CN109347442B - 一种基于可调谐有源电感的微型压控振荡器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于可调谐有源电感的微型压控振荡器，它包括第一有源电感、第二有源电感、第一注入电流源、第二注入电流源和self‑cascode负阻电路。其中第一、第二有源电感基于回转器原理实现，它们由正跨导放大器、负跨导放大器、有源反馈电阻、辅助电容和可调电流源构成；第一、第二注入电流源分别位于负阻电路两侧，采用MOS管构成；self‑cascode负阻电路由四个MOS管构成，采用交叉耦合方式连接，用于补偿谐振回路的能量损失。本发明提出的压控振荡器采用有源电感替代无源螺旋电感，并使用注入电流源和self‑cascode负阻电路来实现。与传统的电感电容压控振荡器相比，本发明通过改变外部控制电压实现电感值的调节，从而达到振荡器宽频率调谐范围的目的，且减小了芯片面积。

Description

一种基于可调谐有源电感的微型压控振荡器
技术领域
本发明涉及一种射频器件与射频集成电路设计领域，特别涉及一种基于可调谐有源电感的微型压控振荡器。
背景技术
当前，微型化射频集成电路设计对实现工作在人体体内的可植入式生物医疗设备(如无线胶囊内窥镜)或新兴的可穿戴式设备具有非常重要的理论与现实意义。
在微型化射频集成电路设计中，压控振荡器是不可或缺的重要功能模块，它为射频收发机提供频率稳定且可控的本振信号。目前压控振荡器可分为LC负阻振荡器与环形振荡器两大类。
LC负阻振荡器由电感电容谐振回路和有源负阻模块构成，如图1所示，其振荡频率由谐振回路的谐振频率决定，具有频率稳定度高和相位噪声低等优点，但它需要无源螺旋电感元件。由于无源螺旋电感的电感值不可调谐，极大地限制了LC负阻振荡器的频率调谐范围，在宽带电路应用中并不具有吸引力。为了实现宽的频率调谐范围，有学者提出了一些改进方法，如采用开关电感或者开关电容阵列，虽然LC负阻振荡器的频率调谐范围得到了改善，但也极大地增加了芯片面积和电路复杂性，不符合微型化射频集成电路的设计需要。
与LC负阻振荡器相比，环形振荡器由几个相同的延时单元形成环路而构成，环形振荡器无需电感无源元件，芯片面积小，频率调谐范围宽，能提供多相位输出，但它的相位噪声性能较差，同时射频环形振荡器很难提供振荡器的特征方程、起振条件以及振荡频率等关键设计参数。
近年来随着CMOS技术的发展，MOS管元件尺寸不断缩小，但占大部分芯片面积的无源螺旋电感元件并不随CMOS技术的演进而成比例缩小。另一方面，基于回转器原理的有源电感由一个正跨导放大器和一个负跨导放大器构成回转器加一个电容C来实现，与传统的无源螺旋电感元件相比，有源电感占用芯片面积小，仅为无源螺旋电感的1％～10％，并能在宽频率工作范围内实现对电感值和Q值的调谐。
因此，为了满足微型化电路的发展需求，本发明在传统的LC压控振荡器的基础上，探索一种基于可调谐有源电感的微型压控振荡器，使提出的压控振荡器无需无源螺旋电感元件，实现微型化，且同时满足宽频率调谐范围和好的相位噪声等性能要求。
发明内容
本发明提供了一种基于可调谐有源电感的微型压控振荡器，它通过采用新型有源电感代替传统无源螺旋电感，实现了电感值的可调谐，提高了压控振荡器的频率调谐范围，减少了芯片面积，达到优化压控振荡器性能的目的。
本发明通过如下技术方案实现：提出的压控振荡器包括第一输出端口VO+、第二输出端口VO-、第一有源电感、第二有源电感、第一注入电流源、第二注入电流源和self-cascode负阻电路。
