CN203747753U - push-push微波压控振荡器集成电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种push-push微波压控振荡器集成电路。它包括半导体材料衬底和push-push压控振荡器，push-push压控振荡器由两个单端压控振荡器连接组成；单端压控振荡器包括有源放大器模块、偏置电流源模块和LC谐振腔模块；push-push压控振荡器的两个单端压控振荡器中，有源放大器模块与偏置电流源模块之间还分别连接宽带高频阻抗网络模块；push-push压控振荡器的两个LC振荡槽模块相互连接且电感连接处通过宽带高频阻抗网络模块接地。本技术有利于减小由于偏置电流源模块的有限高频输出阻抗对有源放大器模块的增益造成的不利影响，有益于提高振荡器的振幅及输出信号的幅值并可降低相位噪声。

Description

push-push微波压控振荡器集成电路

技术领域

本实用新型涉及一种半导体微波push-push压控振荡器集成电路，该振荡器采用一种宽带高频阻抗网络来提高偏置电流源模块的高频输出阻抗用以增强振荡器的环路增益,进而有效地增大振荡器振幅和降低振荡器的相位噪声；同时采用高频阻抗网络来促使整个压控振荡器工作在差分模式下以便提取振荡器的二次谐波。

背景技术

在微波互补金属氧化物半导体（CMOS）/锗硅（SiGe）BiCMOS无线前端收发系统中,压控振荡器（VCO，voltage-controlled oscillator）扮演着一个为收发机系统提供本振信号的重要角色,其相位噪声性能影响着无线收发系统的信噪比(SNR),误差向量幅度(EVM)等特性。压控振荡器的相位噪声与其LC（由电感和压控可变电容构成）Tank的Q值成反比。在工作频率较低的情况下，LC Tank的Q值基本上由电感Q值决定，而当工作频率不断升高时，尤其是当频率达在10GHz以上时，LC的Q值则逐渐变成由压控可变电容的Q值来决定，这是由于电感的Q值随着频率的升高而升高，而压控可变电容的Q值随着频率的升高而快速下降。因此，在微波集成VCO设计中，往往需要权衡（trade-off）相位噪声和频率调谐范围之间的矛盾。

push-push压控振荡器作为一种可以缓和相位噪声和频率调谐范围之间的矛盾的振荡器结构，在微波领域的运用越来越广。其主要是由两个单端的压控振荡器通过一定关系组合在一起，并让单端振荡器工作在1/2所需频率，因此可以采用高Q值且较高电容值的压控可变电容来构成LC Tank。然而，为了能够从两个单端的振荡器输出信号中提取所需的二次谐波信号，必须让两个组合在一起的单端振荡器无条件地工作在差分模式下，这个对push-push振荡器的基本要求随着振荡器工作频率的不断升高而越来越难实现。

传统的单端压控振荡器集成电路如图1所示，该集成压控振荡器主要由三部分组成：

第一部分为LC谐振腔模块（LC Tank），由L_a和C_v1组成，L_a为电感，C_v1为压控可变电容器（varactor）或是变容二极管（varactor diode）。L₁和C_v1的值决定了振荡器的振荡频率（ω₀≈1/（L₁×C_v1）^1/2），该振荡频率可通过控制Vc的电压值来改变。

第二部分为有源放大器模块，主要由晶体管（可以是双极型或者CMOS），电容和电阻等器件组成。该放大器网络的主要功能是为LC Tank提供振荡所需的能量。

第三部分为给有源放大器模块提供电流偏置的偏置电流源模块，该偏置电路可由电阻电流源，有源器件电流源等构成。

由2个单端压控振荡器，如图1所示，组合在一起就可以构成一个push-push压控振荡器，如图2所示。两个单端振荡器的输出信号分别可从A点和B点提取出来，并通过电容C_a和C_b进行相加，如若两个单端振荡器的振荡信号相差180度，在最终输出点V_out可获得二次谐波等偶次谐波。为确保微波push-push压控振荡器中两个单端振荡器工作在差分模式下，在当今的CMOS或者SiGe工艺条件下往往需要采用特定技术来实现。传统的技术有两种：一种是增强电感L_a和L_b之间的互感强度，但这种方法是以牺牲电感的Q值为前提，因此会对相位噪声产生一定的影响。另一种技术是把电感L_a和L_b的接地端连在一起并引到芯片外面外接一个高Q值的大电感，该技术的原理是利用片外电感产生的高阻抗强度来迫使两个单端的压控振荡器工作在差分模式下，这种方法可以使片上电感L_a和L_b的Q值最优化，因此不会造成相位噪声的恶化，但是由于增加了一个片外电感就会增加整个收发机系统的成本，也会增加整个收发机系统PCB板的面积。

