CN104052472A - 一种低相位噪声lc-vco - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种低相位噪声LC-VCO,所述一种低相位噪声LC-VCO包括PMOS管Mp1、Mp2、Mp3、Mp4;NMOS管Mn1、Mn2;固定电容C1、C2、Cc1、Cc2;可变电容Cvar1、Cvar2;两端电感ind;电阻R1、R2。本发明通过固定电容Cc1、Cc2将震荡电压波形耦合到并联的尾电流源的PMOS管的栅极上,采用尾电流源动态切换技术,减小了交叉耦合负阻MOS管的电流波形占空比,而且减少了尾电流源MOS管陷阱的产生,从而降低LC-VCO的相位噪声;另外,本发明将交叉耦合负阻PMOS的衬底接到地,从而降低了交叉耦合PMOS的阈值电压,使得负阻提供的电流增大,LC-VCO的相位噪声降低。
Description
技术领域
本发明涉及电感电容压控振荡器技术领域,更具体涉及一种低相位噪声LC-VCO。
背景技术
电感电容压控振荡器作为高频信号产生模块,通常为其它电路提供一定频率的低抖动时钟。随着通信速率的不断提高,对LC-VCO的频率要求也越来越高,而且,在高频下对振荡器的相位噪声要求也越来越严格。
LC-VCO的振荡核心是并联的电容电感,而由于电感和电容都有损耗,因此在振荡过程中需要外界不断提供振荡所需的能量。通常情况下,利用交叉耦合的MOS管形成负阻,就可以为LC Tank提供能量。传统的电路结构如图1所示,交叉耦合的负阻在导通时,MOS管会有噪声叠加在导通电流上,并将噪声电流传递到LC Tank中,从而影响振荡波形的频谱纯度。由于交叉耦合负阻中的两个MOS管是交替导通的,它们导通电流波形也呈现一定周期的变化,而噪声是在电流不为0时引入的。另外,尾电流源在工作时也会由于陷阱的产生给LC Tank引入噪声。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是如何在不改变电源电压情况下降低LC-VCO的相位噪声。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题,本发明提供了一种低相位噪声LC-VCO,所述一种低相位噪声LC-VCO包括PMOS管Mp1、Mp2、Mp3、Mp4;NMOS管Mn1、Mn2;固定电容C1、C2、Cc1、Cc2;可变电容Cvar1、Cvar2;两端电感ind;电阻R1、R2;
所述可变电容Cvar1、Cvar2的阳极均连接电容调节电压Vtune,所述固定电容C1连接在所述Cvar1的阴极与输出节点VCOP之间;所述固定电容C2连接在所述Cvar2的阴极与输出节点VCON之间;所述两端电容ind连接在所述VCOP和VCON之间;所述两端电容ind、可变电容Cvar1、Cvar2、固定电容C1、C2构成基本LC Tank;
所述Mp1和所述Mp2交叉耦合形成负阻,所述Mp1的栅极连接所述Mp2的漏极,所述Mp1的漏极连接所述MP2的栅极;所述Mp1的源极和所述Mp2的源极均与所述Mp3的漏极、所述Mp4的漏极连接;所述Mp1的漏极连接所述输出节点VCOP;所述Mp2的漏极连接所述输出节点VCON;所述Mp1、Mp2的衬底均接地;
所述Mn1与所述Mn2交叉耦合形成负阻,所述Mn1的栅极连接所述Mn2的漏极;所述Mn1的漏极连接所述Mn2的栅极;所述Mn1的漏极连接所述VCOP;所述Mn2的漏极连接所述VCON;所述Mn1源极、Mn1的衬底、Mn2的源极、Mn2的衬底均接地;
所述Cc1连接在所述VCOP和所述Mp3的栅极之间,所述Cc2连接在所述VCON和所述Mp4之间;
所述Mp3的源极、Mp4的源极、Mp3的衬底、Mp4的衬底均与电源Vdd相连;所述Mp3的栅极连接所述电阻R1的一端,所述电阻R1的另一端连接尾电流源偏置电压Vbias,所述电阻R2的一端连接所述Mp4的栅极,所述电阻R2的另一端连接所述尾电流源偏置电压Vbias。
优选地,所述固定电容C1和C2的电容大小相等。
优选地,所述可变电容Cvar1、Cvar2的尺寸相同。
(三)有益效果
