CN114337549A - 一种基于片上变压器的宽带数控振荡器 - Google Patents
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Abstract
本发明公布了一种基于片上变压器的宽带数控振荡器，属于集成电路技术领域。该宽带数控振荡器包括片上变压器、粗调开关电容、细调开关电容、数模转换器、压控变容管和交叉耦合晶体管，所述片上变压器包括第一级线圈和第二级线圈，所述细调开关电容和交叉耦合晶体管的输出端、片上变压器的第一级线圈的输出以及片上变压器的第二级线圈的输出相连，所述粗调开关电容和片上变压器的第二级线圈的输入端相连，所述数模转换器和压控变容管的一端相连，所述压控变容管和交叉耦合晶体管的输出端以及片上变压器的第一级线圈的输出相连。本发明通过引入片上变压器，增加DCO的输出频率对单位电容变化的变化率，可以获得更大的带宽，有助于降低流片的成本。
Description
技术领域
本发明属于集成电路技术领域，涉及一种宽带数控振荡器，具体涉及一种基于片上变压器的宽带数控振荡器。
背景技术
DCO(Digital Controlled Oscillator，数控振荡器)是一类输出频率在一定范围内受数字信号调整的振荡器总称。宽带DCO的应用场景很多，主要包含可重构射频收发器、软件无线电等宽频带领域。区别于窄带通信中的DCO，宽带DCO需要产生较宽频率范围内的本地时钟信号，以覆盖不同无线通信协议规定的通信频带。同时宽带DCO需要能在较宽的频率范围内保持良好的噪声特性，以满足各个协议规定的通信质量。在现有的设计中要实现宽带的频率信号输出，一般采用多个数控振荡器(DCO)进行切换或者采用宽带DCO两种方案。用多个窄带DCO通过开关进行切换合成，最终输出所需的宽带频率信号，该方案在实际使用中需要使用多个DCO，还需要额外增加开关电路，实现难度大，功耗高，占用体积大，成本高。宽带DCO技术可以直接输出所需的宽带频率信号，但由于宽带DCO的相位噪声一般较差(比窄带DCO差10dB左右)，导致最终输出的宽带频率信号相位噪声较差。因此传统宽带DCO存在功耗大、体积大、成本高的问题。
发明内容
本发明的目的是针对上述问题，提供一种基于片上变压器的宽带数控振荡器，其具备功耗小，体积小，成本低，相位噪声小等特点。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种基于片上变压器的宽带数控振荡器，包括片上变压器、粗调开关电容、细调开关电容、数模转换器、压控变容管和交叉耦合晶体管，所述片上变压器包括第一级线圈和第二级线圈，所述第一级线圈由第M层金属绕成连续的X个金属线圈，跨接部分由第M-1层金属连接，所述第二级线圈由第N层金属绕成连续的Y个金属线圈，跨接部分由第N+1层金属连接，，其中N≥1，M≥N，X≥1，Y≥1，所述细调开关电容和交叉耦合晶体管的输出端、片上变压器的第一级线圈的输出以及片上变压器的第二级线圈的输出相连，所述粗调开关电容和片上变压器的第二级线圈的输入端相连，所述数模转换器和压控变容管的一端相连，所述压控变容管和交叉耦合晶体管的输出端以及片上变压器的第一级线圈的输出相连。
进一步地，所述片上变压器设置在衬底上，所述衬底可以是硅基衬底，也可以使用在射频集成电路领域中具有优良性能的III-V族工艺，如GaAs等其他工艺的衬底材料。
进一步地，所述第一级线圈设有差分输出端，与细调开关电容阵列、交叉耦合晶体管的输出端以及压控变容管的两端相连。
进一步地，所述第二级线圈设有差分输入端，与粗调开关电容阵列相连。
进一步地，第一级线圈的输出端设有用于频率精细调谐的可调电容阵列，在第二级线圈的输入端设有用于粗调频率的可调电容阵列，第一级线圈的输出端和第二级线圈的输出端相连。
进一步地，所述第一级线圈和第二级线圈金属材料通常为铜或者铝，采用同层的金属，也可以采用不同层的金属。
进一步地，所述第一级线圈与第二级线圈的金属线圈为轴对称结构，所述第一级金属线圈的对称轴与第二级金属线圈的对称轴重合。
进一步地，所述第一级线圈和第二级线圈的金属线圈形状为正方形、圆形、长方形、八边形中的一种。
本发明的原理是通过引入片上变压器，可以增加DCO的输出频率对单位电容变化的变化率，从而相同的开关电容比的情况下，可以获得更大的带宽。现有的DCO为了获得更细的频率精度，因此电容精度设置的很小，所以电容阵列的控制位数就很大，从而电容阵列的面积会很大，带来更大的寄生，尤其是粗调电容阵列。本发明采用片上变压器，等效电感增大，因而只需要采用更小的开关电容就可以实现更大的频率变化步进，从而减小了电容阵列的面积，从而可以减少由于金属走线带来的寄生效应，提高了电容阵列的Q值，从而获得了更好的相位噪声，而且因为开关电容阵列的面积减少，从而线圈的形状更容易设计，可以获得更高Q值的电感，也可优化DCO的相位噪声。同时因为电路的Q值增加，所以交叉耦合晶体管可以采用更小的尺寸，从而降低电路的功耗。同时因为采用片上变压器，因而等效电感增加，所以当本发明DCO工作在相同的工作频率需要的电感减少，可以减小DCO的面积。在先进工艺节点，单位芯片面积的成本大大增加，而电感占据DCO芯片的很大一部分面积，降低电感的尺寸有利于降低DCO芯片的面积，有助于降低流片的成本。本发明基于片上变压器的宽带数控振荡器可以产生较宽频率范围内的本地时钟信号，以覆盖不同无线通信协议规定的通信频带。同时宽带DCO能在较宽的频率范围内保持良好的噪声特性，满足各个协议规定的通信质量，可以满足各种宽频带特性的应用场景。
具体来说，本发明基于片上变压器的宽带数控振荡器，具有以下有益效果：
1)宽带特性好：由于采用变压器，增加了DCO的输出频率对单位电容变化的变化率，从而相同的开关电容比的情况下，可以获得更大的带宽，因此宽带特性好。
2)相位噪声好：通过引入片上变压器，增加了等效电感，因而只需要更小的开关电容就可以实现更大的频率变化步进，从而减小了电容阵列的面积，从而可以减少由于金属走线带来的寄生效应，提高了电容阵列的Q值，从而获得了更好的相位噪声。而且因为开关电容阵列的面积减少，从而线圈的形状更容易设计，可以获得更高Q值的电感，也可优化DCO的相位噪声
3)面积小、成本低：引入片上变压器，可以获得更大的等效电感，因此当DCO工作在相同的工作频率需要的电感减少，而电感占据DCO芯片的很大一部分面积，降低电感的尺寸有利于降低DCO芯片的面积，有助于降低流片的成本。
4)功耗低：由于本发明基于片上变压器，降低了电容阵列的面积，提高了电容阵列的Q值，并且由于电容阵列面积减小，可以更容易优化电感的Q值，从而DCO谐振网络的Q值都可以得到提高，因此可以降低交叉耦合晶体管的尺寸，从而降低电路功耗。
5)基于片上变压器的宽带数控振荡器可以产生较宽频率范围内的本地时钟信号，以覆盖不同无线通信协议规定的通信频带。同时宽带DCO能在较宽的频率范围内保持良好的噪声特性，满足各个协议规定的通信质量，可以满足各种宽频带特性的应用场景。
附图说明
图1为传统的宽带DCO的结构图
图2为本发明基于片上变压器的宽带DCO的结构图；
图3为本发明片上变压器俯视图；
图4为图3的剖面图。
具体实施方式
为了使本发明的技术方案更加清楚，下面结合附图详细描述。
实施例1
如图2所示在TSMC CMOS工艺下实现一种基于片上变压器的宽带DCO，包括片上变压器、粗调开关电容、细调开关电容、数模转换器、压控变容管和交叉耦合晶体管，所述细调开关电容和交叉耦合晶体管的输出端、片上变压器的第一级线圈的输出以及片上变压器的第二级线圈的输出相连，所述粗调开关电容和片上变压器的第二级线圈的输入端相连，所述数模转换器和压控变容管的一端相连，所述压控变容管和交叉耦合晶体管的输出端以及片上变压器的第一级线圈的输出相连。所述第一级线圈可以设有差分输入端，与细调开关电容、交叉耦合晶体管的输出端以及压控变容管的两端相连；或所述第二级线圈设有差分输入端，与粗调开关电容相连。
图3所示为片上变压器的线圈结构图，片上变压器包括第一级线圈和第二级线圈，第一级线圈与第二级线圈的金属线圈的形状都是正方形。第一级线圈的输出端设有用于频率精细调谐的可调电容阵列Cf；第二级线圈输入端设有用于粗调频率的可调电容阵列Cc。第一级线圈的输出端和第二级线圈的输入端呈180°。片上变压器的第一级线圈与第二级线圈的金属线圈为轴对称结构，且所述第一级金属线圈的对称轴与第二级金属线圈的对称轴重合。
如图4为图3的截面示意图，片上变压器设置在硅基衬底上，硅基衬底由硅半导体材料制成，在衬底表面从下往上依次为第二级线圈、第一级线圈。第一级线圈由第9层金属绕成2个金属线圈，跨接部分由第10层金属实现，第一级线圈的金属线圈宽W是10μm、金属线圈之间的间距S是2μm、第二级线圈由第9层金属绕成1个金属线圈，在第二级线圈与第一级线圈没有重合部分，第一级线圈的金属线外径和第二级线圈的金属线内径线间距D为3μm。
实施例2
与实施例1大致相同，区别在于：第一级线圈和第二级线圈都是圆形。
实施例3
与实施例1大致相同，区别在于：第一级线圈和第二级线圈都是八边形。
实施例4
与实施例1大致相同，区别在于：第一级线圈和第二级线圈采用同层金属。
实施例5
与实施例1大致相同，区别在于：第一级线圈和第二级线圈的金属线圈有重叠部分，即第一级线圈和第二级线圈的金属线圈可以相互交叠或者全部不交叠。
以上通过详细实施案例描述了本发明的新型的基于片上变压器的宽带数控振荡器，本领域的研究人员和技术人员可以根据上述的步骤作出形式或内容方面的非实质性的改变而不偏离本发明实质保护的范围。因此，本发明不局限于以上实施例中所公开的内容，本发明的保护范围应以权利要求所述为准。
Claims (10)
1.一种宽带数控振荡器，其特征在于，包括片上变压器、粗调开关电容、细调开关电容、数模转换器、压控变容管和交叉耦合晶体管，所述片上变压器包括第一级线圈和第二级线圈，所述第一级线圈由第M层的金属绕成连续的X个金属线圈，跨接部分由第M-1层金属连接，所述第二级线圈由第N层金属绕成连续的Y个金属线圈，跨接部分由第N+1层金属连接，其中N≥1，M≥N，X≥1，Y≥1，所述细调开关电容和交叉耦合晶体管的输出端、片上变压器的第一级线圈的输出以及片上变压器的第二级线圈的输出相连，所述粗调开关电容和片上变压器的第二级线圈的输入端相连，所述数模转换器和压控变容管的一端相连，所述压控变容管和交叉耦合晶体管的输出端以及片上变压器的第一级线圈的输出相连。
2.如权利要求1所述的宽带数控振荡器，其特征在于，所述片上变压器设置在衬底上，所述衬底是硅基衬底，或射频集成电路领域中具有优良性能的III-V族工艺，如GaAs等其他工艺的衬底材料。
3.如权利要求1所述的宽带数控振荡器，其特征在于，所述第一级线圈设有差分输出端，与细调开关电容、交叉耦合晶体管的输出端以及压控变容管的两端相连。
4.如权利要求1所述的宽带数控振荡器，其特征在于，所述第二级线圈设有差分输入端，与粗调开关电容相连。
5.如权利要求1所述的宽带数控振荡器，其特征在于，第一级线圈的输出端设有用于频率精细调谐的可调电容阵列，在第二级线圈的输入端设有用于粗调频率的可调电容阵列，第一级线圈的输出端和第二级线圈的输出端相连。
6.如权利要求1所述的宽带数控振荡器，其特征在于，所述第一级线圈和所述第二级线圈的材料为铜或者铝。
7.如权利要求1所述的宽带数控振荡器，其特征在于，所述第一级线圈和第二级线圈采用同层的金属，或采用不同层的金属。
8.如权利要求1所述的宽带数控振荡器，其特征在于，第一级线圈的对称轴与第二级线圈的对称轴重合。
9.如权利要求1所述的宽带数控振荡器，其特征在于，所述第一级线圈和第二级线圈的金属线圈形状为正方形、圆形、长方形、八边形中的一种。
10.如权利要求1所述的宽带数控振荡器，其特征在于，所述第一级线圈和第二级线圈的金属线圈相互交叠或者全部不交叠。
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