发明内容

本实用新型的目的在于：提供一种输出信号幅度大、相位噪声低且可以无条件工作在差分模式下的push-push微波压控振荡器。

本实用新型的目的是这样实现的：

它包括半导体材料衬底、置于半导体材料衬底上的push-push压控振荡器，push-push压控振荡器由两个单端压控振荡器通过输出节点进行交流信号提取并相加组成；

单端压控振荡器由以下模块连接形成:带输出节点的有源放大器模块、偏置电流源模块和LC谐振腔模块；

带输出节点的有源放大器模块：与LC谐振腔模块连接并为LC谐振腔模块提供振荡所需的能量；

LC谐振腔模块：振荡器发生振荡的电路模块，决定着振荡器的振荡频率以及相位噪声性能；

偏置电流源模块：与有源放大器模块连接，为有源放大器模块提供直流电流偏置；

其特征在于：push-push压控振荡器的两个单端压控振荡器中，有源放大器模块与偏置电流源模块之间还分别连接有提高偏置电流源模块的高频输出阻抗、进而增强整个振荡器的环路增益的宽带高频阻抗网络模块T_1a、T_1b；push-push压控振荡器的两个LC振荡槽模块相互连接且电感连接处通过宽带高频阻抗网络模块T₀接地使得两个单端压控振荡器工作在差分模式下；如图4所示，该高频阻抗网络的输入阻抗可以表示为：

$\left|Z_{\mathrm{in}}\right|=|\frac{{\mathrm{sR}}_1{L}_1}{R_1(1+s^2{L}_1{C}_1)+{\mathrm{sL}}_1}+...+\frac{{\mathrm{sR}}_n{L}_n}{R_n(1+s^2{L}_n{C}_n)+{\mathrm{sL}}_N}|---\left(1\right)$

R_n为非理想情况下第n个LC振荡网络的等效并联电阻值。选取不同的LC值可以获取如图5所示的阻抗特性，即该模块在频率f₁至f_n通频带内呈现高阻抗，但在通频带外阻抗迅速趋近于零。

所述宽带高频阻抗网络模块均为由若干个LC振荡网络串联而成，且每个宽带高频阻抗网络模块中每个LC网络的振荡频率不同，使得在覆盖目标频率的一段通频带内形成高交流阻抗。

本实用新型的优点在于：采用本实用新型的结构，高频阻抗网络T₀在压控振荡器振荡频率f₀处产生高阻抗，进而促使两个单端压控振荡器无条件工作在差分模式下，因此可以在输出节点V_out出得到2倍的f₀信号。高频阻抗网络T_1a和T_1b插入到偏置电流源模块电路和有源放大器模块之间，有利于减小由于偏置电流源模块的有限高频输出阻抗对有源放大器模块的增益造成的不利影响，有益于提高振荡器的振幅及输出信号的幅值并可降低相位噪声。

附图说明

图1：单端压控振荡器集成电路结构图

图2：传统的由两个单端压控振荡器组合而成的push-push压控振荡器集成电路结构图

图3：本实用新型所提出的push-push压控振荡器集成电路结构图

图4：由n级LC振荡网络串联而成的宽带高频阻抗网络电路图

图5：n阶宽带高频阻抗网络模块输入阻抗与频率关系图

图6：采用本实用新型所提出的宽带高频阻抗网络的push-push共集电极Colpitts压控振荡器电路

其中Colpitts:考毕兹,Colpitts振荡器实用新型者

La/Lb，L1/L2/Ln：电感；

Ca/C1a/C2a/C3a/Cb/C1b/C2b/C3b/，C1/C2/Cn：电容；

Cv1/Cv2：压控可变电容器；

R1/R2：电阻；

N1a/N1b：晶体管（双极型晶体管或者CMOS晶体管）；

T0/T1a/T1b：宽带高频阻抗网络；

A/B/C/D/E/F/M,Vc/Vb1/Vb2/Vout:电路节点；

f1/f2/fn：频率；

Zin：输入阻抗；

具体实施方式：

它包括半导体材料衬底、置于半导体材料衬底上的push-push压控振荡器，push-push压控振荡器由两个单端压控振荡器通过输出节点进行交流信号提取并相加组成；

单端压控振荡器由以下模块连接形成:带输出节点的有源放大器模块、偏置电流源模块和LC谐振腔模块；

带输出节点的有源放大器模块：与LC谐振腔模块连接并为LC谐振腔模块提供振荡所需的能量；

LC谐振腔模块：振荡器发生振荡的电路模块，决定着振荡器的振荡频率以及相位噪声性能；

偏置电流源模块：与有源放大器模块连接，为有源放大器模块提供直流电流偏置；

其特征在于：push-push压控振荡器的两个单端压控振荡器中，有源放大器模块与偏置电流源模块之间还分别连接有提高偏置电流源模块的高频输出阻抗、进而增强整个振荡器的环路增益的宽带高频阻抗网络模块T_1a、T_1b；push-push压控振荡器的两个LC谐振腔模块相互连接且电感连接处通过宽带高频阻抗网络模块T₀接地使得两个单端压控振荡器工作在差分模式下；

高频阻抗网络的输入阻抗可以表示为：

$\left|Z_{\mathrm{in}}\right|=|\frac{{\mathrm{sR}}_1{L}_1}{R_1(1+s^2{L}_1{C}_1)+{\mathrm{sL}}_1}+...+\frac{{\mathrm{sR}}_n{L}_n}{R_n(1+s^2{L}_n{C}_n)+{\mathrm{sL}}_N}|$

R_n为非理想情况下第n个LC振荡网络的等效并联电阻值。

所述宽带高频阻抗网络模块均为由若干个LC振荡网络串联而成，且每个宽带高频阻抗网络模块中每个LC网络的振荡频率不同，使得在覆盖目标频率的一段通频带内形成高交流阻抗，而在通频带外阻抗则迅速降低至零。利用宽带高频阻抗网络的这个特点，可以促使两个微波单端压控振荡器无条件工作在差分模式下，进而可以提取其输出信号中的二次谐波成分；也可以利用该阻抗网络的通带高阻抗特性来提高整个push-push压控振荡器的环路增益，进而提高振荡器的振幅和输出信号幅度及降低相位噪声。

下面结合具体实施例对本实用新型进行说明：

图6为由两个单端共集电极科尔皮兹压控振荡器组合而成的push-push压控振荡器。双极型晶体管N_1a/N_1b分别为构成两个共集电极放大器，其基极节点V_b1/V_b2分别通过隔直电容C_1a/C_1b连接到LC Tank（L_a+C_v1）或（L_b+C_v2）。电容C_2a和C_3a构成共集电极晶体管N_1a的正反馈电路，C_2a的一端连接到N_1a的发射极A节点，C_2a的另一端连接到N_1a的基极V_b1节点；C_3a的一端连接到A节点，另一端连接到地（GND）；同理，C_2b和C_3b构成共集电极晶体管N_1b的正反馈电路，C_2b的一端连接到N_1b的发射极B节点，C_2b的另一端连接到N_1b的基极V_b2节点；C_3b的一端连接到B节点，另一端连接到GND。电容C_a的一端连接到节点A，电容C_b的一端连接到节点B，C_a和C_b的另一端共同连接到输出节点V_out并从V_out处提取二次谐波信号作为输出。一阶高频阻抗网络T_1a一端连接到节点A，另一端连接到偏置电流源模块电阻R₁上构成节点C；一阶高频阻抗网络T_1b一端连接到节点B，另一端连接到偏置电流源模块电阻R₂上构成节点D。高频阻抗网络T_1a/T_1b的振荡频率设计在压控振荡器可调谐频率的中间值，可提高偏置电流源模块的输出阻抗，增大带正反馈的共集电极放大器的开环增益，进而有益于提高振荡器的振幅和降低相位噪声。图6左边LC Tank中电感L_a和压控可变电容C_v1一端共同连接到隔直电容C_1a的一端构成节点E，图6右边LC Tank中电感L_b和压控可变电容C_v2一端共同连接到隔直电容C_1b的一端构成节点F；压控可变电容C_v1和C_v2的另一端连接到一起构成节点V_c作为调谐电压输入节点；电感L_a和L_b的另一端共同连接到3阶高频阻抗网络T₀的一端，构成节点M；3阶高频阻抗网络T₀的另一端连接到GND。3阶高频阻抗网络T₀提供通频带内高阻抗值，迫使节点M成为交流地，从而使两个单端共集电极科尔皮兹压控振荡器的振荡信号相位相差180度。

本实用新型提出的在偏置电流源模块电阻R₁/R₂和晶体管N_1a/N_1b的发射极之间插入高频阻抗网络有益于提高振荡器环路增益的结论，可以通过小信号分析计算带正反馈的共集电极放大器的开环增益得到。当不考虑晶体管N_1a和N_1b的基极输入电阻，基极-发射极等效电阻以及基极-集电极寄生电容的影响时，该共集电极放大器的开环增益可以表达为：

$G_{\mathrm{opl}}=\frac{\mathrm{gm}+{\mathrm{sC}}_{\mathrm{\π}}}{(1+\frac{c_{\mathrm{\π}}}{c_2})(\mathrm{gm}+{\mathrm{sC}}_{\mathrm{\π}}{\mathrm{sC}}_a+\frac{{\mathrm{sC}}_2}{1+{\mathrm{sC}}_2{z}_{\mathrm{LC}}}+\frac{1}{z_{\mathrm{CS}}})}---\left(2\right)$

其中g_m为晶体管N_1a/N_1b的跨导，C_π为晶体管N_1a/N_1b的基极-发射极等效电容，C₂为C_2a/C_2b的电容值，C₃为C_3a/C_3b的电容值，Z_LC为从节点V_b1/V_b2看入到LC Tank的阻抗值，Z_cs为偏置电流源模块的输出阻抗值，即从节点A/B看入到偏置电流源模块电阻R₁/R₂得到的阻抗值。显然，当加上高频阻抗网络T_1a/T_1b后阻抗Z_cs的值明显大于不加高频阻抗网络时Z_cs的值，而根据式（2）可以看出提高Z_cs的值有利于提高环路增益G_opl。

Claims (2)

1.一种push-push微波压控振荡器集成电路，它包括半导体材料衬底、置于半导体材料衬底上的push-push压控振荡器，push-push压控振荡器由两个单端压控振荡器通过输出节点进行交流信号提取并相加组成；

单端压控振荡器由以下模块连接形成:带输出节点的有源放大器模块、偏置电流源模块和LC谐振腔模块；

带输出节点的有源放大器模块：与LC谐振腔模块连接并为LC谐振腔模块提供振荡所需的能量；

LC谐振腔模块：振荡器发生振荡的电路模块，决定着振荡器的振荡频率以及相位噪声性能；

偏置电流源模块：与有源放大器模块连接，为有源放大器模块提供直流电流偏置；

其特征在于：push-push压控振荡器的两个单端压控振荡器中，有源放大器模块与偏置电流源模块之间还分别连接有提高偏置电流源模块的高频输出阻抗、进而增强整个振荡器的环路增益的宽带高频阻抗网络模块T_1a、T_1b；push-push压控振荡器的两个LC谐振腔模块相互连接且电感连接处通过宽带高频阻抗网络模块T₀接地使得两个单端压控振荡器工作在差分模式下；

高频阻抗网络的输入阻抗可以表示为：

$\left|Z_{\mathrm{in}}\right|=|\frac{{\mathrm{sR}}_1{L}_1}{R_1(1+s^2{L}_1{C}_1)+{\mathrm{sL}}_1}+...+\frac{{\mathrm{sR}}_n{L}_n}{R_n(1+s^2{L}_n{C}_n)+{\mathrm{sL}}_N}|$

R_n为非理想情况下第n个LC振荡网络的等效并联电阻值。

2.根据权利要求1所述的push-push微波压控振荡器集成电路，其特征在于：所述宽带高频阻抗网络模块均为由若干个LC振荡网络串联而成，且每个宽带高频阻抗网络模块中每个LC网络的振荡频率不同，使得在覆盖目标频率的一段通频带内形成高交流阻抗。