CN105071773A - 一种尾流反馈宽调谐压控振荡器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种尾流反馈宽调谐压控振荡器，包括1个振荡核心电路，1个尾流阵列电路和2个结构完全相同的输出驱动电路。振荡核心电路跨接在第一输出驱动电路和第二输出驱动电路之间。第一输出驱动电路形成振荡器的一个输出端，第二输出驱动电路形成振荡器的另一个输出端。尾流阵列电路的一端分别连接偏置电压和第一输出驱动电路。尾流阵列电路的另一端分别连接偏置电压和第二输出驱动电路。采用了随同开关电容接入变化的尾流源阵列，使压控振荡器在宽的调谐范围内都能具有较好相位噪声性能；同时通过隔直电容从输出驱动漏极为主尾流管NM21、NM22的栅极提供反馈偏置，减小了尾流管引入的闪烁噪声，进一步优化了相位噪声性能。
Description
技术领域
本发明属于集成电路设计领域，具体涉及一种尾流反馈宽调谐压控振荡器。
背景技术
压控振荡器(VCO,VoltageControlledOscillator)作为时钟恢复、锁相环以及频率综合器等电路的重要模块，广泛应用于手机、军事通信***、卫星通信终端、无线数字通信等电子***中。振荡器电路结构普遍有两种：环行振荡器和LC振荡器。由于LC振荡器电路结构简单，具有较高的相位噪声性能，所以在高性能片上***中得到了最广泛的应用。
在传统的差分负阻压控振荡器中，尾流管对相位噪声有着非常大的影响，特别是在较小的频率偏移量的情况下。2001年，E.Hegazi等人在文献AfilteringtechniquetolowerLCoscillatorphasenoise中提出了几种方法来抑制尾流源带来的噪声，其中一种是噪声滤波技术。该技术通过滤除振荡频率的二次谐波改善了相位噪声性能，但是引入了额外的电感，增大了芯片面积，同时也不能确定其是否减少了闪烁噪声对相位噪声的贡献。在L.Fanori,P.Andreani的文献A2.5-to-3.3GHzCMOSClass-DVCO中，通过去掉尾流源降低相位噪声，但是负阻管的闪烁噪声会直接注入谐振腔，同时使得振荡器对电源噪声敏感，这影响了相位噪声的性能。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种尾流反馈宽调谐压控振荡器，其能够有效减小尾流管的闪烁噪声。
为解决上述问题，本发明是通过以下技术方案实现的：
一种尾流反馈宽调谐压控振荡器，包括振荡器本体，其中振荡器本体包括1个振荡核心电路和2个结构完全相同的输出驱动电路；振荡核心电路的两端分别连接第一输出驱动电路和第二输出驱动电路；第一输出驱动电路形成振荡器本体的一个输出端，第二输出驱动电路形成振荡器本体的另一个输出端；其中振荡核心电路包括若干条并联的开关电容支路；其不同之处是，还进一步包括1个尾流阵列电路；其中尾流阵列电路包括若干条并联的尾流支路，且尾流支路的个数与开关电容支路的个数相同；该尾流阵列电路的一端同时连接第一输出驱动电路和外部偏置电压Vb，尾流阵列电路的另一端同时连接第二输出驱动电路和外部偏置电压Vb。
上述尾流阵列电路包括2个尾流源NMOS晶体管和若干条并联的尾流支路。第一尾流源NMOS晶体管NM22与第二尾流源NMOS晶体管NM21的漏极相连后，再与连接第一振荡NMOS晶体管NM1和第二振荡NMOS晶体管NM2的源极相接；第一尾流源NMOS晶体管NM22与第二尾流源NMOS晶体管NM21的源极相连后，再电性接地；第一尾流源NMOS晶体管NM22的栅极分为2路，一路连接第一输出驱动电路，一路接偏置电压Vb；第二尾流源NMOS晶体管NM21的栅极分为2路，一路连接第二输出驱动电路，一路接偏置电压Vb；尾流支路的条数与开关电容支路的条数相同；每一条尾流支路包括3个尾流NMOS晶体管和1个反相器；反相器的输入端和第二尾流NMOS晶体管的栅极同时连接相应的控制电压；第二尾流NMOS晶体管的源极接直流偏置电压Vb；第二尾流NMOS晶体管的漏极、第一尾流NMOS晶体管的栅极与第三尾流NMOS晶体管的漏极相连接；反相器的输出端接第三尾流NMOS晶体管的栅极；第一尾流NMOS晶体管的漏极连接第一振荡NMOS晶体管NM1和第二振荡NMOS晶体管NM2的源极；第一尾流NMOS晶体管和第三尾流NMOS晶体管的源极电性接地。
