CN112234983A - 一种基于源极阻尼电阻的宽带vco - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于源极阻尼电阻的宽带VCO，属于射频集成电路领域，包括N个工作频段的LC‑VCO核，N为≥2的整数；每个LC‑VCO核包括：栅极和漏极交叉耦合连接的NMOS对和PMOS对，由开关电容阵列C‑Tank、可变电容、L‑C谐振网络并联组成的谐振网络，与NMOS对/PMOS对的源端单独或者同时连接的源极阻尼电阻；其中NMOS对和PMOS对漏极连接，再与谐振网络连接；所述L‑C谐振网络用于对输出信号进行选频，选出关心的基频，L‑C谐振网络包括电感L和电容C，不同的LC‑VCO核具有不同的电感L和电容C。其中，源极阻尼电阻，实现环路增益降低，并设计“8”字型定制电感，增加谐振腔Q值，抑制非线性效应产生的谐波分量，降低闪烁噪声传递，优化了VCO输出信号的相位噪声性能。
Description
技术领域
本发明属于射频集成电路领域，更具体地，涉及一种基于源极阻尼电阻的宽带VCO。
背景技术
VCO(Voltage Controlled Oscillator，压控振荡器)是一类输出频率在一定范围内受输入电压调整的振荡器总称。VCO作为频率合成器、锁相环以及其他时钟产生电路的重要模块，其相位噪声直接影响到输出时钟的相位噪声及抖动性能。在深亚微米工艺下，随着工艺的进步，MOS管沟道长度不断降低，闪烁噪声的转角频率不断增加，相位噪声中晶体管闪烁噪声成分已经成为影响VCO相位噪声的主要因素。
宽带VCO的应用场景很多，主要包含可重构射频收发器、软件无线电等宽频带领域。区别于窄带通信中的VCO，宽带VCO需要产生较宽频率范围内的本地时钟信号，以覆盖不同无线通信协议规定的通信频带。同时宽带VCO需要能在较宽的频率范围内保持良好的噪声特性，以满足各个协议规定的通信质量。
传统的低噪声VCO设计方法可以分为：①优化谐振腔Q值；②减小噪声源；③减小噪声传输。其中集成电感的Q值难以做高，闪烁噪声源难以滤除，电路非线性导致噪声折叠等问题导致上述方法仅能实现窄频带内良好的噪声性能，但难以在宽频带内的保持噪声性能。随着MOS管沟道长度的降低，MOS管的闪烁噪声成分已经成为限制相位噪声性能继续提升的主要因素。如何保证在较宽频率范围内保证良好的闪烁噪声抑制性能，成为继续提高VCO噪声性能的一大研究趋势。
采用阻尼电阻可以有效改善闪烁噪声，抑制噪声传输。在LC-VCO电路中，MOS管存在闪烁噪声，同时由于MOS管跨导的非线性，使得输出振荡信号中混有谐波成分。当闪烁噪声与振荡频率的谐波混频后，频谱搬移到基频附近，引起基频附近的相位波动，最终导致VCO相位噪声性能恶化。从上述噪声传输机制出发，有研究指出可以在负阻对MOS管漏极添加阻尼电阻，一方面减小闪烁噪声向谐振腔的传输；另一方面在沟道电流和栅极电压间引入额外相位差θ，减小相位抖动。其研究成果表明，采用漏极电阻的VCO能够在较宽频率范围内保持恒定的闪烁噪声抑制性能，即恒定的相位噪声性能。但是由于其同时在PMOS交叉耦合对和NMOS交叉耦合对漏极引入了漏极阻尼电阻，面临VCO难以起振，振荡信号幅度过小等问题。
发明内容
针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种基于源极阻尼电阻的宽带VCO，其目的在于，降低MOS管闪烁噪声引起的VCO相位噪声恶化，并实现较宽频带范围内相位噪声的优化。
为实现上述目的，本发明提供了一种基于源极阻尼电阻的宽带VCO，包括N个工作频段的LC-VCO核，N为≥2的整数；每个LC-VCO核包括：栅极和漏极交叉耦合连接的NMOS对和PMOS对，由开关电容阵列C-Tank、可变电容、采用定制“8”字型电感的L-C谐振网络并联组成的谐振网络，与NMOS对/PMOS对的源端单独或者同时连接的源极阻尼电阻R1/R2；其中NMOS对和PMOS对漏极连接，再与谐振网络连接；栅极和漏极交叉耦合连接的NMOS对和PMOS对充当负阻，用于提供维持电路振荡的增益；开关电容阵列用于划分不同子频带，提高VCO增益线性度，降低AM-FM效应；可变电容根据输入控制电压完成对频率点的精细调整；L-C谐振网络用于对输出信号进行选频，选出关心的基频；源极阻尼电阻R1/R2用于降低MOS管闪烁噪声传递，抑制闪烁噪声向相位噪声的转换。
