CN110708019A - 一种紧凑型毫米波压控振荡器 - Google Patents

一种紧凑型毫米波压控振荡器 Download PDF

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叶松
丁川
姜丹丹
李富民
陶健
龚靖
管正
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    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03B—GENERATION OF OSCILLATIONS, DIRECTLY OR BY FREQUENCY-CHANGING, BY CIRCUITS EMPLOYING ACTIVE ELEMENTS WHICH OPERATE IN A NON-SWITCHING MANNER; GENERATION OF NOISE BY SUCH CIRCUITS
    • H03B5/00—Generation of oscillations using amplifier with regenerative feedback from output to input
    • H03B5/08—Generation of oscillations using amplifier with regenerative feedback from output to input with frequency-determining element comprising lumped inductance and capacitance
    • H03B5/12—Generation of oscillations using amplifier with regenerative feedback from output to input with frequency-determining element comprising lumped inductance and capacitance active element in amplifier being semiconductor device
    • H03B5/1228—Generation of oscillations using amplifier with regenerative feedback from output to input with frequency-determining element comprising lumped inductance and capacitance active element in amplifier being semiconductor device the amplifier comprising one or more field effect transistors

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Abstract

本发明公开了一种紧凑型毫米波压控振荡器，包括相互连接的交叉耦合振荡电路和输出驱动电路，该压控振荡器直接工作在64‑68GHz下，同时设计了差分输出端和单端输出端，使压控振荡器既可以实现单端输出又可以实现差分输出；本发明中的振荡电路和输出驱动电路紧密耦合，无需倍频，从而简化了电路，降低了电路功耗，减少了芯片面积。

