CN105281761A - 60GHz锁相环低功耗低回踢抖动的电压控制CMOS LC振荡器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种60GHz锁相环低功耗低回踢抖动的电压控制CMOS？LC振荡器。该振荡器（VCO）包括：由NMOS器件N2、N3组成的负阻对；由累积型变容管C2、C3和电感L2、L3组成的谐振腔；由NMOS器件N1、电感L1和电容C1组成的输出缓冲电路。通过在C2和C3之间插入电感L3，由环路滤波器产生的控制电压通过电感L3接入电压控制振荡器，可降低振荡器的回踢抖动并抑制其中的二次谐波分量，同时可以使变容管工作在Q值较高的区域，显著降低其功耗。

Description

60GHz锁相环低功耗低回踢抖动的电压控制CMOS LC振荡器

技术领域

本发明涉及集成电路设计领域，具体涉及一种用于锁相环中低功耗低回踢抖动的电压控制CMOSLC振荡器。

背景技术

随着无线通信技术的快速发展，我们需要越来越快的数据传输速率。在未来可预期的无线通信频段，其中60GHz频段有可用带宽大和可用频带宽这两个特点。数据传输速率与载波频率和可用带宽相关，在60GHz频段上，人们可以很轻松地将传输速率提升至1Gbps-10Gbps，满足业界对传输速率的要求。这同时也推动了基于CMOS工艺的低成本、低功耗的60GHz无线收发机的研究开发。在收发机中，锁相环不可或缺。同时锁相环的性能影响着整个收发机的性能，而60GHz电压控制振荡器作为锁相环中的核心模块，它决定了锁相环的一些重要特性，例如功耗、调谐范围、相位噪声等。

对于60GHzCMOS电压控制振荡器电路的设计来说，降低功耗和输入控制电压线上的回踢抖动是其主要挑战之一。电压控制振荡器在整个锁相环系统中工作频率最高，它的功耗占锁相环总功耗的绝大部分。而且振荡器在工作时，会影响环路滤波器产生的电压控制信号，使其产生纹波，在锁相环环路中，纹波中的二次谐波会输入VCO，同时增强输出频谱中我们所不希望出现的谐波分量。

为了降低功耗，一种常用的方法是降低电源电压，但是即使在低电压下，随着频率增加，电路节点电压翻转更快，功耗还是会显著上升。同时随着频率上升，其中构成振荡器的变容管，它的Q值会急速恶化，使得它在工作时消耗更多的功耗。在电压控制振荡器中，变容管的电容品质因素与频率成反比，例如频率从2.4GHz变为60GHz，变容管品质因素会从137.8变为5.58。这个是导致传统LC结构的电压控制振荡器电路在频率上升至60GHz时，功耗会上升的一个因素。另外一种常用的办法是采用适用于射频的SOI或者锗硅工艺。这些工艺寄生电容小、衬底损耗小，器件工作速度快，电压控制振荡器的功耗能获得较好的改善，但是这些工艺价格昂贵，而且难以与收发机后端的基于CMOS工艺的基带数字处理芯片集成。

为了抑制电压控制振荡器的回踢抖动，一种常用的方法是增加控制电压端的输入电容。但在二阶锁相环中，为了保证环路稳定，改变这个值需要同时改变环路带宽等指标，而这些指标通常是根据应用而定，不可以改变。同时为了更好的抑制电荷泵和鉴频鉴相器的噪声，有时会使用三阶锁相环，在这种结构中，控制电压端的输入电容会更加小，因VCO的回踢抖动而产生的控制电压纹波会更加大。

发明内容

本发明提供了一种60GHz锁相环中低功耗低回踢抖动的电压控制CMOSLC振荡器。

一种60GHz锁相环的低功耗低回踢抖动的电压控制CMOSLC振荡器，包括LC谐振腔电路，负阻对电路，输出缓冲电路：

所述的LC谐振腔电路包括电感L2、L3和变容管C2、C3；其中L2两端分别与C2和C3的负极相连，L2中间抽头端与电源电压VDD相连；L3两端分别与C2和C3的正极相连，L3中间抽头端与VTUNE相连，VTUNE是由环路滤波器产生的电压信号；所述的LC谐振腔电路工作在60GHz频段，其中L2和L3为中心抽头的片上螺旋形电感，C2、C3为累积性变容管，由环路滤波器产生的控制电压VTUNE通过电感L3接入电压控制CMOSLC振荡器；

