CN108900163B - 一种低电源灵敏度的电感电容压控振荡器及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种低电源灵敏度的电感电容压控振荡器及其应用，基于现有的电感电容压控振荡器，现有的电感电容压控振荡器设置有两个可变电容Cvar，所述低电源灵敏度的电感电容压控振荡器还包括两个可变电容补偿电路；两个可变电容补偿电路分别设置有一个补偿可变电容Cc，两个补偿可变电容Cc能够分别与两个可变电容Cvar互补。本发明的电感电容压控振荡器通过在传统LC VCO的输出端增加一对可变电容，可增加LC VCO对电源电压的抗干扰能力，可减少LC VCO的电源灵敏度；采用电容结构进行补偿，不会引入额外功耗。

Description

一种低电源灵敏度的电感电容压控振荡器及其应用
技术领域
本发明属于电感电容压控振荡器技术领域，特别涉及一种低电源灵敏度的电感电容压控振荡器及其应用。
背景技术
随着5G通信时代的到来，对有线和无线通信的要求和挑战日益增加。通信***中所有的设备和器件都必须以较以往更高的速率运行，这就需要更高频率的时钟信号。压控振荡器(VCO)被广泛应用为作为产生时钟信号的关键模块或作为本地振荡器(LO)来驱动无线收发器的混频器模块。为了获得纯净的时钟频谱从而保证较好的信号完整性，必须确保时钟信号具有非常低的抖动(jitter)。相位噪声作为引起时钟抖动的一个物理量被广泛的研究和关注，从而通过优化相位噪声来减小随机抖动。除了随机抖动之外，随着晶体管的特征尺寸按照摩尔定律逐年递减，单个芯片上集成越来越多的数字电路模块，这导致开关噪声叠加在电源上并对VCO输出频率进行调制，会引起周期性抖动(periodic jitter)的恶化，抗电源干扰的VCO成为降低周期性抖动的一种重要的技术途径和趋势。
LC VCO作为内部时钟模块，关键是要具有较低的相位噪声和较低的电源灵敏度。传统的LC VCO结构如图1所示，其中，偏置电流ISS一般被认为是不受电源(VDD)影响的常数。LC VCO的LC谐振腔主要由螺旋电感L，晶体管M1/M2的漏极-衬底寄生电容CCdb，栅极-漏极寄生电容Cgd，栅极-源极寄生电容Cgs，来自下一级的负载电容CL；控制电压Vcont控制的可变电容Cvar，受N型晶体管开关控制的MIM(metal-insulator-metal)电容CM以及N型晶体管开关M5/M6的漏极-衬底寄生电容CSdb构成。N型晶体管开关M5/M6由数字信号B0来控制其关断与导通，从而起到增加振荡器的工作频率范围的作用。其中易受电源电压影响是电容CCdb、Cvar和N型晶体管开关M5/M6的漏极-衬底电容CSdb，这些电容随电源电压的变化将会导致输出频率的变化。通过仿真可知，电容CCdb、Cvar和CSdb对输出频率的影响分别如图2至图4所示。通过对比发现可变电容Cvar对输出频率的影响最大。其中，本发明所用的仿真数据均为在电源电压上面叠加一个频率为10MHz，幅值为15mV的正弦波后的仿真结果，该正弦波即为电源噪声。
目前，已有部分关于提高VCO的抗电源干扰性能的设计与研究工作。例如文献“A2.4-GHz LC-Tank VCO with Minimum Supply Pushing Regulation Technique,”(X.Wang，B.Bakkaloglu，IEEE Radio Frequency Integrated Circuits(RFIC)Symposium,pp.127-130,July 2007)使用低压差稳定器(LDO)来抑制VCO的电源噪声，其缺点是由于采用更高的电源电压和额外的电路导致了额外的功耗。文献“Design of CML RingOscillators with Low Supply Sensitivity，”(X.Gui，M.M.Green，IEEE Trans.onCircuits and Systems I,vol.60,July 2013,pp.1753-1763)和“A CML RingOscillator-Based Supply-Insensitive PLL With On-Chip Calibrations,”(X.Gui,P.Gao and Z.Chen,IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques,vol.63,no.1,pp.233-243,Jan.2015)在原有延迟单元上增加一路与原有RC时间常数调制相反的调制方式来降低环形振荡器对电源的敏感度。