CN112671342B - 一种基于高q值变压器反馈的超低功耗压控振荡器 - Google Patents

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Abstract

本发明属于无线通信技术领域，提供一种基于高Q值变压器反馈的超低功耗压控振荡器，用以克服现有基于变压器反馈方式的压控振荡器存在的功耗高、闪烁噪声及相位噪声性能有待提升等问题。本发明在传统变压器反馈压控振荡器结构基础上，首先，采用“图案化”屏蔽板技术的高Q值变压器，有效提高压控振荡器整体结构的相位噪声性能；其次，在变压器的初级线圈与晶体管之间，引入由电容Cac、电阻Rg构成的额外直流偏置结构，使得整体结构的供电电压能够低于交叉耦合晶体管的阈值电压，进一步降低了功耗；最后，通过在晶体管的漏级串联电阻Rd的闪烁噪声抑制技术，有效抑制闪烁噪声分量，改善压控振荡器整体结构的相位噪声性能。

Description

一种基于高Q值变压器反馈的超低功耗压控振荡器
技术领域
本发明属于无线通信技术领域，涉及频率源中作为核心模块的压控振荡器(Voltage Controlled Oscillator，简称VCO)，具体提供一种基于高Q值变压器反馈的超低功耗压控振荡器。
背景技术
随着通信技术的蓬勃发展，特别是近几年来汽车雷达、5G通信、物联网等技术的不断出现，对频率源的性能要求也随之越来越高。压控振荡器(VCO)作为频率源的核心模块，其性能很大程度决定了频率源的质量，因此高性能的VCO设计尤为关键；特别是随着微电子制造工艺的不断进步，供电电压不断降低，这就对传统压控振荡器结构通过提高供电电压而增大电压摆幅来实现相噪性能提升的方法提出了挑战。因此，能够在较低供电电压下实现较大输出电压摆幅的超低功耗压控振荡器就成为了业界痛点。
针对输出电压摆幅和整体功耗之间的折中，研究者提出了一种基于变压器反馈方式的压控振荡器结构来解决这个问题，其电路原理图如图1所示；该结构与传统的交叉耦合LC-tank VCO相比，是将传统交叉耦合LC-tank VCO中的电感替换成了片上集成变压器；该片上集成变压器的初次线圈Ld连接在供电电压VDD和交叉耦合晶体管的漏级之间，并与回路中的电容Cd相连接；而该片上集成变压器的次级线圈Ls则连接在地平面与交叉耦合晶体管的源级之间，和变压器的初级线圈Ld之间通过耦合系数k产生磁耦合。
在上述基于变压器反馈方式的压控振荡器结构中，Vd和Vs分别代表交叉耦合晶体管M1和M2的漏极电压与源级电压，与传统的交叉耦合LC-Tank VCO相比，晶体管M1和M2的源级不再直接和地相连，而是同变压器的次级线圈连接在一起；当变压器的次级线圈同晶体管的寄生电容产生谐振时，晶体管M1和M2的源级电压就可以以0V电压为中心上下摆动，从而使实现低于0V电压的情况成为可能；同时，该片上集成变压器的初级线圈与回路中的电容Cd产生谐振，并能够实现晶体管M1和M2的漏级电压在供电电压VDD上下摆动；因此，通过该变压器反馈的方式，该压控振荡器的输出振荡信号能够实现超过供电电压VDD并且低于地平面0V电压的电压摆幅，晶体管M1和M2的漏极电压和源级电压波形示意图如图2所示。由此可见，该结构能够在较低供电电压的前提下实现较大的输出电压摆幅，从而提高整体的相位噪声性能；但是，该结构仍然存在诸多问题有待改进的地方，具体如下：
1)该基于变压器反馈方式的压控振荡器结构中交叉耦合晶体管的栅极由供电电压VDD进行直流偏置，则供电电压需要保持在交叉耦合晶体管的开启电压以上；因此，对于一些工艺来说，该结构仍然会占用较大的功耗，存在进一步的改进空间；
2)该结构通过使用变压器反馈的方式提高了压控振荡器的输出电压摆幅从而提升整体结构的相位噪声性能，但并未对整体结构的闪烁噪声性能进行分析和优化；因此，该结构在闪烁噪声方面存在的的问题有待解决；
3)该结构中使用的变压器Q值不够高，而根据经典的相位噪声分析理论，谐振腔中电感或者变压器的Q值会在很大程度上影响输出振荡信号的相位噪声；因此，变压器的Q值需要进一步提升从而使振荡器的整体性能实现优化。
发明内容
