CN103095217B - 低相位噪声压控振荡器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低相位噪声压控振荡器，包括负阻电路模块、差分耦合电感电容谐振腔和源级反馈电感。耦合电感电容谐振腔用以提高谐振腔的有效品质因数，源级反馈电感与谐振腔电感之间的磁耦合作为反馈以增加谐振腔输出信号的振幅，负阻电路模块采用电流复用结构以降低功耗并去除共模节点的二次谐波对相位噪声的恶化。本发明低相位噪声压控振荡器可有效降低相位噪声。

Description

低相位噪声压控振荡器

技术领域

本发明属于射频无线接收机集成电路技术领域，具体涉及一种低相位噪声压控振荡器。

背景技术

压控振荡器是通信***中用于产生本振信号的模块，其性能直接决定通信***的性能。相位噪声作为压控振荡器的一个主要性能指标，影响着接收机的灵敏度和发射机的临近信道干扰。因此设计一个低相位噪声的压控振荡器对现代无线通信***显的尤为重要。

压控振荡器的实现形式主要有环形振荡器和电感电容压控振荡器。环形振荡器由于相位噪声性能较差，主要被用于产生片上时钟信号。而电感电容压控振荡器由于其良好的相位噪声性能而广泛应用于无线通信领域。

根据D.B.Lesson相位噪声模型公式，电感电容压控振荡器的相位噪声L(Δf)可表示为：

$L\left(\mathrm{\Δf}\right)\∝\frac{{\mathrm{Fk}}_{B}T}{Q^2}\frac{R_P}{V_p^2}{\left(\frac{f_0}{\mathrm{\Δf}}\right)}^2---\left(1\right)$

其中Δf为偏移频率，f_o为振荡频率，F为噪声指数，k为玻尔兹曼常数，T为绝对温度值，Q为谐振腔品质因数，V_p为谐振腔振荡信号幅度，R_p为谐振腔等效并联电阻。

从式(1)可知，为优化相位噪声性能，可通过提高谐振腔的品质因数Q和提高振荡信号的幅度V_p来实现。由于片上电容的品质因数远远大于片上电感的品质因数，谐振腔的品质因数主要由片上电感决定。然而，趋肤效应及衬底的高损耗等因素的影响，片上电感可获得的品质因数有限。另一方面，随着CMOS工艺特征尺寸的减小，电源电压相应降低，压控振荡器输出信号振幅也随之减小，这使得低相位噪声的优化设计变的十分困难。

发明内容

本发明的目的在于提供一种低相位噪声压控振荡器，采取的技术方案如下：

一种低相位噪声压控振荡器，其特征是：包括负阻电路模块、差分耦合电感电容谐振腔，其中：

负阻电路模块包括PMOS管M_p、NMOS管M_n、两个电感值相等的源级反馈电感L_s1和L_s2；电源VDD串联源级反馈电感L_s1后连接PMOS管M_p的源极，NMOS管M_n的源极串联源级反馈电感L_s2后接地，PMOS管M_p的栅极连接NMOS管M_n的漏极作为输出端V_p，NMOS管M_n的栅极连接PMOS管M_p的漏极作为输出端V_n；

差分耦合电感电容谐振腔包括差分电感L_d和差分电感L_c以及两个可变电容C_v；差分电感L_d由电感L_d1与电感L_d2串联组成，且电感L_d1与电感L_d2的电感值相等，电感L_d1与电感L_d2未连接在一起的一端分别与负阻电路模块输出端V_p与输出端V_n连接；差分电感L_c由电感L_c1与电感L_c2串联组成，且电感L_c1与电感L_c2的电感值相等，电感L_c1与电感L_c2对接端与直流偏置电压V_b相连；两个可变电容C_v背靠背对接，对接端与模拟调谐电压V_ctrl相连，两个可变电容C_v未连接在一起的一端分别与电感L_c1与电感L_c2未连接在一起的一端连接。

