CN113098503B - 一种基于mems谐振器的低功耗高分辨率宽带可调振荡器 - Google Patents

一种基于mems谐振器的低功耗高分辨率宽带可调振荡器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于MEMS谐振器的低功耗高分辨率宽带可调振荡器，包括主体电路，调频电路A、调频电路B、调频电路C；主体电路包括负电阻电路以及谐振腔，其中谐振腔包括MEMS谐振器X1、电容C13、电容C14、片外电感L；负阻实现电路(1)和调频电路A、B、C；所述谐振器X1依次和电容C13、片外电感L、电容C14形成串联回路，所述片外电感L的两端分别通过电容C7和电容C8与MOS管M17、M18连接，形成调频电路A；所述调频电路B、调频电路C均位于整体谐振腔的两端。通过采用谐振器与片上电容与片外电感相互组合的方式以提高谐振腔的Q值，所以振荡器可以获得更好的相位噪声和更低的功耗，采用A、B、C三处调频以提高调频范围和分辨率。

Description

一种基于MEMS谐振器的低功耗高分辨率宽带可调振荡器
技术领域
本发明涉及振荡器技术领域，特别是涉及一种基于MEMS谐振器的低功耗高分辨率宽带可调振荡器。
背景技术
锁相环在射频无线通信，光纤通信，高速有线通信等领域中占有重要位置。而振荡器又是锁相环中不可或缺的部分，而相位噪声又是振荡器的一个重要指标，为获得好的相位噪声，可用片上电感搭配电路做成振荡器，但由于工艺限制，电感的难以提高使得振荡器相位噪声的改善受限。
而射频MEMS谐振器具有高的Q值，用其实现振荡器可以很大程度地降低相位噪声；但由于较低的机电耦合系数难以实现宽带调谐，传统的方法是采用有源电路实现负电容从而实现宽带调谐，但缺点是由于负电容的不理想恶化了谐振器的且电路的功耗过大。为此，提出一种基于MEMS谐振器的低功耗高分辨率宽带可调振荡器。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供一种基于MEMS谐振器的低功耗高分辨率宽带可调振荡器，通过采用谐振器与片上电容与片外电感相互组合的方式以提高谐振腔的Q值，可获得更好的相位噪声，同时降低电路功耗。
为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种基于MEMS谐振器的低功耗高分辨率宽带可调振荡器，包括主体电路，调频电路A、调频电路B、调频电路C；主体电路包括负电阻电路以及谐振腔，其中谐振腔包括MEMS谐振器X1、电容C13、电容C14、片外电感L；负阻实现电路(1)和调频电路A、B、C；所述谐振器X1依次和电容C13、片外电感L、电容C14形成串联回路，所述片外电感L的两端分别通过电容C7和电容C8与MOS管M17、M18连接,形成调频电路A；所述调频电路B、调频电路C均位于整体谐振腔的两端。
进一步的，当振荡器频率远离谐振器X1的谐振频率时，Q值逐渐减小且变化愈加平缓；趋近于电感的Q值，当振荡器频率逐渐向谐振器X1频率逼近时，Q值逐渐变大，趋近于谐振器的Q值。
进一步的，调频电路A用于宽带调频，为调粗；电容C9和C10变化时，调频电路C的端口等效电容成比例缩小，用于提高调频分辨率，为细调；调频电路B范围适中，用于连接粗调与细调，增加调频的线性度。
进一步的，相位噪声随谐振腔的Q值及调频电容Q值得影响，随着振荡频率的减小，相位噪声先增大后减小。
进一步的，所述调频电路B包括电容C3-C6和MOS管M13-M16；MOS管M13的漏极连接电容C3，MOS管M14的漏极连接电容C4，然后两者并联；MOS管M15的漏极连接电容C5，MOS管M16的漏极连接电容C6，然后两者并联。
进一步的，所述调频电路C同样位于整体谐振腔的两端，包括电容C9-C12和MOS管M9-M12以及电阻R1、R2；电容C11、C12交叉连接到MOS管M9、M10的栅极，M9、M10的栅极之间串联电阻R1、R2；可调电容C9的一端连接在MOS管M9的源极和M11的漏极之间；可调电容C10的一端连接在MOS管M10的源极和M12的漏极之间；可调电容C9的另一端和可调电容C10连接。
作为本发明的一种优选技术方案，所述片外电感L在2GHz频率处的Q值分别取60、70和80，当振荡频率增大时，Q值逐渐减小且变化愈加平缓；当振荡频率减小时，Q值逐渐变大。
端口XY的等效负阻实部约为其中，MOS管M3-M6的跨导相等且为gm；此负阻抵消谐振腔的损耗，使得电路振荡，单端摆幅约为/>其中，Iss为尾电流，Rp为谐振腔在振荡频率处的等效并联电阻。
与现有技术相比，本发明能达到的有益效果是：
1、本发明通过采用谐振器与片上电容与片外电感相互组合的方式以提高谐振腔的Q值，所以振荡器可以获得更好的相位噪声；
2、本发明通过使谐振腔的Q值更高，可降低功耗；
3、本发明通过改变不同位置的电容可以实现宽带调频，提高分辨率。
附图说明
图1为本发明一种基于MEMS谐振器的低功耗高分辨率宽带可调振荡器的完整电路结构图；
图2为本发明一种基于MEMS谐振器的低功耗高分辨率宽带可调振荡器的射频MEMS谐振器等效电路图；(a)为等效电路，(b)为电路参数；
图3为本发明一种基于MEMS谐振器的低功耗高分辨率宽带可调振荡器谐振器的导纳随频率变化示意图；
图4为本发明一种基于MEMS谐振器的低功耗高分辨率宽带可调振荡器不同调谐频率处谐振腔的Q值变化示意图；
图5为本发明一种基于MEMS谐振器的低功耗高分辨率宽带可调振荡器电容缩减变化示意图；
图6为本发明一种基于MEMS谐振器的低功耗高分辨率宽带可调振荡器的仿真相位噪声结果图；
图7为本发明一种基于MEMS谐振器的低功耗高分辨率宽带可调振荡器的调谐分辨率示意图；
图8为本发明一种基于MEMS谐振器的低功耗高分辨率宽带可调振荡器的电源电流波形图。
具体实施方式
下面将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、完整的描述，显然，所描述的实施例仅为本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在不付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。
如图1所示，一种基于MEMS谐振器的低功耗高分辨率宽带可调振荡器，包括主体电路(1)，三处调频电路A、B、C；主体电路包括负电阻电路以及谐振腔，其中谐振腔包括MEMS器件X1、电容C13、电容C14、片外电感L。图2中(a)为射频MEMS谐振器X1的等效电路图，(b)为具体参数值，此谐振器的导纳曲线如图3所示，其中S点处的频率fs＝2.25GHz,P点处频率fp＝2.35GHz。当片外电感L在2GHz频率处的Q值分别取60、70和80时，整个调频范围内谐振腔整体的Q值如图4所示，当调谐频率远离fs时，谐振腔整体的Q值逐渐减小，且变化愈加平缓；而当调谐频率逐渐向fs逼近时，谐振腔整体的Q值逐渐变大，可选取Q值大于60进行振荡器设计。
具体来说，片外电感L与电容C13和电容C14串联，然后再与X1并联。调频电路A位于电感L两端，包括电容C7、C8和MOS管M17、M18。调频电路B位于整体谐振腔的两端，包括电容C3-C6和MOS管M13-M16。调频C同样位于整体谐振腔的两端，由电容C9-C12和MOS管M9-M12以及电阻R1、R2构成。负阻电路由电容C1、C2和MOS管M1-M8构成。
如图1所示，端口XY的等效负阻实部约为其中，MOS管M3-M6的跨导相等且为gm；此负阻抵消谐振腔的损耗，使得电路振荡，单端摆幅约为/>其中，Iss为尾电流，Rp为谐振腔在振荡频率处的等效并联电阻。
如图1所示，MOS管M13-M18为开关，当开关M13-M18的栅极电压为低时，MOS管截止，等效电容为电容与晶体管的漏极电容CdB串联，由于CdB较小，导致等效电容很小；当开关M13-M18的栅极电压为高时，MOS管导通，等效电容即为所加电容C3-C8的值，MOS管导通也存在较大的电阻，会使电容的Q值恶化，通过增加MOS管的宽度以减小导通电阻，但会导致漏极电容CdB增大，寄生电容增大，因此，此处相位噪声与调谐范围存在折衷。通过可变电容构成的调频结构，其Q值较高但寄生电容较大，可用于连续调频。
图1中调频C的端口等效电导为：
其中gm为M9和M10的跨导，电容ω为角频率。
如图5所示，当500fF的电容缩减为1fF，缩减因子为500时，可显著提高振荡器的分辨率。
如图6所示，调频范围为2.62GHz-2.32GHz，其相位噪声的变化趋势为先增大后减小，其中，A处电路为粗调频，B、C处电路为精确调频，此电路可实现三支路调频，极大地提升了振荡器调频的精确性。
如图7所示，可知分辨率整体呈现提高的趋势，此特点是由谐振器本身的特性决定的，因为调谐频率总是大于谐振器的串联谐振频率。而分辨率曲线的波纹则是由于等效小电容的非线性引起的。
图8为振荡器的电源电流波形，其有效值约为580uA，电源电压为1.5V，则振器的总体功耗约为870uW，实现了低功耗的特点。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的仅为本发明的优选例，并不用来限制本发明，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (3)

1.一种基于MEMS谐振器的低功耗高分辨率宽带可调振荡器，其特征在于，包括主体电路，调频电路A、调频电路B、调频电路C；主体电路包括负电阻电路以及谐振腔，其中谐振腔包括MEMS谐振器X1、电容C13、电容C14、片外电感L；负阻实现电路（1）和调频电路A、B、C；所述谐振器X1依次和电容C13、片外电感L、电容C14形成串联回路，所述片外电感L的两端分别通过电容C7和电容C8与MOS管M17、M18连接,形成调频电路A;所述调频电路B、调频电路C均位于整体谐振腔的两端；
调频电路A用于宽带调频，为调粗；电容C9和C10变化时，调频电路C的端口等效电容成比例缩小，用于提高调频分辨率，为细调；调频电路B范围适中，用于连接粗调与细调，增加调频的线性度；
所述调频电路B包括电容C3-C6和MOS管M13-M16；MOS管M13的漏极连接电容C3，MOS管M14的漏极连接电容C4，然后两者并联；MOS管M15的漏极连接电容C5，MOS管M16的漏极连接电容C6，然后两者并联；
所述调频电路C同样位于整体谐振腔的两端，包括电容C9-C12和MOS管M9-M12以及电阻R1、R2；电容C11、C12交叉连接到MOS管M9、M10的栅极，M9、M10的栅极之间串联电阻R1、R2；可调电容C9的一端连接在MOS管M9的源极和M11的漏极之间；可调电容C10的一端连接在MOS管M10的源极和M12的漏极之间；可调电容C9的另一端和可调电容C10连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于MEMS谐振器的低功耗高分辨率宽带可调振荡器，其特征在于，当振荡器频率远离谐振器X1的谐振频率时，Q值逐渐减小且变化愈加平缓；趋近于电感的Q值，当振荡器频率逐渐向谐振器X1频率逼近时，Q值逐渐变大，趋近于谐振器的Q值。
3.根据权利要求1所述的一种基于MEMS谐振器的低功耗高分辨率宽带可调振荡器，其特征在于，相位噪声随谐振腔的Q值及调频电容Q值得影响，随着振荡频率的减小，相位噪声先增大后减小。
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Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103078591A (zh) * 2012-12-31 2013-05-01 东南大学 低功耗宽带压控振荡器
US9413341B1 (en) * 2013-12-23 2016-08-09 Microsemi Storage Solutions (U.S.), Inc. Electro-mechanical voltage-controlled oscillator and a method for generating tunable balanced oscillations
US9490746B1 (en) * 2015-08-27 2016-11-08 Maxlinear Asia Singapore PTE LTD Voltage-controlled oscillator and a method for tuning oscillations
CN106505948A (zh) * 2016-10-28 2017-03-15 中国科学技术大学 基于尾电容调谐结构的高调频分辨率数控振荡器
CN107221733A (zh) * 2017-06-06 2017-09-29 中国科学院声学研究所 一种hbar谐振器及可调谐微波振荡器
CN107331927A (zh) * 2017-06-30 2017-11-07 西安电子科技大学 一种小型化宽带电调腔体滤波器
CN111034039A (zh) * 2017-09-05 2020-04-17 京瓷帝基廷公司 频率基准振荡器设备和稳定频率基准信号的方法

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE10100113A1 (de) * 2001-01-03 2002-07-18 Infineon Technologies Ag Spannungsgesteuerter Oszillator zur Frequenzmodulation
JP5027472B2 (ja) * 2005-11-09 2012-09-19 ルネサスエレクトロニクス株式会社 発振器およびそれを用いた情報機器
US8692624B2 (en) * 2011-12-15 2014-04-08 Avago Technologies General Ip (Singapore) Pte. Ltd. Tuning of MEMS oscillator
EP2831966A4 (en) * 2012-03-27 2016-01-27 Oewaves Inc TUNABLE OPTOELECTRONIC OSCILLATOR WITH OPTICAL RESONATOR FILTER FOR OPERATION IN A SIDE BAND WITH SELECTED MODULATION
US10355695B2 (en) * 2015-12-08 2019-07-16 King Abdullah University Of Science And Technology Reprogrammable universal logic device based on MEMS technology

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103078591A (zh) * 2012-12-31 2013-05-01 东南大学 低功耗宽带压控振荡器
US9413341B1 (en) * 2013-12-23 2016-08-09 Microsemi Storage Solutions (U.S.), Inc. Electro-mechanical voltage-controlled oscillator and a method for generating tunable balanced oscillations
US9490746B1 (en) * 2015-08-27 2016-11-08 Maxlinear Asia Singapore PTE LTD Voltage-controlled oscillator and a method for tuning oscillations
CN106505948A (zh) * 2016-10-28 2017-03-15 中国科学技术大学 基于尾电容调谐结构的高调频分辨率数控振荡器
CN107221733A (zh) * 2017-06-06 2017-09-29 中国科学院声学研究所 一种hbar谐振器及可调谐微波振荡器
CN107331927A (zh) * 2017-06-30 2017-11-07 西安电子科技大学 一种小型化宽带电调腔体滤波器
CN111034039A (zh) * 2017-09-05 2020-04-17 京瓷帝基廷公司 频率基准振荡器设备和稳定频率基准信号的方法

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
"Advanced Hybrid Packaged Piezoelectric Actuated MEMS-Based Tunable Voltage Controlled Oscillator";M. Al-Ahmad等;《2007 European Microwave Conference》;第118-121页 *
"MEMS振荡器技术及其应用研究";罗亚军;《中国优秀硕士学位论文全文数据库•信息科技辑》;第2018年卷(第3期);第1-81页 *

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