CN112953390A

CN112953390A - 宽调谐低相噪高线性度lc压控振荡器

Info

Publication number: CN112953390A
Application number: CN202110168895.XA
Authority: CN
Inventors: 黄海生; 雷思伟; 李鑫
Original assignee: Xian University of Posts and Telecommunications
Current assignee: Xian University of Posts and Telecommunications
Priority date: 2021-02-07
Filing date: 2021-02-07
Publication date: 2021-06-11
Anticipated expiration: 2041-02-07
Also published as: CN112953390B

Abstract

为了解决现有的差分互补交叉耦合LC压控振荡器宽调谐范围与低相位噪声不可兼得而导致其性能受到极大阻碍，进而影响导航接收机整体性能的技术问题，本发明提供了一种宽调谐低相噪高线性度LC压控振荡器。本发明通过使用开关固定电容阵列使得LC压控振荡器获得宽调谐范围，并且使用数字控制信号调节开关固定电容阵列使LC压控振荡器可以产生两种频段的输出信号，同时输出较低的相位噪声；通过使用开关压控可变电容阵列使得LC压控振荡器在保持宽调谐范围内获得一个较小的调谐增益变化率与高线性度的调谐曲线，并且输出较低的相位噪声。

Description

宽调谐低相噪高线性度LC压控振荡器

技术领域

本发明涉及集成电路技术领域，涉及一种宽调谐低相噪高线性度的LC压控振荡器，用于GNSS接收机射频芯片中。

背景技术

随着全球卫星导航定位技术的不断成熟，卫星导航定位系统成为科研领域的热门课题。并且通过科学家的不断努力，卫星导航定位系统的应用也早已深入人们的生活。导航定位接收机是卫星导航定位系统中不可或缺的重要部分。而锁相环(Phase-LockedLoop，PLL)电路又可以被称作导航定位接收机的“心脏”，它的性能对整个导航定位接收机的工作性能起着举足轻重的作用。在这个“心脏”里，压控振荡器(VoltageControlOscillator；VCO)又可以被当作“心脏”的“起搏器”。所以，对整个PLL电路包括对压控振荡器电路的深入研究都是科研工作者需要努力的方向。

主流的压控振荡器按其结构分为环形振荡器(ring oscillator)和LC压控振荡器(LC voltage controlled oscillator，LC VCO)，其中环形振荡器的面积小，但其相位噪声很差工作频率低，功耗大，所以高频下一般选择LC压控振荡器。在LC压控振荡器的拓扑结构中，差分互补交叉耦合LC压控振荡器由于其较好的相位噪声和极高的稳定性在高频电路设计中起着重要作用。与单端LC压控振荡器相比，差分互补交叉耦合LC压控振荡器具有更好的相位噪声和较少的谐波失真，因此可以制成具有高频谱纯度的稳定频率源。差分互补交叉耦合LC压控振荡器广泛用于许多需要高灵敏度，低相位噪声和差分操作的无线通信中。但在实际电路应用中，宽调谐范围与低相位噪声不可兼得，这使得差分互补交叉耦合LC压控振荡器的性能受到极大阻碍，直接影响导航接收机的整体性能。

发明内容

为了解决现有的差分互补交叉耦合LC压控振荡器宽调谐范围与低相位噪声不可兼得而导致其性能受到极大阻碍，进而影响导航接收机整体性能的技术问题，本发明提供了一种宽调谐低相噪高线性度LC压控振荡器。

本发明的技术方案是：

宽调谐低相噪高线性度LC压控振荡器，其特殊之处在于：

包括电感电容谐振器、负阻和尾电流源阵列；

电感电容谐振器包括并联设置在输出端口OUT和反向输出端口OUTB之间的片上差分对称螺旋电感L、开关压控电容阵列和开关固定电容阵列；

开关压控电容阵列由一个开关压控电容单元构成，或者由至少两个拓扑结构相同的、并联设置的开关压控电容单元构成；

单个开关压控电容单元包括第一金属电容组、第一传输门、第一反型MOS压控电容Cv1、第二反型MOS压控电容Cv2、第二传输门和第二金属电容组构成；

第一金属电容组包括固定电容C10、C11；固定电容C10的一端同时接所述输出端口OUT和固定电容C11的一端；固定电容C10的另一端同时接第一传输门的输入端、第一反型MOS压控电容Cv1的栅端、电压VBIAS；固定电容C11的另一端接第一传输门的输出端；

