CN110166003A - 基于片上连续可调电感的压控振荡器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及压控振荡器，具体涉及基于片上连续可调电感的压控振荡器，包括不同金属层次且没有互相接触的片上电感、低阻导体环，片上电感主体结构呈环形且叠放在中间，片上电感外围设有低阻导体环；本发明提供的技术方案能够有效克服现有技术所存在的通过改变电容值改变振荡频率涉及到的电路复杂，不易实现，且需要占据较大芯片面积的缺陷。
Description
技术领域
本发明涉及压控振荡器，具体涉及基于片上连续可调电感的压控振荡器。
背景技术
在传统的片上压控振荡器中，差分结构电感电容振荡器具有以下优势。首先，差分结构对环境噪声具有更强的抗干扰能力，输出信号的摆幅更大；其次，由于如今射频系统中往往采用吉尔伯特双平衡混频器，使用差分结构避免了一个单端转换为双端的转换电路，减少了电路的复杂度。近年来，使用交叉耦合对管作为负阻的差分振荡器成为了研究重点。本发明是在负阻式差分结构电感电容振荡器的基础上进行改进。
图1给出了一个差分负阻电路，这是一个带电阻的NMOS交叉耦合对。这种负阻电路可以提供差分运算，是CMOS集成LC振荡器最常见的拓扑结构。该交叉耦合对管的等效电阻Req如下：
Req＝-2/gm
其中，gm是NMOS跨导。
一个传统的负阻式差分结构电感电容振荡器如图2所示。电感L和电容C并联，组成并联LC谐振电路，晶体管M1和M2交叉耦合组成差分负阻结构，一方面提供负阻来抵消电感自带的寄生电阻，另一方面提供振荡需要的能量，使该振荡器电路得以一直保持振荡。值得一提的是，电阻R1和R2可以提高晶体管VGS，有利于提高晶体管特征频率。
目前，传统电感电容振荡器都是利用LC谐振的方式来控制振荡频率的，且主要是通过改变电容值来改变振荡频率。如果设计需要宽的调谐范围，则需要大量的开关电容组成开关电容阵列。更进一步说，以开关电容阵列的方式来实现宽调谐范围需要占据较大的芯片面积，且电路复杂度高，不易实现。
为了进一步理解负阻式LC振荡器，图3给出了负阻式LC振荡器的等效电路图。L、C分别代表了理想的电感和电容，R则是并联电感、电容的等效电阻，有源电路一方面提供负阻来抵消电阻，另一方面也提供能量让振荡电路不停振荡下去。振荡频率如下：
本发明仍然采用了负阻式差分结构LC振荡器的电路，但是振荡频率的改变不再依托于电容值的变化，而是依赖电感值的变化。
电感L(inductance)是用来描述磁场能量的存储效应。当线圈中通过的电流为I，根据毕一萨定律，该电流在空间任一点所产生的磁感应强度都和回路的电流成正比，所以磁通量φ也和电流I成正比：
当有电流流过的两线圈相互临近时，如图4，由线圈1中的电流I1所引起的变化磁场在通过线圈2时，会在线圈2中产生感应电动势。同样，线圈2中的电流12所引起的变化磁场在通过线圈1时，也会在线圈1中产生感应电动势。两个载流线圈相互激起感应电动势的这种现象称为互感。如果两线圈所载电流同相，磁通相互叠加，电感效应加强。反之，如果所载电流反相，磁通相互抵消，电感效应减弱。为了描述这种相互作用而产生的电感变化，引入互电感(Mutual-Inductance)概念。
大多数片上平面螺旋电感都是应用CMOS工艺的顶层金属来设计的，因为顶层金属较厚，0.18μm CMOS工艺中顶层金属的厚度为1μm，其他层的金属厚度为0.54μm，这样用顶层金属所做的同样长度的金属线电阻最小，电感性能较好。
常用的片上螺旋电感有正方形、六边形、八边形、圆形四种形状，其几何参数有：外径，内径，线宽，圈数和线间距等，工艺参数则主要是衬底电阻率和金属线电导率。
除了几何参数和工艺参数以外，还有趋肤效应、临近效应和衬底涡旋效应等非理想效应影响着电感的感值和品质因数。虽然这些非理想效应大多数时候都给电感带来了负面影响，但是在合理的利用下，也可以实现一个片上可变电感。
片上压控可变电感的实现，意味着宽调谐的LC振荡器不再局限于电容的有限调节范围，甚至可以直接使用可变电感和固定电容的组合来实现一个宽调谐的LC压控振荡器。
发明内容
(一)解决的技术问题
针对现有技术所存在的上述缺点，本发明提供了基于片上连续可调电感的压控振荡器，能够有效克服现有技术所存在的通过改变电容值改变振荡频率涉及到的电路复杂，不易实现，且需要占据较大芯片面积的缺陷。
(二)技术方案
为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：
基于片上连续可调电感的压控振荡器，包括不同金属层次且没有互相接触的片上电感、低阻导体环，所述片上电感主体结构呈环形且叠放在中间，所述片上电感外围设有低阻导体环。
优选地，所述低阻导体环呈环形围绕在片上电感外围。
优选地，所述片上电感、低阻导体环均采用金属材料制成。
优选地，所述片上电感工作时，频变磁场通过低阻导体环，根据法拉第电磁感应定律，低阻导体环中产生感应电流。
优选地，所述感应电流与片上电感内部信号线电流方向相反，所述低阻导体环与片上电感之间产生互感，所述片上电感单位长度的等效电感减小。
优选地，所述低阻导体环内部串联可变电阻，可变电阻阻值变化，所述低阻导体环中产生的感应电流跟随变化，所述片上电感的等效电感跟随变化。
优选地，所述可变电阻采用NMOS管或PMOS管，所述可变电阻阻值跟随NMOS管或PMOS管栅极电压改变而改变。
(三)有益效果
与现有技术相比，本发明所提供的基于片上连续可调电感的压控振荡器具有以下有益效果：
本发明较传统LC压控振荡器而言，创造性地采用了压控可变电感实现振荡频率的改变，避免了大面积的电容阵列，提高了芯片面积利用率，降低了电路设计复杂度，因此本发明相比于传统结构的压控振荡器在芯片成本和低功耗方面都有巨大的优势。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为现有差分负阻电路结构示意图；
图2为传统负阻式差分结构电感电容振荡器电路结构示意图；
图3为负阻式LC振荡器的等效电路图；
图4为电流流过的两线圈相互临近示意图；
图5为本发明物理实现结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
基于片上连续可调电感的压控振荡器，如图5所示，包括不同金属层次且没有互相接触的片上电感、低阻导体环，片上电感主体结构呈环形且叠放在中间，片上电感外围设有低阻导体环。
低阻导体环呈环形围绕在片上电感外围。
片上电感、低阻导体环均采用金属材料制成。
片上电感工作时，频变磁场通过低阻导体环，根据法拉第电磁感应定律，低阻导体环中产生感应电流。
感应电流与片上电感内部信号线电流方向相反，低阻导体环与片上电感之间产生互感，片上电感单位长度的等效电感减小。
低阻导体环内部串联可变电阻，可变电阻阻值变化，低阻导体环中产生的感应电流跟随变化，片上电感的等效电感跟随变化。
可变电阻采用NMOS管或PMOS管，可变电阻阻值跟随NMOS管或PMOS管栅极电压改变而改变。
片上压控可变电感的物理实现如图5所示，片上电感的主体是环形金属，外围是一圈低阻抗的金属导体，两者是不同金属层次，相互之间没有直接接触。在片上电感工作时，频变电磁场是存在的，频变磁场会通过外围的低阻导体环。由于低阻导体环内部存在自由电子，根据法拉第电磁感应定律，在导体周围变化的磁场可以产生电流，因此低阻导体环中会产生感应电流。由于产生的感应电流和片上电感内部信号线电流方向相反，所以两者之间存在负的互感，这样片上电感内单位长度的等效电感就会变小。换句话说，利用片上电感和低阻导体环之间的互感可以实现一个片上可变电感。
更进一步，低阻导体环内部可以串联一个可变电阻。当我们对电阻阻值进行调节时，低阻导体环内部的感应电流跟着变化，片上电感的等效电感值也随之改变，从而实现了电感值可调的可变电感。在本专利中可变电阻以一个NMOS管或PMOS管实现，NMOS管或PMOS管栅极电压的改变可以实现可变电阻阻值的改变，也就实现了片上压控可变电感。
本发明所提供的基于片上连续可调电感的压控振荡器具有以下有益效果：
本发明较传统LC压控振荡器而言，创造性地采用了压控可变电感实现振荡频率的改变，避免了大面积的电容阵列，提高了芯片面积利用率，降低了电路设计复杂度，因此本发明相比于传统结构的压控振荡器在芯片成本和低功耗方面都有巨大的优势。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不会使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (7)
1.基于片上连续可调电感的压控振荡器，其特征在于：包括不同金属层次且没有互相接触的片上电感、低阻导体环，所述片上电感主体结构呈环形且叠放在中间，所述片上电感外围设有低阻导体环。
2.根据权利要求1所述的基于片上连续可调电感的压控振荡器，其特征在于：所述低阻导体环呈环形围绕在片上电感外围。
3.根据权利要求1所述的基于片上连续可调电感的压控振荡器，其特征在于：所述片上电感、低阻导体环均采用金属材料制成。
4.根据权利要求1所述的基于片上连续可调电感的压控振荡器，其特征在于：所述片上电感工作时，频变磁场通过低阻导体环，根据法拉第电磁感应定律，低阻导体环中产生感应电流。
5.根据权利要求4所述的基于片上连续可调电感的压控振荡器，其特征在于：所述感应电流与片上电感内部信号线电流方向相反，所述低阻导体环与片上电感之间产生互感，所述片上电感单位长度的等效电感减小。
6.根据权利要求1所述的基于片上连续可调电感的压控振荡器，其特征在于：所述低阻导体环内部串联可变电阻，可变电阻阻值变化，所述低阻导体环中产生的感应电流跟随变化，所述片上电感的等效电感跟随变化。
7.根据权利要求6所述的基于片上连续可调电感的压控振荡器，其特征在于：所述可变电阻采用NMOS管或PMOS管，所述可变电阻阻值跟随NMOS管或PMOS管栅极电压改变而改变。
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