CN104753498B - 一种低相噪低功耗宽带压控振荡器电路 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种低相噪低功耗宽带压控振荡器电路。现有宽带压控振荡器噪声性能较差，功耗较高，限制了其在射频通信系统中的应用。本发明包括一个负阻振荡结构和两个缓冲结构，负阻振荡结构包括负阻结构和谐振网络，负阻结构由两个PMOS管和两个NMOS管构成，谐振网络由谐振电感、开关电容阵列、两个可变电容和两个固定电容构成。开关电容阵列包括十五个开关电容单元，形成四个控制选择端，实现十六个频带选择。每个开关电容单元包括两个MOM电容、两个反相器和一个NMOS管，MOM电容采用三维叉指电容。本发明的振荡器电路实现了较宽的频率调节范围，通过相应的相位噪声优化，实现了低相位噪声和低功耗的性能。
Description
技术领域
本发明属于微电子技术领域，一种低相噪低功耗宽带压控振荡器电路。
背景技术
近年来无线通信飞速发展，工作频段涉及百兆到万兆，这样就需要设计低功耗宽频带的收发机以满足多种无线通信协议的要求。作为收发机中最基本的构成模块，压控振荡器为发射和接收提供本振频率，是系统中工作频率最高的模块。压控振荡器在保证功耗和相位噪声的前提下，应有较宽的频率覆盖范围，以满足不同应用的需要。
振荡器常用的结构有电感电容振荡器和环形振荡器。环形振荡器可以采用纯数字CMOS工艺实现，不需要电感元件，能够实现较宽的调谐范围。但其噪声性能较差，限制了它在射频通信系统中的应用。基于负阻原理的LC振荡器由于具有带通滤波器特性，适合有低噪声要求的射频系统。利用可变电容与电感构成谐振回路即可获得压控振荡器。由于可变电容的电容值变化范围有限，调谐范围较窄，通常采用可变电容与开关电容阵列结合的结构。但是在谐振回路上并联过多的开关电容会显著降低回路的品质因子，导致振荡输出相位噪声恶化，功耗增加，起振时间延长。因此在宽频带要求下如何降低相位噪声和功耗成为振荡器电路设计的关键问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种低相位噪声、低功耗的，与CMOS集成电路工艺完全兼容的宽带振荡器电路。
本发明包括一个负阻振荡结构和两个缓冲结构，负阻振荡结构包括负阻结构和谐振网络；
第二PMOS管MP2、第三PMOS管MP3、第二NMOS管MN2和第三NMOS管MN3构成负阻结构，其中第二PMOS管MP2的栅极、第三PMOS管MP3的漏极与第二NMOS管MN2的栅极、第三NMOS管MN3的漏极连接，作为同相输出端CKP，第三PMOS管MP3的栅极、第二PMOS管MP2的漏极与第三NMOS管MN3的栅极、第二NMOS管MN2的漏极连接，作为反相输出端CKN；
谐振电感L3、开关电容阵列SCA、第一可变电容Cvar1、第二可变电容Cvar2、第一固定电容C3、第二固定电容C4构成谐振网络，其中第一可变电容Cvar1的正极、第一固定电容C3的一端、谐振电感L3的一端、开关电容阵列SCA的一端接反相输出端CKN，第二可变电容Cvar2的正极、第二固定电容C4的一端、谐振电感L3的另一端、开关电容阵列SCA的另一端接同相输出端CKP，第一固定电容C3的另一端与第二固定电容C4的另一端连接，第一可变电容Cvar1的负极与第二可变电容Cvar2的负极连接，作为振荡器电路的控制电压输入端Vctrl；
第一滤波电容C1和第一滤波电感L1并联作为电源噪声滤波器，并联后的一端接电源VDD，并联后的另一端与第二PMOS管MP2的源极、第三PMOS管MP3的源极连接；第二滤波电容C2和第二滤波电感L2并联作为衬底噪声滤波器，并联后的一端接地，并联后的另一端与第二NMOS管MN2的源极、第三NMOS管MN3的源极连接；
