CN107947756A - 差分cmos处理电路及振荡系统 - Google Patents

Abstract

本公开提供了一种差分CMOS处理电路，包括：两个源端互连的PMOS；两个源端互连的NMOS；滤波单元，分别与所述两个PMOS和两个NMOS相连，用于滤除该差分CMOS处理电路内部的低频信号，保留其中的高频信号，所述高频信号指预设频段范围内的信号，所述低频信号指低于所述预设频段范围内的信号；其中，所述两个PMOS和两个NMOS分别形成交叉耦合负阻结构，所述滤波单元形成高通滤波结构。此外，本公开还提供了一种振荡系统。本公开基于FBAR器件独特的阻抗特性，同时引入滤波单元，能够形成交叉耦合负阻结构和高通滤波结构，该振荡系统具有相位噪声特性好、线性度好、信号幅度大和功耗低的特性。

Description

差分CMOS处理电路及振荡系统

技术领域

本公开涉及集成电路设计技术领域，尤其涉及一种差分CMOS处理电路及振荡系统。

背景技术

近年内，薄膜体声波谐振器(film-bulk-acoustic-resonator，简称FBAR)主要用于手机滤波器和双工器。而FBAR作为传感器件的特性，就是将FBAR谐振器和振荡电路相结合，可用于环境湿度和气压的测量。FBAR传感器的工作原理类似于石英晶体微量天平，根据Sauerbrey方程可知，FBAR谐振频率的变化与其加载的微小质量呈线性关系。由于FBAR谐振频率高，所以FBAR传感器具有很高的灵敏度。其相对于石英晶体微量天平具有高集成度、高敏感性的特点。同时其作为新型频率基准的振荡器与石英晶体振荡器相比也具有频率高、功耗低、面积小等特点。

由于FBAR振荡器相对于传统石英晶体振荡器所具有的优点，FBAR振荡器开始逐渐走向应用，特别是品质因子大于1000的FBAR器件，在作为基准振荡器时有重要应用。另一方面，实际应用中作为传感器的FBAR器件会出现品质因子较低的情况，这就会导致电路功耗增加和相噪性能恶化，成为FBAR传感器应用时需要克服的一个重点和难点。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本公开的目的在于提供一种差分CMOS处理电路及振荡系统，以解决上述的至少一项技术问题。

(二)技术方案

本公开的一方面，提供了一种差分CMOS处理电路，包括：

两个PMOS，第一PMOS与第二PMOS的源端互连；

两个NMOS，第一NMOS与第二NMOS的源端互连；以及

滤波单元，分别与所述两个PMOS和两个NMOS相连，用于滤除该差分CMOS处理电路内部的低频信号，保留其中的高频信号，所述高频信号指预设频段范围内的信号，所述低频信号指低于所述预设频段范围内的信号；

其中，所述两个PMOS和两个NMOS分别形成交叉耦合负阻结构。

在本公开的一些实施例中，所述滤波单元包括：四个滤波电容，其中，第一滤波电容分别与第一PMOS的漏极和第二PMOS的栅极相连，第二滤波电容分别与第一PMOS的栅极和第二PMOS的漏极相连；第三滤波电容分别与第一NMOS的漏极和第二NMOS的栅极相连，第四滤波电容分别与第一NMOS的栅极和第二NMOS的漏极相连；以及四个滤波电阻，其中，第一滤波电阻分别与第二PMOS的栅极和第三滤波电阻相连；第三滤波电阻还与第二NMOS的栅极相连；第二滤波电阻分别与第四滤波电阻和第一PMOS的栅极相连；第四滤波电阻还与第一NMOS的栅极相连。

在本公开的一些实施例中，所述电路还包括：两个偏置电阻，其中，第一偏置电阻的第一端与第一滤波电容和第三滤波电容相连，该第一偏置电阻的第一端记为第一节点X，第二端与第一滤波电阻和第三滤波电阻相连；第二偏置电阻的第一端与第二滤波电容和第四滤波电容相连，该第二偏置电阻的第一端记为第二节点Y，第二端与第二滤波电阻和第四滤波电阻相连；且第一偏置电阻的第二端与第二偏置电阻的第二端相连，同时与四个滤波电阻的一端相连，形成交流地。