第一注入电流源M17与第二注入电流源M18具有完全相同的结构，均采用单个晶体管构成，分别位于Self-cascode负阻电路M13-M16的两侧。采用注入电流源将开辟一条直流电流通路，以增加流经有源电感负跨导放大器M2和M8的直流偏置电流，从而提高负跨导放大器的跨导，进而实现有源电感中等效电感值与频率范围的改变，使得压控振荡器具有更宽的频率调谐范围。Self-cascode负阻电路通过正反馈的交叉耦合连接方式产生负阻，补偿振荡回路中的能量损失，使得压控振荡器可以持续等幅振荡。
第一有源电感和第二有源电感具有完全相同的结构，都是基于回转器原理实现，它们由正跨导放大器、负跨导放大器、有源反馈电阻、辅助电容、第一可调电流源和第二可调电流源构成。在有源电感中正跨导放大器与负跨导放大器是构成回转器的重要组成部分，其中正跨导放大器采用共栅放大器结构，负跨导放大器采用共源放大器结构。正跨导放大器的输出端与负跨导放大器的输入端通过有源反馈电阻连接，正跨导放大器的输入端与负跨导放大器的输出端相连，并作为有源电感的输入端。正跨导放大器与负跨导放大器相互交叉连接形成回转器，把包括辅助电容在内的输入电容回转成等效电感元件。
有源反馈电阻和辅助电容的加入可以改善有源电感的电感值，减小等效串联电阻值，此外，通过调节有源反馈电阻可以改变有源电感的输出阻抗，从而实现有源电感值的调谐。
第一可调电流源和第二可调电流源均由晶体管构成，为有源电感电路提供直流偏置电流，用于调节相应晶体管的跨导。
同时，有源电感采用外部直流偏置Vb1、Vb2、Vb3与Vb4，通过调节外部直流偏置，可以对正跨导放大器的跨导进行调节，对负跨导放大器的跨导进行调节，或调节构成有源反馈电阻晶体管的外部直流偏置Vctr1，来调节有源电阻阻值大小；最终实现对有源电感的电感值和工作频率范围的调谐。可以看到，同时利用电流注入与有源电感的可调谐性，可以实现压控振荡器宽的频率调谐范围和小的芯片面积。
附图说明
图1为传统的LC压控振荡器。
图2为本发明的基于可调谐有源电感的微型压控振荡器。
图3为本发明中有源电感电路图。
图4为本发明中有源电感在不同Vctr1下电感值与频率的关系图。
图5为本发明中压控振荡器的时域输出波形仿真图。
图6为本发明中压控振荡器的相位噪声仿真图。
图7为本发明中压控振荡器随Vctr1变化的频率调谐范围。
具体实施方式
为使本发明的技术方案、目的和优势更加清晰易懂，以下结合说明书附图，对本发明作进一步详细说明。
如图2所示，本发明提出一种基于可调谐有源电感的微型压控振荡器，它包括第一输出端口VO+、第二输出端口VO-、第一有源电感、第二有源电感、第一注入电流源、第二注入电流源和self-cascode负阻电路。
第一注入电流源与第二注入电流源分别位于负阻电路的两侧，它们均用NMOS晶体管构成。第一注入电流源中第十七晶体管M17的源极接地，栅极接偏置电压Vinj，漏极接至第一输出端口VO+和第一有源电感的输入端。第二注入电流源中第十八晶体管M18的源极接地，栅极接偏置电压Vinj，漏极接至第二输出端口VO-和第二有源电感的输入端。
同时，self-cascode负阻电路由四个晶体管M13、M14、M15与M16构成，并通过交叉耦合方式连接。第十三晶体管M13和第十四晶体管M14的源极接地。第十三晶体管M13的漏极与第十五晶体管M15的源极相连，第十四晶体管M14的漏极与第十六晶体管M16的源极相连。第十三晶体管M13的栅极与第十五晶体管M15的栅极相连并接至第二输出端口VO-和第十六晶体管M16的漏极；第十四晶体管M14的栅极与第十六晶体管M16的栅极相连并接至第一输出端口VO+和第十五晶体管M15的漏极。
第一有源电感由六个MOS管、一个无源电阻和一个电容元件构成，其中MOS管包括三个NMOS管M3、M5、M6和三个PMOS管M1、M2、M4，如图3所示。第一晶体管M1的源极接第二晶体管M2的漏极并相连至第一输出端口VO+，栅极接第一偏置电压Vb1，漏极接第五晶体管M5的漏极和第三晶体管M3的源极。第二晶体管M2的源极接电源VDD，栅极接第六晶体管M6的源极和第一电阻R1的一端。第三晶体管M3的栅极接第三偏置电压Vb3，漏极与第四晶体管M4的漏极相连并接至第六晶体管M6的漏极和第一电阻R1的另一端。第四晶体管M4的源极接电源VDD，栅极接第二偏置电压Vb2；第五晶体管M5的源极接地，栅极接第四偏置电压Vb4；第六晶体管M6的栅极接控制电压Vctr1。第一电容C1的一端接第一晶体管M1的漏极，另一端接地。