除此之外，有两种技术被用于降低LC VCO对电源的敏感度，一种采用共模电压调制技术用于降低LC VCO电源敏感度呈现在文献“Acalibration-free low-power supply-pushing reduction circuit(SPRC)for LCVCOs,”(M.Swilam,A.Naguib,B.Dupaix,W.Khalil and A.Fayed,2017IEEE InternationalSymposium on Circuits and Systems(ISCAS),Baltimore,MD,2017,pp.1-4)中；另一种是嵌入补偿电路来消除共模电平对振荡幅度的影响，从而降低LC VCO的电源灵敏度的方案在文献“An LC voltage-controlled oscillator with supply sensitivity compensationmethod,”(M.Radfar and M.M.Green,2017IEEE 60th International Midwest Symposiumon Circuits and Systems(MWSCAS),Boston,MA,2017,pp.799-802)中提出。但是，以上两种现有的降低LC VCO电源灵敏度的方案由于采用了额外电路，从而引入了额外的功耗和相位噪声。
发明内容
本发明的目的在于提供一种低电源灵敏度的电感电容压控振荡器及其应用，以解决上述存在的技术问题。本发明的电感电容压控振荡器通过在传统LC VCO的输出端增加一对可变电容，可增加LC VCO对电源电压的抗干扰能力，可减少LC VCO的电源灵敏度；采用电容结构进行补偿，不会引入额外功耗。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种低电源灵敏度的电感电容压控振荡器，基于现有的电感电容压控振荡器，现有的电感电容压控振荡器设置有两个可变电容Cvar，所述低电源灵敏度的电感电容压控振荡器还包括两个可变电容补偿电路；两个可变电容补偿电路分别设置有一个补偿可变电容Cc，两个补偿可变电容Cc能够分别与两个可变电容Cvar互补。
进一步的，两个可变电容补偿电路的结构相同，每个可变电容补偿电路均包括一个补偿可变电容Cc和隔直电容CD；每个补偿可变电容Cc的源/漏端均通过隔直电容CD与电感电容压控振荡器的输出端相连，补偿可变电容Cc的栅端与补偿电源Vc相连接。
进一步的，现有的电感电容压控振荡器的控制电压Vcont通过偏置电阻RD把可变电容Cvar的源/漏区域和补偿可变电容Cc的源/漏区域相连接。
进一步的，补偿可变电容Cc的栅极补偿电压Vc高于控制电压Vcont同时低于电源电压VDD。
进一步的，包括：晶体管M1、M2、M3、M4、M5和M6；电源电压VDD通过螺旋电感L分别与M1和M2的漏极连接，M1和M2的漏极分别与M2和M1的栅极连接，M1和M2的源极均与M3的漏极连接，M3的源极与M4的漏极连接，M3和M4的栅极分别接直流偏置，M4的源极接地；M1和M2的漏极分别通过电容CL接地；M1和M2的漏极分别连接可变电容Cvar的栅极，可变电容Cvar的源/漏区域分别连接控制电压Vcont，；M1和M2的漏极分别通过隔直电容CD连接补偿可变电容Cc的源/漏区域，Cc的栅极连接补偿电压VC，可变电容Cvar的源/漏区域和补偿可变电容Cc的源/漏区域通过偏置电阻RD相连接；M1和M2的漏极分别通过电容CM与M5和M6的漏极相连接，M5和M6的源极均接地，M5和M6的栅极均连接数字信号B0。
进一步的，可变电容Cvar和补偿可变电容Cc均为P型场效应晶体管电容。
任一种上述的低电源灵敏度的电感电容压控振荡器的制作方法，包括以下步骤：
A、将补偿可变电容Cc的一端连接补偿电源Vc，另一端通过隔直电容连接现有的电感电容压控振荡器的输出端；
B、通过偏置电阻RD把可变电容Cvar的源/漏区域和补偿可变电容Cc的源/漏区域相连接。
任一种上述的低电源灵敏度的电感电容压控振荡器的应用，所述低电源灵敏度的电感电容压控振荡器应用于锁相环中。
一种锁相环，包括任一种上述的低电源灵敏度的电感电容压控振荡器。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明的低电源灵敏度的电感电容压控振荡器，通过在传统LC VCO输出端增加一对补偿可变电容来增加其对电源电压的抗干扰能力，可减少LC VCO的电源灵敏度。本发明所采用的补偿方案仅仅在输出端增加一对可变电容，该补偿方案实现方式容易，结构简单；同时本发明的补偿方案只采用电容结构，不会消耗额外功耗，且在高频处几乎不会引入额外的相位噪声。
进一步的，可变电容Cvar和补偿可变电容CC都是具有一定比例尺寸的P型场效应晶体管(MOS)电容，在工艺、电压和温度变化的情况下，该补偿方案仍可正常工作，并且对电源电压的抗干扰能力几乎不变，即本发明的补偿方案具有很好的鲁棒性。
进一步的，LC VCO用于锁相环(PLL)中，LC VCO对整个PLL输出噪声的影响主要表现为高通特性，即LC VCO低频相位噪声对PLL输出信号的影响可以忽略，所以本发明采用的新结构的LC VCO和传统结构LC VCO相比，在锁相环的应用中相位噪声几乎没有影响。
附图说明
图1是一种现有的传统LC VCO结构的示意性电路图；
图2是基于图1中的LC VCO在没有可变电容和开关存在时进行仿真获得的电容CCdb对输出频率的影响示意图；
图3是基于图1中的LC VCO在没有开关但可变电容存在时进行仿真获得的电容Cvar对输出频率的影响示意图；
图4是基于图1中的LC VCO在有开关但可变电容不存在时进行仿真获得的电容CSdb对输出频率的影响示意图；
图5是本发明的一种低电源灵敏度的电感电容压控振荡器的示意性电路图；
图6是本发明的电感电容压控振荡器的可变电容的电容随VDD变化的示意图；
图7是本发明的电感电容压控振荡器的可变电容的变化率与VDD的变化关系图；
图8是本发明的电感电容压控振荡器的补偿可变电容与电源电压的关系图；
图9是本发明的电感电容压控振荡器的补偿可变电容变化率与电源电压的关系图；
图10是图1中传统的LC VCO的开关关断时的频率变化示意图；
图11是图5中本发明的LC VCO的开关关断时的频率变化示意图；
图12是图1中传统的LC VCO的开关导通时的频率变化示意图；
图13是图5中本发明的LC VCO的开关导通时的频率变化示意图；
图14是图1中传统的LC VCO的频率变化与控制电压Vcont对应关系示意图；
图15是图5中本发明的LC VCO的频率变化与控制电压Vcont对应关系示意图
图16是本发明的LC VCO与传统的LC VCO的相位噪声对应关系示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
参考图5，本发明的一种低电源灵敏度的电感电容压控振荡器，包括：传统的LCVCO结构和一对互补型的补偿可变电容。
传统的LC VCO结构如图1所示，其中，偏置电流ISS一般被认为是不受电源(VDD)影响的常数。LC VCO的LC谐振腔主要由螺旋电感L，晶体管M1/M2的漏极-衬底寄生电容CCdb，栅极-漏极寄生电容Cgd，栅极-源极寄生电容Cgs，来自下一级的负载电容CL；控制电压Vcont控制的可变电容Cvar，受N型晶体管开关控制的MIM(metal-insulator-metal)电容CM以及N型晶体管开关M5/M6的漏极-衬底寄生电容CSdb构成。N型晶体管开关M5/M6由数字信号B0来控制其关断与导通，从而起到增加振荡器的工作频率范围的作用。
本发明的低电源灵敏度的电感电容压控振荡器还包括两个可变电容补偿电路；两个可变电容补偿电路分别设置有一个补偿可变电容Cc，两个补偿可变电容Cc能够分别与两个可变电容Cvar互补。可变电容补偿电路包括补偿可变电容Cc和隔直电容CD；补偿可变电容Cc的源/漏端通过隔直电容CD与现有的电感电容压控振荡器的输出端相连，补偿可变电容Cc的栅端与补偿电源Vc相连接。现有的电感电容压控振荡器的控制电压Vcont通过偏置电阻RD把可变电容Cvar的源/漏区域和补偿可变电容Cc的源/漏区域相连接。补偿可变电容Cc的栅极补偿电压Vc高于控制电压Vcont同时低于电源电压VDD。具体为：本发明的LC VCO包括：晶体管M1、M2、M3、M4、M5和M6；电源电压VDD通过螺旋电感L分别与M1和M2的漏极连接，M1和M2的漏极分别与M2和M1的栅极连接，M1和M2的源极均与M3的漏极连接，M3的源极与M4的漏极连接，M3和M4的栅极分别与连接直流偏置，M4的源极接地；M1和M2的漏极分别通过电容CL接地；M1和M2的漏极分别连接可变电容Cvar的栅极，可变电容Cvar的源/漏区域分别连接控制电压Vcont，；M1和M2的漏极分别通过隔直电容CD连接补偿可变电容CC的源/漏区域，CC的栅极连接补偿电压VC，可变电容Cvar的源/漏区域和补偿可变电容Cc的源/漏区域通过偏置电阻RD相连接；M1和M2的漏极分别通过电容CM与M5和M6的漏极相连接，M5和M6的源极均接地，M5和M6的栅极均连接数字信号B0。可变电容Cvar和补偿可变电容Cc均为P型场效应晶体管电容。
本发明的低电源灵敏度的电感电容压控振荡器，通过增加一路互补电容电路，可增加LC VCO中可变电容对电源电压的抗干扰能力，使得本发明的LC VCO具有较低的电源灵敏度。本发明采用可变电容进行补偿，无需引入额外的电路，不会造成额外的功耗；本发明在高频处不会增加额外的相位噪声。
