CN109995324A - 一种动态偏置调节的lc压控振荡器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种动态偏置调节的LC压控振荡器，包括：交叉耦合对、LC谐振腔、频率调谐模块、峰值检测模块；其中，交叉耦合对的两个差分输出端口分别与LC谐振腔、频率调谐模块、峰值检测模块的两个输入端口并联，且将该两个差分输出端口作为LC压控振荡器的输出端口；所述交叉耦合对的差分输入端口与峰值检测模块的输出端口相连，由交叉耦合对根据峰值检测模块实时检测所得输出信号的峰值实现动态偏置调节。本发明在快速起振后随输出信号自动调整核心电路工作点，提升了电路效率。同时改进了电流波形，降低功率且避免了相位噪声的恶化，实现低电压低功耗下快速起振同时相噪优良的振荡器。
Description
技术领域
本发明涉及一种动态偏置调节的LC压控振荡器，属于射频电路的技术领域。
背景技术
在射频收发机中，分频器为整个收发链路提供稳定、可靠的本振信号，而压控振荡器是锁相环的一大核心模块，其功耗和相噪对整个锁相环乃至收发链路有至关重要的影响。因此为了实现整体接收电路的低功耗和高性能，对压控振荡器的优化设计具有关键性意义。
当前主流采用的LC压控振荡电路主要包括标准振荡电路、带尾电流源的振荡电路、电容耦合C类振荡电路等。但在电源电压下降、功耗降低时，快速起振要求晶体管有较大的电流提供负阻，但一旦起振后，大电流反而会造成效率降低。因此，上述几种电路均存在起振时间变慢甚至无法起振、相位噪声变差、电源无法进一步降低等问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于，解决低电压下LC压控振荡电路起振困难和低功耗下相噪恶化的问题，提供一种动态偏置调节的LC压控振荡器，在稳定振荡后跟随振荡波形自动调节栅极电压，在不增加噪声的情况下提高振荡器电流效率。
本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题：
一种动态偏置调节的LC压控振荡器，包括：交叉耦合对、LC谐振腔、频率调谐模块、峰值检测模块，其中，交叉耦合对的两个差分输出端口分别与LC谐振腔、频率调谐模块、峰值检测模块的两个输入端口并联，且将该两个差分输出端口作为LC压控振荡器的输出端口；所述交叉耦合对的差分输入端口与峰值检测模块的输出端口相连，由交叉耦合对根据峰值检测模块实时检测所得输出信号的峰值实现动态偏置调节。
进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述交叉耦合对包括第一NMOS管、第二NMOS管、第一电阻、第二电阻、第一电容、第二电容，其中第一NMOS管的栅极通过电容连接至第二NMOS管的漏极，第二NMOS管的栅极通过第二电容连接至第一NMOS管的漏极，且将第一NMOS管的漏极和第二NMOS管的漏极分别引出作为交叉耦合对的两个差分输出端口；所述第一NMOS管的栅极通过第一电阻、第二NMOS管的栅极通过第二电阻分别连接至峰值检测模块的输出端口；所述第一NMOS管的源极和第二NMOS管的源极均与外部尾电流偏置电路相连。
进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述LC谐振腔包括第三电容、第四电容和差分电感，其中第三电容和第四电容串联后两端与差分电感的差分端口并联构成谐振腔。
进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述频率调谐模块由固定电容阵列单元和变容管阵列单元并联构成。
进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述固定电容阵列单元包括第四NMOS管、第六电容、第七电容、第三电阻、第四电阻及反相器，其中第四NMOS管的栅极连接控制信号，且其栅极通过连接反相器后分别接入固定电容阵列单元的第一和第二输出端口；所述第四NMOS管的源极分别与第六电容的一端、第三电阻的一端连接，且第六电容的另一端接地，第三电阻的另一端与固定电容阵列单元的第一输出端口相连；所述第四NMOS管的漏极分别与第七电容的一端、第四电阻的一端连接，且第七电容的另一端接地，第四电阻的另一端与固定电容阵列单元的第二输出端口相连，及固定电容阵列单元的第一和第二输出端口并联至交叉耦合对的两个差分输出端口。
进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述变容管阵列单元包括第一变容管、第二变容管、第五电阻、第六电阻、第八电容、第九电容，其中将第一变容管和第二变容管的一端相连后作为控制电压的输入端，且第一变容管的另一端通过第八电容连接至变容管阵列单元的第一输出端口，第二变容管的另一端通过第九电容连接至变容管阵列单元的第二输出端口；所述第五电阻的一端连接第一变容管的另一端，第六电阻的一端连接第二变容管的另一端，且第五电阻和第六电阻的另一端均与偏置电压耦合，及变容管阵列单元的第一和第二输出端口并联至交叉耦合对的两个差分输出端口。
进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述峰值检测模块包括第五NMOS管、第六NMOS管和第十滤波电容，其中第五NMOS管的栅极与第六NMOS管的漏极相连后引出作为峰值检测模块的第一输入端口，第五NMOS管的漏极与第六NMOS管的栅极相连后引出作为峰值检测模块的第二输入端口，且所述第五NMOS管的源极和第六NMOS管的源极均连接第十电容后接地，并将第五NMOS管的源极和第六NMOS管的源极引出作为峰值检测模块的输出端口，及峰值检测模块的第一和第二输入端口并联至交叉耦合对的两个差分输出端口。
本发明采用上述技术方案，能产生如下技术效果：
本发明的LC压控振荡器，源极耦合对和谐振腔并联，提供负阻弥补谐振腔振荡时的功率损耗，构成压控振荡器的核心电路VCO-core。压控振荡器核心电路的输出分别与峰值检测电路、电容调谐阵列模块并联，峰值调节电路实时检测输出信号的峰值，并反馈给源极耦合对，在确保电路振荡的同时降低偏置电压，提升电路效率。电容调谐阵列采用开关电容阵列和变容管相组合的方式，电容阵列设定频带范围，并保证电路在所有工艺条件下覆盖频道要求。变容管对LC谐振腔电容进行微调，确保输出频率满足频带要求。
因此，本发明采用上述方案后，相对于现有技术具有如下优点：
（1）采用动态偏置，栅极电压随振荡波形自动调整。起振时提供较大偏置帮助电路快速起振，振荡稳定后减小电流，使晶体管完全进行C类放大，提高了放大效率。
（2）稳态振荡时电路工作在C类放大状态，导通角进一步减小，减少了振荡过程中的电流噪声注入。同时由于尾电流源的存在，电流大小受到限制，避免了晶体管并联电阻对相位噪声的不利影响。
（3）采用交叉耦合管构成峰值检测电路，降低电路复杂程度的同时不产生额外的高频极点，避免了反馈不合理造成的幅度振荡问题。
采用本发明的电路具有起振时间快、电路效率高等特点，同时在相同功耗水平下较传统结构具有更好的相噪指标。本发明设计的振荡器结构在快速起振后随输出信号自动调整核心电路工作点，提升了电路效率。同时改进了电流波形，传统电路的优化因子仅在180~185左右，本发明的第一类FOM优化因子指标可以达到190以上。
附图说明
图1为本发明LC压控振荡器的电路结构图。
图2为本发明固定电容阵列单元的电路结构图。
图3为本发明变容管阵列单元的电路结构图。
图4为本发明峰值检测模块的电路结构图。
图5为本发明与传统电路的相位噪声对比图。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明的实施方式进行描述。
如图1所示，本发明设计了一种动态偏置调节的LC压控振荡器，主要包括：交叉耦合对、LC谐振腔、频率调谐模块、峰值检测模块；其中，所述交叉耦合对的两个差分输出端口分别与LC谐振腔、频率调谐模块、峰值检测模块的两个输入端口并联，且将该两个差分输出端口作为LC压控振荡器的输出端口；所述交叉耦合对的差分输入端口与峰值检测模块的输出端口相连，由交叉耦合对根据峰值检测模块实时检测所得输出信号的峰值实现动态偏置调节。
其中，所述交叉耦合对的电路结构如图1所示，具体包括：第一NMOS管M1、第二NMOS管M2、第一电阻R1、第二电阻R2、第一电容C1、第二电容C2，其中第一NMOS管M1的栅极通过电容C1连接至第二NMOS管M2的漏极，第二NMOS管的M2栅极通过第二电容C2连接至第一NMOS管M1的漏极，且将第一NMOS管M1的漏极和第二NMOS管M2的漏极分别引出作为交叉耦合对的两个差分输出端口，如图1所示的节点1和节点2，将节点1作为差分输出的正端，节点2作为差分输出的负端，并且将节点1和节点2同时作为整个LC压控振荡器电路的输出端口；所述第一NMOS管M1的栅极通过第一电阻R1、第二NMOS管M2的栅极通过第二电阻R2分别连接至峰值检测模块的输出端口；所述第一NMOS管M1的源极和第二NMOS管M2的源极均与外部尾电流偏置电路中的第三NMOS管M3的漏极、第五电容C5的一端相连。所述第三NMOS管M3的栅极连接外部尾电流偏置电路中的尾电流源偏置电压，且源极接地；所述第五电容C5的另一端接地。
所述LC谐振腔的电路结构如图1所示，具体包括第三电容C3、第四电容C4和差分电感L1，其中第三电容C3和第四电容C4背靠背串联连接后，两端与差分电感L1的差分端口并联构成谐振腔。所述差分电感L1是中心抽头，且其中心抽头与电源相连；将谐振腔两端与交叉耦合对的两个差分输出端口连接，即分别并联连接在节点1和节点2。
所述频率调谐模块由固定电容阵列单元和变容管阵列单元并联构成，均和LC谐振腔并联。其中，所述固定电容阵列单元的电路结构如图2所示，主要包括：第四NMOS管M4、第六电容C6、第七电容C7、第三电阻R3、第四电阻R4及反相器，其中第四NMOS管M4的尺寸较大，作为开关管使用；将第四NMOS管M4的栅极连接开关控制信号，且其栅极通过连接反相器后分别接入固定电容阵列单元的第一和第二输出端口；所述第四NMOS管M4的源极分别与第六电容C6的一端、第三电阻R3的一端连接，且第六电容C6的另一端接地，第三电阻R3另一端与固定电容阵列单元的第一输出端口相连；所述第四NMOS管M4的漏极分别与第七电容C7的一端、第四电阻R4的一端连接，且第七电容C7的另一端接地，第四电阻R4的另一端与固定电容阵列单元的第二输出端口相连，所述固定电容阵列单元的第一和第二输出端口并联在节点1和节点2。所述开关控制信号与第四NMOS管M4的栅极相连控制电容是否接入LC谐振腔。同时输入反相器，其反相信号与第三电阻R3，第四电阻R4相连。
如图3所示，所述变容管阵列单元的电路主要包括：第一变容管VAR1、第二变容管VAR2、第五电阻R5、第六电阻R6、第八电容C8、第九电容C9，其中将第一变容管VAR1和第二变容管VAR2的一端相连后作为控制电压的输入端，且第一变容管VAR1的另一端通过第八电容C8连接至变容管阵列单元的第一输出端口，第二变容管VAR2的另一端通过第九电容C9连接至变容管阵列单元的第二输出端口；所述第五电阻R5的一端连接第一变容管VAR1的另一端，第六电阻R6的一端连接第二变容管VAR2的另一端，且第五电阻R5和第六电阻R6的另一端均与偏置电压耦合。所述变容管阵列单元的第一和第二输出端口可与LC谐振腔的输出并联连接，即均可并联连接在节点1和节点2。
如图4所示，所述峰值检测模块的电路主要包括：第五NMOS管M5、第六NMOS管M6和第十滤波电容C10，其中第五NMOS管M5的栅极与第六NMOS管M6的漏极相连后引出作为峰值检测模块的第一输入端口，第五NMOS管M5的漏极与第六NMOS管M6的栅极相连后引出作为峰值检测模块的第二输入端口，且所述第五NMOS管M5的源极和第六NMOS管M6的源极均连接第十电容C10后接地，并将第五NMOS管M5的源极和第六NMOS管M6的源极引出作为峰值检测模块的输出端口。所述峰值检测模块的第一和第二输入端口并联在交叉耦合对的两个差分输出端口，即并联连接与节点1和节点2上。
本发明中整个电路的输入信号主要包括连接第三NMOS管M3栅极的尾电流源偏置电压、连接第四NMOS管M4栅极的开关控制信号、连接第一、第二变容管VAR1、VAR2的调谐电压，及连接第五、第六电阻R5、R6的偏置电压。上述信号均可从外部输入。
本发明的工作原理是：电流偏置为源极耦合对提供工作电流，确保电路起振；交叉耦合对和LC谐振腔并联，提供负阻弥补谐振腔振荡时的功率损耗，构成压控振荡器的核心电路VCO-core。压控振荡器核心电路的输出分别与峰值检测模块、频率调谐模块并联，峰值调节电路实时检测输出信号的峰值并反馈给交叉耦合对，在确保电路振荡的同时降低偏置电压，提升电路效率；频率调谐模块采用固定的开关电容阵列单元和变容管阵列单元相组合的方式，电容阵列设定频带范围，并保证电路在所有工艺条件下覆盖频道要求。通过变容管阵列单元中的变容管对LC谐振腔的电容进行微调，确保输出频率满足频带要求。该电路可以随振荡波形实时调整交叉耦合对的衬栅极电压，在DC时使交叉耦合对偏置在接近电源处，提供大电流加快起振。在稳定振荡后，峰值检测电路调节交叉耦合对的偏置电压，使其下降到接近信号负峰值电平处，在节约电流提升效率的同时改善了噪声注入波形，并利用尾电流源的限流作用提升了电路Q值，进一步降低了相位噪声。
如图5所示，为本发明与传统结构相位噪声曲线对比图。图中，上方虚心曲线是传统未使用动态偏置调节的压控振荡器相位噪声曲线，下方实心曲线为使用本发明的动态偏置调节压控振荡器相位噪声曲线。两电路同样在4.84Ghz振荡频率下工作，功耗均为1mW左右。图5中可以看出，本发明采用的改进后的电路较传统结构指标有明显提升。在1M频率偏移处，传统结构相位噪声为-106.4dBc@1Mhz，而本发明使用的结构达到了-116.7dBc@1Mhz，较传统结构降低了10dBc以上。
综上，本发明设计的振荡器结构在快速起振后随输出信号自动调整核心电路工作点，提升了电路效率。同时改进了电流波形，在降低功率的基础上避免了相位噪声的恶化，可以获得最佳的优化系数FOM指标。
上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。
Claims (7)
1.一种动态偏置调节的LC压控振荡器，其特征在于，包括：交叉耦合对、LC谐振腔、频率调谐模块、峰值检测模块；其中，交叉耦合对的两个差分输出端口分别与LC谐振腔、频率调谐模块、峰值检测模块的两个输入端口并联，且将该两个差分输出端口作为LC压控振荡器的输出端口；所述交叉耦合对的差分输入端口与峰值检测模块的输出端口相连，由交叉耦合对根据峰值检测模块实时检测所得输出信号的峰值实现动态偏置调节。
2.根据权利要求1所述动态偏置调节的LC压控振荡器，其特征在于：所述交叉耦合对包括第一NMOS管（M1）、第二NMOS管（M2）、第一电阻（R1）、第二电阻（R2）、第一电容（C1）、第二电容（C2），其中第一NMOS管（M1）的栅极通过电容（C1）连接至第二NMOS管（M2）的漏极，第二NMOS管的（M2）栅极通过第二电容（C2）连接至第一NMOS管（M1）的漏极，且将第一NMOS管（M1）的漏极和第二NMOS管（M2）的漏极分别引出作为交叉耦合对的两个差分输出端口；所述第一NMOS管（M1）的栅极通过第一电阻（R1）、第二NMOS管（M2）的栅极通过第二电阻（R2）分别连接至峰值检测模块的输出端口；所述第一NMOS管（M1）的源极和第二NMOS管（M2）的源极均与外部尾电流偏置电路相连。
3.根据权利要求1所述动态偏置调节的LC压控振荡器，其特征在于：所述LC谐振腔包括第三电容（C3）、第四电容（C4）和差分电感（L1），其中第三电容（C3）和第四电容（C4）串联后两端与差分电感（L1）的差分端口并联构成谐振腔。
4.根据权利要求1所述动态偏置调节的LC压控振荡器，其特征在于：所述频率调谐模块由固定电容阵列单元和变容管阵列单元并联构成。
5.根据权利要求4所述动态偏置调节的LC压控振荡器，其特征在于：所述固定电容阵列单元包括第四NMOS管（M4）、第六电容（C6）、第七电容（C7）、第三电阻（R3）、第四电阻（R4）及反相器，其中第四NMOS管（M4）的栅极连接开关控制信号，且其栅极通过连接反相器后分别接入固定电容阵列单元的第一和第二输出端口；所述第四NMOS管（M4）的源极分别与第六电容（C6）的一端、第三电阻（R3）的一端连接，且第六电容（C6）的另一端接地，第三电阻（R3）的另一端与固定电容阵列单元的第一输出端口相连；所述第四NMOS管（M4）的漏极分别与第七电容（C7）的一端、第四电阻（R4）的一端连接，且第七电容（C7）的另一端接地，第四电阻（R4）的另一端与固定电容阵列单元的第二输出端口相连，及固定电容阵列单元的第一和第二输出端口并联至交叉耦合对的两个差分输出端口。
6.根据权利要求4所述动态偏置调节的LC压控振荡器，其特征在于：所述变容管阵列单元包括第一变容管（VAR1）、第二变容管（VAR2）、第五电阻（R5）、第六电阻（R6）、第八电容（C8）、第九电容（C9），其中将第一变容管（VAR1）和第二变容管（VAR2）的一端相连后作为控制电压的输入端，且第一变容管（VAR1）的另一端通过第八电容（C8）连接至变容管阵列单元的第一输出端口，第二变容管（VAR2）的另一端通过第九电容（C9）连接至变容管阵列单元的第二输出端口；所述第五电阻（R5）的一端连接第一变容管（VAR1）的另一端，第六电阻（R6）的一端连接第二变容管（VAR2）的另一端，且第五电阻（R5）和第六电阻（R6）的另一端均与偏置电压耦合，及变容管阵列单元的第一和第二输出端口并联至交叉耦合对的两个差分输出端口。
7.根据权利要求1所述动态偏置调节的LC压控振荡器，其特征在于：所述峰值检测模块包括第五NMOS管（M5）、第六NMOS管（M6）和第十滤波电容（C10），其中第五NMOS管（M5）的栅极与第六NMOS管（M6）的漏极相连后引出作为峰值检测模块的第一输入端口，第五NMOS管（M5）的漏极与第六NMOS管（M6）的栅极相连后引出作为峰值检测模块的第二输入端口，且所述第五NMOS管（M5）的源极和第六NMOS管（M6）的源极均连接第十电容（C10）后接地，并将第五NMOS管（M5）的源极和第六NMOS管（M6）的源极引出作为峰值检测模块的输出端口，及峰值检测模块的第一和第二输入端口并联至交叉耦合对的两个差分输出端口。
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