所说差分电感L_d、差分电感L_c、源级反馈电感L_s1和源级反馈电感L_s2均形成于衬底上，差分电感L_d和L_c均采用对称差分结构且电感L_c形成于电感L_d的正下方，源级反馈电感L_s1与L_s2对称形成于差分电感L_d的周围，电感L_d1与电感L_c1、电感L_d2与电感L_c2之间的耦合系数为0.94，电感L_d1与电感L_s1、电感L_d2与电感L_s2之间的耦合系数为0.38，电感L_c1与电感L_s1、电感L_c2与电感L_s2之间的耦合系数为0.37。

本发明的优点及有益效果：与现有技术相比，本发明所提供的低相位噪声压控振荡器采用耦合电感电容谐振腔以提高谐振腔的有效品质因数。利用源级反馈电感与谐振腔电感之间的磁耦合作为反馈，提高负阻单元电路中MOS管的有效栅-源过驱动电压并增加谐振腔输出信号的振幅。负阻单元电路采用电流复用结构，去除传统负阻单元电路中的共模节点，从而消除传统结构中共模节点的二次谐波对相位噪声的恶化。因此，本发明可有效提高压控振荡器的相位噪声性能。

附图说明

图1为本发明实施例的低相位噪声压控振荡器结构示意图；

图2为传统差分互补结构压控振荡器电路示意图；

图3为本发明实施例的电感L_d、L_c、L_s1和L_s2布置方式的斜视图；

图4为本发明的低相位噪声压控振荡器和采用图2所示的压控振荡器在同样输出频率下相位噪声曲线对比示意图。

具体实施方式

为了进一步说明本发明的优势所在以及具体采取的技术手段，以下结合各附图详细说明本发明的具体实施例。理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均应落于本申请权利要求保护范围。

参照图1，本发明低相位噪声压控振荡器，包括负阻电路模块、差分耦合电感电容谐振腔，其中：

负阻电路模块包括PMOS管M_p、NMOS管M_n，电源VDD串联源级反馈电感L_s1后连接PMOS管M_p的源极，NMOS管M_n的源极串联源级反馈电感L_s2后接地，源级反馈电感L_s1与源级反馈电感L_s2的电感值相等，PMOS管M_p的栅极连接NMOS管M_n的漏极作为输出端V_p，NMOS管M_n的栅极连接PMOS管M_p的漏极作为输出端V_n。

差分耦合电感电容谐振腔包括差分电感L_d、差分电感L_c及两个可变电容C_v。其中：

差分电感L_d由电感L_d1与电感L_d2串联组成，且电感L_d1与电感L_d2的电感值相等，电感L_d1与电感L_d2未连接在一起的一端分别与输出端V_p与输出端V_n连接。

差分电感L_c由电感L_c1与电感L_c2串联组成，且电感L_c1与电感L_c2的电感值相等，电感L_c1与电感L_c2对接端与直流偏置电压V_b相连。

两个可变电容C_v背靠背对接，对接端与模拟调谐电压V_ctrl相连，两个可变电容C_v未连接在一起的一端分别与电感L_c1与电感L_c2未连接在一起的一端连接。

差分电感L_c形成于差分电感L_d的正下方；源级反馈电感L_s1与源级反馈电感L_s2对称形成于差分电感L_d的周围。

谐振腔Q值的定义实质上为谐振腔所存储的能量与谐振腔损耗之间的比值，为提高谐振腔Q值，本发明采用两个差分电感L_d与L_c与两个可变电容C_v构成差分耦合电感电容谐振腔，且电感L_d与电感L_c具有耦合系数k_dc。相对于图2所示传统压控振荡器结构中所采用的单电感电容谐振腔而言，耦合电感之间耦合效应的存在，使得耦合电感电容谐振腔在谐振频率处具有更多的磁场能量，相应具有较高Q值，从而提升相位噪声性能。

在本发明的一个实施例中，采用两个可变电容C_v作为模拟调谐部分。L_c中心抽头接直流偏置电压V_b用以给两个可变电容C_v提供合适的直流偏置，通过调节模拟调谐电压V_ctrl从而改变接入到谐振腔的电容值，实现频率的细调。差分振荡信号从输出端V_p和输出端V_n输出。

在本发明中，负阻电路模块采用电流复用结构。采用一个NMOS管M_n与一个PMOS管M_p交叉耦合提供负阻，补充谐振腔的能量损耗。相对于传统的互补交叉耦合差分对管(图2)，该结构仅需要一半的偏置电流就可以提供相同的负阻。此外，由于PMOS管与NMOS管在压控振荡器工作时同时导通或者关断，不存在传统结构中的共源节点，这使得其可以避免共源节点中的二次谐波频率对相位噪声所带来的影响。

本发明引入源极反馈电感L_s1与L_s2。利用源极反馈电感L_s1、L_s2与谐振腔中电感L_d、L_c的磁耦合作为反馈，使NMOS管M_n与PMOS管M_p的漏极电压与源极电压同向变化，使得输出端V_p和输出端V_n输出信号振幅不受电源电压VDD和地电位钳制，在同等偏置条件下可获得更高的振荡信号幅度。

本发明所给出的低相位噪声压控振荡器使用多个电感，这些电感需要很大的版图面积。图3示出了本发明的一个实例，形成于衬底上的电感L_d、L_c、L_s1和L_s2的斜视图。电感L_d和电感L_c均采用对称差分结构且电感L_c形成于电感L_d的正下方，以便重新使用同一版图面积，电感L_d和电感L_c的电感值均为1.0nH。电感L_s1与电感L_s2对称形成于电感L_d的***，电感L_s1与电感L_s2的电感值均为0.2nH。电感L_d1与电感L_c1、电感L_d2与电感L_c2之间的耦合系数k_dc约为0.94。电感L_d1与电感L_s1、电感L_d2与电感L_s2之间的耦合系数k_ds约为0.38，电感L_c1与电感L_s1、电感L_c2与电感L_s2之间的耦合系数k_cs约为0.37。

图4所示为本发明的低相位噪声压控振荡器和采用图2所示的压控振荡器在同样输出频率下相位噪声曲线对比示意图。采用TSMC0.18-μm CMOS工艺，谐振频率均为12GHz，采用本发明结构，在功耗和输出频率均相同的条件下，相位噪声性能获得了极大的提升，在1MHz频偏处，相位噪声降低约8.8dB，在100kHz频偏处，相位噪声降低约13.2dB，这说明本发明结构能有效提升相位噪声性能。

Claims (2)

1.一种低相位噪声压控振荡器，其特征是：包括负阻电路模块、差分耦合电感电容谐振腔，其中：

负阻电路模块包括PMOS管M_p、NMOS管M_n、两个电感值相等的源级反馈电感L_s1和L_s2；电源VDD串联源级反馈电感L_s1后连接PMOS管M_p的源极，NMOS管M_n的源极串联源级反馈电感L_s2后接地，PMOS管M_p的栅极连接NMOS管M_n的漏极作为输出端V_p，NMOS管M_n的栅极连接PMOS管M_p的漏极作为输出端V_n；

差分耦合电感电容谐振腔包括差分电感L_d和差分电感L_c以及两个可变电容C_v；差分电感L_d由电感L_d1与电感L_d2串联组成，且电感L_d1与电感L_d2的电感值相等，电感L_d1与电感L_d2未连接在一起的一端分别与负阻电路模块输出端V_p与输出端V_n连接；差分电感L_c由电感L_c1与电感L_c2串联组成，且电感L_c1与电感L_c2的电感值相等，电感L_c1与电感L_c2对接端与直流偏置电压V_b相连；两个可变电容C_v背靠背对接，对接端与模拟调谐电压V_ctrl相连，两个可变电容C_v未连接在一起的一端分别与电感L_c1与电感L_c2未连接在一起的一端连接。

2.根据权利要求1所述的低相位噪声压控振荡器，其特征是：差分电感L_d、差分电感L_c、源级反馈电感L_s1和源级反馈电感L_s2均形成于衬底上，差分电感L_d和L_c均采用对称差分结构且电感L_c形成于电感L_d的正下方，源级反馈电感L_s1与L_s2对称形成于差分电感L_d的周围，电感L_d1与电感L_c1、电感L_d2与电感L_c2之间的耦合系数为0.94，电感L_d1与电感L_s1、电感L_d2与电感L_s2之间的耦合系数为0.38，电感L_c1与电感L_s1、电感L_c2与电感L_s2之间的耦合系数为0.37。