所述负阻对电路，包括NMOS器件N2、N3。N2的栅极与N3的漏极相接，N3的栅极与N2的漏极相接，N2与N3的源级接地，N2和N3构成一个负阻对，用于给L2、L3、C2、C3构成的谐振腔提供能量；

所述的输出缓冲电路，包括：NMOS器件N1，电感L1和电容C1；其中N1栅极与N2漏极相连，N6栅极与N5漏极相连，N6源极和漏极接地；L5一端接N1漏极，一端接地；C1正极接N1漏极，负极接Fout，Fout是输出端口。

所述的NMOS器件N1、N2、N3均为采用深N阱工艺，同时经过阈值调整工艺形成的低阈值金属氧化物半导体MOS晶体管。

所述的电容C1为金属MOM电容。

与现有技术相比，本发明具有如下有益的技术效果：

本发明对振荡器功耗消耗和会踢抖动的工作原理进行了深入透彻的研究，得到了一个在工业上简明易行却不易想到的方案，即通过在C2和C3之间插入电感L3，由环路滤波器产生的控制电压通过电感L3接入电压控制振荡器，可降低振荡器的回踢抖动并抑制其中的二次谐波分量，同时可以使变容管工作在Q值较高的区域，显著降低其功耗。

本发明的60GHz电压控制CMOS振荡器电路能够工作在1.2V电压下，在Spectre仿真中，振荡器的回踢抖动幅度比传统结构减小20%，其中二次谐波分量减小5.5倍，功耗比传统结构降低20%。

附图说明

图1是传统的电压控制振荡器电路的电路结构示意图；

图2是本发明中电压控制振荡器电路的电路结构示意图；

图3是工作频率为60GHz时变容管Q值与变容管两端电压差的关系示意图；

图4是本发明的电压控制振荡器电路的工作波形示意图；

图5是传统电压控制振荡器电路的Spectre模拟仿真结果示意图；

图6是本发明中电压控制振荡器电路的Spectre模拟仿真结果示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的说明，但是所做示例不作为对本发明的限制。

如图1所示的传统的电压控制振荡器电路结构，控制电压（VTUNE）控制变容管两端电压差，改变变容管的容值，从而改变电压控制振荡器的输出频率。NMOS管形成负阻对，补充谐振腔振荡时损失的能量。输出缓冲电路需要放大输出信号，同时需要将输出阻抗与负载进行匹配。此传统结构可以通过不同的实现方式进行具体设计，负阻对电路中可以同时采用NMOS与PMOS管来减小功耗，谐振腔电路中可以加入电容阵列增加其可调谐范围，不同的实现方式所得到的振荡器电路的性能也会存在差异。

如图2所示的本发明中的用于60GHz锁相环低功耗低回踢抖动的电压控制CMOSLC振荡器电路结构包括多个NMOS晶体管、电感、电容和变容管。NMOS晶体管采用的是低阈值带深N阱结构的n沟道MOS晶体管；电容采用的是射频金属MOM电容；变容管采用的是累积性MOS变容管；电感采用的是片上螺旋形金属电感。

用于60GHz锁相环低功耗低回踢抖动电压控制CMOSLC振荡器，包括LC谐振腔电路，负阻对电路，输出缓冲电路：

所述的LC谐振腔电路，用于振荡器振荡时存储和释放能量。它同时也是一个带通滤波器，负责输出特定的频率。包括电感L2、L3和变容管C2、C3；其中L2两端分别与C2和C3的负极相连，L2中间抽头端与电源电压相连；其中L3两端分别与C2和C3的正极相连，L3中间抽头端与VTUNE相连，VTUNE是由环路滤波器产生的电压信号；

所述负阻对电路，用于给LC谐振腔振荡时提供能量。包括NMOS器件N2、N3、N4、N5。为了使电路在低电压下能工作在60GHz频段，NMOS器件均采用深N阱工艺，同时经过阈值调整工艺形成的低阈值金属氧化物半导体MOS晶体管。低阈值器件是电路在低电压下获得更大的电压净空间，使振荡波形的幅值变大，有利于减小相位噪声，同时可以增大负阻对电路形成的负阻值来确保电路满足起振条件。通过采用带深N阱结构的NMOS管，可减小来自衬底的噪声，降低振荡器的相位噪声。

