CN111342774A - 一种基于c类振荡器拓扑的双核压控振荡器 - Google Patents

Abstract

一种基于C类振荡器拓扑的双核压控振荡器，通过变压器T耦合了两个完全相同的C类振荡器拓扑振荡核心，使它们相互锁定并同相振荡，从而组成了一个双核振荡器；该结构利用将核心晶体管操作在C类的优势，与标准差分对电容电感谐振腔振荡器相比，在相同的电流消耗下，可实现更高的振荡幅度，同时该结构自然地滤除了来自偏置电流的噪声，并且没有引入可能导致大的相位噪声恶化的对寄生电容敏感的节点；采取双核结构，使电路谐振腔的等效电阻减小一半，因此在振荡频率不变的情况下理论上可以将相位噪声降低3dB。

Description

一种基于C类振荡器拓扑的双核压控振荡器

技术领域

本发明涉及射频集成电路领域，具体涉及一种基于C类振荡器拓扑的双核压控振荡器。

背景技术

集成压控振荡器(Voltage controlled oscillator，VCO)是现代通信系统中常用的实用块，通常用作本地振荡器来上变频或下变频成我们想要的射频信号。根据Leeson模型[1]，VCO的相位噪声恶化，严重降低了接收机的性能。为了抑制接收机中的相互混频，需要低相位噪声的VCO。由于对小型化、低成本、低噪声通信器件的市场需求的不断增加，因此在已发表的工作中提出了许多改善集成电容电感VCO的相位噪声性能的方法[2-4]。这样的微波射频前端现在多使用单片SiGe/BiCMOS技术以及离散的外部组件。然而，由于功耗、成本以及不断增加的部署面积等原因，使用CMOS工艺进行完全单片集成的发展动力开始逐渐增大。

然而，标准CMOS工艺有几个缺点，如闪烁噪声高、电源电压低、金属层薄、标准体硅衬底损耗高等。首先，闪烁噪声作为边带调制到振荡信号上，导致载波附近的相位噪声。这对雷达系统探测近距离目标提出了重大挑战。其次，基于Leeson的经典相位噪声模型，可以通过增加电压摆幅来减小相位噪声。然而，这可能会达到电压限制操作状态。在这种情况下，谐振腔中的差动幅值达到了供电电源水平。因此，不可能进一步增加幅度以降低相位噪声。此外，为了降低相位噪声，谐振腔的质量因数需要尽可能高。然而，在毫米波频率下，电感和变容管都限制了可达到的最高质量因数。即使采用超厚金属，体 CMOS中的电感质量因数也只能达到30左右。此外，考虑到过程、电压和温度(PVT)的变化，振荡器还需要覆盖一定的调谐范围。这种调谐通常用开关电容来完成，而开关电容的质量因数也是有限的。也就是说，需要折中考虑调谐范围和开关的质量因数之间的关系。因此，谐振腔的质量因数没有太大的余量可以进一步改善CMOS工艺中VCO的相位噪声。最后，在毫米波频率下，变容管的质量因数是有限的，从而降低了谐振腔的整体质量因数。这些缺点直接影响和限制了CMOSVCO实现的相位噪声性能。

【参考文献】

[1] D. Leeson, “A simple model of feedback oscillator noise spectrum,”Proc. IEEE, vol. 54, no. 2, pp. 329–330, Feb. 1966。

[2] X. Xu, X. Yang, T. Yoshimasu, “A 2-GHz-band Low-Phase-Noise VCOIC with an LC Bias Circuit in 180-nm CMOS Bias Circuit in 180-nm CMOS”. inEuropean Microwave Integrated Circuits Conference (EuMIC), pp. 197-200, 2016.

[3] J.Sun, C. C. Boon, X, Zhu, X. Yi, K. Dexrishi, F. Meng,“ A Low-PowerLow-Phase-Noise VCO With Self-Adjusted Active Resistor, ”IEEE MICROWAVE ANDWIRELESS COMPONENTS LETTERS, 2016. V. 26. No 3. pp. 201-203.

[4] F. Pepe, A. Bonfanti, S. Levantino, C. Samori, and A. L. Lacaita,“Suppression of flicker noise up-conversion in a 65 nm CMOS VCO in the 3.0-to-3.6 GHz band,” IEEE J. Solid-State Circuits, vol. 48, no. 10, pp. 2375–2389, Oct. 2013。

发明内容

为了解决上述提到的毫米波压控振荡器的相位噪声问题，本发明提出了一种基于C类振荡器拓扑的双核压控振荡器。

该发明通过变压器T耦合了两个完全相同的C类振荡器拓扑振荡核心——核心1和核心2，使它们相互锁定并同相振荡，从而组成了一个双核振荡器。

核心1包括电阻R1、R2，晶体管M1、M2、Mtail1，电容Cc1、Cc2、Ctail1，变容管Cv1、Cv2，以及变压器T的初级线圈L1；晶体管M1、M2偏置在C类，晶体管M1的栅极与晶体管M2的漏极相连，晶体管M2的栅极与晶体管M1的漏极相连，构成产生负阻的交叉耦合核心晶体管对；通过电容Cc1、Cc2增加了从谐振腔到晶体管的反馈系数；电容Cc1的正极接晶体管M1的漏极，负极接晶体管M2的栅极；电容Cc2的正极接晶体管M2的漏极，负极接晶体管M1的栅极；变容管Cv1、Cv2的正极一端背靠背对接，两个变容管Cv1、Cv2的负极一端与变压器T的初级线圈L1相连以使两个变容管Cv1、Cv2与变压器T的初级线圈L1并联构成核心1的谐振腔；电阻R1、R2为偏置电阻，电阻R1、R2一端相连，另一端分别与晶体管M1、M2的栅极相连；晶体管Mtail1为尾电流源，它的漏极与晶体管M1、M2的源极相连，源极接地；电容Ctail1为大尾电容，正极与晶体管M1、M2的源极相连，负极接地。

核心2包括电阻R3、R4，晶体管M3、M4、Mtail2，电容Cc3、Cc4、Ctail2，变容管Cv3、Cv4，以及变压器T的次级线圈L2；晶体管M3、M4偏置在C类，构成产生负阻的交叉耦合核心晶体管对；通过电容Cc3、Cc4增加了从谐振腔到晶体管的反馈系数；电容Cc3的正极接晶体管M3的漏极，负极接晶体管M4的栅极；电容Cc4的正极接晶体管M4的漏极，负极接晶体管M3的栅极；变容管Cv3、Cv4的正极一端背靠背对接，两个变容管Cv3、Cv4的负极一端与变压器T的次级线圈L2相连以使两个变容管Cv3、Cv4与变压器T的次级线圈L2并联构成核心2的谐振腔；电阻R3、R4为偏置电阻电阻R3、R4一端相连，另一端分别与晶体管M3、M4的栅极相连；晶体管Mtail2为尾电流源，它的漏极与晶体管M3、M4的源极相连，源极接地。电容Ctail2为大尾电容，正极与晶体管M3、M4的源极相连，负极接地。

进一步的，变压器T的初级线圈L1的中心抽头和次级线圈L2中心抽头分别接供电电源VDD。

进一步的晶体管M1、M2的漏极分别输出一组差分信号Vn和Vp；变压器T的初级线圈L1的两端分别差分信号输出端Vn和Vp相连；两个变容管Cv1、Cv2的负极一端分别差分信号输出端Vn和Vp相连。

进一步的调谐电压Vtune分别接入电阻R1、R2和R3、R4中间，进行频率调谐。

基于上述技术方案，本发明的基于C类振荡器拓扑的双核振荡器具有如下创新和有益效果：

1、采用C类振荡器拓扑结构改善相位噪声性能。从增大低压下振荡器振荡幅度的角度出发，采取C类振荡器拓扑作为振荡器核心单元，通过增加从谐振腔到晶体管的反馈回路，在减小MOS管的有效噪声的同时又不会增加谐振腔的负载，从而保持了较高的振荡幅度，降低了相位噪声。利用将核心晶体管操作在C类的优势，与标准差分对电容电感谐振腔振荡器相比，在相同的电流消耗下，可实现更高的振荡幅度（如图1所示）。同时该结构自然地滤除了来自偏置电流的噪声，并且没有引入可能导致大的相位噪声恶化的对寄生电容敏感的节点。从不同的角度看，在相同的相位噪声水平下，可以节省50%以上的电流。

2、采用双核结构改善相位噪声性能。从振荡器整体架构角度出发，采取双核结构（即耦合两个振荡器拓扑核心），每个振荡器核心都有自己的本地谐振腔，因此，每个电容电感谐振腔的高谐振电流只在局部流通。在这种情况下电容并联容值加倍，电感并联感值减半，振荡频率保持不变但并行谐振腔等效电阻减小一半，在理论上相位噪声将降低3dB。

而Leeson方程中对相位噪声有较大影响的其他参数：电路质量因数Q和电路振荡幅度Vosc均由于工艺的原因无法再进一步优化。所以本发明中两中方法的结合大大突破了现在微波射频压控振荡器相位噪声的设计瓶颈。

附图说明

图1是C类振荡器（图1（a））和差分对电容电感谐振腔振荡器（图1（b））的晶体管电流波形和基波电流幅度图；

图2是本发明实施例的基于C类振荡器拓扑的双核振荡器结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实例，并参照附图，对本发明做进一步的详细说明。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，还可以根据附图获得其他的附图。

如图2所示，双核VCO由上下两个完全相同的C类振荡器核心1和核心2通过变压器T耦合而成。

核心1包括电阻R1、R2，晶体管M1、M2和Mtail1，电容Cc1、Cc2、Ctail1，变容管Cv1、Cv2。晶体管M1、M2的漏极接变压器初级线圈L1。晶体管M1的栅极接晶体管M2的漏极，晶体管M2的栅极接晶体管M1的漏极，构成交叉耦合。电容Cc1的正极接变压器初级线圈L1，负极接晶体管M2的栅极。电容Cc2的正极接变压器初级线圈L1，负极接晶体管M1的栅极。变容管Cv1、Cv2的正极相连，负极分别接变压器初级线圈L1的两端。电阻R1、R2串联接入晶体管M1、M2的栅极之间。晶体管Mtail1的漏极接晶体管M1、M2的源极，源极接地，栅极接直流偏置。电容Ctail1的正极接晶体管M1、M2的源极，负极接地。

核心2包括电阻R3、R4，晶体管M3、M4和Mtail2，电容Cc3、Cc4、Ctail2，变容管Cv3、Cv4。晶体管M3、M4的漏极接变压器次级线圈L2。晶体管M3的栅极接晶体管M4的漏极，晶体管M4的栅极接晶体管M3的漏极，构成交叉耦合。电容Cc3的正极接变压器次级线圈L2，负极接晶体管M4的栅极。电容Cc4的正极接变压器次级线圈L2，负极接晶体管M3的栅极。变容管Cv3、Cv4的正极相连，负极分别接变压器次级线圈L2的两端。电阻R3、R4串联接入晶体管M3、M4的栅极之间。晶体管Mtail2的漏极接晶体管M3、M4的源极，源极接地，栅极接直流偏置。电容Ctail2的正极接晶体管M3、M4的源极，负极接地。

Claims (3)

1.一种基于C类振荡器拓扑的双核压控振荡器，其特征在于：通过变压器T耦合两个完全相同的C类振荡器拓扑振荡核心——核心1和核心2，使它们相互锁定并同相振荡，从而组成了一个双核振荡器；

核心1包括电阻R1、R2，晶体管M1、M2、Mtail1，电容Cc1、Cc2、Ctail1，变容管Cv1、Cv2，以及变压器T的初级线圈L1；晶体管M1、M2偏置在C类，晶体管M1的栅极与晶体管M2的漏极相连，晶体管M2的栅极与晶体管M1的漏极相连，构成产生负阻的交叉耦合核心晶体管对；通过电容Cc1、Cc2增加了从谐振腔到晶体管的反馈系数；电容Cc1的正极接晶体管M1的漏极，负极接晶体管M2的栅极；电容Cc2的正极接晶体管M2的漏极，负极接晶体管M1的栅极；变容管Cv1、Cv2的正极一端背靠背对接，两个变容管Cv1、Cv2的负极一端与变压器T的初级线圈L1相连以使两个变容管Cv1、Cv2与变压器T的初级线圈L1并联构成核心1的谐振腔；电阻R1、R2为偏置电阻，电阻R1、R2一端相连，另一端分别与晶体管M1、M2的栅极相连；晶体管Mtail1为尾电流源，它的漏极与晶体管M1、M2的源极相连，源极接地；电容Ctail1为大尾电容，正极与晶体管M1、M2的源极相连，负极接地；

核心2包括电阻R3、R4，晶体管M3、M4、Mtail2，电容Cc3、Cc4、Ctail2，变容管Cv3、Cv4，以及变压器T的次级线圈L2；晶体管M3、M4偏置在C类，构成产生负阻的交叉耦合核心晶体管对；通过电容Cc3、Cc4增加了从谐振腔到晶体管的反馈系数；电容Cc3的正极接晶体管M3的漏极，负极接晶体管M4的栅极；电容Cc4的正极接晶体管M4的漏极，负极接晶体管M3的栅极；变容管Cv3、Cv4的正极一端背靠背对接，两个变容管Cv3、Cv4的负极一端与变压器T的次级线圈L2相连以使两个变容管Cv3、Cv4与变压器T的次级线圈L2并联构成核心2的谐振腔；电阻R3、R4为偏置电阻电阻R3、R4一端相连，另一端分别与晶体管M3、M4的栅极相连；晶体管Mtail2为尾电流源，它的漏极与晶体管M3、M4的源极相连，源极接地；电容Ctail2为大尾电容，正极与晶体管M3、M4的源极相连，负极接地；

调谐电压Vtune分别接入电阻R1、R2和R3、R4中间，进行频率调谐。

2.根据权利要求1所述一种基于C类振荡器拓扑的双核压控振荡器，其特征在于：变压器T的初级线圈L1的中心抽头和次级线圈L2中心抽头分别接供电电源VDD。

3.根据权利要求1所述一种基于C类振荡器拓扑的双核压控振荡器，其特征在于：晶体管M1、M2的漏极分别输出一组差分信号Vn和Vp；变压器T的初级线圈L1的两端分别差分信号输出端Vn和Vp相连；两个变容管Cv1、Cv2的负极一端分别差分信号输出端Vn和Vp相连。

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