Description

一种紧凑型毫米波压控振荡器
技术领域
本发明属于压控振荡器设计技术领域，具体涉及一种紧凑型毫米波压控振荡器。
背景技术
今年来，无线通讯系统的广泛使用以及半导体产业的快速发展使得视频电路得到了广泛重视，随着通讯产业特别是个人移动通讯的高速发展，无线电频谱的底端频率已趋于饱和，即使是采用高斯滤波最小键控（GMSK）调制或利用各种多址技术扩大通信系统的容量，提高频谱的利用率，也无法满足未来通信发展的需求，因而实现高速、带宽的无线通信势必朝着毫米波频段发展。毫米波凭借其短波长、宽频带、不易受气候影响，可全天候工作等特点能够针对性的解决信号高速传输中面临的诸多难题，在未来的短距离通讯产业中有着广阔的发展空间。
毫米波频率综合器作为毫米波无线通信系统中关键电路模型，主要的作用是在收发系统中对有用信号进行上下变频，在接收机系统中，本振信号与低噪声放大器处理过的信号进行上下变频变换，传入到基带系统中；在发射机系统中，本振信号与基带信号进行上下变频变换，传到功率放大器中。毫米波频率综合器的噪声性能在很大程度上会对信道产生干扰，影响信号的编码和译码，而毫米波压控振荡器作为毫米波频率综合器的重要组成模块之一，其噪声性能在一定程度上影响了整个毫米波频率综合器的噪声性能，因此对于毫米波压控振荡器的研究具有非常重要的研究意义。
毫米波压控振荡器作为很多电子设备中的重要元件，从用于微处理器芯片的时钟到用于手机的载波同步，现代电子系统中需要大量各种结构的振荡器。振荡器的基本工作原理可以分为两种形式，一种是依据正反馈原理来产生正当，不断放大电路中的信号形成振荡的周期信号；另外一种是负阻理论，由于电路中存在着消耗能量的电容电路，因此引入负阻来抵消消耗能量的部分从而维持电路振荡。压控振荡器，其后面都需要接单独的buffer（缓冲）电路再完成输出，由于接了buffer电路，使得整个VCO（压控振荡器）电路复杂、功耗高、占用面积大，同时增加了芯片的制作成本。
发明内容
针对现有技术中的上述不足，本发明提供的紧凑型毫米波压控振荡器解决了现有的毫米波压控振荡器必须外接缓冲电路再完成输出，造成电路复杂，功耗高的问题。
为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：一种紧凑型毫米波压控振荡器，包括相互连接的交叉耦合振荡电路和输出驱动电路；
所述输出驱动电路包括MOS管Mn1、MOS管Mn2和变压器L0，所述MOS管Mn1的栅极和Mn2的栅极均与所述交叉耦合振荡电路连接，所述MOS管Mn1的漏极和MOS管Mn2的漏极均与直流电压VDD连接，所述MOS管Mn1的源极与所述变压器L0原边绕组的一端连接，所述MOS管Mn2的源极与所述变压器L0原边绕组的另一端连接，所述MOS管Mn1的源极与电阻R1的一端连接，所述MOS管Mn2的源极与电阻R2的一端连接；
所述电阻R1的另一端和电阻R2的另一端均作为所述紧凑型毫米波压控振荡器的差分输出端；
所述变压器L0的副边绕组两端作为紧凑型毫米波压控振荡器的单端输出端。
进一步地，所述交叉耦合振荡电路包括主振子电路和负阻子电路；
所述主振子电路包括MOS变容管C1、MOS变容管C2和电感L；
所述负阻子电路包括MOS管Mn3和MOS管Mn4；
所述MOS变容管C1的负极和MOS变容管C2的负极均与所述直流偏置电压VT连接，所述MOS变容管C1的正极分别与所述电感L的一端和MOS管Mn3的漏极连接，所述MOS变容管C2的正极分别与所述电感L的另一端和MOS管Mn4的漏极连接，所述MOS管Mn3的源极和MOS管Mn4的源极均接地VS，所述MOS管Mn3的栅极与MOS管Mn4的漏极连接，所述MOS管Mn4的栅极与所述MOS管Mn3的漏极连接；
所述电感L的控制端分别与所述电容C0的正极和MOS管Mp1的源极连接，所述电容C0的负极接地VS，所述MOS管Mp1的漏极与直流电压VDD连接，所述MOS管Mp1的栅极与调谐电压Vbias连接；
所述MOS管Mn3的漏极与MOS管Mn1的栅极连接，所述MOS管Mn4的漏极与MOS管Mn2的栅极连接。
进一步地，所述交叉耦合振荡电路满足的起振条件为：
gmRp≥2
式中，gm为MOS管Mn3和MOS管Mn4的跨导；
Rp为寄生电阻。
本发明的有益效果为：
本发明提供的紧凑型毫米波压控振荡器直接工作在64-68GHz下，同时设计了差分输出端和单端输出端，使压控振荡器既可以实现单端输出又可以实现差分输出；本发明中的振荡电路和输出驱动电路紧密耦合，无需倍频，从而简化了电路，降低了电路功耗，减少了芯片面积。
附图说明
图1为本发明提供的紧凑型毫米波压控振荡器电路原理图。
图2为本发明提供的紧凑型毫米波压控振荡器的起振仿真示意图。
图3为本发明提供的紧凑型毫米波压控振荡器的差分输出仿真示意图。
图4为本发明提供的紧凑型毫米波压控振荡器的单端输出仿真示意图。
图5为本发明提供的紧凑型毫米波压控振荡器的相位噪声仿真曲线示意图。
图6为本发明提供的紧凑型毫米波压控振荡器的频率范围示意图。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
实施例1：
如图1所示，一种紧凑型毫米波压控振荡器，包括相互连接的交叉耦合振荡电路和输出驱动电路；输出驱动电路包括MOS管Mn1、MOS管Mn2和变压器L0，MOS管Mn1的栅极和Mn2的栅极均与交叉耦合振荡电路连接，MOS管Mn1的漏极和MOS管Mn2的漏极均与直流电压VDD连接，MOS管Mn1的源极与变压器L0原边绕组的一端连接，MOS管Mn2的源极与变压器L0原边绕组的另一端连接，MOS管Mn1的源极与电阻R1的一端连接，MOS管Mn2的源极与电阻R2的一端连接；
电阻R1的另一端和电阻R2的另一端均作为紧凑型毫米波压控振荡器的差分输出端；变压器L0的副边绕组两端作为紧凑型毫米波压控振荡器的单端输出端。
在本发明实施例中，与现有的毫米波压控振荡器须要单独接缓冲电路不同的是，输出驱动电路中的MOS管Mn1、MOS管Mn2和变压器L0一起组成了缓冲电路，使得该紧凑型毫米波压控振荡器单端输出或差分输出时无需外接缓冲电路，需要说明的是，为了该压控振荡器同时具有缓冲电路的功能，两个差分输出端必须分别与MOS管Mn1的源极和MOS管Mn2的源极连接，且其中作为差分输出端的电阻R1和电阻R2的一般阻值很小，可以忽略不计。
实施例2：
如图1所示，上述实施例1中的交叉耦合振荡电路包括主振子电路和负阻子电路；
主振子电路包括MOS变容管C1、MOS变容管C2和电感L；
负阻子电路包括MOS管Mn3和MOS管Mn4；
MOS变容管C1的负极和MOS变容管C2的负极均与电源VT连接，MOS变容管C1的正极分别与电感L的一端和MOS管Mn3的漏极连接，MOS变容管C2的正极分别与电感L的另一端和MOS管Mn4的漏极连接，MOS管Mn3的源极和MOS管Mn4的源极均接地VS，MOS管Mn3的栅极与MOS管Mn4的漏极连接，MOS管Mn4的栅极与MOS管Mn3的漏极连接；
电感L的控制端分别与电容C0的正极和MOS管Mp1的源极连接，电容C0的负极接地VS，MOS管Mp1的漏极与直流电压VDD连接，MOS管Mp1的栅极与调谐电压Vbias连接；
MOS管Mn3的漏极与MOS管Mn1的栅极连接，MOS管Mn4的漏极与MOS管Mn2的栅极连接。
在本发明实施例中，主振子电路中的MOS变容管C1、MOS变容管C2和电感L一起组成谐振回路，实现振荡并控制振荡频率；负阻子电路中的MOS管Mn3和MOS管Mn4形成交叉耦合对管，为谐振回路中的谐振腔提供能量以维持振荡；电感L和电容C0连接起滤波作用。本发明实施例中的交叉耦合振荡电路与输出驱动电路紧密耦合，简化了现有的压控振荡器后面必须连接缓冲电路的情况，降低了功耗，减小了压控振荡器芯片的面积。
在本发明实施例中，在主振子电路构成的谐振回路中，谐振腔存在寄生电阻Rp，这会造成振荡腔中的能量损耗，此时就需要交叉耦合对管Mn3和Mn4为主振子电路提供外部能量以维持振荡，基于此，在MOS管Mn3和MOS管Mn4的跨导均为gm的条件下，那么负阻子电路的总负阻为-2/gm，要满足起振条件，则总负阻-2/gm与寄生电阻Rp的满足的关系为：
Rp||(-2/gm) ≤0
式中，||为并联符号；
由此，得到交叉耦合振荡电路满足的起振条件为：
gmRp≥2
在本发明的一个实施例中，提供了利用本发明中的紧凑型毫米波压控振荡器进行电路仿真的实例：
图2为本发明紧凑型毫米波压控振荡器的起振仿真示意图，从图中可以看出，本发明中的压控振荡器的起振时间约为1ns，振荡幅度约为0.825V，起振时间和振幅性能良好；
图3为本发明紧凑型毫米波压控振荡器的差分输出仿真示意图，从图中可以看出，本发明中的压控振荡器的差分电压输出范围约为0.2V到2V，中间电压为1.1V，当时间t = 4ns时，下面电压Vout1约为0.5V，而上面电压Vout2约为1.9V，实现了良好的差分输出；
图4为本发明紧凑型毫米波压控振荡器的单端输出仿真示意图，从图中可以看出，本发明中的紧凑型毫米波压控振荡器的单端输出范围约为：-0.65V到0.635V；
图5为本发明紧凑型毫米波压控振荡器的相位噪声仿真曲线，相位噪声作为压控振荡器的几个主要评价指标之一，是指压控振荡器在各种噪声的作用下引起的输出信号相位的随机变化，是衡量频率标准源频稳质量的重要指标，随着频标源性能的不断改善，相应噪声量值越来越小，从图中可以看出，本发明中的压控振荡器的相位噪声最优可达-100dBc/Hz@1MHz；
图6为展示了本发明紧凑型毫米波压控振荡器的频率范围为66.6GHz~70.84GHz。
本发明的有益效果为：
本发明提供的紧凑型毫米波压控振荡器直接工作在64-68GHz下，同时设计了差分输出端和单端输出端，使压控振荡器既可以实现单端输出又可以实现差分输出；本发明中的振荡电路和输出驱动电路紧密耦合，无需倍频，从而简化了电路，降低了电路功耗，减少了芯片面积。