上述振荡核心电路包括负阻振荡单元、开关电容阵列单元、谐振电感ind和可变电容支路。负阻振荡单元包括交叉耦合的第一振荡NMOS晶体管NM1和第二振荡NMOS晶体管NM2，以及第一振荡PMOS晶体管PM1和第二振荡PMOS晶体管PM2；第一振荡PMOS晶体管PM1和第一振荡NMOS晶体管NM1的漏极相连后，连接第一输出驱动电路；第二振荡PMOS晶体管PM2和第二振荡NMOS晶体管NM2的漏极相连后，连接第二输出驱动电路；第一振荡PMOS晶体管PM1和第二振荡PMOS晶体管PM2的源极接电源；第一振荡NMOS晶体管NM1和第二振荡NMOS晶体管NM2的源极接尾流阵列电路。谐振电感ind的一端与第二振荡PMOS晶体管PM2和第二振荡NMOS晶体管NM2的漏极相连，另一端与第一振荡PMOS晶体管PM1和第一振荡NMOS晶体管NM1的漏极相连。开关电容阵列单元包括若干条并联的开关电容支路，每一条开关电容支路均包括开关NMOS晶体管、2个容值相等的开关电容和2个阻值相等的开关电阻；开关NMOS晶体管的栅极连接相应的控制电压；2个开关电容中的一个开关电容的一端连接开关NMOS晶体管的源极，另一端与第二振荡PMOS晶体管PM2和第二振荡NMOS晶体管NM2的漏极相连；2个开关电容中的另一个开关电容的一端连接开关NMOS晶体管的漏极，另一端与第一振荡PMOS晶体管PM1和第一振荡NMOS晶体管NM1的漏极相连；2个开关电阻中的一个开关电阻的一端连接开关NMOS晶体管的源极，另一端电性接地；2个开关电阻中的另一个开关电阻的一端连接开关NMOS晶体管的漏极，另一端电性接地。可变电容支路包括第一可变电容Cv1和第二可变电容Cv2；第一可变电容Cv1和第二可变电容Cv2串联后，其一端与第二振荡PMOS晶体管PM2和第二振荡NMOS晶体管NM2的漏极相连，另一端与第一振荡PMOS晶体管PM1和第一振荡NMOS晶体管NM1的漏极相连；第一可变电容Cv1和第二可变电容Cv2的相连端与调谐电压Vtune相连。
每个输出驱动电路均包括1个驱动NMOS晶体管、1个驱动PMOS晶体管、2个驱动电容和1个驱动电阻；驱动PMOS晶体管的源极接电源；驱动NMOS晶体管的源极电性接地；驱动NMOS晶体管和驱动PMOS晶体管的栅极相连后，经一驱动电容与振荡核心电路相连；驱动NMOS晶体管和驱动PMOS晶体管的漏极相连后分为2路，一路经另一驱动电容后形成振荡器本体的输出端，另一路接尾流阵列电路；驱动电阻的一端连接驱动NMOS晶体管和驱动PMOS晶体管的漏极，另一端连接驱动NMOS晶体管和驱动PMOS晶体管的栅极。
所述开关电容支路和尾流支路均为4条，其中4条开关电容支路的开关电容的容值之比为1:2:4:8，这4条开关电容支路的开关电阻的阻值相等。
本发明提出了一种可提高宽调谐范围的压控振荡器相位噪声性能的尾流源结构，采用了随同开关电容接入变化的尾流源阵列，使压控振荡器在宽的调谐范围内都能具有较好相位噪声性能；同时通过隔直电容从输出驱动漏极为主尾流管NM21、NM22的栅极提供反馈偏置，减小了尾流管引入的闪烁噪声，进一步优化了相位噪声性能。
与现有技术相比，本发明具有如下特点：
1、提出了一种新的带尾流反馈的尾流源阵列结构，该电路在不显著增加芯片面积的情况下，在2GHz的宽调谐范围内，达到较好的相位噪声性能；