在本公开的一些实施例中，所述第一PMOS与第二PMOS的源端接入Vdd端，Vdd端电压不为0。

在本公开的一些实施例中，所述第一NMOS与第二NMOS的源端接地。

在本公开的一些实施例中，所述两个PMOS的衬底端互连，并加载一第一预设电压，所述第一预设电压小于或等于所述Vdd端电压；

在本公开的一些实施例中，所述两个NMOS的衬底端互连，并加载一第二预设电压，所述第二预设电压大于或等于接地电压，且小于第一预设电压。

在本公开的一些实施例中，所述两个PMOS和两个NMOS形成交叉耦合负阻结构指：交流信号在第一PMOS管导通状态下由第一PMOS管的漏端流出，依次经过第一滤波电容和第一滤波电阻，直至流入第二PMOS管的栅端；交流信号在第二PMOS管导通状态下由第二PMOS管的漏端流出，依次经过第二滤波电容和第二滤波电阻，直至流入第一PMOS管的栅端；交流信号在第一NMOS管导通状态下由第一NMOS管的漏端流出，依次经过第三滤波电容和第三滤波电阻，直至流入第二NMOS管的栅端；交流信号在第二NMOS管导通状态下由第二NMOS管的漏端流出，依次经过第四滤波电容和第四滤波电阻，直至流入第一NMOS管的栅端。

本公开的另一方面，还提供了一种振荡系统，包括前述的差分CMOS处理电路，其中，该系统还包括：薄膜体声波谐振器件，其两端分别与第一节点X与第二节点Y相连，且该薄膜体声波谐振器件在该差分CMOS处理电路的作用下，表现为电感特性时，形成LC振荡电路。

在本公开的一些实施例中，还包括：并联电容，其两端分别与所述薄膜体声波谐振器件的两端相连。

(三)有益效果

本公开的差分CMOS处理电路及振荡系统，相较于现有技术，至少具有以下有益效果其中之一或其中的一部分：

1、基于FBAR器件独特的阻抗特性，同时引入滤波单元，差分CMOS处理电路在交流信号下形成交叉耦合负阻结构，不仅对于高品质因子(品质因子大于1000)的FBAR器件，还是对于低品质因子(品质因子不大于1000)的FBAR器件来说，都能够具有相位噪声特性好、线性度好、信号幅度大和功耗低的特性，适合将FBAR器件与该CMOS差分振荡电路相结合，可以用于环境湿度和气压的测量。

2、引入两个偏置电阻，使得CMOS振荡电路的两条支路具有相同的直流偏置，为差分信号提供稳定的直流工作点；同时也为滤波结构提供一个交流地。

3、两个PMOS管交叉耦合对和两个NMOS管交叉耦合对，分别形成负阻电路，为FBAR谐振腔提供能量补充。同时将高通滤波电路引入交叉耦合结构中，避免电路低频锁定现象的发生。

附图说明

图1为本公开实施例的差分CMOS处理电路的结构示意图。

图2为本公开实施例的振荡系统的结构示意图。

具体实施方式

针对高品质因子(一般大于1000)的FBAR器件，现有技术有特定的振荡电路。而实际应用中会出现FBAR器件品质因子较低(不大于1000)的情况，若采用现有的面向高品质因子FBAR器件的振荡电路，就会导致低品质因子FBAR器件功耗的增加和相噪性能的恶化。因此，低品质因子FBAR传感器在应用时需要克服上述问题。

有鉴于此，本公开提供了一种差分CMOS处理电路，包括：两个PMOS，第一PMOS与第二PMOS的源端互连；两个NMOS，第一NMOS与第二NMOS的源端互连；以及滤波单元(相当于高通滤波器)。且两个PMOS和两个NMOS在交流信号下，分别形成交叉耦合负阻结构。通过该差分CMOS处理电路的交叉耦合负阻结构，能够实现FBAR器件的LC振荡，且具有相位噪声特性好、线性度好、信号幅度大和功耗低的特点，有效地克服了上述问题。

为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。

本公开实施例的一方面，提供了一种差分CMOS处理电路，图1为本公开实施例的差分CMOS处理电路的结构示意图，如图1所示，该差分CMOS处理电路包括：两个源端互连的PMOS、两个源端互连的NMOS和滤波单元。其中，所述两个PMOS和两个NMOS分别形成交叉耦合负阻结构，所述滤波单元形成高通滤波结构，能够使得所述差分CMOS处理电路应用在FBAR器件时，在FBAR器件的谐振频率处产生LC振荡，同时还能保证FBAR器件在振荡时相位噪声特性好、线性度好、信号幅度大和功耗低的特征。