Claims (3)

1.一种紧凑型毫米波压控振荡器，其特征在于，包括相互连接的交叉耦合振荡电路和输出驱动电路；
所述输出驱动电路包括MOS管Mn1、MOS管Mn2和变压器L0，所述MOS管Mn1的栅极和Mn2的栅极均与所述交叉耦合振荡电路连接，所述MOS管Mn1的漏极和MOS管Mn2的漏极均与直流电压VDD连接，所述MOS管Mn1的源极与所述变压器L0原边绕组的一端连接，所述MOS管Mn2的源极与所述变压器L0原边绕组的另一端连接，所述MOS管Mn1的源极与电阻R1的一端连接，所述MOS管Mn2的源极与电阻R2的一端连接；
所述电阻R1的另一端和电阻R2的另一端均作为所述紧凑型毫米波压控振荡器的差分输出端；
所述变压器L0的副边绕组两端作为紧凑型毫米波压控振荡器的单端输出端。
2.根据权利要求1所述的紧凑型毫米波压控振荡器，其特征在于，所述交叉耦合振荡电路包括主振子电路和负阻子电路；
所述主振子电路包括MOS变容管C1、MOS变容管C2和电感L；
所述负阻子电路包括MOS管Mn3和MOS管Mn4；
所述MOS变容管C1的负极和MOS变容管C2的负极均与所述直流偏置电压VT连接，所述MOS变容管C1的正极分别与所述电感L的一端和MOS管Mn3的漏极连接，所述MOS变容管C2的正极分别与所述电感L的另一端和MOS管Mn4的漏极连接，所述MOS管Mn3的源极和MOS管Mn4的源极均接地VS，所述MOS管Mn3的栅极与MOS管Mn4的漏极连接，所述MOS管Mn4的栅极与所述MOS管Mn3的漏极连接；
所述电感L的控制端分别与所述电容C0的正极和MOS管Mp1的源极连接，所述电容C0的负极接地VS，所述MOS管Mp1的漏极与直流电压VDD连接，所述MOS管Mp1的栅极与调谐电压Vbias连接；
所述MOS管Mn3的漏极与MOS管Mn1的栅极连接，所述MOS管Mn4的漏极与MOS管Mn2的栅极连接。
3.根据权利要求2所述的紧凑型毫米波压控振荡器，其特征在于，所述交叉耦合振荡电路满足的起振条件为：
gmRp≥2
式中，gm为MOS管Mn3和MOS管Mn4的跨导；
Rp为寄生电阻。
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