2、将宽调谐范围分为16个连续的子频带，尾流阵列使每个子频带都工作在最佳电流，提高噪声性能。
附图说明
图1是一种尾流反馈宽调谐压控振荡器的电路的结构图；
图2是一种尾流反馈宽调谐压控振荡器的调谐曲线图。
具体实施方式
一种尾流反馈宽调谐压控振荡器，如图1所示，包括1个振荡核心电路，2个输出驱动电路和1个尾流阵列电路。振荡核心电路的两端分别连接第一输出驱动电路和第二输出驱动电路。第一输出驱动电路形成振荡器本体的一个输出端，第二输出驱动电路形成振荡器本体的另一个输出端。尾流阵列电路的一端同时连接偏置电压和第一输出驱动电路，尾流阵列电路的另一端同时连接偏置电压和第二输出驱动电路。
上述振荡核心电路用于实现谐振频率的粗调与细调。振荡核心电路包括负阻振荡单元、开关电容阵列单元、谐振电感ind、以及可变电容支路。
负阻振荡单元包括交叉耦合的第一振荡NMOS晶体管NM1和第二振荡NMOS晶体管NM2，以及第一振荡PMOS晶体管PM1和第二振荡PMOS晶体管PM2。第一振荡PMOS晶体管PM1和第一振荡NMOS晶体管NM1的漏极相连后，连接第一输出驱动电路。第二振荡PMOS晶体管PM2和第二振荡NMOS晶体管NM2的漏极相连后，连接第二输出驱动电路。第一振荡PMOS晶体管PM1和第二振荡PMOS晶体管PM2的源极接电源。第一振荡NMOS晶体管NM1和第二振荡NMOS晶体管NM2的源极接尾流阵列电路。
谐振电感ind的一端与第二振荡PMOS晶体管PM2和第二振荡NMOS晶体管NM2的漏极相连，另一端与第一振荡PMOS晶体管PM1和第一振荡NMOS晶体管NM1的漏极相连。
开关电容阵列单元包括若干条并联的开关电容支路，每一条开关电容支路均包括开关NMOS晶体管、2个容值相等的开关电容和2个阻值相等的开关电阻。开关NMOS晶体管的栅极连接相应的控制电压a、b、c或d。2个开关电容中的一个开关电容的一端连接开关NMOS晶体管的源极，另一端与第二振荡PMOS晶体管PM2和第二振荡NMOS晶体管NM2的漏极相连。2个开关电容中的另一个开关电容的一端连接开关NMOS晶体管的漏极，另一端与第一振荡PMOS晶体管PM1和第一振荡NMOS晶体管NM1的漏极相连。2个开关电阻中的一个开关电阻的一端连接开关NMOS晶体管的源极，另一端电性接地。2个开关电阻中的另一个开关电阻的一端连接开关NMOS晶体管的漏极，另一端电性接地。在本发明中，一个开关电容阵列单元包括4条开关电容支路，这4条开关电容支路的开关电容的容值之比为1:2:4:8，这4条开关电容支路的开关电阻的阻值相等。开关电容阵列单元与谐振电感ind并联，并按照指定的规律(控制电压a、b、c或d)改变自身电容值，以对振荡核心电路的谐振频率进行粗调。
可变电容支路包括第一可变电容Cv1和第二可变电容Cv2。第一可变电容Cv1和第二可变电容Cv2串联后，其一端与第二振荡PMOS晶体管PM2和第二振荡NMOS晶体管NM2的漏极相连，另一端与第一振荡PMOS晶体管PM1和第一振荡NMOS晶体管NM1的漏极相连。第一可变电容Cv1和第二可变电容Cv2的相连端与调谐电压Vtune相连。可变电容支路与谐振电感ind并联，并根据一调谐电压Vtune的变化改变自身容值，以对振荡核心电路的谐振频率进行细调。
上述尾流阵列电路通过数控控制位使得接入电流随接入电容变化，实现较好的相位噪声。尾流阵列电路包括2个尾流源NMOS晶体管和若干条并联的尾流支路。第一尾流源NMOS晶体管NM22与第二尾流源NMOS晶体管NM21的漏极相连后，再与连接第一振荡NMOS晶体管NM1和第二振荡NMOS晶体管NM2的源极相接。第一尾流源NMOS晶体管NM22与第二尾流源NMOS晶体管NM21的源极相连后，再电性接地。第一尾流源NMOS晶体管NM22的栅极分为2路，一路经一电容C14连接第一输出驱动电路，一路经一电阻R11接偏置电压Vb。