第一PMOS管MP1和第一NMOS管MN1构成一个缓冲结构，第一PMOS管MP1的栅极和第一NMOS管MN1的栅极接反相输出端CKN，第一PMOS管MP1的漏极与第一NMOS管MN1的漏极连接，作为振荡器电路的反相时钟输出端CLKN；第四PMOS管MP4和第四NMOS管MN4构成另一个缓冲结构，第四PMOS管MP4的栅极和第四NMOS管MN4的栅极接同相输出端CKP，第四PMOS管MP4的漏极与第四NMOS管MN4的漏极连接，作为振荡器电路的同相时钟输出端CLKP；第一PMOS管MP1的源极和第四PMOS管MP4的源极接电源VDD，第一NMOS管MN1的源极和第四NMOS管MN4的源极接地；
所述的开关电容阵列SCA包括十五个开关电容单元，每个开关电容单元的结构相同，包括两个MOM电容、两个反相器和一个NMOS管，第一MOM电容Cs1的一端、第一反相器Inv1的输出端接NMOS管MNs的漏极，第二MOM电容Cs2的一端、第二反相器Inv2的输出端接NMOS管MNs的源极，NMOS管MNs的栅极与第一反相器Inv1的输入端和第二反相器Inv2的输入端连接，作为该开关电容单元的选通输入端；所有开关电容单元的第一MOM电容Cs1的另一端连接，作为开关电容阵列SCA的一端，所有开关电容单元的第二MOM电容Cs2的另一端连接，作为开关电容阵列SCA的另一端；
十五个开关电容单元中的一个开关电容单元的选通输入端独立设置，作为振荡器电路的一级频带控制选择端D1；两个开关电容单元的选通输入端连接，作为振荡器电路的二级频带控制选择端D2；四个开关电容单元的选通输入端连接，作为振荡器电路的三级频带控制选择端D3；八个开关电容单元的选通输入端连接，作为振荡器电路的四级频带控制选择端D4。
开关电容单元中的MOM电容采用三维叉指电容，包括多层水平设置的平面叉指电容，所述的平面叉指电容为设置在硅衬底上的一对平面呈梳齿状的金属膜，每个金属膜包括平行的梳齿条C-2和连接条C-1，连接条C-1将多个梳齿条C-2并接，两片金属膜呈叉指状设置，相邻两层的平面叉指电容的两片金属膜位置互换，并通过设置在连接条处的金属化通孔C-3连通，在竖直方向上形成立面叉指电容。
本发明的振荡器电路实现了较宽的频率调节范围，通过相应的相位噪声优化，实现了低相位噪声和低功耗的性能。通过SMIC 65nm CMOS工艺流片实现的压控振荡器输出频率范围为0.75～1.5GHz，频率调节范围达到83％，相位噪声在1.21GHz频点处为-125.84dBc/Hz,FOM可达-184，功耗仅为2.25mW。
附图说明
图1为本发明的整体电路图；
图2为图1中开关电容阵列的电路图；
图3-1为图2中MOM电容的平面结构示意图；
图3-2为图2中MOM电容的立面结构示意图；
图4为相位噪声与NMOS管沟道宽长比的关系曲线；
图5为相位噪声与谐振腔电感感值的关系曲线。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的电路结构和相位噪声优化方法作进一步详细说明。为了说明本发明的效果，采用65nm CMOS工艺进行设计流片验证。
如图1所示，一种低相噪低功耗宽带压控振荡器电路包括一个负阻振荡结构和两个缓冲结构，负阻振荡结构包括负阻结构和谐振网络；
第二PMOS管MP2、第三PMOS管MP3、第二NMOS管MN2和第三NMOS管MN3构成负阻结构，其中第二PMOS管MP2的栅极、第三PMOS管MP3的漏极与第二NMOS管MN2的栅极、第三NMOS管MN3的漏极连接，作为同相输出端CKP，第三PMOS管MP3的栅极、第二PMOS管MP2的漏极与第三NMOS管MN3的栅极、第二NMOS管MN2的漏极连接，作为反相输出端CKN；
