CN108259037A - 多谐振腔耦合低相位噪声压控振荡器 - Google Patents

多谐振腔耦合低相位噪声压控振荡器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种多谐振腔耦合低相位噪声压控振荡器。所述压控振荡器电路利用多个压控振荡器相互耦合以提升相位噪声性能，并采用电流复用技术来降低电路功耗。其中，所述压控振荡器电路包括相互耦合的第一压控振荡器、第二压控振荡器、第三压控振荡器和第四压控振荡器。每个压控振荡器的负阻单元电路均采用电流复用结构以降低功耗并去除共模节点的二次谐波对相位噪声的恶化，进一步提升相位噪声性能。本发明的低相位噪声压控振荡器可有效提升相位噪声性能。

Description

多谐振腔耦合低相位噪声压控振荡器
技术领域
本发明属于射频集成电路技术领域，具体涉及一种低相位噪声压控振荡器。
技术背景
压控振荡器作为无线通信系统中的核心模块之一，用于产生频率稳定的信号，常用于给数字电路提供参考时钟或为发射和接收链路提供上下变频所需要的本振信号。相位噪声作为衡量压控振荡器性能的关键指标，直接影响整个系统的性能指标，因此压控振荡器一直是集成电路设计领域的一个关键技术。而无线通信技术的迅速发展，对压控振荡器的相位噪声性能提出了更高的要求。
目前压控振荡器主要有两种实现形式：环形压控振荡器及电感电容压控振荡器。环形压控振荡器由反相器链构成，由于其通过调节反相器单元的延迟或者个数来改变振荡频率，受到单元最小延迟的限制，其输出频率较低且相位噪声性能较差，主要被用于产生片上时钟信号。电感电容压控振荡器由电感电容所构成的谐振腔和负阻单元电路组成。具有振荡频率高、相位噪声低、功耗较小等特点，其相位噪声远优于环形振荡器，因而在无线通信系统中得到了广泛的应用。
尽管相对于环形振荡器，电感电容压控振荡器的相位噪声及功耗已经得到了极大改善，但随着器件特征尺寸的不断缩小，无线接收机对压控振荡器的功能要求也随之提升，传统电感电容压控振荡器已经难以满足要求。因而对于无线收发芯片而言，电感电容压控振荡器的设计仍然为其主要瓶颈和挑战。
根据相位噪声理论，电感电容压控振荡器的相位噪声 可表示为：
（1）
其中，为偏移频率，为振荡频率，为噪声指数，为玻尔兹曼常数，为绝对温度值，为谐振腔品质因数，为振荡信号幅度，为谐振腔等效并联电阻。
由上式可知，为优化相位噪声性能，可通过提高谐振器品质因数和振荡信号的幅度来实现。在集成电路工艺中，片上电容的品质因素远远大于片上电感的品质因素，因而谐振器的品质因数主要由片上电感决定。然而，由于趋肤效应及衬底的高损耗等因素，片上电感可获得的品质因数有限。另一方面，随着CMOS工艺特征尺寸的缩小，电源电压随之降低，压控振荡器的输出信号幅度也随着降低。这使得低相位噪声的优化设计变得十分困难。
发明内容
本发明的目的在于提供一种低相位噪声的压控振荡器。采取的技术方案如下：
一种多谐振腔耦合低相位噪声压控振荡器。其包括第一压控单元，所述的第一压控单元由第一压控振荡器(110)、第三压控振荡器(130)组成，第一压控振荡器(110)、第三压控振荡器(130)的结构相同；
所述的第一压控振荡器(110)包括PMOS管M1p、NMOS管M1n、电感L1和两个可变电容Cv1，PMOS管M1p和NMOS管M1n形成负阻单元，电感L1的两端与负阻单元的两个输出端分别接通，两个可变电容Cv1的一端背靠背对接，两个可变电容Cv1的另一端与电感L1的两端相接通以使两个可变电容Cv1与电感L1相并联；
所述的第一压控振荡器(110)的电感L1与第三压控振荡器(130)的电感L3耦合构成片上变压器。
进一步的，所述的第一压控振荡器的负阻单元的结构组成为：电源VDD连接PMOS管M1p的漏极，NMOS管M1n的漏极接地，PMOS管M1p的栅极连接NMOS管M1n的源极作为第一输出端V1p，NMOS管M1n的栅极连接PMOS管M1p的源极作为第二输出端V1n，PMOS管M1p和 NMOS管M1n组成电流复用结构形式的负阻单元。
进一步的，电感L1的两端分别与第一输出端V1p和第二输出端V1n相连。
进一步的，第一压控振荡器(110)、第三压控振荡器(130)的两个可变电容的对接端都与模拟调谐电压Vc相连
进一步的，还包括与第一压控单元结构相同的第二压控单元；第二压控单元由第二压控振荡器(120)和第四压控振荡器(140)组成，第一压控振荡器(110)的第一输出端和第二压控振荡器(120)的第一输出端相接通，第一压控振荡器(110)的第二输出端和第二压控振荡器(120)的第二输出端相接通，第三压控振荡器(130)的第一输出端和第四压控振荡器(140)的第一输出端相接通，第三压控振荡器(130)的第二输出端和第四压控振荡器(140)的第二输出端相接通。
进一步的，第一压控单元和第二压控单元的可变电容对接端都与模拟调谐电压Vc相连。
进一步的，所述的第一压控振荡器(110)、第三压控振荡器(130)的耦合方式为电感交叉耦合。
本发明的优点及有益效果：与现有技术相比，本发明所提供的低相位噪声压控振荡器采用多个压控振荡器耦合以提升相位噪声性能，为降低电路功耗，负阻单元电路采用电流复用结构，与传统负阻单元电路相比，本发明中的电流复用负阻单元不存在共模节点，从而可消除传统结构中共模节点的二次谐波对相位噪声的恶化，进一步提升相位噪声性能。因此，本发明可有效提升压控振荡器的相位噪声性能。
附图说明
图1为本发明实施例的多谐振腔耦合低相位噪声压控振荡器的结构示意图。
图2为传统差分互补结构压控振荡器电路示意图。
图3为本发明实施例的电感布置方式的顶视图。
具体实施方式
为进一步说明本发明的优势所在和具体所采取的技术手段，以下结合各附图详细说明本发明的具体实施例，理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均应落入本申请权利要求保护范围。
参照图1，以下具体公开第一至第四压控振荡器的具体结构，本发明的多谐振器耦合低相位噪声压控振荡器包括第一压控振荡器(110)、第二压控振荡器(120)、第三压控振荡器(130)和第四压控振荡器(140)。其中：
所述第一压控单元包括：
第一压控振荡器(110)包括PMOS管M1p、NMOS管M1n、电感L1以及两个可变电容Cv1。PMOS管M1p和NMOS管M1n形成负阻单元，电源VDD连接PMOS管M1p的漏极，NMOS管M1n的漏极接地，PMOS管M1p的栅极连接NMOS管M1n的源极作为第一输出端V1p，NMOS管M1n的栅极连接PMOS管M1p的源极作为第二输出端V1n组成电流复用结构形式负阻单元结构，电感L1的两端分别与V1p和V1n相连，两个可变电容Cv1背靠背对接，对接端与模拟调谐电压Vc相连，两个可变电容Cv1未连接在一起的一端分别与电感L1的两端相连。
第二压控振荡器(120)包括PMOS管M2p、NMOS管M2n、电感L2以及两个可变电容Cv2。电源VDD连接PMOS管M2p的漏极，NMOS管M2n的漏极接地，PMOS管M2p的栅极连接NMOS管M2n的源极并与第一压控振荡器(110)的第一输出端V1n相连，NMOS管M2n的栅极连接PMOS管M2p的源极并与第一压控振荡器(110)的第二输出端V1p相连组成电流复用结构形式负阻单元结构，电感L2的两端分别与V1p和V1n相连，两个可变电容Cv2背靠背对接，对接端与模拟调谐电压Vc相连，两个可变电容Cv2未连接在一起的一端分别与电感L2的两端相连。
第二压控单元包括：第三压控振荡器(130)包括PMOS管M3p、NMOS管M3n、电感L3以及两个可变电容Cv3。电源VDD连接PMOS管M3p的漏极，NMOS管M3n的漏极接地，PMOS管M3p的栅极连接NMOS管M3n的源极作为第一输出端V2p，NMOS管M3n的栅极连接PMOS管M3p的源极作为第二输出端V2n组成电流复用结构形式负阻单元结构，电感L3的两端分别与V2p和V2n相连，两个可变电容Cv3背靠背对接，对接端与模拟调谐电压Vc相连，两个可变电容Cv1未连接在一起的一端分别与电感L1的两端相连。
第四压控振荡器(140)包括PMOS管M4p、NMOS管M4n、电感L4以及两个可变电容Cv4。电源VDD连接PMOS管M4p的漏极，NMOS管M4n的漏极接地，PMOS管M4p的栅极连接NMOS管M4n的源极并与第三压控振荡器(130)的第一输出端V2n相连，NMOS管M4n的栅极连接PMOS管M4p的源极并与第三压控振荡器(130)的第二输出端V2p相连组成电流复用结构形式负阻单元结构，电感L4的两端分别与V2p和V2n相连，两个可变电容Cv4背靠背对接，对接端与模拟调谐电压Vc相连，两个可变电容Cv4未连接在一起的一端分别与电感L4的两端相连。
所述电感L1与电感L3构成片上变压器，两者之间的耦合系数为k1。电感L2与电感L4构成片上变压器，两者之间的耦合系数为k2。耦合方式为电感交叉耦合。
第一压控振荡器(110)、第二压控振荡器(120)、第三压控振荡器(130)和第四压控振荡器(140)的可变电容对接端都与模拟调谐电压Vc相连。通过调节模拟调谐电压Vc从而改变谐振器的电容值，实现频率的调整。差分振荡信号可从输出端V1p和V1n或者输出端V2p和V2n输出。
在本发明中，第一压控振荡器(110)、第二压控振荡器(120)、第三压控振荡器(130) 和第四压控振荡器(140)的负阻单元电路均采用电流复用结构，仅采用一个PMOS管和一个NMOS提供负阻以补偿谐振腔的损耗，从而维持稳定的振荡。相对于传统的互补交叉耦合差分对管（图2），该结构仅需要一半的偏置电流就可以提供相同的负阻。此外，由于PMOS管和NMOS管在压控振荡器工作中同时导通或者关断，不存在传统结构中的共源节点，这使得其可避免共源节点中的二次谐波频率对相位噪声所带来的影响。
本发明所给出的低相位噪声压控振荡器使用多个电感，这些电感需要很大的版图面积。图3示出了本发明的一个实例，形成与衬底上的电感L1和电感L3的顶视图，电感L1和电感L3相互交叉耦合，以便重新使用同一版图面积。电感L2和电感L4与电感L1和电感L3的实现方式相同。