第二金属电容组包括固定电容C9、C8；固定电容C9的一端同时接所述反向输出端口OUTB和固定电容C8的一端；固定电容C9的另一端同时接第二传输门的输入端、第二反型MOS压控电容Cv2的栅端、电压VBIAS；固定电容C8的另一端接第二传输门的输出端；

第一反型MOS压控电容Cv1的漏端与第二反型MOS压控电容Cv2的漏端相连且共同接外部输入的调谐电压Vtune，第一反型MOS压控电容Cv1的源端与第二反型MOS压控电容Cv2的源端相连且共同接外部输入的调谐电压Vtune；

第一传输门的Vin端与第二传输门的Vin端相连且共同接控制信号g1，第一传输门的Vinb端与第二传输门的Vinb端相连且共同接控制信号g1b；

开关固定电容阵列由六个拓扑结构相同的、并联设置的开关固定电容单元构成；

单个开关固定电容单元包括容值相等的金属电容C16、C17，NMOS管M30；NMOS管M30的漏端接金属电容C16的一端和数字控制信号S0b；M30的源端接金属电容C17的一端；M30的栅端接数字控制信号S0；金属电容C16、C17的另一端分别接所述输出端口OUT和反向输出端口OUTB；

将六个并联的开关固定电容单元依次编号，第一个开关固定电容单元中的单个金属电容的容值记为C，则第二个开关固定电容单元中的单个金属电容的容值为2C，第三个开关固定电容单元中的单个金属电容的容值为4C，第四个开关固定电容单元中的单个金属电容的容值为8C，第五个开关固定电容单元中的单个金属电容的容值为16C，第六个开关固定电容单元中的单个金属电容的容值为32C；

负阻用于对所述电感电容谐振器的损耗进行补偿，使得电感电容谐振器维持振荡；

尾电流源阵列用于为所述电感电容谐振器提供稳定的电流。

进一步地，单个开关压控电容单元还包括电阻R5、R6；电阻R5的一端接第一传输门的输入端与第一反型MOS压控电容Cv1栅端之间的节点，电阻R5的另一端接电压VBIAS；电阻R6的一端接第二传输门的输入端与第二反型MOS压控电容Cv2栅端之间的节点，电阻R5的另一端接电压VBIAS和R5的另一端。

进一步地，单个开关固定电容单元还包括电阻R9、R10；电阻R9的一端接金属电容C16的一端、NMOS管M30的漏端，电阻R9的另一端接数字控制信号S0b；电阻R10的一端接金属电容C17的一端、NMOS管M30的源端，电阻R10的另一端接数字控制信号S0b和电阻R9的另一端。

进一步地，负阻由交叉耦合NMOS对管M0、M1，以及交叉耦合PMOS对管M3、M4构成；NMOS对管M0、M1的源端均接所述尾电流源阵列的输出端；NMOS对管M0、M1的漏端分别接所述输出端口OUT和反向输出端口OUTB；PMOS对管M3、M4的源端均接电源电压VDD；PMOS对管M3、M4的漏端分别接所述输出端口OUT和反向输出端口OUTB；

NMOS对管M0、M1采用nwell的NMOS工艺技术制作。

进一步地，所述LC压控振荡器还包括采用nwell的NMOS工艺技术制成的A-MOS电容M5、M6；A-MOS电容M5、M6用于滤除尾电流源阵列对电感电容谐振器引入的噪声；A-MOS电容M5的漏端和栅端相连，A-MOS电容M5的源端与A-MOS电容M6的源端、尾电流源阵列的输出端相连；A-MOS电容M6的漏端和栅端相连，A-MOS电容M6的源端与A-MOS电容M5的源端、尾电流源阵列的输出端相连。