本发明的目的在于在于针对上述现有基于变压器反馈方式的压控振荡器存在的功耗高、闪烁噪声及相位噪声性能有待提升等问题，提供一种基于高Q值变压器反馈的超低功耗压控振荡器。本发明在采用高Q值变压器反馈方式有效提高整体结构的相位噪声性能的前提下，使用额外直流偏置结构，从而使得振荡器整体结构的供电电压低于交叉耦合晶体管的开启电压，进一步降低整体功耗；同时，采用漏级电阻串联技术，在进一步降低功耗的同时优化振荡器的闪烁噪声性能，压低闪烁噪声拐点。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种基于高Q值变压器反馈的超低功耗压控振荡器，所述压控振荡器呈对称结构，包括：1个变压器、2个晶体管(M1、M2)、2个电容Cac、2个电阻Rd、2个电阻Rg以及电容Cd；其特征在于，所述变压器由初级线圈Ld与次级线圈Ls构成、且初级线圈Ld与次级线圈Ls之间产生磁耦合；所述电容Cd与变压器的初级线圈Ld并联、且两端分别经过电阻Rd后连向晶体管的漏极，变压器的初级线圈Ld中心抽头接供电电压VDD；晶体管的源极连接变压器的次级线圈Ls后接地，晶体管的栅极经过电阻Rg后接偏置电压VBIAS；所述电容Cac一端经过电阻Rd后连向晶体管的漏极、另一端连接于另一晶体管的栅极。
进一步的，所述变压器为采用“图案化”屏蔽板技术的高Q值变压器。
本发明的技术效果在于：
本发明提供一种基于高Q值变压器反馈的超低功耗压控振荡器，具有如下优点：
1.本发明相对于传统结构的变压器反馈压控振荡器，在变压器的设计中采用“图案化”屏蔽板技术，有效提高了变压器的Q值，进而提高压控振荡器整体结构的相位噪声性能；
2.本发明相比传统的变压器反馈结构压控振荡器，在变压器的初级线圈与晶体管之间，引入由电容Cac、电阻Rg构成的额外直流偏置结构，通过额外直流偏置技术，使得整体结构的供电电压能够低于交叉耦合晶体管的阈值电压，进一步降低了功耗；
3.本发明相比传统的变压器反馈结构的压控振荡器使用了闪烁噪声抑制技术，通过简单地在交叉耦合晶体管的漏级串联电阻Rd的方法，有效地压低了闪烁噪声拐点，抑制了闪烁噪声分量，从而改善了压控振荡器整体结构的相位噪声性能。
附图说明
图1为现有基于变压器反馈方式的压控振荡器的电路原理图。
图2为图1所示压控振荡器中晶体管M1和M2的漏级与源级电压波形示意图。
图3为本发明提出的基于高Q值变压器反馈方式的超低功耗压控振荡器的电路原理图。
图4为本发明实施例中高Q值变压器的版图设计(上图为平面图、下图为立体图)。
图5为本发明实施例中使用“图案化”屏蔽板前后变压器Q值对比图，其中，虚线为Q2、实线为Q1。
图6为本发明实施例中额外直流偏置结构示意图。
图7为本发明实施例中闪烁噪声抑制结构示意图。
图8为本发明实施例中闪烁噪声拐点示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。
本实施例提供一种基于高Q值变压器反馈方式的超低功耗压控振荡器，该结构采用高Q值变压器反馈结构，增大了输出电压摆幅，提升了整体的相位噪声性能；采取额外直流偏置结构，使得振荡器能够工作在低于交叉耦合晶体管开启电压的供电电压VDD之下，从而进一步降低功耗；并采用闪烁噪声抑制技术，降低整体功耗的同时对振荡器输出振荡信号的闪烁噪声性能进行优化和改善。
所述基于高Q值变压器反馈方式的超低功耗压控振荡器的电路原理图如图3所示，电路呈对称结构，具体包括：1个变压器、2个晶体管(M1、M2)、2个电容Cac、2个电阻Rd、2个电阻Rg以及电容Cd，其中，所述变压器由初级线圈Ld与次级线圈Ls构成、且初级线圈Ld与次级线圈Ls之间产生磁耦合(耦合系数k)；所述电容Cd与变压器的初级线圈Ld并联、且并联后两端分别经过电阻Rd后连向晶体管M1、M2的漏极，变压器的初级线圈Ld中心抽头接供电电压VDD；晶体管M1、M2的源极连接变压器的次级线圈Ls后接地，晶体管M1、M2的栅极分别连接电阻Rg后接偏置电压VBIAS；所述电容Cac一端经过电阻Rd后连向晶体管(M1或M2)的漏极、另一端连接于另一晶体管(M2或M1)的栅极。