本发明提供了一种低相位噪声LC-VCO,本发明采用尾电流源动态切换技术,减小了交叉耦合负阻MOS管的电流波形占空比,而且减少了尾电流源MOS管陷阱的产生,从而降低LC-VCO的相位噪声;另外,本发明将交叉耦合负阻PMOS的衬底接到地,从而降低了交叉耦合PMOS的阈值电压,使得负阻提供的电流增大,LC-VCO的相位噪声降低。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为传统LC-VCO的电路图;
图2为本发明的一个较佳实施例的一种低相位噪声LC-VCO的电路图;
图3a为传统LC-VCO在振荡频率为5GHz时的相位噪声仿真结果示意图;
图3b为只采用本发明提出的尾电流源动态切换技术的电路在振荡频率为5GHz时的相位噪声仿真结果示意图;
图3c为本发明的一种低相位噪声LC-VCO在在振荡频率为5GHz时的相位噪声仿真结果示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明,但不能用来限制本发明的范围。
图2为本发明的一个较佳实施例的一种低相位噪声LC-VCO的电路图;所述一种低相位噪声LC-VCO包括PMOS管Mp1、Mp2、Mp3、Mp4;NMOS管Mn1、Mn2;固定电容C1、C2、Cc1、Cc2;可变电容Cvar1、Cvar2;两端电感ind;电阻R1、R2;
所述可变电容Cvar1、Cvar2的阳极均连接电容调节电压Vtune,所述固定电容C1连接在所述Cvar1的阴极与输出节点VCOP之间;所述固定电容C2连接在所述Cvar2的阴极与输出节点VCON之间;所述两端电容ind连接在所述VCOP和VCON之间;所述两端电容ind、可变电容Cvar1、Cvar2、固定电容C1、C2构成基本LC Tank;
所述Mp1和所述Mp2交叉耦合形成负阻,所述Mp1的栅极连接所述Mp2的漏极,所述Mp1的漏极连接所述MP2的栅极;所述Mp1的源极和所述Mp2的源极均与所述Mp3的漏极、所述Mp4的漏极连接;所述Mp1的漏极连接所述输出节点VCOP;所述Mp2的漏极连接所述输出节点VCON;所述Mp1、Mp2的衬底均接地;
所述Mn1与所述Mn2交叉耦合形成负阻,所述Mn1的栅极连接所述Mn2的漏极;所述Mn1的漏极连接所述Mn2的栅极;所述Mn1的漏极连接所述VCOP;所述Mn2的漏极连接所述VCON;所述Mn1源极、Mn1的衬底、Mn2的源极、Mn2的衬底均接地;
所述Cc1连接在所述VCOP和所述Mp3的栅极之间,所述Cc2连接在所述VCON和所述Mp4之间;所述Mp3的源极、Mp4的源极、Mp3的衬底、Mp4的衬底均与电源Vdd相连;所述Mp3的栅极连接所述电阻R1的一端,所述电阻R1的另一端连接尾电流源偏置电压Vbias,所述电阻R2的一端连接所述Mp4的栅极,所述电阻R2的另一端连接所述尾电流源偏置电压Vbias。
上述固定电容C1和C2的电容大小相等。上述可变电容Cvar1、Cvar2的尺寸相同。
本发明所提出的尾电流源切换技术,即通过所述固定电容Cc1和Cc2将所述基本LC Tank耦合到两个并联的尾电流源MOS管(Mp3和Mp4)的栅极,所述Mp3和Mp4的栅源电压可以表示为:
其中,Vgs为Mp3和Mp4的直流栅源电压,等于Vbias-Vdd,Vbias为尾电流源栅极偏置电压,A表示LC-VCO差分振荡信号,即VCOP和VCON通过电容Cc1和Cc2耦合到Mp3和Mp4栅极上的幅度,ω表示LC-VCO的角频率,表示相移。由公式(1)可以计算出通过尾电流源总电流的大小,表示如下:
其中,β是导电因子,Vth是阈值电压。从表达式可以看出,总的尾电流源流过电流大小在本来偏置β[(|Vgs|-|Vth|)2]的基础上增加了一部分,即可以看出,增加的部分与振荡频率是余弦函数的平方关系。那么,在LC-VCO的差分电压波形相交处,正好所以,此时Itail=β[(|Vgs|-|Vth|)2],即在LC-VCO的差分电压波形相交处流过尾电流源电流的大小最小,即流过交叉耦合PMOS管Mp1和Mp2的电流最小,则表明流过Mp1和Mp2的电流占空比减小,这样有助于减小交叉耦合PMOS管带来的相位噪声。而且,在LC-VCO的差分电压波形相交处,压控振荡器最容易受到噪声干扰,而本发明提出的方案能有效减小此时的电流,从而减小噪声。另外,相对于传统的固定偏置尾电流源,本发明所提出的方案中采用了交替导通的两个尾电流源,因此,可以减少偏置电压引起的陷阱产生,从而降低尾电流源带来的闪烁噪声。