进一步地，尾电流源阵列包括使能管M16，电流镜管M10、M11、M12、M13、M15，开关管M7、M8、M9，以及低通滤波器；使能管M16的漏端为电流输入端，使能管M16的栅端接电路使能信号电压EN，使能管M16的源端接电流镜管M15的漏端；电流镜管M15的源端接地GND，电流镜管M15的栅端接所述低通滤波器的输入端，低通滤波器的输出端接电流镜管M10、M11、M12、M13的栅端；电流镜管M10、M11、M12、M13的源端均接地GND；电流镜管M10的漏端同时接开关管M7、M8、M9的漏端；电流镜管M11、M12、M13的漏端分别接开关管M7、M8、M9的源端；开关管M7、M8、M9的栅端分别接数字控制信号B0、B1、B2。

进一步地，尾电流源阵列还包括使能管M14；使能管M14的源端接地GND，使能管M14的栅端接电路使能信号电压ENB，使能管M14的漏端接所述低通滤波器的输出端以及电流镜管M10、M11、M12、M13的栅端。

进一步地，低通滤波器包括电阻R1与可变电容C1～C5；电阻R1的一端接电流镜管M15的栅端，电阻R1的另一端接可变电容C1～C5的正极；可变电容C1～C5的负极均接地GND。

与现有技术相比，本发明的优点：

1.本发明通过使用开关固定电容阵列使得LC压控振荡器获得宽调谐范围，并且使用数字控制信号调节开关固定电容阵列使LC压控振荡器可以产生两种频段的输出信号，同时输出较低的相位噪声。

2.本发明通过使用开关压控可变电容阵列使得LC压控振荡器在保持宽调谐范围内获得一个较小的调谐增益变化率与高线性度的调谐曲线，并且输出较低的相位噪声，其中单个开关压控电容单元中的压控可变电容器为反型MOS压控电容，这种压控可变电容器相比普通的可变电容拥有更高的品质因数、更可观的相位噪声，和更小的面积，且受温度的影响较小。

3.本发明通过调节开关尾电流源阵列从而控制LC压控振荡器中电流的大小，保证输出摆幅的稳定性。同时，开关尾电流源阵列采用一个低通滤波器滤除电流源中电流镜M15管中大的闪烁噪声，进一步地，低通滤波器中的电容为可变电容使得低通滤波器可以在动态范围下工作。

4.本发明LC压控振荡器中负阻管M0，M1采用nwell的NMOS工艺技术制成，可以隔离尾电流源阵列中的热噪声与闪烁噪声，防止其进入电感电容谐振器中恶化相位噪声。

5.本发明LC压控振荡器中在尾电流源阵列与负阻管之间使用nwell的NMOS工艺技术制成的A-MOS电容M5、M6，可以滤除尾电流源阵列中的热噪声与闪烁噪声，防止其进入电感电容谐振器中恶化相位噪声。

6.本发明采用的A-MOS电容M5、M6是一种线性度较好的压控可变电容，与一般的金属电容相比在电容值相等的情况下面积要小的多，有利于减小整个电路的面积。

7、本发明LC压控振荡器中的尾流电源阵列为可编程开关尾电流源阵列，通过数字信号控制开关管M7-M9的通断，能够改变尾电流源阵列的输出电流大小，通过数字端口为电路选择合适的电流大小，使得输出波形的摆幅变化不大。

附图说明

图1是本发明LC压控振荡器的结构示意图。

图2是图1中开关压控电容阵列结构示意图。

图3是图1中开关固定电容阵列结构示意图。

图4是图1中开关尾电流源阵列结构示意图。

图1，2，3，4中：

VDD为1.8V电源电压；

EN为电路使能信号电压，高电平时为1.8V，低电平时为0V；

100uA为外部输入的基准电流；

Vtune为外部输入的调谐电压，其范围为0.5V～1.5V；

R2、R3、R4为分压电阻，阻值相等；

R0、C0构成低通滤波器；

C6、C7为滤波电容；

VBIAS为向第一反型MOS压控电容Cv1和第二反型MOS压控电容Cv2栅端提供的稳定电压，由分压电阻R2、R3、R4从电源电压VDD中分压得到。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作详细说明。

