CN110719069A - 一种新型低噪声压控振荡器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开新型低噪声压控振荡器，包括双LC tank构成的电感电容谐振腔，MOS管MP1、MOS管MP2,MOS管MN1、MOS管MN2；MOS管MP1、MOS管MP2源极连接后接VDD，MOS管MP1栅极接MOS管MP2漏极，MOS管MP2栅极接MOS管MP1漏极；MOS管MN1、MOS管MN2源极连接后接地，MOS管MN1、MOS管MN2漏极分别与MOS管MP1、MOS管MP2漏极相接，MOS管MN1栅极接MOS管MN2漏极，MOS管MN2栅极接MOS管MN1栅极。本发明在保证低功耗的前提下，实现高的摆幅要求；有效解决了基波和二次谐波相位非对准条件下相位噪声差的问题。

Description

一种新型低噪声压控振荡器
技术领域
本发明涉及低噪声压控振荡器技术领域，特别是涉及一种新型低噪声压控振荡器。
背景技术
为满足通讯标准中误码率要求和提高毫米波雷达接收机灵敏度，须降低毫米波频率源中压控振荡器的相位噪声。随着CMOS工艺发展，晶体管栅氧化层厚度越来越薄，可承受的击穿电压越来越低，可提供的偏置电压越来越小，使得振荡器的输出摆幅越来越小，相位噪声进一步下降。随着振荡频率进入毫米波波段，为满足巴克豪森振荡条件此时所需要的晶体管的栅长度越来越短，这导致晶体管的1/f噪声急剧增加，噪声进一步下降。同时相比低频振荡器来说，版图也引入了大量寄生电容，寄生电容会使晶体管的特征频率和本征增益降低，相位噪声性能进一步下降。
目前，针对振荡器输出摆幅低、相位噪声差的问题，一是采用源漏端变压器耦合的压控振荡器(Transform-feedback VCO,TFVCO)，是利用源漏电压双信号摆幅耦合，源漏电压摆幅反相同时源漏两端变压器反相耦合使得振荡器的输出摆幅超过电源供电电压。TFVCO利用源漏电压耦合提升输出摆幅，但是没有提升晶体管的本征增益，即未将耦合前信号的摆幅优化至最佳。二是在TFVCO基础上，提出差分Colpitts摆幅增强型VCO(Enhancedswing differential Colpitts VCO,ESDC-VCO)。是将源极电感代替传统Colpitts的尾部电流源，同时利用电容实现源漏端之间的反馈。
但上述两方法存在问题，就是提高基波摆幅的同时二次及更高次谐波尤其是二次谐波的摆幅也被提高，同时因为晶体管的非线性效应引入了基波和高次谐波的相位差，这个相位差会随着基波和二次谐波的混频进入到基波中，变成基波附近的相位噪声，因此并没有实现高相位噪声性能的VCO。
因此，如何解决随着振荡频率升高晶体管寄生增加、本征增益低，无源器件品质因数低等问题，获得低噪声的毫米波振荡器，成为毫米波应用中必须要解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的是针对毫米波频段有源器件寄生大、增益低和无源器件Q值低的问题，而提供一种新型低噪声压控振荡器，实现了在较宽频带具有高性能相位噪声的压控振荡器，具有较好的应用前景。
为实现本发明的目的所采用的技术方案是：
一种新型低噪声压控振荡器，包括双LC tank构成的电感电容谐振腔，MOS管MP1、MOS管MP2,MOS管MN1、MOS管MN2；MOS管MP1、MOS管MP2源极连接后接VDD，MOS管MP1栅极接MOS管MP2漏极，MOS管MP2栅极接MOS管MP1漏极；MOS管MN1、MOS管MN2源极连接后接地，MOS管MN1、MOS管MN2漏极分别与MOS管MP1、MOS管MP2漏极相接，MOS管MN1栅极接MOS管MN2漏极，MOS管MN2栅极接MOS管MN1栅极，双LC tank中的一个LC tank的两端分别接在MOS管MN1、MOS管MN2漏极对应与MOS管MP1、MOS管MP2漏极的连接线上；利用双LCtank弱耦合来消除基波和二次谐波间的相位差，以提高压控振荡器的相位噪声性能。
其中，双LC tank包括电感L1、电感L2，两个可变电容Cv1,两个可变电容Cv2,电感L1与两个可变电容Cv1串接形成一个单元，电感L2与两个可变电容Cv2串接形成另一个单元，两个可变电容Cv1之间以及两个可变电容Cv2之间分别接控制电压Vt。
本发明可以在保证低功耗的前提下，可以实现高的摆幅要求；有效解决了基波和二次谐波相位非对准条件下相位噪声差的问题；拓扑结构简单，便于集成化。
附图说明
图1为本发明的新型低噪声压控振荡器的设计流程图；
图2为变压器耦合的Dual-tank结构图；
图3为本发明提供的新型低噪声压控振荡器电路拓扑图；
图4-5分别是发明的新型低噪声压控振荡器的实现基波和二次谐波的对准提升相位噪声的性能效果图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明采用双LCtank(电感电容谐振腔)弱耦合来消除基波和二次谐波之间的相位差，以提高压控振荡器的相位噪声性能。
如图3所示，本发明新型低噪声压控振荡器，包括双LC tank构成的电感电容谐振腔，MOS管MP1、MOS管MP2,MOS管MN1、MOS管MN2；MOS管MP1、MOS管MP2源极连接后接VDD，MOS管MP1栅极接MOS管MP2漏极，MOS管MP2栅极接MOS管MP1漏极；MOS管MN1、MOS管MN2源极连接后接地，MOS管MN1、MOS管MN2漏极分别与MOS管MP1、MOS管MP2漏极相接，MOS管MN1栅极接MOS管MN2漏极，MOS管MN2栅极接MOS管MN1栅极，双LC tank中的一个LC tank的两端分别接在MOS管MN1、MOS管MN2漏极对应与MOS管MP1、MOS管MP2漏极的连接线上。
其中，双LC tank包括电感L1、电感L2，两个可变电容Cv1,两个可变电容Cv2,电感L1与两个可变电容Cv1串接形成一个单元，电感L2与两个可变电容Cv2串接形成另一个单元，两个可变电容Cv1之间以及两个可变电容Cv2之间接分别接VDD。
图2示出了变压器耦合的双tank结构，其可实现谐振分离，出现两个谐振频点，高频频率ωH和低频频率ωL，本发明需要ωH/ωL＝2来实现基波和二次谐波的对准，提升相位噪声性能。此两个谐振频率是由耦合系数K和双tank的本征谐振频率比ξ＝(ω1/ω2)2决定的
Figure BDA0002215461250000041
L1,2、C1,2，参数是图2中谐振腔的电感电容值。
参见图1所示，设计时，首先通过耦合系数K来确定双tank的本征频率比ξ，以便实现ωH/ωL＝2。确定本征频率比之后，利用需要的工作频率ω0＝ωL这一条件，确定双tank的本征频率
Figure BDA0002215461250000042
相位噪声和调频范围和电感L1,2、电容C1,2的值有关系，因此需要不断的优化电感L1,2、电容C1,2值来确定最终的拓扑。
本发明采用双tank弱耦合来消除基波和二次谐波的相位差。下面具体说明耦合tank对如何实现谐振分离，谐振分离之后产生的双频点频率之间的关系，以及如何利用谐振分离来实现基波和二次谐波之间的相位对准。
下面分析基波和二次谐波对准、非对准情况引入的噪声。假定振荡稳定时，基波信号表示为：
A0cos(ω0t) (1)
其中A0表示基波信号的幅值，ω0表示基波信号的频率，
(1).相位对准时，二次谐波表示为：
A1cos(2ω0t) (2)
其中A1表示二次谐波的幅值，2ω0表示二次谐波信号的频率，
二次谐波和基波进行混频：
Figure BDA0002215461250000051
(2).相位非对准时，二次谐波表示为：
其中表示基波和二次谐波的相位差，
二次谐波和基波进行混频：
Figure BDA0002215461250000054
从上面分析可以看出，当基波和二次谐波的相位非对准时，基波会引入一个量
Figure BDA0002215461250000055
这个量就是该效应产生额外的相位噪声。本发明提出的办法可以有效消除这一效应，因为当基波而二次谐波对准时，不会产生额外的相位
Figure BDA0002215461250000056
下面介绍变压器弱耦合实现频率分离，并且借助耦合来实现基波和二次谐波的相位对准。
下面，结合图2中变压器耦合的dual-tank对来说明如何实现基波和二次谐波的对准。图2变压器耦合变压器阻抗可以通过简单的阻抗矩阵来表示：
Figure BDA0002215461250000057
其中ω表示工作角频率
利用变压器的阻抗矩阵来描述耦合tank双端口网络的阻抗情况：
根据巴克豪森条件，假定晶体管提供的负阻为-Gm，得到环路增益条件和相位条件。
Figure BDA0002215461250000061
其中
Figure BDA0002215461250000063
代表阻抗Z11倒数的实部，
Figure BDA0002215461250000064
代表阻抗Z11倒数的虚部。
利用公式(8b)得到两个振荡频率：
Figure BDA0002215461250000065
其中，
Figure BDA0002215461250000066
ξ＝(ω1/ω2)2，ω1表示tank1的本征谐振频率，ω2表示tank2的本征频率，ωH表示谐振分离之后高频频率，ωL表示谐振分离之后低频频率。
当把两个振荡频率刚好放置在ωH/ωL＝2的位置，此时基波和二次谐波均处于谐振点处，当频率位于谐振频率处时，谐振频率阻抗为纯实部，此时基波和二次谐波无相位差(相位差的产生是阻抗的虚部引起的)，可以有效提升振荡器相位噪声性能。具体的效果如图4-5所示。
从图4-5可以看出，在对准条件下，基波和二次谐波的叠加更接近方波，波形更对称，相位噪声性能更优。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种新型低噪声压控振荡器，其特征在于，包括双LCtank构成的电感电容谐振腔，MOS管MP1、MOS管MP2,MOS管MN1、MOS管MN2；MOS管MP1、MOS管MP2源极连接后接VDD，MOS管MP1栅极接MOS管MP2漏极，MOS管MP2栅极接MOS管MP1漏极；MOS管MN1、MOS管MN2源极连接后接地，MOS管MN1、MOS管MN2漏极分别与MOS管MP1、MOS管MP2漏极相接，MOS管MN1栅极接MOS管MN2漏极，MOS管MN2栅极接MOS管MN1栅极，双LCtank中的一个LCtank的两端分别接在MOS管MN1、MOS管MN2漏极对应与MOS管MP1、MOS管MP2漏极的连接线上；利用双LCtank弱耦合来消除基波和二次谐波间的相位差，以提高压控振荡器的相位噪声性能。
2.根据权利要求1所述新型低噪声压控振荡器，其特征在于，双LCtank包括电感L1、电感L2，两个可变电容Cv1,两个可变电容Cv2,电感L1与两个可变电容Cv1串接形成一个单元，电感L2与两个可变电容Cv2串接形成另一个单元，两个可变电容Cv1之间以及两个可变电容Cv2之间分别接控制电压Vt。
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