谐振电感L3、开关电容阵列SCA、第一可变电容Cvar1、第二可变电容Cvar2、第一固定电容C3、第二固定电容C4构成谐振网络，其中第一可变电容Cvar1的正极、第一固定电容C3的一端、谐振电感L3的一端、开关电容阵列SCA的一端接反相输出端CKN，第二可变电容Cvar2的正极、第二固定电容C4的一端、谐振电感L3的另一端、开关电容阵列SCA的另一端接同相输出端CKP，第一固定电容C3的另一端与第二固定电容C4的另一端连接，第一可变电容Cvar1的负极与第二可变电容Cvar2的负极连接，作为振荡器电路的控制电压输入端Vctrl；
第一滤波电容C1和第一滤波电感L1并联作为电源噪声滤波器，并联后的一端接电源VDD，并联后的另一端与第二PMOS管MP2的源极、第三PMOS管MP3的源极连接；第二滤波电容C2和第二滤波电感L2并联作为衬底噪声滤波器，并联后的一端接地，并联后的另一端与第二NMOS管MN2的源极、第三NMOS管MN3的源极连接；
第一PMOS管MP1和第一NMOS管MN1构成一个缓冲结构，第一PMOS管MP1的栅极和第一NMOS管MN1的栅极接反相输出端CKN，第一PMOS管MP1的漏极与第一NMOS管MN1的漏极连接，作为振荡器电路的反相时钟输出端CLKN；第四PMOS管MP4和第四NMOS管MN4构成另一个缓冲结构，第四PMOS管MP4的栅极和第四NMOS管MN4的栅极接同相输出端CKP，第四PMOS管MP4的漏极与第四NMOS管MN4的漏极连接，作为振荡器电路的同相时钟输出端CLKP；第一PMOS管MP1的源极和第四PMOS管MP4的源极接电源VDD，第一NMOS管MN1的源极和第四NMOS管MN4的源极接地。
如图2所示，开关电容阵列SCA包括十五个开关电容单元，每个开关电容单元的结构相同，包括两个MOM电容、两个反相器和一个NMOS管，第一MOM电容Cs1的一端、第一反相器Inv1的输出端接NMOS管MNs的漏极，第二MOM电容Cs2的一端、第二反相器Inv2的输出端接NMOS管MNs的源极，NMOS管MNs的栅极与第一反相器Inv1的输入端和第二反相器Inv2的输入端连接，作为该开关电容单元的选通输入端；所有开关电容单元的第一MOM电容Cs1的另一端连接，作为开关电容阵列SCA的一端，所有开关电容单元的第二MOM电容Cs2的另一端连接，作为开关电容阵列SCA的另一端；
十五个开关电容单元中的一个开关电容单元的选通输入端独立设置，作为振荡器电路的一级频带控制选择端D1；两个开关电容单元的选通输入端连接，作为振荡器电路的二级频带控制选择端D2；四个开关电容单元的选通输入端连接，作为振荡器电路的三级频带控制选择端D3；八个开关电容单元的选通输入端连接，作为振荡器电路的四级频带控制选择端D4。
如图3-1和3-2所示，开关电容单元中的MOM电容采用三维叉指电容，包括多层水平设置的平面叉指电容。平面叉指电容为设置在硅衬底上的一对平面呈梳齿状的金属膜，每个金属膜包括平行的梳齿条C-2和连接条C-1，连接条C-1将多个梳齿条C-2并接，两片金属膜呈叉指状设置，相邻两层的平面叉指电容的两片金属膜位置互换，并通过设置在连接条处的金属化通孔C-3连通，在竖直方向上形成立面叉指电容。
任意振荡器的输出为正弦波，可以表示为Vout＝Acos(ω0t),其中A为幅度，ω0为角频率。根据Harjimiri的模型，靠近载波1/f2区域的相位噪声可以表示为：
其中为噪声电流，Γ为噪声源的冲击敏感度函数(ISF)，qmax是注入节点电容上的最大电荷摆幅，等于A与C的乘积，C为节点电容。
首先考虑MOS沟道电流噪声引入的相位噪声，以第二MOS管MN2为例：
假设工艺的电子迁移率为μ，栅氧化层单位电容为Cox。MN2的偏置电压为Vgs，阈值电压为Vth，栅宽与栅长之比为W/L。
在电流受限区，A可以表示为4IBIASRp/π，其中IBIAS为偏置电流。Rp为谐振腔的损耗电阻，可以表示谐振腔品质因子与谐振频率以及谐振电感的乘积，即为Qω0L。因此A可以表示为式(2)，可以看到A与(W/L)成正比：
A＝4μCox(W/L)(Vgs-Vth)2Rp/π (2)
在第一电流受限区，A<(Vgs-Vth)，MN2工作在饱和区。此时振荡幅度很小，MOS管的沟道电流可近似为稳定噪声源：
在饱和区，MN2的ISF与W/L没有关系，由式(1)和(2)、(3)可知噪声载波功率比与W/L成反比：
在第二电流受限区，A>(Vgs-Vth),MN2部分时间工作在截止区。此时MN2的沟道电流噪声可表示为一个稳定噪声源和一个周期函数(α2＝(cosφ-cosΦ))的乘积：
其中Φ是MN2的半导通角，等于π-arccos[(Vgs-Vth)/A]。φ是振荡器输出的相位。将周期函数α包括在冲击函数中考虑，噪声载波功率比可表示为：
可以看到噪声载波功率比是与Γ2 rms成正比的。而Γ2 rms的解析解可以表示为：
在电压受限区，A等于VDD/2，根据式(1)、(5)和(6)可知，噪声载波功率比与W/L成正比。因此仅在第二电流受限区有噪声载波功率比的最优值。将各电路与工艺参数代入式(7)，可得冲击敏感度函数的表达式为：
图4是在振荡频率为1.5GHz条件下，相位噪声与NNMOS沟道宽长比的关系曲线。图中虚线是整体VCO的输出相位噪声曲线，通过cadence软件仿真得到的。图中实线为MN2引入的相位噪声，利用式(8)等推导得到。在W/L为32时，相位噪声达到最优点这与仿真出来的结果是一致的。
接下来考虑谐振腔损耗电阻Rp引入的相位噪声：
Rp的噪声功率谱密度表示为：
Γ2 rms的解析解可以表示为：
将式(8)和(9)代入(1)式可得由Rp引入的相位噪声为：
在电流受限区，当振荡频率ω0,MOS管的沟道尺寸W/L和谐振腔的品质因子Q固定的情况下，根据式(2)可知振幅A与图1中的电感L3的感值成正比。同时根据式(2)和(11)可知相位噪声与电感L3的感值成反比。在电压受限区，A为定值，根据(11)式可知相位噪声与电感L成正比。因此相位噪声对应电感L3的取值有个最优点。在振荡频率为1.5GHz条件下，如图5所示，虚线为电路仿真得到的VCO输出相位噪声与电感L3的关系曲线，在4nH处相位噪声有最优表现。实线为通过理论推导的Rp引入的相位噪声，在电感为6nH处相位噪声有最优表现。理论值与计算值之间受电感工艺模型的影响存在一定的偏差。
采用上述方法优化的压控振荡器输出频率范围为0.75～1.5GHz，频率调节范围达到83％，相位噪声在1.21GHz频点处为-125.84dBc/Hz@1MHz,FOM可达-184，功耗仅为2.25mW。
Claims (1)
1.一种低相噪低功耗宽带压控振荡器电路，包括一个负阻振荡结构和两个缓冲结构，负阻振荡结构包括负阻结构和谐振网络，其特征在于：
第二PMOS管(MP2)、第三PMOS管(MP3)、第二NMOS管(MN2)和第三NMOS管(MN3)构成负阻结构，其中第二PMOS管(MP2)的栅极、第三PMOS管(MP3)的漏极与第二NMOS管(MN2)的栅极、第三NMOS管(MN3)的漏极连接，作为同相输出端(CKP)，第三PMOS管(MP3)的栅极、第二PMOS管(MP2)的漏极与第三NMOS管(MN3)的栅极、第二NMOS管(MN2)的漏极连接，作为反相输出端(CKN)；