第二尾流源NMOS晶体管NM21的栅极分为2路，一路经另一电容C13连接第二输出驱动电路，一路经另一电阻R12接偏置电压Vb。尾流支路的条数与开关电容支路的条数相同。每一条尾流支路包括3个尾流NMOS晶体管和1个反相器。反相器的输入端和第二尾流NMOS晶体管的栅极同时连接相应的控制电压a、b、c或d。第二尾流NMOS晶体管的源极接直流偏置电压Vb。第二尾流NMOS晶体管的漏极、第一尾流NMOS晶体管的栅极与第三尾流NMOS晶体管的漏极相连接。反相器的输出端接第三尾流NMOS晶体管的栅极。第一尾流NMOS晶体管的漏极连接第一振荡NMOS晶体管NM1和第二振荡NMOS晶体管NM2的源极。第一尾流NMOS晶体管和第三尾流NMOS晶体管的源极电性接地。第二尾流NMOS晶体管和第三尾流NMOS晶体管作为MOS开关工作在相反的开关状态，以此来控制尾流管NM9的导通与关断。
2个输出驱动电路的结构完全相同，每个输出驱动电路均包括1个驱动NMOS晶体管、1个驱动PMOS晶体管、2个驱动电容和1个驱动电阻。驱动PMOS晶体管的源极接电源。驱动NMOS晶体管的源极电性接地。驱动NMOS晶体管和驱动PMOS晶体管的栅极相连后，经一驱动电容与振荡核心电路相连。驱动NMOS晶体管和驱动PMOS晶体管的漏极相连后分为2路，一路经另一驱动电容后形成输出信号(outL+或outL-)的输出端，另一路接尾流阵列电路。驱动电阻的一端连接驱动NMOS晶体管和驱动PMOS晶体管的漏极，另一端连接驱动NMOS晶体管和驱动PMOS晶体管的栅极。
本发明提到的压控振荡器工作原理如下，差分互补MOS管LC压控振荡器起振条件必需满足
式中，Rp为LC谐振电路的并联等效电阻，gmn为NMOS负阻管的跨导，gmp为PMOS负阻管的跨导，电流源提供的电流在PMOS对管和NMOS对管之间得到复用，降低电路的功耗；NM1,NM2管与PM1,PM2管的负跨导可以补偿振荡中的电路损耗，为振荡提供能量。压控电压Vtune控制可变电容Cv，达到控制振荡频率的目的；如图2所示采用四位二进制加权开关电容阵列实现的频率的粗调谐，减小了数字控制信号的位数，a、b、c、d是四位数字控制信号，将整个频率范围划分为16个子频带。由于每一个子频带需要的电流大小不同，尾流阵列可以使每一个子频带都工作在合适的电流，达到较好的相位噪声。设1.8V为高电平1,低电平为0，当a、b、c、d取值为1111时，振荡器输出频带为图2最低位置的对应曲线；取值全部为0000时，振荡器输出频带为图2最高位置的对应曲线；当a、b、c、d取1111时，振荡器需要电流最大，尾流阵列全部导通接入；当取值全部为0000时振荡器需要的电流最小，尾流阵列全部关断，电流仅由NM21、NM22提供。
需要强调的是：以上仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (4)
1.一种尾流反馈宽调谐压控振荡器，包括振荡器本体，其中振荡器本体包括1个振荡核心电路和2个结构完全相同的输出驱动电路；振荡核心电路的两端分别连接第一输出驱动电路和第二输出驱动电路；第一输出驱动电路形成振荡器本体的一个输出端，第二输出驱动电路形成振荡器本体的另一个输出端；其中振荡核心电路包括若干条并联的开关电容支路；其特征在于：还进一步包括1个尾流阵列电路；其中尾流阵列电路包括若干条并联的尾流支路，且尾流支路的个数与开关电容支路的个数相同；该尾流阵列电路的一端同时连接第一输出驱动电路和外部偏置电压Vb，尾流阵列电路的另一端同时连接第二输出驱动电路和外部偏置电压Vb。
2.根据权利要求1所述的一种尾流反馈宽调谐压控振荡器，其特征在于：上述尾流阵列电路包括2个尾流源NMOS晶体管和若干条并联的尾流支路；
