所述压控振荡器，所述第一PMOS管与第二PMOS管栅极相连，源极均连接电源电压。

进一步地，所述第一PMOS管漏极连接所述压控振荡器的两交叉耦合管的源极。

进一步地，所述压控振荡器的两个交叉耦合管的漏极为所述压控振荡器的两输出端，分别连接所述第五PMOS管与第六PMOS管的栅极。

进一步地，所述压控振荡器为电感电容压控振荡器。

与现有技术相比，本发明一种低相位噪声的电感电容压控振荡器，其在压控振荡器的振荡幅度大于某个阈值之后，把尾部电流源(第二镜像恒流源)关断，使振荡器靠压控振荡器谐振腔中储存的能量继续振荡，达到降低尾部电流源(第二镜像恒流源)噪声传递到谐振腔的噪声能量，进而降低相位噪声的目的，本发明可显著改善压控振荡器噪声而且不需要采用大面积的RC滤波器。

附图说明

图1为现有技术中3种典型电感电容压控振荡器；

图2a为图1中一种典型电感电容压控振荡器电路的电路结构图；

图2b为图2a的仿真图；

图3为本发明一种低相位噪声的电感电容压控振荡器的电路结构图；

图4为图3电路的仿真图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例并结合附图说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其它优点与功效。本发明亦可通过其它不同的具体实例加以施行或应用，本说明书中的各项细节亦可基于不同观点与应用，在不背离本发明的精神下进行各种修饰与变更。

图3为本发明一种低相位噪声的电感电容压控振荡器的电路结构图。如3所示，本发明一种低相位噪声的电感电容压控振荡器，包含第一镜像恒流源10、动态电流源噪声抑制电路20、第二镜像恒流源30、压控振荡器40，第一镜像恒流源10包含一基准电流源I0、栅漏相连的NMOS管M7、镜像输出管M8，其用于将基准电流源按1：N镜像为一较大电流输出，并连接至动态电流源噪声抑制电路20用作后续电路的偏置，动态电流源噪声抑制电路20包含串联连接的PMOS管M5-M6，其受控于压控振荡器的输出，用于在压控振荡器的输出高出阈值后关断偏置电流，其输出连接至第二镜像恒流源30，第二镜像恒流源30为典型的PMOS恒流源，PMOS管M2栅漏短接，PMOS管M1为镜像输出管，用于将动态电流源噪声抑制电路20输出的偏置电流按1：M镜像为一较大电流供给压控振荡器40，压控振荡器40可以是任意形式，本实施例为两个交叉耦合的PMOS管M3-4和由电容C16-17、可变电容C14-15、及电感L1组成的谐振腔共同构成，用于产生振荡输出，其输出vcon/vcop可直接输出或经缓冲后输出。

本发明第一镜像恒流源输出端即NMOS管M8漏极连接至PMOS管M6漏极，PMOS管M6源极连接PMOS管M5漏极，PMOS管M5源极连接至第二镜像恒流源的偏置输入端即PMOS管M2的栅漏短接端，第二镜像恒流源输出端即PMOS管M1漏极连接至交叉耦合管PMOS管M3-M4的源极，PMOS管M3栅极连接PMOS管M4漏极，PMOS管M4栅极连接PMOS管M3漏极，交叉耦合管M3-M4的漏极即为振荡器输出端vcon、vcop，两漏极间连接由电容C16-17、可变电容C14-C15、及电感L1组成的谐振腔，同时，交叉耦合管M3-4的漏极即为振荡器输出端vcon、vcop分别连接至PMOS管M5栅极、PMOS管M6栅极。

如图3所示，在电路刚上电时，vcon和vcop的电压为0，则PMOS管M5和PMOS管M6都处于开启状态，偏置电路(第一镜像恒流源、第二镜像恒流源)给振荡器提供偏置电流让振荡器起振；起振后，在0～2∏期间，当vcon和vcop幅度都较低时，PMOS管M5-M6均处于导通状态，vcon、vcop幅度持续增加；在0～∏期间，当vcop大于一定电压时(这时vcon为负)，虽然PMOS管M5处于开启状态但是PMOS管M6处于关断状态，这样就把第一镜像恒流源输出的偏置电流关断；在∏～2∏期间，当vcon大于一定电压时(这时vcop为负)，虽然PMOS管M6处于开启状态但是PMOS管M5关断状态，这样就把第一镜像恒流源输出的偏置电流关断。如此通过这样的动态关断和开启偏置恒流源的方式减小了电流源的噪声传递函数，从而降低了相位噪声。