第二有源电感由六个MOS管、一个无源电阻和一个电容元件构成，其中MOS管包括三个NMOS管M9、M11、M12和三个PMOS管M7、M8、M10。第七晶体管M7的源极接第八晶体管M8的漏极并相连至第二输出端口VO-，栅极接第一偏置电压Vb1，漏极接第十一晶体管M11的漏极和第九晶体管M9的源极。第八晶体管M8的源极接电源VDD，栅极接第十二晶体管M12的源极和第二电阻R2的一端。第九晶体管M9的栅极接第三偏置电压Vb3，漏极与第十晶体管M10的漏极相连并接至第十二晶体管M12的漏极和第二电阻R2的另一端。第十晶体管M10的源极接电源VDD，栅极接第二偏置电压Vb2；第十一晶体管M11的源极接地，栅极接第四偏置电压Vb4；第十二晶体管M12的栅极接控制电压Vctr1。第二电容C2的一端接第七晶体管M7的漏极，另一端接地。
本发明中，基于可调谐有源电感的压控振荡器其本质是由有源电感和包括寄生电容的等效电容共同组成的LC型压控振荡器。本发明通过改变有源电感中外部控制电压Vctr1的值，实现有源电感值的连续可调，进而获得振荡器的宽频率调谐范围。
当设置图3中有源电感电源电压VDD为1.8V，并保持外部直流偏置Vb1＝0、Vb2＝0.78V、Vb3＝1.24V与Vb4＝0.70V不变，只对控制电压Vctr1进行调谐，图4为有源电感在不同控制电压Vctr1下电感值与频率的关系图。从图中可以看出，当控制电压Vctr1＝0.6V时，有源电感在0.02GHz-1.25GHz范围内呈感性，电感值在0.02GHz-1.06GHz内变化范围为5.6nH-36.2nH。当控制电压Vctr1＝1.6V时，有源电感在0.02GHz-2.74GHz范围内呈感性，电感值在0.02GHz-2.34GHz内变化范围为3.5nH-11.1nH。当控制电压Vctr1＝1.8V时，有源电感在0.02GHz-3.26GHz范围内呈感性，电感值在0.36GHz-2.22GHz内变化范围为3.4nH-5.1nH。可以看到，当控制电压Vctr1变化时，有源电感的电感值与工作频率范围均可进行调谐。
在1.8V电源电压下，当控制电压Vctr1＝0.6V时，本发明微型压控振荡器的时域输出波形仿真如图5所示。可以看到，经过大约7ns的起振时间后，该压控振荡器达到稳定的等幅振荡状态，并保持精确的差分振荡输出。当控制电压Vctr1＝0.6V时，本发明压控振荡器的振荡频率为0.5GHz，在偏离振荡频率1MHz处，其相位噪声仿真如图6所示，相位噪声为-101.2dBc/Hz。当Vctr1从0.6V到1.6V变化时，本发明压控振荡器的振荡频率随控制电压Vctr1变化的仿真如图7所示，可以看到，振荡频率随控制电压Vctr1的增大而增加，振荡频率从0.50GHz到2.34GHz范围内变化，实现了宽的频率调谐范围。

Claims (1)

1.一种基于可调谐有源电感的微型压控振荡器，其特征在于，所述微型压控振荡器包括第一有源电感、第二有源电感、第一注入电流源、第二注入电流源和self-cascode负阻电路；
所述第一有源电感和第二有源电感具有完全相同的结构，都是基于回转器原理实现，它们均由正跨导放大器、负跨导放大器、有源反馈电阻、辅助电容、第一可调电流源和第二可调电流源构成；