其中，N2的栅极与N3的漏极相接，N3的栅极与N2的漏极相接，N2与N3的源级接地，N2和N3构成一个负阻对，用于给L2、L3、C2、C3构成的谐振腔提供能量；

所述的输出缓冲电路，用于输出放大信号，并使输出阻抗与负载匹配。包括：NMOS器件N1，电感L1和电容C1；其中N1栅极与N2漏极相连；L1一端接N1漏极，一端接电源；C1正极接N1漏极，负极接Fout，Fout是输出端口。

本发明中电压控制振荡器的原理如下：

LC型振荡器是一个正反馈型放大器。在电路开始工作时，放大器会将电路中的噪声循环放大，若放大器满足巴克豪森起振条件，则振荡器最终会发生振荡，获得我们所需要的振荡信号。信号的频率由螺旋型电感的电感值与总电容值确定，总电容包括由变容管提供的电容以及寄生电容。改变VTUNE值可以改变变容管两端的电压差，使变容管电容值发生变化，从而改变振荡频率。其中改变VTUNE值的电压信号由环路滤波器提供。

在N2、N3、C2、C3、L2、L3组成的电压控制振荡器中，随着电路开始工作，LC谐振腔电路循环地存储和释放能量，其中存在一个振荡波形。

图3所示为在工作频率为60GHz时，变容管Q值与变容管两端电压差的示意图。其中横坐标是变容管两端的电压差，纵坐标是变容管Q值，其中Q值越大表明变容管在工作时损耗越小。为了获得较好的Q值，偏置一般取在黑色三角形以上Q值较好的区域，但是受限于电源电压，电压差也无法取得太大。例如在本发明中，为了获得低功耗而采用了1.2V的电源电压，其偏置也在黑色三角形附近。

图4所示为本发明的电压控制振荡器电路的工作波形示意图。其谐振腔中会存在幅度为A的振荡波形，在传统结构中，结合图3可以知道，这会使得变容管在周期内会有一段时间工作在Q值较低的区域，这使得功耗会增加。若加入电感L3，变容管另外一端会存在幅度不同，相位相同的波形，同时因为L3取值比较大，振荡幅度B几乎接近A，这使得变容管一直工作在Q值较好的区域。这可以显著降低VCO在振荡时的功耗。

图5所示为传统电压控制振荡器电路的Spectre模拟仿真结果示意图。在输入电容50fF的情况下，因为电压控制振荡器而产生的纹波如图所示，其功耗消耗为19.2mW。

图6所示为本发明中电压控制振荡器电路的Spectre模拟仿真结果示意图。在输入电容50fF的情况下，因为电压控制振荡器而产生的纹波如图所示。因为电感L3对于交流信号来说是一个高阻抗，这也显著降低了VCO在工作时产生的回踢抖动。其中本发明振荡器的回踢抖动幅度比传统结构减小20%，其中二次谐波分量幅度减小5.5倍。本发明功耗为15.3mW，比传统结构要低20%。

Claims (3)

1.一种60GHz锁相环中低功耗低回踢抖动的电压控制CMOSLC振荡器，其特征在于：包括LC谐振腔电路，负阻对电路，输出缓冲电路；

所述的LC谐振腔电路包括电感L2、L3和变容管C2、C3；其中L2两端分别与C2和C3的负极相连，L2中间抽头端与电源电压VDD相连；L3两端分别与C2和C3的正极相连，L3中间抽头端与VTUNE相连，VTUNE是由环路滤波器产生的电压信号；所述的LC谐振腔电路工作在60GHz频段，其中L2和L3为中心抽头的片上螺旋形电感，C2、C3为累积性变容管，由环路滤波器产生的控制电压VTUNE通过电感L3接入电压控制CMOSLC振荡器；

所述负阻对电路，包括NMOS器件N2、N3；

N2的栅极与N3的漏极相接，N3的栅极与N2的漏极相接，N2与N3的源级接地，N2和N3构成一个负阻对，用于给L2、L3、C2、C3构成的谐振腔提供能量；

所述的输出缓冲电路，包括：NMOS器件N1，电感L1和电容C1；其中N1栅极与N2漏极相连，N6栅极与N5漏极相连，N6源极和漏极接地；L5一端接N1漏极，一端接地；C1正极接N1漏极，负极接Fout，Fout是输出端口。

2.如权利要求1所述的电压控制CMOSLC振荡器，其特征在于：所述的NMOS器件N1、N2、N3均为采用深N阱工艺，同时经过阈值调整工艺形成的低阈值金属氧化物半导体MOS晶体管。

3.如权利要求1所述的电压控制CMOSLC振荡器，其特征在于：所述的电容C1为金属MOM电容。