LC-VCO核由于具有LC谐振网络，拥有输出频率稳定、噪声性能好等诸多优点，相较于环形振荡结构，使用LC-VCO作为时钟产生电路，能够实现更优的相位噪声性能。本发明通过在传统Vander PolLC-VCO结构中引入源极阻尼电阻，实现环路增益降低，并设计“8”字型定制电感，增加谐振腔Q值，降低闪烁噪声传递，优化了VCO输出信号的相位噪声性能。
进一步地，宽带VCO还包括SPI接口，分别覆盖高低工作频段；通过所需要的振荡信号频率，通过SPI接口配置使能开关，选择一个VCO核工作，以完成更大工作频率范围的扩展。
通过SPI接口，本发明能够根据应用频段需求对VCO核选择。
进一步地，基于源极阻尼电阻的VCO包括6-bit开关电容阵列和可变电容；开关电容阵列用于在已选定VCO核的基础上，根据开关电容控制字划分出不同子频带，完成对子频带进行初步选择；可变电容用于在已选定子频带的基础上，在可变电容线性区间内对振荡信号频点进行细调，从而提高VCO电压-频率增益的线性度。
在无线通信系统中，对载波的频谱纯净度要求较高；相较于传统的开关电容阵列和可变电容频率控制方案，在相同的频率范围内，采用VCO核、开关电容阵列、可变电容频率控制方案能够完成更高分辨率的频率步进，提高VCO增益线性度，更小的相位噪声转换。
本发明在采用阻尼电阻的基础上，仅在NMOS交叉耦合对源极采用源极阻尼电阻，增大起振裕度和振荡信号幅度。同时结合定制“8”字型电感，提高谐振网络的Q值。采用多个频段VCO核切换工作模式，扩大工作频率范围，并进行流片测试，实现2.5-5GHz宽频带范围内噪声性能良好的VCO，验证了基于源极阻尼电阻抑制闪烁噪声上变频宽带VCO方案的可行性。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：
(1)本发明提供的基于源极阻尼电阻的宽带VCO，采用源极阻尼电阻，实现环路增益降低，并设计“8”字型定制电感，增加谐振腔Q值，抑制非线性效应产生的谐波分量，降低闪烁噪声传递，优化了VCO输出信号的相位噪声性能。
(2)本发明所提供的基于源极阻尼电阻的宽带VCO，其频率控制方案包括多个VCO核心、6-bit开关带电容阵列、可变电容，在频带选择阶段由SPI接口输出VCO核使能信号和6-bit开关电容控制字信号，完成子频带的粗调，再通过可变电容完成子频带内频点的细调，由此能够实现更高分辨率的频率调整，更低的压控振荡器增益Kv，更小的相位噪声转换。
附图说明
图1为本发明实施例提供的传统电荷泵型PLL系统示意图；
图2为本发明实施例提供的基于源极阻尼电阻的宽带VCO示意图；
图3为本发明实施例提供的基于源极阻尼电阻的VCO核示意图；
图4为本发明实施例提供的定制“8”字型高Q值电感版图；
图5为本发明实施例提供的
和
10kHz处相位噪声随阻尼电阻值R仿真结果；
图6为本发明实施例提供的不同源极阻尼电阻对VCO相位噪声仿真结果；
图7为本发明实施例提供的基于源极阻尼电阻的VCO核相位噪声仿真结果。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。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。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
