CN110719070B - 一种基于动态阈值技术的低功耗压控振荡器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种基于动态阈值技术的低功耗压控振荡器,包括提供负阻弥补谐振腔振荡时的功率损耗的CMOS交叉耦合对、用于产生压控振荡器的谐振信号的LC谐振腔,电容分压动态阈值模块;CMOS交叉耦合对的两个差分输出端口分别与LC谐振腔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。本发明能实现通过检测输出信号波形来动态的调节晶体管衬底电压,从而改变晶体管阈值电压,实现在低电源电压情况下提高电路起振速度,且降低输出信号的相位噪声和功耗。

Description

一种基于动态阈值技术的低功耗压控振荡器
技术领域
本发明涉及压控振荡器技术领域,特别是涉及一种基于动态阈值技术的低功耗压控振荡器。
背景技术
在射频通信技术中,压控振荡器VCO是为芯片提供本地稳定的本振信号的电路,是锁相环模块中的重要组成部分,可以产生所需要的时钟信号,其功耗、调节灵敏度、相位噪声时刻影响着收发机的性能,如何有效改善压控振荡器的性能是射频通信技术的关键之一。
目前常用的VCO类型为环形VCO和LC VCO两种。环路VCO反馈环节不包含电容和电感器件可以有效的节省芯片空间,但是其相位噪声较差并且会消耗更大的功耗。LC VCO的调谐范围没有环路VCO的大,但是其噪声性能表现更加好,以及功耗更加低,被广泛应用于射频技术中。
VCO相位噪声严重影响着系统性能表现,因此射频电路设计中关于如何提高相位噪声是一直是技术难题,电路不同拓补结构对其性能有着不同的影响。采用CMOS交叉耦合对结构的LC VCO,可通过提高品质因数来减少其相位噪声,但会增加电路功耗。但在应用电源电压下降、功耗降低的电路时,电路起振速度会变慢,同时电路的品质因数降低会使相位噪声性能变差。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术中存在的技术缺陷,而提供一种基于动态阈值技术的低功耗压控振荡器,通过对典型LC压控振荡器结构的改进与优化,解决压控振荡器在低电源电压情况下相位噪声差、起振速度慢的问题,且降低电路的功耗。
为实现本发明的目的所采用的技术方案是:
一种基于动态阈值技术的低功耗压控振荡器,包括提供负阻弥补谐振腔振荡时的功率损耗的CMOS交叉耦合对、用于产生压控振荡器的谐振信号的LC谐振腔,采用电容分压技术来实现动态阈值电压的电容分压动态阈值模块;CMOS交叉耦合对的两个差分输出端口分别与LC谐振腔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;
CMOS交叉耦合对为NMOS及PMOS互补交叉耦合管,包括第一NMOS管M1、第二NMOS管M2、第一PMOS管M3、第二PMOS管M4;第一NMOS管M1的漏极和第一PMOS管M3的漏极相连,第二NMOS管M2的漏极和第二PMOS管M4的漏极相连,第一NMOS管M1和第一PMOS管M3的栅极连接至第二NMOS管M2和第二PMOS管M4的漏极,第二NMOS管M2和第二PMOS管M4的栅极连接至第一NMOS管M1和第一PMOS管M3的漏极;第一NMOS管M1和第一PMOS管M3的漏极以及第二NMOS管M2和第二PMOS管M4的漏极为压控振荡器的差分输出端口;
LC谐振腔包括第一电容C1、第二电容C2、第一变容管Cvar1、第二变容管Cvar2和电感L;第一电容C1和第二电容C2串联后两端与第一变容管Cvar1和第二变容管Cvar2串联后两端以及电感L差分端口并联构成谐振腔;第一变容管Cvar1和第二变容管Cvar2一端相连后作为控制电压的输入端,通过外部控制电压实现压控振荡器的频率调节;
电容分压动态阈值模块包括第三电容C3、第四电容C4、第五电容C5、第六电容C6、第七电容C7、第八电容C8、第九电容C9、第十电容C10;第三电容C3和第四电容C4相连端连至第一NMOS管M1的衬底端,第三电容C3和第四电容C4两端分别连至第一NMOS管M1的栅端和源端;所述第五电容C5和第六电容C6相连端连至第二NMOS管M2的衬底端,第五电容C5和第六电容C6两端分别连至第二NMOS管M2的栅端和源端;所述第七电容C7和第八电容C8相连端连至第一PMOS管M3的衬底端,第七电容C7和第八电容C8两端分别连至第一PMOS管M3的漏端和源端;第九电容C9和第十电容C10相连端连至第二PMOS管M4的衬底端,第九电容C9和第十电容(C10)两端分别连至第二PMOS管M4的漏端和源端。
其中,所有的NMOS的源端都接地,所有的PMOS的源端都接电源VDD。
本发明能实现通过检测输出信号波形来动态的调节晶体管衬底电压,从而改变晶体管阈值电压,实现在低电源电压情况下提高电路起振速度,且降低输出信号的相位噪声和功耗。
附图说明
图1为本发明的基于动态阈值技术的低功耗压控振荡器的结构图。
图2-5所示为分别为本发明中各外电容分压动态阈值模块的结构图。
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。
如图1-5所示,本发明一种基于动态阈值技术的低功耗压控振荡器,包括提供负阻弥补谐振腔振荡时的功率损耗的CMOS交叉耦合对、用于产生压控振荡器的谐振信号的LC谐振腔,采用电容分压技术来实现动态阈值电压的电容分压动态阈值模块;CMOS交叉耦合对的两个差分输出端口分别与LC谐振腔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;
CMOS交叉耦合对为NMOS及PMOS互补交叉耦合管,包括第一NMOS管M1、第二NMOS管M2、第一PMOS管M3、第二PMOS管M4;第一NMOS管M1的漏极和第一PMOS管M3的漏极相连,第二NMOS管M2的漏极和第二PMOS管M4的漏极相连,第一NMOS管M1和第一PMOS管M3的栅极连接至第二NMOS管M2和第二PMOS管M4的漏极,第二NMOS管M2和第二PMOS管M4的栅极连接至第一NMOS管M1和第一PMOS管M3的漏极;第一NMOS管M1和第一PMOS管M3的漏极以及第二NMOS管M2和第二PMOS管M4的漏极为压控振荡器的差分输出端口;
LC谐振腔包括第一电容C1、第二电容C2、第一变容管Cvar1、第二变容管Cvar2和电感L;第一电容C1和第二电容C2串联后两端与第一变容管Cvar1和第二变容管Cvar2串联后两端以及电感L差分端口并联构成谐振腔;第一变容管Cvar1和第二变容管Cvar2一端相连后作为控制电压的输入端,通过外部控制电压实现压控振荡器的频率调节;
电容分压动态阈值模块包括第三电容C3、第四电容C4、第五电容C5、第六电容C6、第七电容C7、第八电容C8、第九电容C9、第十电容C10;第三电容C3和第四电容C4相连端连至第一NMOS管M1的衬底端,第三电容C3和第四电容C4两端分别连至第一NMOS管M1的栅端和源端;所述第五电容C5和第六电容C6相连端连至第二NMOS管M2的衬底端,第五电容C5和第六电容C6两端分别连至第二NMOS管M2的栅端和源端;所述第七电容C7和第八电容C8相连端连至第一PMOS管M3的衬底端,第七电容C7和第八电容C8两端分别连至第一PMOS管M3的漏端和源端;第九电容C9和第十电容C10相连端连至第二PMOS管M4的衬底端,第九电容C9和第十电容(C10)两端分别连至第二PMOS管M4的漏端和源端。
上述的电容分压动态阈值模块,通过检测输出信号的变化,改变晶体管M1、M2、M3、M4衬底电压,从而实现动态阈值电压。
其中,所有的NMOS的源端都接地,所有的PMOS的源端都接电源VDD。
需要说明的是,压控振荡器VCO的相位噪声与很多因素有关,如电路品质因数Q、元器件个数以及电流源噪声等都,时刻影响着相位噪声好坏。Leeson基于线性时不变(LinerTime Invariant,LTI)理论提出相位噪声公式表示为,
Figure BDA0002221055180000051
其中,F为噪声系数,k为玻尔兹曼常数,Q为品质因数。提高相位噪声性能的一个可行方式是提高电路的品质因数,振荡器的品质因数可以通过降低晶体管的阈值电压(Vth)以及提高电路的负电导(Gm)来改善。
本发明的电路采用CMOS交叉耦合型结构可以得到更好的Q值以及提高电路的负电阻,其负阻抗由NMOS管和PMOS管共同作用提供,提出的电路的负阻抗可以表示为,
Figure BDA0002221055180000052
传统的动态阈值MOSFET需要较低输出摆幅来避免给MOS器件引入正向偏置的PN结而影响电路性能,为了避免这种情况的发生,本发明采用电容分压技术来实现动态阈值,在保持高摆幅的输出基础上提高相位噪声性能,MOSFET的阈值电压可以表示为:
Figure BDA0002221055180000053