接着，就结合图1详细解释前述的交叉耦合负阻结构：

交流信号在第一PMOS管导通状态下由第一PMOS管的漏端流出，依次经过第一滤波电容和第一滤波电阻，直至流入第二PMOS管的栅端；

交流信号在第二PMOS管导通状态下由第二PMOS管的漏端流出，依次经过第二滤波电容和第二滤波电阻，直至流入第一PMOS管的栅端

交流信号在第一NMOS管导通状态下由第一NMOS管的漏端流出，依次经过第三滤波电容和第三滤波电阻，直至流入第二NMOS管的栅端；

交流信号在第二NMOS管导通状态下由第二NMOS管的漏端流出，依次经过第四滤波电容和第四滤波电阻，直至流入第一NMOS管的栅端。

像这样，两个PMOS管交叉耦合对和两个NMOS管交叉耦合对，分别形成负阻电路，可以为FBAR谐振腔提供能量补充。同时将高通滤波电路(滤波单元)引入交叉耦合结构中，避免电路低频锁定现象的发生。

根据本公开的一些实施例，其中滤波单元可以包括四个滤波电容和四个滤波电阻，且整体电路呈对称状态，如此，便能更好地实现滤波单元的功能，滤除该差分CMOS处理电路内部的低频信号，保留其中的高频信号，所述高频信号指预设频段范围内的信号，所述低频信号指低于所述预设频段范围内的信号，其中，预设频段范围可以根据实际需求进行设置。为了防止该差分CMOS处理电路锁定在低频信号，因此在此设置该滤波单元，滤除其中的低频信号，使得该处理电路能够为FBAR提供LC振荡的高频信号。

其中，第一滤波电容分别与第一PMOS的漏极和第二PMOS的栅极相连，第二滤波电容分别与第一PMOS的栅极和第二PMOS的漏极相连；第三滤波电容分别与第一NMOS的漏极和第二NMOS的栅极相连，第四滤波电容分别与第一NMOS的栅极和第二NMOS的漏极相连。

第一滤波电阻分别与第二PMOS的栅极和第三滤波电阻相连；第三滤波电阻还与第二NMOS的栅极相连；第二滤波电阻分别与第四滤波电阻和第一PMOS的栅极相连；第四滤波电阻还与第一NMOS的栅极相连。

在一些实施例中，为了保证差分CMOS处理电路的两条支路具有相同的直流工作点，并且在交流信号下为差分电压状态，还增加了两个偏置电阻，使得CMOS振荡电路的两条支路具有相同的直流偏置，为差分信号提供稳定的直流工作点；同时也为滤波结构提供一个交流地。

第一偏置电阻的第一端与第一滤波电容和第三滤波电容相连，该第一偏置电阻的第一端记为第一节点X，第二端与第一滤波电阻和第三滤波电阻相连；第二偏置电阻的第一端与第二滤波电容和第四滤波电容相连，该第二偏置电阻的第一端记为第二节点Y，第二端与第二滤波电阻和第四滤波电阻相连。同时第一偏置电阻的第二端与第二偏置电阻的第二端相连，并与四个滤波电阻的一端相连，形成交流地，以保证X节点与Y节点具有相同的直流工作点。

可以理解的是，所述第一PMOS与第二PMOS的源端接入Vdd端，且Vdd端电压不为0；所述第一NMOS与第二NMOS的源端接地，如此便能限定直流信号的传输方向。

另外，两个PMOS的衬底端互连，可以减小因衬底端电压不同而引入的失配，且接入同一大小的电压，记为第一预设电压，且该第一预设电压应该小于或等于Vdd端电压。两个NMOS的衬底端互连，且接入同一大小的电压，记为第二预设电压，第二预设电压应该大于或等于接地电压，且小于第一预设电压。

本公开的另一方面，还提供了一种振荡系统，图2为本公开实施例的振荡系统的结构示意图，如图2所示，该振荡系统包括前述的差分CMOS处理电路和FBAR器件(其品质因子无限制)，FBAR的两端分别与第一节点X与第二节点Y相连，且FBAR在该差分CMOS处理电路的作用下，在特定频段内表现为电感特性，形成LC振荡电路，具有相位噪声特性好、线性度好、信号幅度大和功耗低的特性。

还可以设置与FBAR两端相连的并联电容，在一定范围内调节振荡频率。

本公开在传统的交叉耦合LC振荡器结构基础上，提出了一种CMOS差分振荡电路。本公开基于FBAR器件独特的阻抗特性(在大部分频段表现为容性阻抗，而只在谐振频率附近很小的频段范围内表现为感性阻抗)，使得整个CMOS差分振荡电路反映了FBAR器件的谐振频率，作为被测环境变量(环境湿度、气压等)的度量；同时将滤波单元引入到谐振电路中，解决了差分振荡电路低频锁定的难题。本公开的振荡系统相较于现有技术，具有相位噪声特性好、线性度好、信号幅度大和功耗低等优点，特别适用于低品质因子FBAR器件的工作状态，适合FBAR器件与该CMOS差分振荡电路相结合，可以用于环境湿度和气压的测量。