传统电荷泵型PLL(Phase Locked Loop，锁相环)系统如图1所示，包含PD(PhaseDetector，鉴频鉴相器)，CP(Charge Pump，电荷泵)，LPF(Low pass Fliter，低通滤波器)，VCO(Voltage Controlled Oscillator，压控振荡器)，MMD(Multi-mode frequencydivider，多模分频器)。其中PD完成反馈时钟和参考时钟间相位误差的检测，并将相位误差转换为不同脉宽的电压信号；CP根据PD输出的鉴相结果，对低通滤波器进行充电或放电；LPF滤除高频电流，并将电流转换成电压；VCO受LPF输出的电压VC控制，输出对应频率的振荡信号；MMD根据预设的分频比，对VCO输出信号进行N分频。经过若干次负反馈，反馈时钟VF和参考时钟CLK边沿对准，PLL完成锁定，VCO输出期望频率的振荡信号。
为了降低LC-VCO中由闪烁噪声引起的相位噪声恶化，并实现更宽频率范围内的相位噪声性能优化，本发明提供了一种基于源极阻尼电阻的宽带VCO，采用VCO核1，核2分别覆盖2.3G～4GHz和3G～5GHz频段，从而实现2.5G～5GHz的宽带频率输出，如图2所示，包括：低频2.3G-4.6GHz VCO核1，高频3G-5GHz VCO核2，SPI接口。其中SPI接口用于根据所需输出频率范围产生不同VCO核的片选信号cen及开电容阵列控制字C_word；2个VCO核用于根据所选电容控制字产生对应频率的子频带输出信号。低频VCO核1和高频VCO核2只是内部电路的电感值和固定电容值不同，其他部分相同。
其中片选信号cen，低电平时选择低频VCO核1工作，高电平时选择高频VCO核2工作；以低频VCO核工作为例，选定低频VCO核后，VCO工作在2.3G～4GHz频段内，通过SPI接口输出6-bit开关信号FCW，控制对应的开关电容阵列接入谐振腔，完成子频带的粗调。随后VCO接入如图1所示的电荷泵型PLL环路中，环路开始执行负反馈调整，调整LPF上电压V_tune，VCO核1跟随控制电压V_tune调整VCO输出频率，达到预设的输出振荡频率后，环路锁定，完成频率细调。
每个VCO核采用Vandel Pol结构，只在NM1/NM2源极添加阻尼电阻R1/R2，如图3所示，具体包含：负阻对NM1/NM2和PM1/PM2，“8”字型定制电感L，6-bit开关电容阵列，可变电容C1/C2，固定电容C0，源极阻尼电阻R1/R2；在本实施例中，采用PM1/PM2尺寸为180u/0.18u，NM1/NM2尺寸为108u/0.18u，电阻R1/R2阻值40Ω。高频VCO核2和低频VCO核1只有电感和固定电容不同。定制“8”字型高Q值电感版图如图4所示。
结合现有闪烁噪声传输模型，对源极阻尼电阻对相位噪声的优化原理进行简单分析。
根据Hajimiri提出的非线性模型，一个理想的LC振荡电路受到脉冲噪声电流干扰时，幅度波动会逐渐衰减直至消失，而引入的相位波动一直存在，相位波动大小和噪声电流注入振荡电路节点的时刻有关。利用脉冲敏感函数(Impulse Sensitivity Function，ISF)，即Γ(ω0t)来表征不同电路结构中振荡信号相位波动受到噪声电流注入时刻的影响。假设输出频率ω0的振荡信号为：
V(t)＝cos(ω0t)
当稳定振荡时，LC振荡器中负阻对的开关频率与振荡频率ω0一致，因此ISF函数是一个频率为ω0的周期函数。在振荡信号过零点处噪声电流注入会造成最大相位波动，因此理想ISF函数与振荡信号相差π/2。而实际ISF函数与振荡信号不会严格正交，存在一个相位偏差
ISF函数可以表示为：
利用ISF函数，结合LC振荡器中噪声电流in(t)，可计算由负阻对管闪烁噪声引入的相位波动φ(t)：
qmax为振荡周期中LC谐振腔积累的最大电荷。
根据Pepe理论，由负阻对管沟道电流闪烁噪声引入的相位波动，会和输出信号谐波分量混频至基频附近，最终引起距离输出信号频率ωm处的单边带相位噪声
式中：Sx(ωm)为负阻对管沟道电流的闪烁噪声功率谱密度函数，m1为沟道电流的傅里叶级数的基频幅值，
为基频相位。
由式(1)可知，减小
能降低闪烁噪声上变频引起的相位噪声，从而获得更优的相位噪声特性。在Vander Pol振荡器中，根据Pepe推导结果，式(1)中两个关键参数
和
可写为：
