CN112953464A - 一种低功耗大带宽高分辨率低相位噪声数控振荡器 - Google Patents

一种低功耗大带宽高分辨率低相位噪声数控振荡器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种低功耗大带宽高分辨率低相位噪声数控振荡器，包括：互补差分MOS管补偿电路、三级电容调谐电路、电容电感滤波电路和容性退化电路，粗调和中调电容阵列并联的连接在补偿NMOS管和PMOS管的漏极之间，容性退化电路连接在两个补偿NMOS管的源极之间，互补差分MOS管补偿电路提供负阻来补偿谐振腔的电阻，使谐振腔的振荡可以持续；三级电容调谐电路用来提供不同调谐精度下的变化电容，来实现频率的改变；所述电容电感滤波电路通过电容将热噪声导入地端、通过电感提供阻抗来抑制闪烁噪声的流动用来滤除电路的闪烁噪声；容性退化电路通过将调谐电容阵列接入补偿MOS管源极再按比例折算到漏极，实现更小的变化电容量，来实现更高的分辨率。

Description

一种低功耗大带宽高分辨率低相位噪声数控振荡器
技术领域
本发明涉及半导体集成电路领域，尤其涉及一种低功耗大带宽高分辨率低相位噪声数控振荡器。
背景技术
振荡器在移动通信、无线智能终端等领域有着十分广泛的应用。当前，振荡器主要采用模拟振荡器，这种振荡器功耗大、成本高、可移植性较低且易受电路中数字信号影响。近年来，随着电源电压的不断降低，振荡器数字化实现逐渐成为一个趋势。
数控振荡器由电容阵列和控制电路组成，通过控制字改变调谐电容来进行频率调谐。目前，振荡器通过电感或互感调谐来改善相位噪声性能，但这些振荡器功耗和面积都比较大，很难满足移动通信对于低功耗的要求，因此一种具有低功耗、大带宽、高分辨率、低相位噪声的数控振荡器是不可或缺的。
发明内容
本发明的目的是提供一种低功耗大带宽高分辨率低相位噪声数控振荡器，适用于全数字锁相环IP核中，可以广泛的应用于移动通信等低功耗场合，同时由于大带宽，本设计的可移植性高、融合性好，可以降低应用成本。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：一种低功耗大带宽高分辨率低相位噪声数控振荡器，包括：
互补差分MOS管补偿电路、三级电容调谐电路、电容电感滤波电路和容性退化电路，其中粗调和中调电容阵列并联的连接在补偿NMOS管和PMOS管的漏极之间，容性退化电路连接在两个补偿NMOS管的源极之间，在偏置电阻R1、R2的共模点与地之间、以及和PMOS管源极和电源之间，分别均连接有电容电感滤波电路，其中：所述的互补差分MOS管补偿电路提供负阻来补偿谐振腔的电阻，使谐振腔的振荡可以持续；所述三级电容调谐电路用来提供不同调谐精度下的变化电容，来实现频率的改变；所述电容电感滤波电路通过电容将热噪声导入地端、通过电感提供阻抗来抑制闪烁噪声的流动用来滤除电路的闪烁噪声；所述容性退化电路通过将调谐电容阵列接入补偿MOS管源极再按比例折算到漏极，实现更小的变化电容量，来实现更高的分辨率。
进一步的，所述互补差分MOS管补偿电路，包括交叉耦合连接的两个NMOS管，两个NMOS管的源极连在一起，第一NMOS管的栅极连接到第二NMOS管的漏极，第一NMOS管的漏极连接到第二NMOS管的栅极，构成交叉耦合结构。
进一步的，所述三级电容调谐电路，包括粗调、中等调谐、细调电容阵列，粗调、中等调谐电容阵列并联在补偿NMOS管和PMOS管的漏极，细调电容阵列并连在两个NMOS管源极之间，偏置电阻R1和R2串联在NMOS管源极，粗调、中调和细调控制字分别接在粗调、中调、细调电容阵列控制端。
进一步的，所述三级电容调谐电路中的粗调电容为开关电容电路。
进一步的，所述三级电容调谐电路中的中等调谐电容为变容二极管电容电路。
进一步的，所述三级电容调谐电路中的细调调谐电容为MOS管电容，将两个MOS管的源极漏极和栅极连接在一起，在栅极加高低电压，在源极和栅极之间会感应出高低电容，实现更小的电容变化。
进一步的，用四组开关电容按等比分布的方式构成粗调电容阵列，用五组变容二极管电容和一组MOS电容构成中调电容阵列，用四组变容二极管电容电路和两组MOS电容构成细调电容阵列。
进一步的，电容电感滤波电路，具体包括：连接在偏置电阻R1和R2的共模点与地之间的地端滤波电容、电感，以及接在电源和两个PMOS管的源极之间的源端滤波电容和电感，分别连在NMOS管M3、M4的源极与地之间的电容。
进一步的，容性退化电路，通过将连接在源极的电容阵列按比例折算到漏极实现更小的电容变化量，进一步提高了分辨率，所述容性退化电路是通过将源极电容按一定比例折算到漏极，来实现更小的电容变化，来达到更高的分辨率。
本发明原理在于：一种低功耗大带宽高分辨率低相位噪声数控振荡器，包括：负阻补偿电路、电容调谐电路、容性退化电路、噪声滤波电路。其中电容调谐电路连接在负阻补偿电路MOS管漏极构成谐振腔，容性退化电路连接在负阻补偿MOS管的源极，噪声滤波电路由连接在MOS管源极的电容电感构成。其中：
所述负阻补偿电路由一对NMOS管和一对PMOS管构成互补差分对，来形成负电阻补偿谐振腔电阻损耗。
所述电容调谐电路由粗调、中调、细调三级调谐电容阵列组成，分别实现不同大小的电容变化，每级电容阵列内电容按等比分布。
所述容性退化电路由细调电容阵列接在补偿MOS管源极组成，通过将源极电容折算到漏极谐振腔实现退化。
所述噪声滤波电路由电容和电感组成，电容滤除热噪声，电感滤除闪烁噪声。
有益效果：
本发明提供的一种低功耗、大带宽、高分辨率、低相位噪声数控振荡器的实现，通过电流复用的互补差分结构大幅降低振荡器功耗；同时，通过调节三级调谐电容阵列的工作状态使电路具有很宽的调谐范围，可以工作于导航模式、通信模式以及雷达模式并符合通信协议标准；最后，滤波电路的应用使得电路的相位噪声易于满足移动通信的要求。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
图1为单端口振荡器原理图；
图2为本发明实例提供的负阻原理图，其中，图2(a)为采用的交叉耦合MOS管负阻结构，图2(b)为小信号等效电路；
图3为本发明实施例提供一种低功耗大带宽高分辨率数控振荡器的原理图；
图4为本发明实施例提供的粗调电容原理图；
图5为本发明实施例提供的中调电容原理图；
图6为本发明实施例提供的细调电容原理图；
图7为本发明实施例提供的容性退化电路原理图，其中，图7(a)为容性退化电路原理图，图7(b)为图7(a)的等效电路；
图8为本发明实施例提供的电路噪声原理图；
图9为本发明实施例提供的噪声抑制原理图。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是对本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
图1所示为本发明所用的单端口振荡器原理图，电容Cp、电感Lp组成谐振腔，但由于电容电感存在的寄生电阻Rp使得谐振腔中的能量不断损耗，直至振荡完全停止。此时若有外部电路(Active Circuit)提供一个负阻-Rp来补偿寄生的电阻则振荡可以维持。
图2所示为负阻形成的原理，如图2(a)所示为本发明设计采用的交叉耦合MOS管负阻结构。如图2(a)所示为一对交叉耦合连接的NMOS管，M1、M2的源极连在一起，M1的栅极连接到M2的漏极，M1的漏极连接到M2的栅极，构成交叉耦合结构。在X、Y端口加正向电压时，随着电压增大电流变小，则X、Y端口对外表现为负电阻。
图2(b)为小信号等效电路，由图可见，
V2-V1＝Vx (1)
IX＝gm1V1＝-gm2V2 (2)