如果能提高交叉耦合负阻提供给LC Tank振荡所需的能量,则LC-VCO的相位噪声能有效降低。在本发明所提出的方案中,对于单N阱CMOS工艺,由于PMOS是做在N阱里,因此可以对每个PMOS单独施加衬底电压。本发明中将交叉耦合的PMOS管Mp1和Mp2的衬底接到地,从而降低了Mp1和Mp2的阈值电压,因此,交叉耦合PMOS负阻可以为LC Tank提供更大的能量,从而降低LC-VCO的相位噪声。
本发明的一种低相位噪声LC-VCO的仿真结果及分析。
利用SPECTRE对上面的电路进行仿真,该仿真实验基于SMIC65nm CMOS工艺,电源电压1.2V。
对于图1中的传统结构,电路振荡在5GHz时,频偏1MHz处的相位噪声为-106.6dBc/Hz,如图3a所示,采用了本发明中提出的尾电流源动态切换技术后,振荡在5GHz时,频偏1MHz处的相位噪声为-112dBc/Hz,如图3b所示,相对于图1所示的传统结构,相位噪声降低了5.4dB。
图2为本发明的一个较佳实施例的一种低相位噪声LC-VCO的电路图;其中采用了尾电流源动态切换技术和交叉耦合PMOS管衬底接地方法,对图2进行仿真,电路工作在5GHz时,频偏1MHz处的相位噪声为-116.8dBc/Hz,如图3c所示,相对于只采用尾电流源动态切换技术,相位噪声降低了4.8dB,即说明了将交叉耦合负阻PMOS管的衬底接地后,相位噪声降低了4.8dB。
综上所述,本发明的一种低相位噪声LC-VCO的结构,采用了尾电流源动态切换技术,可以减小交叉耦合负阻PMOS的电流波形占空比,并减少尾电流源MOS管陷阱的产生,从而有效降低LC-VCO的相位噪声。另外,本发明方案中将交叉耦合PMOS的衬底接地,减小了PMOS管阈值电压,增大了交叉耦合负阻提供给LC Tank的能量,从而降低了LC-VCO的相位噪声。
以上实施方式仅用于说明本发明,而非对本发明的限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明,本领域的普通技术人员应当理解,对本发明的技术方案进行各种组合、修改或者等同替换,都不脱离本发明技术方案的精神和范围,均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (3)
1.一种低相位噪声LC-VCO,其特征在于,所述一种低相位噪声LC-VCO包括PMOS管Mp1、Mp2、Mp3、Mp4;NMOS管Mn1、Mn2;固定电容C1、C2、Cc1、Cc2;可变电容Cvar1、Cvar2;两端电感ind;电阻R1、R2;
所述可变电容Cvar1、Cvar2的阳极均连接电容调节电压Vtune,所述固定电容C1连接在所述Cvar1的阴极与输出节点VCOP之间;所述固定电容C2连接在所述Cvar2的阴极与输出节点VCON之间;所述两端电容ind连接在所述VCOP和VCON之间;所述两端电容ind、可变电容Cvar1、Cvar2、固定电容C1、C2构成基本LC Tank;
所述Mp1和所述Mp2交叉耦合形成负阻,所述Mp1的栅极连接所述Mp2的漏极,所述Mp1的漏极连接所述MP2的栅极;所述Mp1的源极和所述Mp2的源极均与所述Mp3的漏极、所述Mp4的漏极连接;所述Mp1的漏极连接所述输出节点VCOP;所述Mp2的漏极连接所述输出节点VCON;所述Mp1、Mp2的衬底均接地;
所述Mn1与所述Mn2交叉耦合形成负阻,所述Mn1的栅极连接所述Mn2的漏极;所述Mn1的漏极连接所述Mn2的栅极;所述Mn1的漏极连接所述VCOP;所述Mn2的漏极连接所述VCON;所述Mn1源极、Mn1的衬底、Mn2的源极、Mn2的衬底均接地;
所述Cc1连接在所述VCOP和所述Mp3的栅极之间,所述Cc2连接在所述VCON和所述Mp4之间;
所述Mp3的源极、Mp4的源极、Mp3的衬底、Mp4的衬底均与电源Vdd相连;所述Mp3的栅极连接所述电阻R1的一端,所述电阻R1的另一端连接尾电流源偏置电压Vbias,所述电阻R2的一端连接所述Mp4的栅极,所述电阻R2的另一端连接所述尾电流源偏置电压Vbias。
2.根据权利要求1所述的一种低相位噪声LC-VCO,其特征在于,所述固定电容C1和C2的电容大小相等。
3.根据权利要求1所述的一种低相位噪声LC-VCO,其特征在于,所述可变电容Cvar1、Cvar2的尺寸相同。
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