CN112968670B - 一种小型化离散耦合多核振荡器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种小型化离散耦合多核振荡器，主要解决现有技术难以实现多核集成、难以引入波形倍增，波形整形等振荡器等高性能技术且芯片尺寸较大的问题。该多核振荡器由多个LC振荡器耦合相连而成，所述LC振荡器由电感L、电容C以及有源管构成；每个电感连接的两个有源负阻之间间隔着一个有源负阻。每个电感可视为两段，一段与前一个电感相耦合，一段与后一个电感相耦合。并且该离散耦合多核振荡器不局限于2级，可任意扩展为m级n核离散耦合振荡器(m<n)，离散耦合级数越高，芯片尺寸越小。通过上述设计，本发明可以使得振荡器相同芯片尺寸下，实现的电感值大大增加，换言之，对于特定频率要求，芯片尺寸能极大降低。因此，适宜推广应用。

Description

一种小型化离散耦合多核振荡器
技术领域
本发明涉及一种振荡器，具体地说，是涉及一种小型化离散耦合多核振荡器。
背景技术
LC振荡器是芯片上常用的振荡器形式，用来实现的高频信号的产生。如图1所示，LC振荡器由电感L、电容C以及有源管(MOS管或者三极管)构成。电感电容构成LC谐振器，其谐振频率为f0＝1/[2π(LC)1/2]。有源管提供负阻，通过消耗功耗抵消谐振器的损耗，从而使振荡器在频率f0处持续振荡，实现信号输出。
为支持现代无线通信系统、雷达系统的高频谱纯净度的要求，需要振荡器的相位噪声非常低。而对于单核振荡器，其相位噪声性能通常有限，因此在对相位噪声要求高的应用中，多核振荡器往往被采用以实现更优的相位噪声性能。
如图2所示为现有技术中的一种电阻耦合多核振荡器，其通过电阻将多个LC振荡器耦合在一起，多个LC振荡器同时工作，可实现相位噪声抑制。理想情况下N核耦合可实现10logN dB的相位噪声抑制(双核对应3dB，四核对应6dB)。但是这种振荡器需要额外的耦合电路以及片上互联，且该振荡器占用芯片面积较大，芯片版图布局受限，难以实现四核以上多核集成。
如图3所示为现有技术中的环形多核振荡器，其通过将LC谐振器整合在一起，可以缩小芯片尺寸。图4为环形多核振荡器展开形式，该振荡器较易实现多核扩展。相邻的有源负阻器件由电感级联在一起，为了使振荡器共同工作在差分状态(即每个电感中电流方向相同)，电感的中心抽头上需要级联电阻，用于抑制不需要的电流流向，如图5所示。该方案中由于电感中心抽头上级联电阻，难以利用中心抽头给振荡器供电，因此该结构仅适用于互补CMOS形有源电路。结构简单，难以引入波形倍增，波形整形等振荡器等高性能技术，该方案芯片尺寸仍然较大。
发明内容
本发明的目的在于提供一种小型化离散耦合多核振荡器，主要解决现有技术难以实现多核集成、难以引入波形倍增，波形整形等振荡器等高性能技术且芯片尺寸较大的问题。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种小型化离散耦合多核振荡器，由多个LC振荡器耦合相连而成，所述LC振荡器由电感L、电容C以及有源管构成；所有所述LC振荡器的电感L离散耦合并且首尾相连，每个所述LC振荡器中电感L由m段线圈绕接而成，具有(m-1)个电感中心抽头，每个电感的第一段与下一个电感的第二段相耦合，下一个电感的第二段再与下下一个电感的第三段相耦合，直到最后一个电感的第m段与上一个电感的第(m-1)相耦合，其中，每个电感L连接的两个有源管之间间隔着(m-1)个有源管；m为大于1的整数，且m的数值小于LC振荡器的数量。
进一步地，所述有源管由交叉耦合的NMOS或交叉耦合的PMOS或交叉耦合的CMOS或交叉耦合的三极管构成。
进一步地，所述电容C由固定电容或可调电容或开关电容或三者任意个数组合构成。