Figure BDA0002962397830000041
其中，gm1、gm2为图2(a)中M1、M2的跨导；其中M1、M2为NMOS管；V1、V2是MOS管M1、M2的栅源电压；
即图2所示交叉耦合MOS管对外表现出负电阻R，大小为式(4)所示，
Figure BDA0002962397830000042
图3为本发明实施例提供一种低功耗大带宽高分辨率数控振荡器的电路原理总图。主要包括：负阻补偿电路、电容调谐阵列、容性退化电路、噪声滤波电路。其中：
本发明实施例中负阻补偿电路由一对NMOS交叉耦合管和一对PMOS交叉耦合管构成互补差分电路来实现，如图3所示电流由电源流过PMOS管M1、M2再流过NMOS管M3、M4，被用了两次，在同样的电流下产生两倍的负阻，以此实现低功耗设计。如图3所示一对NMOS和一对PMOS交叉耦合连接，电感、粗调(COARSE)和中等(MIDDLE)调谐精度电容阵列并联在补偿NMOS管和PMOS管的漏极，滤波电容C2和电感L2接在电源和PMOS管M1、M2的源极之间，细调电容阵列(FINE)并连在NMOS管源极，偏置电阻R1和R2串联在NMOS管源极，地端滤波电容C1、电感L1连接在偏置电阻R1和R2的共模点与地之间，粗调、中调和细调控制字(FCW)分别接在粗调、中调、细调电容阵列控制端。
本发明实施例中，所述电容调谐阵列电路，是基于开关电容电路、变容二极管电容电路和MOS管电容电路构成的粗调、中调和细调三级电容阵列。
图4所示为开关电容电路，当控制字FCW为1时MOS管M1、M2、M3均导通，导通两个电容并联到地端与谐振腔中，谐振腔电容升高，谐振频率下降；当控制字为0时MOS管M1、M2、M3均断开，电容从谐振腔中断开，谐振腔电容降低，谐振频率上升，开关电容可以用在需要大电容变化场合。
图5所示为变容二极管电容电路，当控制字在0和1之间变化时，变容二极管电容电路对外表现出高低不同的电容，变容二极管电容电路可以实现几飞发电容变化(飞发为电容单位)。
图6所示为MOS管电容，将两个MOS管的源极漏极和栅极连接在一起，在栅极加高低电压，在源极和栅极之间会感应出高低电容，实现更小的电容变化。由以上三种电容电路特点，可以用四组开关电容按等比分布的方式构成粗调电容阵列，用五组变容二极管电容和一组MOS电容构成中调电容阵列，用四组变容二极管电容电路和两组MOS电容构成细调电容阵列。
本发明实施例中，所述容性退化电路是通过将源极电容按一定比例折算到漏极，来实现更小的电容变化，来达到更高的分辨率。如图7所示为容性退化电路原理，图7(a)中C为粗调电容，L为谐振电感，C为细调电容。Rloss为电容电感谐振腔的寄生电阻，Ced为源极电容折算到漏极谐振腔的等效电容。
将细调电容电路接到MOS管源极，通过串并联转换为图7(b)所示电路，源极电容折算到漏极电容为式(5)所示，
Figure BDA0002962397830000051
其中，gm为MOS管跨导，C为源极电容，wl0为谐振频率；
在射频电路中C>>gm/(2wl0)，则式(5)化简为式(6)，
Figure BDA0002962397830000052
其中，gm为MOS管跨导，C为源极电容，wl0为谐振频率，Qf为折算因子
Figure BDA0002962397830000053
即源极电容按一定的比例折算到漏极，通过控制漏极电容和MOS管跨导来控制折算因子，以实现更小的电容变化来达到更高的分辨率。
如图8所示为电路的噪声示意图，电路中主要有电阻和MOS管以及电感的寄生电阻产生的热噪声(Thermal noise)，MOS管的闪烁噪声(Flick noise)。
本发明实施例中，所述噪声滤波电路如图9虚线框所示，是来滤除和抑制电路中的闪烁噪声。对于热噪声主要采用电容C3、C4滤波将热噪声导入地端，对于闪烁噪声采用大电感在二次谐波处提供大阻抗(High Impedance at 2W0)抑制其在电路中的流动来达到减弱的目的。
本发明实施例上述方案主要具有如下有益效果：
(1)采用粗调、中调和细调三级调谐电容使得振荡器调谐范围很大。
(2)采用互补差分结构电流复用，使得电路功耗很小。
(3)采用电容电感滤除噪声，相位噪声很低。
(4)采用容性退化电路，使得电路分辨率很高。
以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种低功耗大带宽高分辨率低相位噪声数控振荡器，其特征在于，包括：
互补差分MOS管补偿电路、三级电容调谐电路、电容电感滤波电路和容性退化电路，其中粗调和中调电容阵列并联的连接在补偿NMOS管和PMOS管的漏极之间，容性退化电路连接在两个补偿NMOS管的源极之间，在NMOS管源极和地端之间、以及和PMOS管源极和电源之间，分别均连接有电容电感滤波电路，其中：所述的互补差分MOS管补偿电路提供负阻来补偿谐振腔的电阻，使谐振腔的振荡可以持续；所述三级电容调谐电路用来提供不同调谐精度下的变化电容，来实现频率的改变；所述电容电感滤波电路通过电容将热噪声导入地端、通过电感提供阻抗来抑制闪烁噪声的流动用来滤除电路的闪烁噪声；所述容性退化电路通过将调谐电容阵列接入补偿MOS管源极再按比例折算到漏极，实现更小的变化电容量，来实现更高的分辨率。
2.根据权利要求1所述的一种低功耗大带宽高分辨率低相位噪声数控振荡器，其特征在于，所述互补差分MOS管补偿电路，包括交叉耦合连接的两个NMOS管，两个NMOS管的源极连在一起，第一NMOS管的栅极连接到第二NMOS管的漏极，第一NMOS管的漏极连接到第二NMOS管的栅极，构成交叉耦合结构。
3.根据权利要求1所述的一种低功耗大带宽高分辨率低相位噪声数控振荡器，其特征在于，所述三级电容调谐电路，包括粗调、中等调谐、细调电容阵列，粗调、中等调谐电容阵列并联在补偿NMOS管和PMOS管的漏极，细调电容阵列并连在两个NMOS管源极之间，偏置电阻R1和R2串联在NMOS管源极，粗调、中调和细调控制字分别接在粗调、中调、细调电容阵列控制端。
4.根据权利要求1所述的一种低功耗大带宽高分辨率低相位噪声数控振荡器，其特征在于，所述三级电容调谐电路中的粗调电容为开关电容电路。
5.根据权利要求1所述的一种低功耗大带宽高分辨率低相位噪声数控振荡器，其特征在于，所述三级电容调谐电路中的中等调谐电容为变容二极管电容电路。
6.根据权利要求1所述的一种低功耗大带宽高分辨率低相位噪声数控振荡器，其特征在于，所述三级电容调谐电路中的细调调谐电容为MOS管电容，将两个MOS管的源极漏极和栅极连接在一起，在栅极加高低电压，在源极和栅极之间会感应出高低电容，实现更小的电容变化。
7.根据权利要求1所述的一种低功耗大带宽高分辨率低相位噪声数控振荡器，其特征在于，用四组开关电容按等比分布的方式构成粗调电容阵列，用五组变容二极管电容和一组MOS电容构成中调电容阵列，用四组变容二极管电容电路和两组MOS电容构成细调电容阵列。
8.根据权利要求1所述的一种低功耗大带宽高分辨率低相位噪声数控振荡器，其特征在于，电容电感滤波电路，具体包括：连接在偏置电阻R1和R2的共模点与地之间的地端滤波电容、电感，以及接在电源和两个PMOS管的源极之间的源端滤波电容和电感，分别连在两个NMOS管的源极与地端的滤波电容。
9.根据权利要求1所述的一种低功耗大带宽高分辨率低相位噪声数控振荡器，其特征在于，容性退化电路，通过将连接在源极的电容阵列按比例折算到漏极实现更小的电容变化量，进一步提高了分辨率，所述容性退化电路是通过将源极电容按一定比例折算到漏极，来实现更小的电容变化，来达到更高的分辨率。
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