Gx为交叉耦合管的增益，Q为谐振腔实际品质因数。在Vander Pol振荡器的N/P负阻对管漏极添加阻尼电阻后，漏极阻尼电阻及其寄生电容会在负阻对漏极节点引入延时，使得负阻对管栅源电压与漏源电流间存在相位差θ：
θ＝ω0RDCD
式(3)可以重新表示为：
从式(4)可知，通过在Vandel Pol振荡器中采用漏极阻尼电阻，可调整θ大小，注意此时θ是由源极电阻R1/R2引入的额外相位差从而减小
与上述原理类似，本发明在Vandel Pol振荡器负阻对NM1/NM2源极添加阻尼电阻R1/R2，仿真不同电阻值对
和
影响。通过改变阻尼电阻R1/R2的值，可以调整θ的大小，同时由于源极电阻的存在，引入源极负反馈路径，类似带源极电阻的共源极放大器，使得环路增益Gx降低，从式(2)(4)可知，从而实现了对
和
的控制。
图5展示了
和
10kHz处相位噪声随阻尼电阻值R仿真结果。当阻尼电阻值R从0逐渐变大时，
从负值逐渐增大接近0；
从正值逐渐变为负值。趋势与式(2)(4)预测一致。而当阻尼电阻取40Ω时，
等于0，此时10kHz频偏处相位噪声达到最低。
图6展示了不同频率时不同源极阻尼电阻的VCO相位噪声仿真结果。仿真结果显示，当阻尼电阻R1/R2取40Ω，在2.575G-6.03GHz频率范围内能保持恒定的相位噪声性能。由于本发明实例中所设计的宽带VCO中高低频VCO核采用了相同的源极阻尼电阻R1/R2，因此当频率升高时，最低的相位噪声需要更大的源极阻尼电阻值。可以将高频VCO核的源极阻尼电阻设置为更大值即可得到最优的相位噪声性能。
图7展示了与无源极阻尼电阻的传统结构相比，采用40Ω阻尼电阻的VCO核1MHz频偏处相位噪声降低了9.6dB。并实现2个噪声性能良好的VCO，验证源极阻尼电阻能有效改善闪烁噪声。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种基于源极阻尼电阻的宽带VCO，其特征在于，包括N个工作频段的LC-VCO核，N为≥2的整数；每个LC-VCO核包括：栅极和漏极交叉耦合连接的NMOS对和PMOS对，由开关电容阵列C-Tank、可变电容、L-C谐振网络并联组成的谐振网络，与NMOS对/PMOS对的源端单独或者同时连接的源极阻尼电阻；其中NMOS对和PMOS对漏极连接，再与谐振网络连接；所述L-C谐振网络用于对输出信号进行选频，选出关心的基频，L-C谐振网络包括电感L和电容C，不同的LC-VCO核具有不同的电感L和电容C。
2.根据权利要求1所述的宽带VCO，其特征在于，还包括SPI接口，通过SPI接口配置使能开关，用于根据应用频段需求对不同LC-VCO核进行选择。
3.根据权利要求1所述的宽带VCO，其特征在于，所述电感L为“8”字型。
4.根据权利要求1所述的宽带VCO，其特征在于，所述交叉耦合连接的NMOS对和PMOS对充当负阻，用于提供维持电路振荡的增益。
5.根据权利要求1所述的宽带VCO，其特征在于，所述开关电容阵列C-Tank用于划分不同子频带，提高VCO增益线性度，降低AM-FM效应。
6.根据权利要求1所述的宽带VCO，其特征在于，所述可变电容根据输入控制电压对频率点进行调整。
7.根据权利要求1所述的宽带VCO，其特征在于，所述源极阻尼电阻用于降低MOS管闪烁噪声传递，抑制闪烁噪声向相位噪声的转换。
8.根据权利要求1所述的宽带VCO，其特征在于，不同阻值的源极阻尼电阻在NMOS对或PMOS对栅极电压和极漏电流间引入不同的额外相位差θ，抑制闪烁噪声上的变频。
9.根据权利要求1所述的宽带VCO，其特征在于，不同阻值的源极阻尼电阻保证VCO起振的前提下，降低整个VCO的环路增益Gx，提高VCO线性度，降低闪烁噪声上变频引起的VCO输出信号相位波动，从而取得最优抑制闪烁噪声上变频的效果。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20210115 |
|
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |