CN113162550A - 一种基于tsv变容管的压控振荡器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于TSV变容管的压控振荡器，包括可变电感M1，PMOS1源极S1、衬底B1、PMOS2源极S2和衬底B2相连形成电源接入端，PMOS1漏极D1与PMOS2栅极G2、M1输入端Min1、C1输出端Cout1、MOS3漏极D3和MOS4栅极G4相连，PMOS2漏极D2与PMOS1栅极G1、M1输出端Mout1、C2输出端Cout2、MOS4漏极D4和MOS3栅极G3相连，MOS3源极S3、衬底B3、MOS4源极S4和衬底B4为接地端，C1输入端Cin1和C2输入端Cin2相连组成电容控制电源接入端，MOS5栅极G5、衬底B5分别为电感控制电源接入端和接地端。

Description

一种基于TSV变容管的压控振荡器
技术领域
本发明属于三维集成电路技术领域，涉及一种基于TSV变容管的压控振荡器。
背景技术
压控振荡器(VCO)是锁相环中的关键部分，可通过控制电压对输出振荡频率进行调节，压控振荡器在射频电路中具有重要的地位，特别是在锁相环电路、时钟恢复电路和频率综合器电路中更是重中之重。
随着微电子技术的发展，微电子器件的尺寸按照摩尔定律持续减小，集成电路的集成度也逐渐增大，但是晶体管的特征尺寸逐渐达到物理极限，使集成电路的设计、可靠性都受到严重影响。
目前的压控振荡器均是基于CMOS技术，相位噪声高，占用芯片面积大，能耗高，已难以满足高集成度电路的要求。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于TSV变容管的压控振荡器，解决了现有压控振荡器高相位噪声和高能耗的问题。
本发明所采用的技术方案是，一种基于TSV变容管的压控振荡器，包括基于TSV的惠斯通桥式可变电感M1，两个TSV变容管，分别为C1、C2，两个晶体管，分别为PMOS1、PMOS2，以及两个TSV垂直开关，分别为MOS3、MOS4，基于TSV的惠斯通桥式可变电感M1由六个单根TSV电感和一个TSV垂直开关MOS5连接组成，PMOS1的源极S1、衬底B1以及PMOS2的源极S2和衬底B2相连形成电源VDD接入端，PMOS1的漏极D1与PMOS2的栅极G2、基于TSV的惠斯通桥式可变电感M1的输入端Min1、C1的输出端Cout1、MOS3的漏极D3和MOS4的栅极G4相连，PMOS2的漏极D2与PMOS1的栅极G1、基于TSV的惠斯通桥式可变电感M1的输出端Mout1、C2的输出端Cout2、MOS4的漏极D4和MOS3的栅极G3相连，MOS3的源极S3、衬底B3以及MOS4的源极S4、衬底B4均为接地端GND，C1的输入端Cin1和C2的输入端Cin2相连组成电容控制电源Vctr2接入端，TSV垂直开关MOS5的栅极G5、衬底B5分别为电感控制电源Vctr1接入端和接地端GND。
本发明的技术特征还在于，
C1包括P型硅衬底，P型硅衬底中设置有竖直的TSV铜柱，TSV铜柱外侧设置有SiO2介质层，P型硅衬底上下两端的SiO2介质层外均设置有p型掺杂区，p型掺杂区外侧面上设置有金属层，上、下两个金属层上分别引出有源极S和漏极D，源极S和漏极D相连接形成C1的输出端Cout1，TSV铜柱顶端端部引出有栅极G，栅极G为C1的输入端Cin1。
C2与C1的结构相同。
基于TSV的惠斯通桥式TSV可变电感M1中六个单根TSV电感分别为L1、L2、L3、L4、L5、L6，六个TSV电感各有两个端口，L1的端口a1与L2的端口a2相连，L1的端口b1与L3的端口b3相连，TSV垂直开关MOS5的源极S5分别与L2的端口b2和L4的端口b4相连，TSV垂直开关MOS5的漏极D5分别与L3的端口a3和L5的端口a5相连，L4的端口a4与L6的端口a6相连，L6的端口b6与L5的端口b5相连，TSV可变电感M1的输入端Min1与L1的端口a1相连，TSV可变电感M1的输出端Mout1与L6的端口b6相连。
PMOS1和PMOS2均为平面P型MOSFET晶体管。
MOS3和MOS4为N型MOSFET，N型MOSFET包括P型硅衬底，P型硅衬底中设置有TSV铜柱，TSV铜柱顶端端部引出有MOSFET的栅极G，TSV铜柱外侧设置有SiO2介质层，P型硅衬底上下两端的SiO2介质层外侧设置有n型掺杂区，n型掺杂区上设置有金属层，P型硅衬底上下两端的金属层上分别引出有MOSFET的源极S和漏极D。
TSV垂直开关MOS5为N型MOSFET。
本发明的有益效果是，采用基于TSV垂直开关的可变电感，通过调节电感控制电源Vctr1来控制TSV垂直开关的导通及关断，进而调节基于TSV的惠斯通桥式可变电感M1的总电感值，配合TSV变容管实现对压控振荡器的频率调节；变容管C1、C2均为TSV变容管，MOS3、MOS4和TSV垂直开关MOS5均采用了TSV三维结构，减小了芯片面积及成本，提高了芯片集成度，损耗低；本发明压控振荡器相比于传统压控振荡器具有面积小、调谐范围大和相位噪声低等优点。
附图说明
图1是本发明基于TSV变容管的压控振荡器的电路示意图；
图2是本发明基于TSV变容管的压控振荡器中TSV变容管C1的结构示意图；
图3是本发明基于TSV变容管的压控振荡器中TSV变容管C1的俯视图；
图4是本发明基于TSV变容管的压控振荡器中TSV可变电感M1的结构示意图；
图5是本发明基于TSV变容管的压控振荡器中TSV可变电感M1的电路示意图。
图中，1.TSV铜柱，2.SiO2介质层，3.金属层，5.P型硅衬底，6.二氧化硅层，7.p型掺杂区。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明一种基于TSV变容管的压控振荡器，参照图1，包括基于TSV的惠斯通桥式的可变电感M1，两个TSV变容管，分别为C1、C2，两个晶体管，分别为PMOS1、PMOS2，以及两个TSV垂直开关，分别为MOS3、MOS4，基于TSV的惠斯通桥式可变电感M1由六个单根TSV电感和一个TSV垂直开关MOS5连接组成，PMOS1的源极S1、衬底B1以及PMOS2的源极S2和衬底B2相连形成电源VDD接入端，PMOS1的漏极D1与PMOS2的栅极G2、基于TSV的惠斯通桥式可变电感M1的输入端Min1、C1的输出端Cout1、MOS3的漏极D3和MOS4的栅极G4相连，PMOS2的漏极D2与PMOS1的栅极G1、基于TSV的惠斯通桥式可变电感M1的输出端Mout1、C2的输出端Cout2、MOS4的漏极D4和MOS3的栅极G3相连，MOS3的源极S3、衬底B3以及MOS4的源极S4、衬底B4均为接地端GND，C1的输入端Cin1和C2的输入端Cin2相连组成电容控制电源Vctr2接入端，TSV垂直开关MOS5的栅极G5、衬底B5分别为电感控制电源Vctr1接入端和接地端GND。
参照图2和图3，TSV变容管C1包括P型硅衬底5，P型硅衬底5中设置有竖直的TSV铜柱1，TSV铜柱1外侧设置有SiO2介质层2，P型硅衬底上下两端的SiO2介质层2外侧均设置有p型掺杂区7，p型掺杂区7外侧面上设置有金属层3，除金属层3以外的TSV变容管C1上下端面上均覆盖有二氧化硅层6，上、下两个金属层3上分别引出有源极S和漏极D，源极S和漏极D相连接形成C1的输出端Cout1，TSV铜柱顶端端部引出有栅极G，栅极G为C1的输入端Cin1。TSV变容管C2与TSV变容管C1的结构相同。
PMOS1和PMOS2均为平面P型MOSFET晶体管。
MOS3和MOS4为N型MOSFET，N型MOSFET包括P型硅衬底，P型硅衬底中设置有TSV铜柱，TSV铜柱顶端端部引出有MOSFET的栅极G，TSV铜柱外侧设置有SiO2介质层，P型硅衬底上下两端的SiO2介质层外侧设置有n型掺杂区，n型掺杂区上设置有金属层，金属层以外的N型MOSFET上下端面上均覆盖有二氧化硅层，P型硅衬底上下两端的金属层上分别引出有MOSFET的源极S和漏极D。TSV垂直开关MOS5也为N型MOSFET，与MOS3结构相同。
参照图4和图5，基于TSV的惠斯通桥式可变电感M1中六个单根TSV电感分别为L1、L2、L3、L4、L5、L6，L1的端口a1与L2的端口a2相连，L1的端口b1与L3的端口b3相连，TSV垂直开关MOS5的源极S5分别与L2的端口b2和L4的端口b4相连，TSV垂直开关MOS5的漏极D5分别与L3的端口a3和L5的端口a5相连，L4的端口a4与L6的端口a6相连，L6的端口b6与L5的端口b5相连，基于TSV的惠斯通桥式可变电感M1的输入端Min1与L1的端口a1相连，基于TSV的惠斯通桥式可变电感M1的输出端Mout1与L6的端口b6相连。
使用本发明压控振荡器时，将电源VDD接入端与电源连接，将接地端GND接地，将电容控制电源Vctr2接入端与电容控制电源连接，将电感控制电源Vctr1接入端电感控制电源连接。
基于TSV的惠斯通桥式可变电感M1的总电感分为以下两种：
(1)当电感控制电源Vctr1小于TSV垂直开关MOS5的阈值电压时，TSV垂直开关MOS5断开，基于TSV的惠斯通桥式可变电感M1的总电感值Ltot1为：
Ltot1＝[(L0-ΔL)+(L0+ΔL)]||[(L0+ΔL)+(L0-ΔL)]＝L0
即基于TSV的惠斯通桥式可变电感M1的输入端Min1到输出端Mout1的等效电感值为L0。
上式中(L0-△L)等效为TSV电感L2，L5的电感，(L0+△L)等效为TSV电感L4与L6，L1与L3的串联电感。
(2)当电感控制电源Vctr1大于TSV垂直开关MOS5的阈值电压时，TSV垂直开关MOS5导通，基于TSV的惠斯通桥式可变电感M1的总电感值Ltot2为：
Figure BDA0002967806740000061
本发明压控振荡器采用基于TSV垂直开关的惠斯通电桥电感器，通过TSV垂直开关MOS5的导通/关断来调节电感电路的总电感值，配合TSV变容管C1和C2实现对压控振荡器的频率调节。
基于TSV的惠斯通桥式可变电感拥有更大的可调范围，更小的面积以及更高的品质因数，于此同时本发明还使用了TSV变容管以及TSV垂直开关，相比于平面变容管及平面开关，TSV变容管及TSV垂直开关拥有更小的面积，更高的品质因数，因此本发明拥有占用片上面积小、功耗低、可调范围广泛、相位噪声低的优点。

Claims (7)

1.一种基于TSV变容管的压控振荡器，其特征在于，包括基于TSV的惠斯通桥式的可变电感M1，两个TSV变容管，分别为C1、C2，两个晶体管，分别为PMOS1、PMOS2，以及两个TSV垂直开关，分别为MOS3、MOS4，基于TSV的惠斯通桥式可变电感M1由六个单根TSV电感和一个TSV垂直开关MOS5连接组成，PMOS1的源极S1、衬底B1以及PMOS2的源极S2和衬底B2相连形成电源VDD接入端，PMOS1的漏极D1与PMOS2的栅极G2、基于TSV的惠斯通桥式可变电感M1的输入端Min1、C1的输出端Cout1、MOS3的漏极D3和MOS4的栅极G4相连，PMOS2的漏极D2与PMOS1的栅极G1、基于TSV的惠斯通桥式可变电感M1的输出端Mout1、C2的输出端Cout2、MOS4的漏极D4和MOS3的栅极G3相连，MOS3的源极S3、衬底B3以及MOS4的源极S4、衬底B4均为接地端GND，C1的输入端Cin1和C2的输入端Cin2相连组成电容控制电源Vctr2接入端，TSV垂直开关MOS5的栅极G5、衬底B5分别为电感控制电源Vctr1接入端和接地端GND。
2.根据权利要求1所述的一种基于TSV变容管的压控振荡器，其特征在于，所述C1包括P型硅衬底，P型硅衬底中设置有竖直的TSV铜柱，TSV铜柱外侧设置有SiO2介质层，P型硅衬底上下两端的SiO2介质层外均设置有p型掺杂区，p型掺杂区外侧面上设置有金属层，上、下两个金属层上分别引出有源极S和漏极D，源极S和漏极D相连接形成C1的输出端Cout1，TSV铜柱顶端端部引出有栅极G，栅极G为C1的输入端Cin1。
3.根据权利要求2所述的一种基于TSV变容管的压控振荡器，其特征在于，所述C2与C1的结构相同。
4.根据权利要求1或3所述的一种基于TSV变容管的压控振荡器，其特征在于，所述基于TSV的惠斯通桥式可变电感M1中六个单根TSV电感分别为L1、L2、L3、L4、L5、L6，L1的端口a1与L2的端口a2相连，L1的端口b1与L3的端口b3相连，TSV垂直开关MOS5的源极S5分别与L2的端口b2和L4的端口b4相连，TSV垂直开关MOS5的漏极D5分别与L3的端口a3和L5的端口a5相连，L4的端口a4与L6的端口a6相连，L6的端口b6与L5的端口b5相连，基于TSV的惠斯通桥式可变电感M1的输入端Min1与L1的端口a1相连，基于TSV的惠斯通桥式可变电感M1的输出端Mout1与L6的端口b6相连。
5.根据权利要求1所述的一种基于TSV变容管的压控振荡器，其特征在于，所述PMOS1和PMOS2均为平面P型MOSFET晶体管。
6.根据权利要求5所述的一种基于TSV变容管的压控振荡器，其特征在于，所述MOS3和MOS4为N型MOSFET，N型MOSFET包括P型硅衬底，P型硅衬底中设置有TSV铜柱，TSV铜柱顶端端部引出有MOSFET的栅极G，TSV铜柱外侧设置有SiO2介质层，P型硅衬底上下两端的SiO2介质层外侧设置有n型掺杂区，n型掺杂区上设置有金属层，P型硅衬底上下两端的金属层上分别引出有MOSFET的源极S和漏极D。
7.根据权利要求6所述的一种基于TSV变容管的压控振荡器，其特征在于，所述TSV垂直开关MOS5为N型MOSFET。
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