如图1所示，本发明所提供的LC压控振荡器主要包括电感电容谐振器、负阻和尾电流源阵列。

电感电容谐振器由并联设置在LC压控振荡器的输出端口OUT和反向输出端口OUTB之间的片上差分对称螺旋电感L、开关压控电容阵列和开关固定电容阵列这三部分组成。

负阻用于形成正反馈网络对电感电容谐振器的损耗进行补偿使得LC压控振荡器维持振荡。

尾电流源阵列用于为电感电容谐振器提供稳定的电流。

1、负阻的设计

如图1所示，负阻由交叉耦合NMOS对管M0、M1，以及交叉耦合PMOS对管M3、M4组成，并形成正反馈网络对电感电容谐振器的损耗进行补偿，使得LC压控振荡器维持振荡。

NMOS对管M0、M1的源端均接尾电流源阵列的输出端；NMOS对管M0、M1的漏端分别接输出端口OUT和反向输出端口OUTB；PMOS对管M3、M4的源端均接电源电压VDD；PMOS对管M3、M4的漏端分别接输出端口OUT和反向输出端口OUTB。

图1中电感电容谐振器的等效阻抗为Rp，交叉耦合NMOS对管M0、M1，交叉耦合PMOS对管M3、M4的等效负阻为-Rp，通过小信号分析其等效阻抗为：

其中，g_mn与g_mp分别为NMOS对管和PMOS对管的跨导。这种结构的设计比传统方案中单独使用交叉耦合NMOS对管或者单独使用交叉耦合PMOS对管拥有更高的阻抗，在相同的电流偏置下电感电容谐振器更容易振荡并且可以提供更为良好的相位噪声，同时使得输出波形更加稳定、对称。并且，NMOS管M0、M1采用nwell的NMOS工艺技术，可以隔离尾电流源中的热噪声与闪烁噪声，防止其进入电感电容谐振器中恶化相位噪声。

2、电容的设计

根据巴克豪森准则，可以得到LC压控振荡器的频率表达式为:

在设计中希望使振荡器拥有宽的调谐范围与低的相位噪声，考虑到电感L面积太大不适宜设计成可控型的，因而本发明从电容入手，将电容设计为两部分：开关压控电容阵列和开关固定电容阵列。这样可以对上面的频率表达式做出如下的更改：

其中，C_v为压控可变电容阵列的电容值，C_off为开关固定电容阵列中所有的电容单元均接入时的电容值，C_on为开关固定电容阵列中所有的电容单元均未接入时的电容值。

2.1开关压控电容阵列的设计

如图2所示，本实施例中的开关压控电容阵列，包括两个拓扑结构相同的、并联设置的开关压控电容单元(在其他实施例中，也可以只有一个开关压控电容单元，或者有两个以上的开关压控电容单元)；单个开关压控电容单元由两组金属电容组、PMOS管组成的第一传输门、NMOS管组成的第二传输门、两个反型MOS压控电容组成，并连接至输出端口OUT、反向输出端口OUTB之间，与片上差分对称螺旋电感L并联。

下面以其中一个开关压控电容单元为例说明：

第一反型MOS压控电容Cv1由NMOS管M18构成，第二反型MOS压控电容Cv2由NMOS管M19构成；NMOS管M18的源端与漏端相连并接于外部输入的调谐电压Vtune，栅端接由PMOS管M23、NMOS管M23构成的第一传输门的输入端；NMOS管M19的源端与漏端相连并接外部输入的调谐电压Vtune，栅端接由PMOS管M21、NMOS管M20构成的第二传输门的输入端；NMOS管M18的源端、漏端，NMOS管M19的源端、漏端相接。

由固定电容C10、C11构成的第一金属电容组和由固定电容C8、C9构成的第二金属电容组连接LC振荡器回路中，其中接入电阻R5、R6主要是为了减少寄生电容并且降低两个传输门中MOS管的噪声。

图2中g1、g1b为数字控制信号，通过给g1高电平，g1b低电平使得两个传输门打开，从而将固定电容C11、C10并联接入，将固定电容C8、C9并联接入后，并与反型MOS压控电容Cv1，Cv2串联。这样的好处在于用固定电容与反型MOS压控电容串联的结构，使得LC压控振荡器不容易受到温度、电路中的寄生电容等外界环境因素影响，对振荡输出频率进行细调谐时可以更线性的变化。