除非有所知名为相反之意，本说明书及所附权利要求中的数值参数是近似值，能够根据通过本公开的内容所得的所需特性改变。具体而言，所有使用于说明书及权利要求中表示组成的含量、反应条件等等的数字，应理解为在所有情况中是受到“约”的用语所修饰。一般情况下，其表达的含义是指包含由特定数量在一些实施例中±10％的变化、在一些实施例中±5％的变化、在一些实施例中±1％的变化、在一些实施例中±0.5％的变化。

再者，“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。

说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等的用词，以修饰相应的元件，其本身并不意味着该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序、或是制造方法上的顺序，该些序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能做出清楚区分。

以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种差分CMOS处理电路，包括：

两个PMOS，第一PMOS与第二PMOS的源端互连；

两个NMOS，第一NMOS与第二NMOS的源端互连；以及

滤波单元，分别与所述两个PMOS和两个NMOS相连，用于滤除该差分CMOS处理电路内部的低频信号，保留其中的高频信号，所述高频信号指预设频段范围内的信号，所述低频信号指低于所述预设频段范围内的信号；

其中，所述两个PMOS和两个NMOS分别形成交叉耦合负阻结构。

2.根据权利要求1所述的电路，其中，所述滤波单元包括：

四个滤波电容，其中，第一滤波电容分别与第一PMOS的漏极和第二PMOS的栅极相连，第二滤波电容分别与第一PMOS的栅极和第二PMOS的漏极相连；第三滤波电容分别与第一NMOS的漏极和第二NMOS的栅极相连，第四滤波电容分别与第一NMOS的栅极和第二NMOS的漏极相连；以及

四个滤波电阻，其中，第一滤波电阻分别与第二PMOS的栅极和第三滤波电阻相连；第三滤波电阻还与第二NMOS的栅极相连；第二滤波电阻分别与第四滤波电阻和第一PMOS的栅极相连；第四滤波电阻还与第一NMOS的栅极相连。

3.根据权利要求2所述的电路，其中，所述电路还包括：

两个偏置电阻，其中，第一偏置电阻的第一端与第一滤波电容和第三滤波电容相连，该第一偏置电阻的第一端记为第一节点X，第二端与第一滤波电阻和第三滤波电阻相连；第二偏置电阻的第一端与第二滤波电容和第四滤波电容相连，该第二偏置电阻的第一端记为第二节点Y，第二端与第二滤波电阻和第四滤波电阻相连；且第一偏置电阻的第二端与第二偏置电阻的第二端相连，同时与四个滤波电阻的一端相连，形成交流地。

4.根据权利要求1至3任一所述的电路，其中，所述第一PMOS与第二PMOS的源端接入Vdd端，Vdd端电压不为0。

5.根据权利要求4所述的电路，其中，所述第一NMOS与第二NMOS 的源端接地。

6.根据权利要求5所述的电路，其中，所述两个PMOS的衬底端互连，并加载一第一预设电压，所述第一预设电压小于或等于所述Vdd端电压。

7.根据权利要求6任一所述的电路，其中，所述两个NMOS的衬底端互连，并加载一第二预设电压，所述第二预设电压大于或等于接地电压，且小于第一预设电压。

8.根据权利要求7所述的电路，其中，所述两个PMOS和两个NMOS形成交叉耦合负阻结构指：

交流信号在第一PMOS管导通状态下由第一PMOS管的漏端流出，依次经过第一滤波电容和第一滤波电阻，直至流入第二PMOS管的栅端；

交流信号在第二PMOS管导通状态下由第二PMOS管的漏端流出，依次经过第二滤波电容和第二滤波电阻，直至流入第一PMOS管的栅端；

交流信号在第一NMOS管导通状态下由第一NMOS管的漏端流出，依次经过第三滤波电容和第三滤波电阻，直至流入第二NMOS管的栅端；

交流信号在第二NMOS管导通状态下由第二NMOS管的漏端流出，依次经过第四滤波电容和第四滤波电阻，直至流入第一NMOS管的栅端。

9.一种振荡系统，包括如权利要求1至8任一所述的差分CMOS处理电路，其中，该系统还包括：

薄膜体声波谐振器件，其两端分别与第一节点X与第二节点Y相连，且该薄膜体声波谐振器件在该差分CMOS处理电路的作用下，表现为电感特性时，形成LC振荡电路。

10.根据权利要求9所述的振荡系统，其中，还包括：

并联电容，其两端分别与所述薄膜体声波谐振器件的两端相连。