需要说明的是，如图3所示的电路结构中，为了更加直观的展示电路的对称性，画出了2个电容Cd，但是其本质就是一个电容，该电容与变压器的初级线圈Ld共同构成压控振荡器的振荡回路；同理初级线圈Ld与次级线圈Ls也画成了对称的形式，本质上压控振荡器中只包含1个变压器，即一个初级线圈Ld和一个次级线圈Ls。
从工作原理上讲，本发明采用变压器反馈方式，即变压器的初级线圈Ld和变压器的次级线圈Ls之间通过耦合系数k产生磁耦合，从而增大输出振荡信号的电压摆幅，提高整体的相位噪声性能；同时又通过其他改进继续降低整体振荡器结构的功耗并改善了整体的闪烁噪声性能。
更为具体的讲：
(1)高Q值变压器
在本发明中，所提及的变压器采用了如图4所示的“图案化”屏蔽板技术，即在变压器下方铺设一层不连续的“图案化”屏蔽板，与连续屏蔽板相比，“图案化”屏蔽板在垂直于涡流流动的方向上接收大部分电场线而不减小电感，仅有一小部分电场线会穿过屏蔽板的间隙而终止在有损耗的衬底上。因此，该变压器能够有效降低电感与衬底之间的电容耦合效应，从而减小了变压器在实际使用过程中的能量损耗，即有效提高变压器的Q值；如图5所示即为采用“图案化”屏蔽板技术前后变压器Q值对比图，有图可见，采用“图案化”屏蔽板技术后的变压器Q值有效提高了约12.5％。
(2)额外直流偏置结构
如图1所示的传统变压器反馈结构中，交叉耦合晶体管的栅极由其漏级电压中的直流分量VDD进行偏置，因此为了使压控振荡器能够正常工作，则整体结构的供电电压VDD则需要高于交叉耦合晶体管的阈值电压。而在本发明中，采用如图6中虚线部分所示的额外直流偏置结构，由两个电容Cac和两个电阻Rg所构成；其中，电容Cac将漏级电压中的直流分量隔绝，使得交叉耦合晶体管的栅极仅由电压VBIAS所控制；因此，采用了额外直流偏置结构以后，电压VBIAS则控制着交叉耦合晶体管的栅极，使得整体结构能够正常工作；而该压控振荡器整体的供电电压可以低于交叉耦合晶体管的阈值电压，从而实现了整体功耗的进一步降低。
(3)闪烁噪声抑制
传统的变压器反馈结构中，通过增大输出振荡信号的电压摆幅来提高整体结构的相位噪声性能，但并没有对结构的闪烁噪声性能进行分析和改善。而在本发明中，采用如图7所示的结构在交叉耦合晶体管的漏级分别串联了一个电阻Rd，减小了输出振荡信号的相位噪声中闪烁噪声上变频的成分，从而实现对整体振荡器结构的输出信号进行闪烁噪声抑制；同时，由于电阻自身的固有特征，在漏级进行电阻串联还可以进一步降低整体振荡器结构的功耗。如图8所示，本发明所提出的变压器反馈振荡器的闪烁噪声拐点已被压低至10kHz附近，有效地降低了输出振荡信号相位噪声中的闪烁噪声分量。
综上所述，本发明在采用高Q值变压器反馈方式有效提高整体结构的相位噪声性能的前提下，使用额外直流偏置结构，从而使得振荡器整体结构的供电电压低于交叉耦合晶体管的开启电压，进一步降低整体功耗；同时，采用漏级电阻串联技术，在进一步降低功耗的同时优化振荡器的闪烁噪声性能，压低闪烁噪声拐点。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。

Claims (1)

1.一种基于高Q值变压器反馈的超低功耗压控振荡器，包括：变压器、2个晶体管(M1、M2)、2个电容Cac、2个电阻Rd、2个电阻Rg以及电容Cd；其特征在于，所述变压器由初级线圈Ld与次级线圈Ls构成、且初级线圈Ld与次级线圈Ls之间产生磁耦合；所述电容Cd与变压器的初级线圈Ld并联、且两端分别经过电阻Rd后连向晶体管的漏极，变压器的初级线圈Ld中心抽头接供电电压VDD；晶体管的源极连接变压器的次级线圈Ls后接地，晶体管的栅极经过电阻Rg后接偏置电压VBIAS；所述电容Cac一端经过电阻Rd后连向晶体管的漏极、另一端连接于另一晶体管的栅极；所述变压器为采用“图案化”屏蔽板技术的高Q值变压器，“图案化”屏蔽板技术具体为在变压器下方铺设一层不连续的“图案化”屏蔽板。
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