2.2开关固定电容阵列的设计

如图3所示，开关固定电容阵列由六个拓扑结构相同的、并联设置输出端口OUT与反向输出端口OUTB之间的开关固定电容单元构成。

以其中一个开关固定电容单元为例说明：

开关固定电容单元包括容值相等的金属电容C16、C17，NMOS管M30，电阻R9、R10；NMOS管M30作为开关管使用，接入电阻R9、R10是为了减少寄生电容并且降低相位噪声。S0、S0b为数字控制信号，通过给S0高电平，S0b低电平使得NMOS管M30打开将金属电容C16、C17串联，与输出端口OUT、反向输出端口OUTB相接，并和片上差分对称螺旋电感L、开关压控电容阵列相并联，组成电容电感谐振器。

这样结构的开关固定电容单元一共有六个，将这六个并联的开关固定电容单元依次编号，第一个开关固定电容单元中的单个金属电容的容值记为C，则第二个开关固定电容单元中的单个金属电容的容值为2C，第三个开关固定电容单元中的单个金属电容的容值为4C，第四个开关固定电容单元中的单个金属电容的容值为8C，第五个开关固定电容单元中的单个金属电容的容值为16C，第六个开关固定电容单元中的单个金属电容的容值为32C；通过使用二进制编码的方式选择一个或多个开关固定电容单元中的开关MOS管打开，将不同容值的金属电容接入电容电感谐振器从而改变振荡器输出频率的大小，同时对振荡器输出频率进行粗调谐，这样的组合结构能使得振荡器获得更宽的调谐范围与更低的相位噪声。

开关固定电容阵列通过低4位的数字控制信号S0，S1，S2，S3将高频段均匀划分成16个子频带，同样高4位的数字控制信号S1，S2，S3，S4将低频段均匀划分成了16个子频带，S5是使振荡器在两个频段内进行切换。这即保证了每个子带相互交叠，并且使得振荡器获得更宽的频率调谐范围。

3、可变电容降噪设计

如图1所示，本发明采用nwell的NMOS工艺技术制成的A-MOS电容M5、M6，滤除尾电流源阵列中的热噪声与闪烁噪声，防止其进入电感电容谐振器中恶化相位噪声。A-MOS电容是一种线性度较好的压控可变电容，与一般的金属电容相比在电容值相等的情况下面积要小的多。共模点在高频相当于低阻抗，电流的二次谐波分量会沿着差分MOS管到地，提高了共模点上的阻抗，抑制NMOS管M0与M1进入线性区，这样不仅阻止尾电流源阵列的噪声通过与共源点的2f0信号混频到f0附近而影响相位噪声，而且电容高阻抗也防止谐振回路中电流的二次谐波分量进入地。

当尾电流源阵列中的MOS管进入线性区时，尾电流源阵列阻抗从rds减到了1/gm，A-MOS电容M5、M6滤波提供的高阻抗，可以减小差分对管M0和M1进入线性区时谐振回路品质因数的降低。

4、尾电流源阵列设计

尾电流源阵列主要由3位数字信号控制的尾电流源M7～M16组成。该设计可以实现在高频和低频两个频段下输出波形的摆幅变化不大。

如图4所示，本实施例采用的尾电流源阵列为可编程开关尾电流源阵列，包括开关管M7～M9，使能管M14、M16，电流镜管M10～M13、M15以及由电阻R1和可变电容C1～C5构成的低通滤波器。

B0、B1、B2为数字控制端口，通过给高低电平，控制开关管M7～M9的通与断，其中A支路上的电流为0.6mA，B支路上的电流为0.2mA，C支路上的电流为0.4mA，D支路上的电流为0.8mA。可以为LC压控振荡器提供0.6mA，0.8mA，1.0mA，1.2mA，1.4mA，1.6mA，1.8mA，2.0mA共8种大小的尾电流(在其他实施例中，可以通过调整M10-M13的宽长比，调整这8种尾电流的大小)。通过数字控制端口为电路选择合适的电流大小，使得输出波形的摆幅更线性的变化。