第一有源电感的正跨导放大器由第一晶体管M1和第三晶体管M3构成，负跨导放大器由第二晶体管M2构成；第一晶体管M1的漏极接第三晶体管M3的源极和第五晶体管M5的漏极，源极接第二晶体管M2的漏极并相连至第一输出端口VO+，栅极接第一偏置电压Vb1；第二晶体管M2的源极接电源VDD，栅极接第六晶体管M6的源极和第一电阻R1的一端；第三晶体管M3的栅极接第三偏置电压Vb3，漏极与第四晶体管M4的漏极相连并接至第六晶体管M6的漏极和第一电阻R1的另一端；第四晶体管M4的源极接电源VDD，栅极接第二偏置电压Vb2；第五晶体管M5的源极接地，栅极接第四偏置电压Vb4；第一有源电感的有源反馈电阻由第六晶体管M6与第一电阻R1并联构成，连接在第三晶体管M3漏极与第二晶体管M2栅极之间，第六晶体管M6的栅极接控制电压Vctr1；辅助电容C1的一端连接在第一晶体管M1漏极与第三晶体管M3源极之间，另一端接地；第一有源电感中第一、第二可调电流源分别由第四晶体管M4、第五晶体管M5构成，它们为第三晶体管M3和第一晶体管M1提供偏置电流；
第二有源电感的正跨导放大器由第七晶体管M7和第九晶体管M9构成，负跨导放大器由第八晶体管M8构成；第七晶体管M7的漏极接第九晶体管M9的源极和第十一晶体管M11的漏极，源极接第八晶体管M8的漏极并相连至第二输出端口VO-，栅极接第一偏置电压Vb1；第八晶体管M8的源极接电源VDD，栅极接第十二晶体管M12的源极和第二电阻R2的一端；第九晶体管M9的栅极接第三偏置电压Vb3，漏极与第十晶体管M10的漏极相连并接至第十二晶体管M12的漏极和第二电阻R2的另一端；第十晶体管M10的源极接电源VDD，栅极接第二偏置电压Vb2；第十一晶体管M11的源极接地，栅极接第四偏置电压Vb4；第二有源电感的有源反馈电阻由第十二晶体管M12与第二电阻R2并联构成，连接在第九晶体管M9漏极与第八晶体管M8栅极之间，第十二晶体管M12的栅极接控制电压Vctr1；辅助电容C2的一端连接在第七晶体管M7漏极与第九晶体管M9源极之间，另一端接地；第二有源电感中第一、第二可调电流源分别由第十晶体管M10、第十一晶体管M11构成，它们为第九晶体管M9和第七晶体管M7提供偏置电流；
第一、第二有源电感采用外部偏置电压设置，其中，第一、第三偏置电压Vb1、Vb3为构成有源电感正跨导放大器的晶体管提供偏置，第二、第四偏置电压Vb2、Vb4为有源电感的可调电流源提供偏置，偏置电压Vctr1为有源反馈电阻中的晶体管提供偏置；通过调节外部偏置电压Vb1和Vb3可以直接调节正跨导放大器的跨导，或者通过调节外部偏置电压Vb2和Vb4改变可调电流源的电流大小，从而达到调节晶体管跨导的目的，再或者通过调节外部控制电压Vctr1改变有源反馈电阻的大小，最终实现对有源电感的电感值和工作频率范围的调谐；
所述第一注入电流源与第二注入电流源具有完全相同的结构，它们均由单个NMOS晶体管构成，分别位于self-cascode负阻电路两侧；其中第一注入电流源由第十七晶体管M17构成，其栅极接偏置电压Vinj，源极接地，漏极接至第一输出端口VO+和第一有源电感的输入端；第二注入电流源由第十八晶体管M18构成，其栅极接偏置电压Vinj，源极接地，漏极接至第二输出端口VO-和第二有源电感的输入端；
所述self-cascode负阻电路由四个晶体管M13、M14、M15、M16构成，第十三晶体管M13和第十四晶体管M14的源极接地，第十三晶体管M13的漏极与第十五晶体管M15的源极相连，第十四晶体管M14的漏极与第十六晶体管M16的源极相连，第十三晶体管M13的栅极与第十五晶体管M15的栅极相连并接至第二输出端口VO-和第十六晶体管M16的漏极，第十四晶体管M14的栅极与第十六晶体管M16的栅极相连并接至第一输出端口VO+和第十五晶体管M15的漏极；它们之间形成交叉耦合的连接方式，给压控振荡器提供负阻，补偿谐振回路的能量损失。
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