Claims (6)

1.一种多谐振腔耦合低相位噪声压控振荡器，其特征是：包括第一压控单元，所述的第一压控单元由第一压控振荡器(110)、第三压控振荡器(130)组成，第一压控振荡器(110)、第三压控振荡器(130)的结构相同；
所述的第一压控振荡器(110)包括PMOS管M1p、NMOS管M1n、电感L1和两个可变电容Cv1，PMOS管M1p和NMOS管M1n形成负阻单元，电感L1的两端与负阻单元的两个输出端分别接通，两个可变电容Cv1的一端背靠背对接，两个可变电容Cv1的另一端与电感L1的两端相接通以使两个可变电容Cv1与电感L1相并联；
所述的第一压控振荡器(110)的电感L1与第三压控振荡器(130)的电感L3耦合构成片上变压器。
2.根据权利要求1所述的一种多谐振腔耦合低相位噪声压控振荡器，其特征是：所述的第一压控振荡器的负阻单元的结构组成为：电源VDD连接PMOS管M1p的漏极，NMOS管M1n的漏极接地，PMOS管M1p的栅极连接NMOS管M1n的源极作为第一输出端V1p，NMOS管M1n的栅极连接PMOS管M1p的源极作为第二输出端V1n，PMOS管M1p和 NMOS管M1n组成电流复用结构形式的负阻单元。
3.根据权利要求2所述的一种多谐振腔耦合低相位噪声压控振荡器，其特征在于：电感L1的两端分别与第一输出端V1p和第二输出端V1n相连。
4.根据权利要求2所述的一种多谐振腔耦合低相位噪声压控振荡器，其特征在于：第一压控振荡器(110)、第三压控振荡器(130)的两个可变电容的对接端都与模拟调谐电压Vc相连
根据权利要求4所述的一种多谐振腔耦合低相位噪声压控振荡器，其特征在于：还包括与第一压控单元结构相同的第二压控单元；第二压控单元由第二压控振荡器(120)和第四压控振荡器(140)组成，第一压控振荡器(110)的第一输出端和第二压控振荡器(120)的第一输出端相接通，第一压控振荡器(110)的第二输出端和第二压控振荡器(120)的第二输出端相接通，第三压控振荡器(130)的第一输出端和第四压控振荡器(140)的第一输出端相接通，第三压控振荡器(130)的第二输出端和第四压控振荡器(140)的第二输出端相接通。
5.根据权利要求5所述的一种多谐振腔耦合低相位噪声压控振荡器，其特征在于：第一压控单元和第二压控单元的可变电容对接端都与模拟调谐电压Vc相连。
6.根据权利要求1所述的一种多谐振腔耦合低相位噪声压控振荡器，其特征在于：所述的第一压控振荡器(110)、第三压控振荡器(130)的耦合方式为电感交叉耦合。
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