谐振电感(L)、开关电容阵列(SCA)、第一可变电容(Cvar1)、第二可变电容(Cvar2)、第一固定电容(C3)、第二固定电容(C4)构成谐振网络，其中第一可变电容(Cvar1)的正极、第一固定电容(C3)的一端、谐振电感(L)的一端、开关电容阵列(SCA)的一端接反相输出端(CKN)，第二可变电容(Cvar2)的正极、第二固定电容(C4)的一端、谐振电感(L)的另一端、开关电容阵列(SCA)的另一端接同相输出端(CKP)，第一固定电容(C3)的另一端与第二固定电容(C4)的另一端连接，第一可变电容(Cvar1)的负极与第二可变电容(Cvar2)的负极连接，作为振荡器电路的控制电压输入端(Vctrl)；
第一滤波电容(C1)和第一滤波电感(L1)并联作为电源噪声滤波器，并联后的一端接电源VDD，并联后的另一端与第二PMOS管(MP2)的源极、第三PMOS管(MP3)的源极连接；第二滤波电容(C2)和第二滤波电感(L2)并联作为衬底噪声滤波器，并联后的一端接地，并联后的另一端与第二NMOS管(MN2)的源极、第三NMOS管(MN3)的源极连接；
第一PMOS管(MP1)和第一NMOS管(MN1)构成一个缓冲结构，第一PMOS管(MP1)的栅极和第一NMOS管(MN1)的栅极接反相输出端(CKN)，第一PMOS管(MP1)的漏极与第一NMOS管(MN1)的漏极连接，作为振荡器电路的反相时钟输出端(CLKN)；第四PMOS管(MP4)和第四NMOS管(MN4)构成另一个缓冲结构，第四PMOS管(MP4)的栅极和第四NMOS管(MN4)的栅极接同相输出端(CKP)，第四PMOS管(MP4)的漏极与第四NMOS管(MN4)的漏极连接，作为振荡器电路的同相时钟输出端(CLKP)；第一PMOS管(MP1)的源极和第四PMOS管(MP4)的源极接电源VDD，第一NMOS管(MN1)的源极和第四NMOS管(MN4)的源极接地；
所述的开关电容阵列(SCA)包括十五个开关电容单元，每个开关电容单元的结构相同，包括两个MOM电容、两个反相器和一个NMOS管，第一MOM电容(Cs1)的一端、第一反相器(Inv1)的输出端接NMOS管(MNs)的漏极，第二MOM电容(Cs2)的一端、第二反相器(Inv2)的输出端接NMOS管(MNs)的源极，NMOS管(MNs)的栅极与第一反相器(Inv1)的输入端和第二反相器(Inv2)的输入端连接，作为该开关电容单元的选通输入端；所有开关电容单元的第一MOM电容(Cs1)的另一端连接，作为开关电容阵列(SCA)的一端，所有开关电容单元的第二MOM电容(Cs2)的另一端连接，作为开关电容阵列(SCA)的另一端；
十五个开关电容单元中的一个开关电容单元的选通输入端独立设置，作为振荡器电路的一级频带控制选择端(D1)；两个开关电容单元的选通输入端连接，作为振荡器电路的二级频带控制选择端(D2)；四个开关电容单元的选通输入端连接，作为振荡器电路的三级频带控制选择端(D3)；八个开关电容单元的选通输入端连接，作为振荡器电路的四级频带控制选择端(D4)；
开关电容单元中的MOM电容采用三维叉指电容，包括多层水平设置的平面叉指电容，所述的平面叉指电容为设置在硅衬底上的一对平面呈梳齿状的金属膜，每个金属膜包括平行的梳齿条(C-2)和连接条(C-1)，连接条(C-1)将多个梳齿条(C-2)并接，两片金属膜呈叉指状设置，相邻两层的平面叉指电容的两片金属膜位置互换，并通过设置在连接条处的金属化通孔(C-3)连通，在竖直方向上形成立面叉指电容。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20170606 Termination date: 20180412 |