需说明的是，这里为了简化表述，只是例举一种电路。本发明同样适用于其他的两种电路结构。

图4为图3电路的仿真图。设置N＝5，M＝6，另外对采用RC滤波器的电路中设置R＝10K，C＝10p。从上面的仿真结果可以看到，使用本发明动态降噪时相位噪声较不使用降噪电路和使用RC降噪时均有较大改善，在频偏20KHz时，使用动态降噪较不使用降噪电路改善达到13dB，在频偏100KHz时，使用动态降噪较不使用降噪电路改善达到10dB，在频偏1MHz时，使用动态降噪较不使用降噪电路改善达到5.8dB，而RC降噪改善有限，平均小于6dB，可见，本发明可显著改善压控振荡器噪声而且不需要采用大面积的RC滤波器。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何本领域技术人员均可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰与改变。因此，本发明的权利保护范围，应如权利要求书所列。

Claims (8)

1.一种低相位噪声的电感电容压控振荡器，包括第一镜像恒流源、第二镜像恒流源、压控振荡器，其特征在于：所述电感电容压控振荡器还包括动态电流源噪声抑制电路，所述第一镜像恒流源的输出连接至所述动态电流源噪声抑制电路以作为后续电路的偏置，所述动态电流源噪声抑制电路受控于所述压控振荡器的输出，用于在所述压控振荡器的输出高出阈值后关断偏置电流，其输出连接至所述第二镜像恒流源；

所述第二镜像恒流源将所述动态电流源噪声抑制电路输出的偏置电流镜像为一较大电流供给所述压控振荡器；

所述动态电流源噪声抑制电路包括串联连接的第五PMOS管与第六PMOS管，所述第六PMOS管漏极接所述第一镜像恒流源输出端，源极连接所述第五PMOS管漏极，所述第五PMOS管源极连接至第二镜像恒流源的偏置输入端，所述第五PMOS管与第六PMOS管的栅极分别接所述压控振荡器的两输出端。

2.如权利要求1所述的一种低相位噪声的电感电容压控振荡器，其特征在于：所述第一镜像恒流源将基准电流源按1：N镜像为一较大电流输出至所述动态电流源噪声抑制电路用作后续电路的偏置，其中，N为大于1的正整数。

3.如权利要求2所述的一种低相位噪声的电感电容压控振荡器，其特征在于：所述第一镜像恒流源至少包括基准电流源、栅漏相连的第七NMOS管以及作为镜像输出管的第八NMOS管，所述基准电流源连接所述第七NMOS管漏极，所述第八NMOS管漏极连接至所述第六PMOS管漏极，所述第七NMOS管以及第八NMOS管源极接地，栅极互连。

4.如权利要求2所述的一种低相位噪声的电感电容压控振荡器，其特征在于：所述第二镜像恒流源将所述动态电流源噪声抑制电路输出的偏置电流按1：M镜像为一较大电流供给所述压控振荡器，其中，M为大于1的正整数。

5.如权利要求4所述的一种低相位噪声的电感电容压控振荡器，其特征在于：所述第二镜像恒流源为PMOS恒流源。

6.如权利要求5所述的一种低相位噪声的电感电容压控振荡器，其特征在于：所述第二镜像恒流源至少包括栅漏短接的第二PMOS管及作为镜像输出管的第一PMOS管，所述第五PMOS管源极连接至所述第二PMOS管的栅漏短接端，所述第一PMOS管漏极连接所述压控振荡器，所述第一PMOS管与第二PMOS管栅极相连，源极均连接电源电压。

7.如权利要求6所述的一种低相位噪声的电感电容压控振荡器，其特征在于：所述第一PMOS管漏极连接所述压控振荡器的两交叉耦合管的源极。

8.如权利要求1所述的一种低相位噪声的电感电容压控振荡器，其特征在于：所述压控振荡器的两个交叉耦合管的漏极为所述压控振荡器的两输出端，分别连接所述第五PMOS管与第六PMOS管的栅极。