CN112953392B - 一种带有三次谐波增强的毫米波压控振荡器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带有三次谐波增强的毫米波压控振荡器，该压控振荡器包括谐振腔和有源电路两部分；谐振腔初级谐振腔和次级谐振腔：初级谐振腔为三次谐波谐振腔，包括多峰值变压器初级线圈和第一开关电容阵列；次级谐振腔为基频谐振腔，包括多峰值变压器次级线圈、第二开关电容阵列以及压控可变电容。有源部分采用基于变压器耦合的负阻管。本发明实现三次谐波的增强，在拥有高频输出信号的同时也能保证良好的相位噪声，且频率调谐范围更大、版图占用芯片面积更小。

Description

一种带有三次谐波增强的毫米波压控振荡器

技术领域

本发明涉及集成电路，尤其涉及一种带有三次谐波增强的毫米波压控振荡器。

背景技术

在毫米波压控振荡器中，存在多个设计难点与矛盾。毫米波压控振荡器较高的振荡频率要求较小的电容，较大的带宽要求较大的可调电容占总电容值比例，因此带宽与工作频率存在矛盾。同时，毫米波压控振荡器的有源器件会产生更大的噪声，这带来了相位噪声与工作频率的矛盾。较大的带宽要求较大的可调电容，而更大的损耗随之而来，因此不得不增大有源器件跨导，这将带来相位噪声的恶化。同时更大的损耗会降低谐振腔的品质因数，同样会恶化相位噪声与功耗指标。加大振荡器工作电流可以优化相位噪声，但会使功耗增大。减小电容可优化相位噪声，然而为了保证工作频率需要增大电感，这将增大芯片面积。因此，衡量毫米波压控振荡器的优劣应综合考虑工作频率、工作带宽、相位噪声、功耗与芯片面积。

中国专利：CN201710139108.2(参考文献1)，利用双模电感解决了压控振荡器结构不能在保证相位噪声和功耗指标的情况下满足调谐带宽的要求的问题。该压控振荡器包括两组负跨导单元、开关阵列、双模电感、两组变容二极管阵列；第一和第二负跨导单元用于为压控振荡器提供振荡能量；双模电感通过开关阵列实现两种等效电感值之间的切换，用于振荡频率的粗调节；第一和第二变容二极管阵列用于调节负载网络的电容值，实现振荡频率的细调节。此结构利用双模电感来避免大电容带来的损耗，从而达到了调谐带宽能满足应用要求且不牺牲相位噪声和功耗指标的技术效果，但是整个电路结构复杂，双模电感更是极大地占用了版图面积。

中国专利：CN202010252939.2(参考文献2)，利用传统噪声循环压控振荡器结构中的PMOS管潜在的混频器工作模式会产生谐波电流的特点，添加一个工作在三次谐波处的带通选频滤波器，将传统噪声循环压控振荡器结构中固有的三次混频输出电流转换成电压，得到了低闪烁噪声的毫米波电压输出。但是此结构中工作在三次谐波出的带通选频滤波器需要再单独设计电感，增加了设计周期以及版图面积。

发明内容

发明目的：本发明针对现有技术存在的问题，提供一种带有三次谐波增强的毫米波压控振荡器，具有相位噪声更低、工作频率更高、频率调谐范围更宽、版图占用芯片面积更小的优点。

技术方案：为实现上述发明目的，本发明的一种带有三次谐波增强的毫米波压控振荡器采用如下技术方案：

带有三次谐波增强的毫米波压控振荡器，包括谐振腔和有源电路；谐振腔包括初级谐振腔和次级谐振腔：初级谐振腔为三次谐波谐振腔，包括多峰值变压器初级线圈和第一开关电容阵列；次级谐振腔为基频谐振腔，包括多峰值变压器次级线圈、第二开关电容阵列以及压控可变电容；有源部分采用基于变压器耦合的负阻管；

振荡器的实现具体包括以下步骤：

步骤100、初步确定谐振腔整体电感电容大小；

步骤101、确定多峰值变压器的参数以及初次级谐振腔总电容容值；

步骤102、确定初次级谐振腔中的开关电容阵列，采用开关阵列结构对谐振腔总电容进行划分；

步骤103、设计压控可变电容，满足交叠频率要求；

步骤200、确定有源部分负阻管的参数；

步骤201、调整负阻管大小优化噪声；在步骤200的基础上，调整负阻管跨导大小来优化相位噪声。

其中，

步骤100中所述初步确定谐振腔整体电感电容大小，需满足以下条件：

多峰值变压器的初次级线圈均为带有中心抽头的差分电感，采取侧边耦合的耦合方式，多峰值变压器的耦合系数k_m满足0.5≤k_m≤1；

三次谐波谐振腔的等效总电容C₁和初级线圈电感L_p满足其中ω₂为三次谐波；

基频谐振腔的等效总电容C₂和次级线圈电感L_s满足其中ω₁为基频；

三次谐波谐振腔和基频谐振腔的工作频率满足ω₂＝3ω₁的关系，且需满足如下关系式：

所述步骤101具体实现方法为：先利用固定电容与多峰值变压器构成简单的谐振腔，再通过调整多峰值变压器的耦合系数、初次级线圈的电感值以及谐振腔的等效总电容大小，使三次谐波峰值阻抗R_p2大于基频峰值阻抗R_p1且满足下式要求，

最终确定多峰值变压器的结构以及三次谐波谐振腔的等效总电容C₁和基频谐振腔的等效总电容C₂。

所述第一开关电容阵列采用位数n、控制字K₀～K_n的开关电容阵列，控制字K₀～K_n由控制字电路提供；第一开关电容阵列两侧分别采用容值相等的固定电容，同一侧固定电容容值按照并联顺序依次为：C_p、2C_p、…、2^n-1C_p，C_p为第一开关电容的第一个固定电容容值，第一开关电容阵列电容总和为三次谐波谐振腔的等效总电容C₁。

所述第二开关电容阵列采用与第一开关电容阵列相同位数n和控制字K₀～K_n的开关电容阵列，控制字K₀～K_n由控制字电路提供；第二开关电容阵列两侧分别采用容值相等的固定电容，同一侧固定电容容值按照并联顺序依次为：C_s、2C_s、…、2^n-1C_s，C_s为第二开关电容阵列的第一个固定电容容值，第二开关电容阵列电容总和为基频谐振腔的等效总电容C₂。

所述压控可变电容结构为：第一隔直电容一端连接第一输出端，另一端连接第一直流偏置和第一压控可变电容，第二隔直电容一端连接第二输出端，另一端连接第二直流偏置和第二压控可变电容，第一压控可变电容和第二压控可变电容另一端共同连接到调谐电压控制端；第一压控可变电容和第二压控可变电容大小相等。

步骤103中所述设计压控可变电容需满足以下条件：

当开关电容阵列的n个开关管全部处于导通状态，且压控可变电容为最大值C_vmax时，压控振荡器的振荡频率达到最小值ω_min，用公式可以表示为：

其中，C₀表示开关电容阵列中第一个固定电容，L为谐振腔的等效总电感；

当n个开关管全部处于关断状态，而且压控可变电容为最小值C_vmin时，压控振荡器的振荡频率达到最大值ω_max：

其中，C_d表示开关管的漏极寄生电容；

且压控可变电容的最大值C_vmax与最小值C_vmin之间必须满足下面的条件：

所述第一开关电容阵列和所述第二开关电容阵列为粗调，所述压控可变电容为细调。

所述基于变压器耦合的负阻管结构为：第一负阻管、第二负阻管采用变压器耦合的方式连接，第一负阻管、第二负阻管的栅极分别连接到基频谐振腔的两端，漏极分别连接到三次谐波谐振腔两端，源极接地。

所述负阻管的跨导g_m按下式计算：

其中，L为谐振腔的等效总电感，Q为多峰值变压器的品质因数，R_p为谐振腔等效总电感的寄生并联电阻，G_m为有源电路能够提供的跨导，安全因子α＝R_p·G_m。

有益效果：本发明与现有技术相比，其有益效果是：

本发明使谐振腔的输入阻抗分别在基频和三次谐波处实现两个阻抗峰值，从而实现三次谐波的增强。由于增强了三次谐波，使得输出信号为伪方波信号，拥有较低的脉冲敏感度函数(Impulse Sensitivity Function，ISF)均方根值，从而能够获得较低的相位噪声。并通过合理的缓冲器进行提取，可实现三次谐波的输出，从而使得该振荡器在拥有高频输出信号的同时也能保证良好的相位噪声，在较高的毫米波工作频率下本发明相位噪声更低、频率调谐范围更大、版图占用芯片面积更小；此外提取出的三次谐波就替代了三倍频器的作用，大大减少了设计复杂程度以及芯片的面积。

附图说明

图1是本发明提供的带有三次谐波增强的毫米波压控振荡器的电路结构图；

图2是图1中核心部分的简化电路图；

图3是图2的等效电路图；

图4是图1中的开关电容阵列电路图；

图5是图1中的压控可变电容电路图；

图6是简化LC负阻型振荡器电路图。

图中有：第一负阻管D₁、第二负阻管D₂、初级线圈电感L_p、次级线圈电感L_s、第一压控可变电容C_v1、第二压控可变电容C_v2、初级线圈中心抽头的电源电压VDD、次级线圈中心抽头的电源电压VB、调谐电压控制端Vtune；

输入阻抗Z_in、初级线圈电感与次级线圈电感相互耦合的互感M、初级线圈电感的欧姆损耗R₁、变压器次级线圈电感的欧姆损耗R₂、谐振腔输入端V_in、谐振腔输出端V_out、三次谐波谐振腔的等效总电容C₁、基频谐振腔的等效总电容C₂；

第零开关管D₀、反相器INV、第一差分输出端VP、第二差分输出端VN；

第一隔直电容C_bias1、第一输出端P1，第一直流偏置D_b1、第二隔直电容C_bias2、第二输出端P2、第二直流偏置D_b2；

谐振腔总电感L、谐振腔总电感的寄生并联电阻R_p、谐振腔中的总电容C。

具体实施方式

下面对本发明技术方案进行详细说明。

本发明提供了一种带有三次谐波增强的毫米波压控振荡器，为差分LC振荡器结构，其中电感采用峰值变压器结构，电容分别接在变压器的初次级线圈，结构如图1所示，主要由谐振腔和有源部分组成。由多峰值变压器的初次级线圈以及对应的电容分别构成初次级谐振腔，初级谐振腔为三次谐波谐振腔，包括多峰值变压器初级线圈和第一开关电容阵列；次级谐振腔为基频谐振腔，包括多峰值变压器次级线圈、第二开关电容阵列以及压控可变电容。第一开关电容阵列、第二开关电容阵列为粗调，压控可变电容为细调，从而使得调谐曲线覆盖整个调谐频率范围。有源部分则利用基于变压器耦合的负阻管来抵消谐振腔带来的损耗，形成正反馈，保证电路能够正常起振。

压控振荡器简化电路图如图1所示，初级线圈电感L_p两端分别与第一开关电容阵列两端连接构成三次谐波谐振腔；次级线圈电感L_s一端连接到第二开关电容阵列一端、第一压控可变电容C_v1一端，第一压控可变电容C_v1与第二压控可变电容C_v2串联，次级线圈电感L_s另一端连接到第二开关电容阵列另一端、第二压控可变电容C_v2另一端构成基频谐振腔。VDD和VB分别为初级线圈与次级线圈中心抽头的电源电压，Vtune为压控可变电容的调谐电压。压控振荡器具体实现步骤如下：

步骤100、初步确定谐振腔整体电感电容大小；

为确定谐振腔各参数，谐振腔的等效电路图如图3所示，多峰值变压器的初次级线圈均为带有中心抽头的差分电感，采取侧边耦合的耦合方式，多峰值变压器的耦合系数k_m满足0.5≤k_m≤1。且三次谐波谐振腔的等效总电容C₁和初级线圈电感L_p满足其中ω₂为三次谐波。基频谐振腔的等效总电容C₂和次级线圈电感L_s满足/>其中ω₁为基频。使整个谐振腔的输入阻抗分别在基频ω₁以及三次谐波ω₂处产生两个峰值阻抗即基频峰值阻抗R_p1和三次谐波峰值阻抗R_p2，从而实现三次谐波分量输出电压的增强。同时为了满足初级谐振腔工作频率在三次谐波处，还需要使得初次级谐振腔的工作频率为三倍关系，仍需满足如下关系式：

根据公式(1)确定谐振腔中初级线圈电感L_p、次级线圈电感L_s和三次谐波谐振腔的等效总电容C₁、基频谐振腔的等效总电容C₂的大小，根据计算出的初次级线圈的初级线圈电感L_p和次级线圈电感L_s大致确定变压器的结构，由于初级线圈电感L_p与次级线圈电感L_s的大小约为1：2，因此多峰值变压器也采用匝数比为1∶2的结构。

步骤101、确定多峰值变压器的参数以及初次级谐振腔总电容容值；

在步骤100的基础上，由于三次谐波的电流分量较小，为了实现三次谐波电压分量增强的效果，还需使三次谐波处的峰值阻抗R_p2大于基频处的峰值阻抗R_p1，可推导出存在如下关系式：

具体实现方法可先利用固定电容作为三次谐波谐振腔的等效总电容C₁、基频谐振腔的等效总电容C₂与多峰值变压器构成简单的谐振腔，通过调整多峰值变压器的耦合系数、初次级线圈的感值以及电容的大小，使三次谐波峰值阻抗满足式(2)要求，最终确定多峰值变压器的结构以及三次谐波谐振腔的等效总电容C₁和基频谐振腔的等效总电容C₂的值。

步骤102、确定初次级谐振腔中的开关电容阵列；

根据步骤101得到的三次谐波谐振腔的等效总电容C₁和基频谐振腔的等效总电容C₂，采用开关阵列结构对谐振腔中的总电容进行划分。三次谐波谐振腔的第一开关电容阵列和基频谐振腔的第二开关电容阵列均采用相同位数n、相同控制字K₀～K_n的开关电容阵列，由控制字电路提供控制字K₀～K_n，可获得2ⁿ个子频带以获得较宽的调谐范围。

开关电容阵列及其等效电路图如图4所示，包括n个并联的电容模块，开关电容阵列两侧采用相等的电容，且同一侧的固定电容容值按照并联顺序依次为：C₀、2C₀、…、2^n-1C₀，C₀为第一个电容模块的固定电容容值，为了保证信号及负载的对称性，同时也便于版图对称，以第一个电容模块为例，第零开关管D₀的漏极和源极均连接相同大小的电容和电阻，这两个电阻另一端都连接到反相器INV的输出端，反相器INV的输入端接收控制字电路提供的控制字K₀～K_n，作为开关电容阵列的控制端，VP、VN分别为第一差分输出端、第二差分输出端。当控制字为高电平时，第零开关管D₀开启，第零开关管D₀导通电阻为R₀，漏极和源极两端电压被下拉到零，两个串联的相同的固定电容接入谐振腔。当控制字为低电平时，第零开关管D₀处于关断状态，漏极和源极两端电压被上拉到高电平，漏极和源极两端之间的等效电阻非常大，从而电容没有接入谐振腔。

对于本实施例中，第一开关电容阵列的同一侧固定电容容值按照并联顺序依次为：C_p、2C_p、…、2^n-1C_p，C_p为第一开关电容阵列的第一个固定电容容值，第一开关电容阵列电容总和为三次谐波谐振腔的等效总电容C₁；第二开关电容阵列的同一侧固定电容容值按照并联顺序依次为：C_s、2C_s、…、2^n-1C_s，C_s为第二开关电容阵列的第一个固定电容容值，第二开关电容阵列电容总和为基频谐振腔的等效总电容C₂。

步骤103、设计压控可变电容，满足交叠频率要求；

通过开关电容阵列来获得宽调谐范围后仍需要压控可变电容的配合来实现最终压控振荡器的连续调频，并达到频率交叠在30％～60％的要求，压控可变电容的电路图如图5所示，其中第一隔直电容C_bias1一端连接第一输出端P1，另一端连接第一直流偏置D_b1和第一压控可变电容C_v1，第二隔直电容C_bias2一端连接第二输出端P2，另一端连接第二直流偏置D_b2和第二压控可变电容C_v2，第一压控可变电容C_v1和第二压控可变电容C_v2另一端共同连接到调谐电压控制端Vtune，由外部提供的调谐电压进行控制。由于整个电路均采用差分对称结构，为双端输出，第一压控可变电容C_v1与第二压控可变电容C_v2大小相等，因此只要分析单端即可。

首先，压控可变电容的设计必须满足交叠频率的要求，因此必须从开关电容阵列所产生的调谐子频带入手，这也是选取压控可变电容大小的依据。当n个开关管(第一开关管D₀至第n开关管D_n-1)全部处于导通状态，而且压控可变电容为最大值C_vmax时，压控振荡器的振荡频率达到最小值ω_min，用公式可以表示为：

其中，C₀表示图4开关电容阵列中固定电容的电容值，L为谐振腔的等效总电感。

当n个开关管全部处于关断状态，而且压控可变电容为最小值C_vmin时，压控振荡器的振荡频率达到最大值ω_max：

其中，C_d表示第零开关管D₀的漏极寄生电容。

为了满足交叠频率的要求，压控可变电容的最大值C_vmax与最小值C_vmin之间必须满足下面的条件：

步骤200、确定有源部分负阻管的参数；

确定了谐振腔各参数后，需要确定有源部分的负阻管的参数，使得该振荡器能够起振，具体如下：

有源部分采用寄生参数更小的NMOS对管作为负阻管，如图1所示，第一负阻管D₁、第二负阻管D₂采用变压器耦合的方式连接，第一负阻管D₁、第二负阻管D₂的栅极分别连接到基频谐振腔的变压器次级线圈两端，漏极分别连接到三次谐波谐振腔的变压器初级线圈两端，源极接地。同一个NMOS管的栅极和漏极接在变压器的反相端，从而实现正反馈，保证该振荡器能够起振。相较于传统的直接交叉耦合的接法，NMOS对管在这种连接方式中可以维持较大的电压波动，因此可以保证换相时间更短，有源器件的噪声系数更低。

负阻管参数的确定根据负阻型振荡器等效电路图，如图6所示，R_p为谐振腔的等效总电感L的寄生并联电阻，G_m为有源电路能够提供的跨导，C为谐振腔中的总电容，振荡器起振的安全因子α＝R_p·G_m。为了能够正常起振，必须保证安全因子α>1，通常情况下，在估算时将α设为2～3。根据式(6)确定负阻管的跨导g_m，最后根据负阻管的工作电流，即可得到负阻管的尺寸参数。

其中，Q为多峰值变压器的品质因数，ω₁为振荡频率即基频。

步骤201、调整负阻管大小优化噪声；

在步骤200的基础上，可调整负阻管跨导的大小来优化相位噪声。由于负阻管噪声主要包括闪烁噪声和沟道热噪声，因此降低负阻管跨导可以同时降低闪烁噪声和沟道热噪声，但较低的负阻管跨导必须保证满足起振条件并留有一定的余量。

如上所述，尽管参照特定的优选实施例已经表示和表述了本发明，但其不得解释为对本发明自身的限制。在不脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围前提下，可对其在形式上和细节上做出各种变化。

Claims (10)

1.一种带有三次谐波增强的毫米波压控振荡器，其特征在于，包括谐振腔和有源电路；谐振腔包括初级谐振腔和次级谐振腔：初级谐振腔为三次谐波谐振腔，包括多峰值变压器初级线圈和第一开关电容阵列；次级谐振腔为基频谐振腔，包括多峰值变压器次级线圈、第二开关电容阵列以及压控可变电容；有源部分采用基于变压器耦合的负阻管；

振荡器的实现具体包括以下步骤：

步骤100、初步确定谐振腔整体电感电容大小；

步骤101、确定多峰值变压器的参数以及初次级谐振腔总电容容值；

步骤102、确定初次级谐振腔中的开关电容阵列，采用开关阵列结构对谐振腔总电容进行划分；

步骤103、设计压控可变电容，满足交叠频率要求；

步骤200、确定有源部分负阻管的参数；

步骤201、调整负阻管大小优化噪声；在步骤200的基础上，调整负阻管跨导大小来优化相位噪声。

2.根据权利要求1所述的一种带有三次谐波增强的毫米波压控振荡器，其特征在于，步骤100中所述初步确定谐振腔整体电感电容大小，需满足以下条件：

多峰值变压器的初次级线圈均为带有中心抽头的差分电感，采取侧边耦合的耦合方式，多峰值变压器的耦合系数k_m满足0.5≤k_m≤1；

三次谐波谐振腔的等效总电容C₁和初级线圈电感L_p满足其中ω₂为三次谐波；

基频谐振腔的等效总电容C₂和次级线圈电感L_s满足其中ω₁为基频；

三次谐波谐振腔和基频谐振腔的工作频率满足ω₂＝3ω₁的关系，且需满足如下关系式：

3.根据权利要求1所述的一种带有三次谐波增强的毫米波压控振荡器，其特征在于，所述步骤101具体实现方法为：先利用固定电容与多峰值变压器构成简单的谐振腔，再通过调整多峰值变压器的耦合系数、初次级线圈的电感值以及谐振腔的等效总电容大小，使三次谐波峰值阻抗R_p2大于基频峰值阻抗R_p1且满足下式要求，

最终确定多峰值变压器的结构以及三次谐波谐振腔的等效总电容C₁和基频谐振腔的等效总电容C₂。

4.根据权利要求1所述的一种带有三次谐波增强的毫米波压控振荡器，其特征在于，所述第一开关电容阵列采用位数n、控制字K₀～K_n的开关电容阵列，控制字K₀～K_n由控制字电路提供；第一开关电容阵列两侧分别采用容值相等的固定电容，同一侧固定电容容值按照并联顺序依次为：C_p、2C_p、…、2^n-1C_p，C_p为第一开关电容的第一个固定电容容值，第一开关电容阵列电容总和为三次谐波谐振腔的等效总电容C₁。

5.根据权利要求1所述的一种带有三次谐波增强的毫米波压控振荡器，其特征在于，所述第二开关电容阵列采用与第一开关电容阵列相同位数n和控制字K₀～K_n的开关电容阵列，控制字K₀～K_n由控制字电路提供；第二开关电容阵列两侧分别采用容值相等的固定电容，同一侧固定电容容值按照并联顺序依次为：C_s、2C_s、…、2^n-1C_s，C_s为第二开关电容阵列的第一个固定电容容值，第二开关电容阵列电容总和为基频谐振腔的等效总电容C₂。

6.根据权利要求1所述的一种带有三次谐波增强的毫米波压控振荡器，其特征在于，所述压控可变电容结构为：第一隔直电容(C_bias1)一端连接第一输出端(P1)，另一端连接第一直流偏置(D_b1)和第一压控可变电容(C_v1)，第二隔直电容(C_bias2)一端连接第二输出端(P2)，另一端连接第二直流偏置(D_b2)和第二压控可变电容(C_v2)，第一压控可变电容(C_v1)和第二压控可变电容(C_v2)另一端共同连接到调谐电压控制端(Vtune)；第一压控可变电容(C_v1)和第二压控可变电容(C_v2)大小相等。

7.根据权利要求1所述的一种带有三次谐波增强的毫米波压控振荡器，其特征在于，步骤103中所述设计压控可变电容需满足以下条件：

当开关电容阵列的n个开关管全部处于导通状态，且压控可变电容为最大值C_vmax时，压控振荡器的振荡频率达到最小值ω_min，用公式可以表示为：

其中，C₀表示开关电容阵列中第一个固定电容，L为谐振腔的等效总电感；

当n个开关管全部处于关断状态，而且压控可变电容为最小值C_vmin时，压控振荡器的振荡频率达到最大值ω_max：

其中，C_d表示开关管的漏极寄生电容；

且压控可变电容的最大值C_vmax与最小值C_vmin之间必须满足下面的条件：

8.根据权利要求1所述的一种带有三次谐波增强的毫米波压控振荡器，其特征在于，所述第一开关电容阵列和所述第二开关电容阵列为粗调，所述压控可变电容为细调。

9.根据权利要求1所述的一种带有三次谐波增强的毫米波压控振荡器，其特征在于，所述基于变压器耦合的负阻管结构为：第一负阻管(D₁)、第二负阻管(D₂)采用变压器耦合的方式连接，第一负阻管(D₁)、第二负阻管(D₂)的栅极分别连接到基频谐振腔的两端，漏极分别连接到三次谐波谐振腔两端，源极接地。

10.根据权利要求1所述的一种带有三次谐波增强的毫米波压控振荡器，其特征在于，所述负阻管的跨导g_m按下式计算：

其中，L为谐振腔的等效总电感，Q为多峰值变压器的品质因数，R_p为谐振腔等效总电感的寄生并联电阻，G_m为有源电路能够提供的跨导，安全因子α＝R_p·G_m。