第一尾流源NMOS晶体管NM22与第二尾流源NMOS晶体管NM21的漏极相连后，再与连接第一振荡NMOS晶体管NM1和第二振荡NMOS晶体管NM2的源极相接；第一尾流源NMOS晶体管NM22与第二尾流源NMOS晶体管NM21的源极相连后，再电性接地；第一尾流源NMOS晶体管NM22的栅极分为2路，一路连接第一输出驱动电路，一路接偏置电压Vb；第二尾流源NMOS晶体管NM21的栅极分为2路，一路连接第二输出驱动电路，一路接偏置电压Vb；尾流支路的条数与开关电容支路的条数相同；每一条尾流支路包括3个尾流NMOS晶体管和1个反相器；反相器的输入端和第二尾流NMOS晶体管的栅极同时连接相应的控制电压；第二尾流NMOS晶体管的源极接直流偏置电压Vb；第二尾流NMOS晶体管的漏极、第一尾流NMOS晶体管的栅极与第三尾流NMOS晶体管的漏极相连接；反相器的输出端接第三尾流NMOS晶体管的栅极；第一尾流NMOS晶体管的漏极连接第一振荡NMOS晶体管NM1和第二振荡NMOS晶体管NM2的源极；第一尾流NMOS晶体管和第三尾流NMOS晶体管的源极电性接地。
3.根据权利要求1所述的一种尾流反馈宽调谐压控振荡器，其特征在于：上述振荡核心电路包括负阻振荡单元、开关电容阵列单元、谐振电感ind和可变电容支路；
负阻振荡单元包括交叉耦合的第一振荡NMOS晶体管NM1和第二振荡NMOS晶体管NM2，以及第一振荡PMOS晶体管PM1和第二振荡PMOS晶体管PM2；第一振荡PMOS晶体管PM1和第一振荡NMOS晶体管NM1的漏极相连后，连接第一输出驱动电路；第二振荡PMOS晶体管PM2和第二振荡NMOS晶体管NM2的漏极相连后，连接第二输出驱动电路；第一振荡PMOS晶体管PM1和第二振荡PMOS晶体管PM2的源极接电源；第一振荡NMOS晶体管NM1和第二振荡NMOS晶体管NM2的源极接尾流阵列电路；
谐振电感ind的一端与第二振荡PMOS晶体管PM2和第二振荡NMOS晶体管NM2的漏极相连，另一端与第一振荡PMOS晶体管PM1和第一振荡NMOS晶体管NM1的漏极相连；
开关电容阵列单元包括若干条并联的开关电容支路，每一条开关电容支路均包括开关NMOS晶体管、2个容值相等的开关电容和2个阻值相等的开关电阻；开关NMOS晶体管的栅极连接相应的控制电压；2个开关电容中的一个开关电容的一端连接开关NMOS晶体管的源极，另一端与第二振荡PMOS晶体管PM2和第二振荡NMOS晶体管NM2的漏极相连；2个开关电容中的另一个开关电容的一端连接开关NMOS晶体管的漏极，另一端与第一振荡PMOS晶体管PM1和第一振荡NMOS晶体管NM1的漏极相连；2个开关电阻中的一个开关电阻的一端连接开关NMOS晶体管的源极，另一端电性接地；2个开关电阻中的另一个开关电阻的一端连接开关NMOS晶体管的漏极，另一端电性接地；
可变电容支路包括第一可变电容Cv1和第二可变电容Cv2；第一可变电容Cv1和第二可变电容Cv2串联后，其一端与第二振荡PMOS晶体管PM2和第二振荡NMOS晶体管NM2的漏极相连，另一端与第一振荡PMOS晶体管PM1和第一振荡NMOS晶体管NM1的漏极相连；第一可变电容Cv1和第二可变电容Cv2的相连端与调谐电压Vtune相连。
4.根据权利要求1所述的一种尾流反馈宽调谐压控振荡器，其特征在于：每个输出驱动电路均包括1个驱动NMOS晶体管、1个驱动PMOS晶体管、2个驱动电容和1个驱动电阻；驱动PMOS晶体管的源极接电源；驱动NMOS晶体管的源极电性接地；驱动NMOS晶体管和驱动PMOS晶体管的栅极相连后，经一驱动电容与振荡核心电路相连；驱动NMOS晶体管和驱动PMOS晶体管的漏极相连后分为2路，一路经另一驱动电容后形成振荡器本体的输出端，另一路接尾流阵列电路；驱动电阻的一端连接驱动NMOS晶体管和驱动PMOS晶体管的漏极，另一端连接驱动NMOS晶体管和驱动PMOS晶体管的栅极。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |