CN113114168B - 基于改进体偏置技术的差分colpitts FBAR振荡器电路及方法 - Google Patents

基于改进体偏置技术的差分colpitts FBAR振荡器电路及方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于改进体偏置技术的差分colpitts FBAR振荡器电路，包括依次连接的电源电压端口、改进体偏置的核心振荡电路单元和差分输出端口；所述电源电压端口用于提供电源电压；所述改进体偏置的核心振荡电路单元，提供负阻用于补偿谐振回路的能量损耗维持振荡;所述差分输出端口用于输出正弦信号。本发明实现在较低的电源电压下也可以实现较大的摆幅，满足了低功耗下也能启动稳定，且整体电路可集成度高，此外，通过差分colpitts结构增加了环路增益，降低了传统colpitts结构的起振要求。

Description

基于改进体偏置技术的差分colpitts FBAR振荡器电路及 方法
技术领域
本发明涉及振荡器设计领域，具体涉及一种基于改进体偏置技术的差分colpittsFBAR振荡器电路及方法。
背景技术
随着物联网的发展，带动了许多新兴产业，例如消费产业，其中的便携设备对于功耗的要求极高。遗憾的是，对于传统的colpitts振荡器，由于其单端特性和高启动电流要求，因此为了满足稳定性从而需要很大的功耗，因此很少用于集成电路中。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于改进体偏置技术的差分colpittsFBAR振荡器电路及方法，实现在较低的电源电压下也可以实现较大的摆幅，满足了低功耗下也能启动稳定，且整体电路可集成度高，此外，通过差分colpitts结构增加了环路增益，降低了传统colpitts结构的起振要求。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于改进体偏置技术的差分colpitts FBAR振荡器电路，包括依次连接的电源电压端口、改进体偏置的核心振荡电路单元和差分输出端口；所述电源电压端口用于提供电源电压；所述改进体偏置的核心振荡电路单元，提供负阻用于补偿谐振回路的能量损耗维持振荡；所述差分输出端口用于输出正弦信号。
进一步的，所述输出正弦信号包括输出两个频率为1.93GHz且相位差为180°的正弦信号。
进一步的，所述改进体偏置的核心振荡电路单元采用改进的C类振荡器拓扑结构，并引入一个额外的RC滤波网络，通过偏置电压端口为NMOS对的栅极提供一个直流偏置电压。
进一步的，所述改进体偏置的核心振荡电路单元具体包括MOS管NM1、NM2、NM3、NM4，反馈电容C1、C2、C3、C4，FBAR谐振器以及电阻R1、R2、R3、R4；所述电阻R3的正端、电阻R4的正端、NM1的漏极、NM2的漏极均与电源电压VDD连接；所述NM1、NM4的栅极、反馈电容C1的正端、R4的负端均与FBAR谐振器的一端连接；所述NM2、NM3的栅极、反馈电容C2的正端和R4的负端均与FBAR谐振器的另一端连接；所述反馈电容C1负端和反馈电容C3的正端连接；所述反馈电容C2负端和反馈电容C4的正端连接；所述反馈电容C3的负端、反馈电容C4的负端、NM3的源极、NM4的源极均连接至GND；所述NM1、NM2的源极分别与NM3、NM4的漏极连接；所述NM1、NM3的衬底端分别与R1的两端连接，且R1的正端还与NM1的漏端连接；所述NM2、NM4的衬底端分别于R2的两端连接，且R2的正端还与NM2的漏端连接。
进一步的，所述电源电压端口包括电源端口、偏置电压端口，用于提供0.5V的电源电压，振荡器频率为1.93GHz。
一种基于改进体偏置技术的差分colpitts FBAR振荡器电路的控制方法，包括以下步骤：
通过选择R2的阻值大小产生工作在截止区的PN结压降；
PN结形成了回路中的分压二极管，由于PN结两端电压小于开启电压因而只工作在截止区，PN结IV特征方程如下式所示：
上式中η为理想系数，VT为热电压，IS为反偏漏电流，VPN为PN结电压；
在截止区域(0<VPN<Vcut-in)时，由于通过PN结的电流非常小，从而形成了超低功耗的自偏置回路
从自偏置回路的电压方程出发，得到：
上式中η为理想系数，VT为热电压，VBS4为NM4管的体源端电压，I2为流过超低功率自偏置回路的电流，IS4表示NM4管体源PN结的反相偏置漏电流。
上式中VDB2为NM2管的漏体端电压，VBS4为NM4管的体源电压。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
本发明通过改进体偏置技术，即使在较低的电源电压下也可以实现较大的摆幅，满足了低功耗下也能启动稳定，且整体电路可集成度高，此外，通过差分colpitts结构增加了环路增益，降低了传统colpitts结构的起振要求。
附图说明
图1是本发明电路模块示意图；
图2是本发明一实施例中改进体偏置技术和传统体偏置实现方式图；
图3是本发明一实施例中电路连接示意图；
图4是本发明基于改进体偏置技术的NMOS对小信号模型。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。
请参照图1，本发明提供一种基于改进体偏置技术的差分Colpitts FBAR振荡器电路，包括依次连接的电源电压端口、改进体偏置的核心振荡电路单元和差分输出端口；所述电源电压端口用于提供电源电压；所述改进体偏置的核心振荡电路单元，提供负阻用于补偿谐振回路的能量损耗维持振荡；所述差分输出端口用于输出正弦信号。
优选的，在本实施例中，输出正弦信号包括输出两个频率为1.93GHz且相位差为180°的正弦信号。
优选的，在本实施例中，改进体偏置的核心振荡电路单元采用改进的C类振荡器拓扑结构，并引入一个额外的RC滤波网络，通过偏置电压端口为NMOS对的栅极提供一个直流偏置电压。
参考图3，改进体偏置的核心振荡电路单元具体包括MOS管NM1、NM2、NM3、NM4，反馈电容C1、C2、C3、C4，FBAR谐振器以及电阻R1、R2、R3、R4；所述电阻R3的正端、电阻R4的正端、NM1的漏极、NM2的漏极均与电源电压VDD连接；所述NM1、NM4的栅极、反馈电容C1的正端、R4的负端均与FBAR谐振器的一端连接；所述NM2、NM3的栅极、反馈电容C2的正端和R4的负端均与FBAR谐振器的另一端连接；所述反馈电容C1负端和反馈电容C3的正端连接；所述反馈电容C2负端和反馈电容C4的正端连接；所述反馈电容C3的负端、反馈电容C4的负端、NM3的源极、NM4的源极均连接至GND；所述NM1、NM2的源极分别与NM3、NM4的漏极连接；所述NM1、NM3的衬底端分别与R1的两端连接，且R1的正端还与NM1的漏端连接；所述NM2、NM4的衬底端分别于R2的两端连接，且R2的正端还与NM2的漏端连接。
优选的，电源电压端口包括电源端口、偏置电压端口，用于提供0.5V的电源电压，振荡器频率为1.93GHz。
本实施例中，如图4所示，为了提供两个晶体管的体源端PN结电压，在它们的体端之间使用电阻连接，形成一个正向偏置分压回路，通过适当的选择R2的阻值大小产生工作在截止区的PN结压降，从而实现超低功率自偏置回路。
PN结形成了回路中的分压二极管，由于PN结两端电压小于开启电压因而只工作在截止区，PN结IV特征方程如下式所示：
上式中η为理想系数，VT为热电压，IS为反偏漏电流，VPN为PN结电压；
在截止区域(0<VPN<Vcut-in)时，由于通过PN结的电流非常小，从而形成了超低功耗的自偏置回路
从自偏置回路的电压方程出发，得到：
上式中η为理想系数，VT为热电压，VBS4为NM4管的体源端电压，I2为流过超低功率自偏置回路的电流，IS4表示NM4管体源PN结的反相偏置漏电流。
上式中VDB2为NM2管的漏体端电压，VBS4为NM4管的体源电压。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (2)

1.一种基于改进体偏置技术的差分Colpitts FBAR振荡器电路，其特征在于，包括依次连接的电源电压端口、改进体偏置的核心振荡电路单元和差分输出端口；所述电源电压端口用于提供电源电压；所述改进体偏置的核心振荡电路单元，提供负阻用于补偿谐振回路的能量损耗维持振荡；所述差分输出端口用于输出正弦信号；
所述输出正弦信号包括输出两个频率为1.93GHz且相位差为180°的正弦信号；
所述改进体偏置的核心振荡电路单元采用改进的C类振荡器拓扑结构，并引入一个额外的RC滤波网络，通过偏置电压端口为NMOS对的栅极提供一个直流偏置电压；
所述改进体偏置的核心振荡电路单元具体包括MOS管NM1、NM2、NM3、NM4，反馈电容C1、C2、C3、C4，FBAR谐振器以及电阻R1、R2、R3、R4；所述电阻R3的正端、电阻R4的正端、NM1的漏极、NM2的漏极均与电源电压VDD连接；所述NM1、NM4的栅极、反馈电容C1的正端、R4的负端均与FBAR谐振器的一端连接；所述NM2、NM3的栅极、反馈电容C2的正端和R3的负端均与FBAR谐振器的另一端连接；所述反馈电容C1负端和反馈电容C3的正端连接；所述反馈电容C2负端和反馈电容C4的正端连接；所述反馈电容C3的负端、反馈电容C4的负端、NM3的源极、NM4的源极均连接至GND；所述NM1、NM2的源极分别与NM3、NM4的漏极连接；所述NM1、NM3的衬底端分别与R1的两端连接，且R1的正端还与NM1的漏端连接；所述NM2、NM4的衬底端分别于R2的两端连接，且R2的正端还与NM2的漏端连接；所述电源电压端口包括电源端口、偏置电压端口，用于提供0.5V的电源电压，振荡器频率为1.93GHz。
2.一种基于改进体偏置技术的差分Colpitts FBAR振荡器电路的控制方法，其特征在于采用了上述权利要求1所述的基于改进体偏置技术的差分Colpitts FBAR振荡器电路，包括以下步骤：
为了提供第一晶体管NM2、第二晶体管NM4的体源端PN结电压，在它们的体端之间使用电阻R2连接，形成一个正向偏置分压回路；通过选择R2的阻值大小产生工作在截止区的PN结压降；
PN结形成了回路中的分压二极管，由于PN结两端电压小于开启电压因而只工作在截止区，PN结IV特征方程如下式所示：
上式中η为理想系数，VT为热电压，IS为反偏漏电流，VPN为PN结电压；
在截止区域(0<VPN<Vcut-in)时，由于通过PN结的电流非常小，从而形成了超低功耗的自偏置回路；
从自偏置回路的电压方程出发，得到：
上式中η为理想系数，VT为热电压，VBS4为NM4管的体源端电压，I2为流过超低功率自偏置回路的电流，IS4表示NM4管体源PN结的反相偏置漏电流；
上式中VDB2为NM2管的漏体端电压，VBS4为NM4管的体源端电压。
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