式中Vth0是在零偏压下的阈值电压,γ是体效应系数,ΦF是反型层的电势,Vbs是衬底和源端的电压。式中Vth可以通过改变Vbs而得到改变,采用电容分压技术来实现动态阈值电压,其NMOS的衬底和源端的电压可表示为,
Figure BDA0002221055180000054
Vg和Vs分别为栅端和源端的电压,当输出幅度减小时,其NMOS管的衬底电压会增加,使得阈值电压减小以及增大NMOS的跨导。同时PMOS管也同样采用了电容分压技术,当输出幅度减小时,其PMOS管的衬底电压会减小,使得阈值电压减小并且增大PMOS的跨导。动态阈值MOSFET的另一个优点是可以提高振荡器的启动速度,在初始状态下,NMOS管和PMOS管的Vbs都为最大值,则阈值电压为最小值,因此使电路的负跨导足够大到满足振荡条件,振荡条件可以表示为,
Figure BDA0002221055180000061
其中Gm为电路的跨导,RP是电路的消耗电阻。DTMOS也可以降低所提出电路的最小电源电压,但是为了使NMOS管和PMOS管工作,其最小电源电压必须大于|VthP|和VthN的总和。在初始振荡时交叉耦合晶体管的阈值电压为最低值,因此与传统的VCO结构相比本文结构可以在更低的电源电压下工作,并且在振荡开始之后会随着振幅自动调节MOS管的阈值电压,消耗更少的功耗。
本发明中,CMOS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。压控振荡器核心电路的输出分别与电容C3、C5、C7、C9相连,通过检测输出信号峰值来调节晶体管衬底电压。衬底电压变化会改变晶体管的阈值电压,实现动态阈值电压达到提升电路起振速度和降低功耗的目的,采用NMOS及PMOS互补交叉耦合对结构降低了相位噪声。
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)

1.一种基于动态阈值技术的低功耗压控振荡器,其特征在于,包括提供负阻弥补谐振腔振荡时的功率损耗的CMOS交叉耦合对、用于产生压控振荡器的谐振信号的LC谐振腔,采用电容分压技术来实现动态阈值电压的电容分压动态阈值模块;CMOS交叉耦合对的两个差分输出端口分别与LC谐振腔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;
CMOS交叉耦合对为NMOS及PMOS互补交叉耦合管,包括第一NMOS管M1、第二NMOS管M2、第一PMOS管M3、第二PMOS管M4;第一NMOS管M1的漏极和第一PMOS管M3的漏极相连,第二NMOS管M2的漏极和第二PMOS管M4的漏极相连,第一NMOS管M1和第一PMOS管M3的栅极连接至第二NMOS管M2和第二PMOS管M4的漏极,第二NMOS管M2和第二PMOS管M4的栅极连接至第一NMOS管M1和第一PMOS管M3的漏极;第一NMOS管M1和第一PMOS管M3的漏极以及第二NMOS管M2和第二PMOS管M4的漏极为压控振荡器的差分输出端口;
LC谐振腔包括第一电容C1、第二电容C2、第一变容管Cvar1、第二变容管Cvar2和电感L;第一电容C1和第二电容C2串联后两端与第一变容管Cvar1和第二变容管Cvar2串联后两端以及电感L差分端口并联构成谐振腔;第一变容管Cvar1和第二变容管Cvar2一端相连后作为控制电压的输入端,通过外部控制电压实现压控振荡器的频率调节;
电容分压动态阈值模块包括第三电容C3、第四电容C4、第五电容C5、第六电容C6、第七电容C7、第八电容C8、第九电容C9、第十电容C10;第三电容C3和第四电容C4相连端连至第一NMOS管M1的衬底端,第三电容C3和第四电容C4两端分别连至第一NMOS管M1的栅端和源端;所述第五电容C5和第六电容C6相连端连至第二NMOS管M2的衬底端,第五电容C5和第六电容C6两端分别连至第二NMOS管M2的栅端和源端;所述第七电容C7和第八电容C8相连端连至第一PMOS管M3的衬底端,第七电容C7和第八电容C8两端分别连至第一PMOS管M3的漏端和源端;第九电容C9和第十电容C10相连端连至第二PMOS管M4的衬底端,第九电容C9和第十电容(C10)两端分别连至第二PMOS管M4的漏端和源端。
2.根据权利要求1所述基于动态阈值技术的低功耗压控振荡器,其特征在于,所有的NMOS的源端都接地,所有的PMOS的源端都接电源VDD。
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