低通滤波器可以滤除电流镜管M13上大的闪烁噪声，防止其通过尾电流源进入电感电容谐振器进而恶化相位噪声。由于尾电流是可变的，所以低通滤波器中的电容为可变电容，随着电流电压的增大可变电容的容值也增大。这样的好处在于可以控制电路的面积，降低电路中的功耗，同时对电流镜管M15的噪声最大化的滤除。

Claims

1.宽调谐低相噪高线性度LC压控振荡器，其特征在于：

包括电感电容谐振器、负阻和尾电流源阵列；

尾电流源阵列用于为所述电感电容谐振器提供稳定的电流。

2.根据权利要求1所述的宽调谐低相噪高线性度LC压控振荡器，其特征在于：单个开关压控电容单元还包括电阻R5、R6；电阻R5的一端接第一传输门的输入端与第一反型MOS压控电容Cv1栅端之间的节点，电阻R5的另一端接电压VBIAS；电阻R6的一端接第二传输门的输入端与第二反型MOS压控电容Cv2栅端之间的节点，电阻R5的另一端接电压VBIAS和R5的另一端。

3.根据权利要求2所述的宽调谐低相噪高线性度LC压控振荡器，其特征在于：单个开关固定电容单元还包括电阻R9、R10；电阻R9的一端接金属电容C16的一端、NMOS管M30的漏端，电阻R9的另一端接数字控制信号S0b；电阻R10的一端接金属电容C17的一端、NMOS管M30的源端，电阻R10的另一端接数字控制信号S0b和电阻R9的另一端。

4.根据权利要求1-3任一所述的宽调谐低相噪高线性度LC压控振荡器，其特征在于：负阻由交叉耦合NMOS对管M0、M1，以及交叉耦合PMOS对管M3、M4构成；NMOS对管M0、M1的源端均接所述尾电流源阵列的输出端；NMOS对管M0、M1的漏端分别接所述输出端口OUT和反向输出端口OUTB；PMOS对管M3、M4的源端均接电源电压VDD；PMOS对管M3、M4的漏端分别接所述输出端口OUT和反向输出端口OUTB；

NMOS对管M0、M1采用nwell的NMOS工艺技术制作。

5.根据权利要求4所述的宽调谐低相噪高线性度LC压控振荡器，其特征在于：所述LC压控振荡器还包括采用nwell的NMOS工艺技术制成的A-MOS电容M5、M6；A-MOS电容M5、M6用于滤除尾电流源阵列对电感电容谐振器引入的噪声；A-MOS电容M5的漏端和栅端相连，A-MOS电容M5的源端与A-MOS电容M6的源端、尾电流源阵列的输出端相连；A-MOS电容M6的漏端和栅端相连，A-MOS电容M6的源端与A-MOS电容M5的源端、尾电流源阵列的输出端相连。

6.根据权利要求5所述的宽调谐低相噪高线性度LC压控振荡器，其特征在于：尾电流源阵列包括使能管M16，电流镜管M10、M11、M12、M13、M15，开关管M7、M8、M9，以及低通滤波器；使能管M16的漏端为电流输入端，使能管M16的栅端接电路使能信号电压EN，使能管M16的源端接电流镜管M15的漏端；电流镜管M15的源端接地GND，电流镜管M15的栅端接所述低通滤波器的输入端，低通滤波器的输出端接电流镜管M10、M11、M12、M13的栅端；电流镜管M10、M11、M12、M13的源端均接地GND；电流镜管M10的漏端同时接开关管M7、M8、M9的漏端；电流镜管M11、M12、M13的漏端分别接开关管M7、M8、M9的源端；开关管M7、M8、M9的栅端分别接数字控制信号B0、B1、B2。

7.根据权利要求6所述的宽调谐低相噪高线性度LC压控振荡器，其特征在于：尾电流源阵列还包括使能管M14；使能管M14的源端接地GND，使能管M14的栅端接电路使能信号电压ENB，使能管M14的漏端接所述低通滤波器的输出端以及电流镜管M10、M11、M12、M13的栅端。

8.根据权利要求7所述的宽调谐低相噪高线性度LC压控振荡器，其特征在于：低通滤波器包括电阻R1与可变电容C1～C5；电阻R1的一端接电流镜管M15的栅端，电阻R1的另一端接可变电容C1～C5的正极；可变电容C1～C5的负极均接地GND。