进一步地，所述离散耦合的电感中还嵌套有电感。
进一步地，所述有源管为多端口有源电路。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明的离散耦合振荡器可实现小型化多核振荡器集成，适用于CMOS，NMOS，PMOS等多种形式。同时由于耦合关系，电感之间的电流能保持相同方向，因此不需要在电感中心抽头处增加电阻以维持电流方向，且多级离散耦合的电感布局，使得相同芯片尺寸下，可实现的电感值大大增加，换言之，对于特定频率要求，芯片尺寸能极大降低。
(2)本发明可任意扩展为m级n核离散耦合振荡器(m<n)，离散耦合级数越高，芯片尺寸越小。并且通过引入嵌入型电感与多端口有源电路，实现电压信号倍增与电压波形整形，从而同时实现低相位噪声与高能效。
附图说明
图1为现有技术的LC振荡器的结构示意图。
图2为现有技术的一种电阻耦合多核振荡器的结构示意图。
图3为现有技术的一种环形多核振荡器的结构示意图。
图4为现有技术的环形多核振荡器展开形式。
图5为现有技术的环形多核振荡器标注电流方向的展开形式。
图6为本发明-实施例1中的2级离散耦合多核振荡器展开示意图。
图7为本发明-实施例1中的有源管结构示意图。
图8为本发明-实施例2中的3级离散耦合多核振荡器展开示意图。
图9为本发明-实施例3中的双端口有源器件离散耦合多核振荡器的展开示意图。
图10为本发明-实施例3中的双端口有源器件的结构示意图。
图11为本发明-实施例4中三端口离散耦合电感形式。
图12为本发明-实施例4中的三端口离散耦合多核振荡器的展开示意图。
图13为本发明-实施例4中的栅极电压倍增与源漏级波形整形示意图。
具体实施方式
下面结合附图说明和实施例对本发明作进一步说明，本发明的方式包括但不仅限于以下实施例。
实施例1
本发明公开的一种小型化离散耦合多核振荡器，由多个LC振荡器耦合相连而成，所述LC振荡器由电感L、电容C以及有源管构成；所有所述LC振荡器的电感L离散耦合并且首尾相连。与环形多核振荡器不同的是，离散耦合振荡器中每一个电感连接着不相邻的有源器件，并且电感之间互相耦合。
图6展示了2级离散耦合多核振荡器展开示意图，每个电感连接的两个有源负阻之间间隔着一个有源负阻。每个电感可视为两段，一段与前一个电感相耦合，一段与后一个电感相耦合。多核振荡器中的所有电感都被“离散耦合”在一起。由于耦合关系，电感之间的电流能保持相同方向，因此不需要在电感中心抽头处增加电阻以维持电流方向。由于多级离散耦合的电感布局，相同芯片尺寸下，可实现的电感值大大增加，换言之，对于特定频率要求，芯片尺寸能极大降低。
在本实施例中，为每个振荡器核中提供负阻-Gm的有源管由交叉耦合的NMOS或交叉耦合的PMOS或交叉耦合的CMOS或交叉耦合的三极管构成。如图7所示。在振荡器电源和接地的地方可串联电流源实现对振荡器电流以及功耗的控制。
在本实施例中，所述电容C由固定电容或可调电容或开关电容或三者任意个数组合构成。
实施例2
如图8展示了3级离散耦合多核振荡器展开示意图。每个电感连接的两个有源负阻之间间隔着两个有源负阻，每个电感可视为三段，电感之间互相耦合。同样地，在本实施例中，为每个振荡器核中提供负阻-Gm的有源管由如图7所示的交叉耦合的NMOS或交叉耦合的PMOS或交叉耦合的CMOS或交叉耦合的三极管构成。在振荡器电源和接地的地方可串联电流源实现对振荡器电流以及功耗的控制。并且，所述电容C由固定电容或可调电容或开关电容或三者任意个数组合构成。
实施例3
在本实施例中，离散耦合的电感中嵌套电感可将振荡器扩展为支持双端口有源电路，可实现电压倍增与波形整形效果，如图9所示。双端口有源电路同样可由CMOS，NMOS，PMOS或三极管等方式实现如图10所示。
实施例4
在本实施例中，离散耦合多核振荡器还支持多端口有源电路。图11展示了三端口耦合电感形式。图12为完整电路，图中将栅极/源极的嵌套电感展开以展示电路连接关系。栅极电感(Lg)、漏极电感(Ld)、源极电感(Ls)的中心抽头分别连接栅极偏压、源极供电以及漏极尾电流源。图13为栅极电压倍增与源漏级波形整形示意图。
对于振荡器的性能，其工作频率、功耗、相位噪声、频率覆盖范围几个性能指标之间存在折中关系，因此FoM为综合考虑振荡器工作频率、功耗、相位噪声的振荡器品质因素，能同时表现振荡器的相位噪声性能与能效性能。FoMT为综合考虑振荡器工作频率、功耗、相位噪声、频率覆盖范围的振荡器品质因素，FoM和FoMT的值越高，振荡器综合性能越优秀，其表达式为：
FoM＝20log(f0/Δf)–PN–10log(PDC/1mW)
FoMT＝20log(f0/Δf·FTR/10)–PN–10log(PDC/1mW)；
如表1所示，表中将实施例4中振荡器性能与近几年发表的振荡器性能作对比。可见本发明同时实现低相位噪声，高FoM与FoMT。并且芯片尺寸远小于其他多核振荡器，因此在制造成本上具有优势。
表1振荡器性能对比
Figure BDA0002926381360000051
通过上述设计，本发明的离散耦合振荡器可实现小型化多核振荡器集成，适用于CMOS，NMOS，PMOS等多种形式。同时由于耦合关系，电感之间的电流能保持相同方向，因此不需要在电感中心抽头处增加电阻以维持电流方向，且多级离散耦合的电感布局，使得相同芯片尺寸下，可实现的电感值大大增加，换言之，对于特定频率要求，芯片尺寸能极大降低。因此，与现有技术相比，本发明具有突出的实质性特点和显著的进步。
上述实施例仅为本发明的优选实施方式之一，不应当用于限制本发明的保护范围，但凡在本发明的主体设计思想和精神上作出的毫无实质意义的改动或润色，其所解决的技术问题仍然与本发明一致的，均应当包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种小型化离散耦合多核振荡器，由多个LC振荡器耦合相连而成，所述LC振荡器由电感L、电容C以及有源管构成；其特征在于，所有所述LC振荡器的电感L离散耦合并且首尾相连，每个所述LC振荡器中电感L由m段线圈绕接而成，具有(m-1)个电感中心抽头，每个电感的第一段与下一个电感的第二段相耦合，下一个电感的第二段再与下下一个电感的第三段相耦合，直到最后一个电感的第m段与上一个电感的第(m-1)相耦合，其中，每个电感L连接的两个有源管之间间隔着(m-1)个有源管；m为大于1的整数，且m的数值小于LC振荡器的数量；
所述有源管由交叉耦合的NMOS或交叉耦合的PMOS或交叉耦合的CMOS或交叉耦合的三极管构成；
当有源管为交叉耦合的NMOS或交叉耦合的PMOS或交叉耦合的CMOS时，所述有源管的输入、输出端为对应的交叉耦合的NMOS或交叉耦合的PMOS或交叉耦合的CMOS中的MOS管的漏极，所述电容C两端对应连接于有源管的输入、输出端；
当有源管为交叉耦合的三极管时，所述有源管的输入、输出端为对应的交叉耦合的三极管的集电极，所述电容C两端对应连接于有源管的输入、输出端。
2.根据权利要求1所述的一种小型化离散耦合多核振荡器，其特征在于，所述电容C由固定电容或可调电容或开关电容或三者任意个数组合构成。
3.根据权利要求1所述的一种小型化离散耦合多核振荡器，其特征在于，所述离散耦合的电感中还嵌套有电感。
4.根据权利要求3所述的一种小型化离散耦合多核振荡器，其特征在于，所述有源管为多端口有源电路。
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