一种上述的低电源灵敏度的电感电容压控振荡器的制作方法，包括以下步骤：
A、将补偿可变电容Cc的一端连接补偿电源Vc，另一端通过隔直电容连接现有的电感电容压控振荡器的输出端；
B、通过偏置电阻RD把可变电容Cvar的源/漏区域和补偿可变电容Cc的源/漏区域相连接。
本发明的制作方法通过现有的传统LC VCO结构进行改造，制作方便，成本较低。
一种上述的低电源灵敏度的电感电容压控振荡器的应用，所述低电源灵敏度的电感电容压控振荡器应用于锁相环中。
一种锁相环，包括任一种上述的低电源灵敏度的电感电容压控振荡器。
本发明针对已有的振荡器存在的缺点和不足，提出了一种互补型的可变电容用来降低LC VCO电源灵敏度。本发明是通过采用电源敏感补偿技术，可增加可变电容对电源电压的抗干扰能力，进而减少LC VCO的电源灵敏度，且高频处不会增加额外的相位噪声；可用于射频集成电路设计领域；将互补电容技术应用于射频集成电路设计，可提高射频集成电路抗电源干扰的性能，可用于为高速和射频集成电路提供时钟信号。
本发明的工作原理
参考图5至图9，本发明的LC VCO的控制电压通过偏置电阻RD把Cvar的源/漏(S/D)区域和Cc相连接；Cc的栅极电压Vc必须高于Vcont同时低于VDD；CD为隔直电容。电源噪声对栅极处的可变电容Cvar和补偿可电容CC同时进行调制，而对可变电容Cvar和补偿可变电容CC的调制效应相反，如图6至图9所示；这意味着由可变电容Cvar贡献的负电源灵敏度完全被补偿可变电容Cc引起的正电源灵敏度所抵消，这被认为是互补型可变电容。另外，可变电容Cvar和补偿可变电容CC都采用具有一定比例尺寸的P型场效应晶体管(MOS)电容；在工艺、电压和温度的影响下两者具有类似电特性变化，从而实现了鲁棒的性能。
本发明的仿真分析
参考图10至图16，补偿前的为传统的LC VCO，补偿后的为本发明的LC VCO。当开关关闭时，补偿前后的频率变化如图10和图11所示。当开关导通时，补偿前后的频率变化如图12和图13所示。补偿前后的频率变化与控制电压Vcont的关系如图14和图15所示。通过仿真图可知，与传统LC VCO结构相比，本发明的LC VCO在较宽的工作频率范围内都实现了较低的电源灵敏度。补偿前后的LC VCO的相位噪声如图16所示。LC VCO补偿前后随工艺电压温度(PVT)的变化如表1所示，表1为本发明与传统结构在不同工艺角下的性能对比表。仿真结果显示，本发明的LC VCO的频率变化得到了明显降低。
通过表1可知，本发明的具有互补可变电容低电源灵敏度的LC VCO在PVT变化时电源灵敏度都能够降低93％以上。
表1、本发明与传统结构在不同工艺角下的性能对比表
Figure BDA0001703478220000091
本发明的LC VCO只是在低频处引入额外的相位噪声；LC VCO主要用于锁相环(PLL)中，而LC VCO对整个PLL输出噪声的影响主要表现为高通特性，即LC VCO低频相位噪声对PLL输出信号的影响可以忽略，所以本发明中采用的新结构和传统结构相比在锁相环的应用中相位噪声几乎没有影响，其应用于锁相环，能够使锁相环具有较低的电源敏感度。

Claims (7)

1.一种低电源灵敏度的电感电容压控振荡器，基于电感电容压控振荡器，现有的电感电容压控振荡器设置有两个可变电容Cvar，其特征在于，所述低电源灵敏度的电感电容压控振荡器还包括两个可变电容补偿电路；两个可变电容补偿电路分别设置有一个补偿可变电容Cc，两个补偿可变电容Cc能够分别与两个可变电容Cvar互补；
两个可变电容补偿电路的结构相同，每个可变电容补偿电路均包括一个补偿可变电容Cc和隔直电容CD；每个补偿可变电容Cc的源/漏端均通过隔直电容CD与电感电容压控振荡器的输出端相连，补偿可变电容Cc的栅端与补偿电源Vc相连接；
现有的电感电容压控振荡器的控制电压Vcont通过偏置电阻RD把可变电容Cvar的源/漏区域和补偿可变电容Cc的源/漏区域相连接。
2.根据权利要求1所述的一种低电源灵敏度的电感电容压控振荡器，其特征在于，补偿可变电容Cc的栅极补偿电压Vc高于控制电压Vcont同时低于电源电压VDD。
3.根据权利要求1所述的一种低电源灵敏度的电感电容压控振荡器，其特征在于，包括：晶体管M1、M2、M3、M4、M5和M6；
电源电压VDD通过螺旋电感L分别与M1和M2的漏极连接，M1和M2的漏极分别与M2和M1的栅极连接，M1和M2的源极均与M3的漏极连接，M3的源极与M4的漏极连接，M3和M4的栅极分别接直流偏置，M4的源极接地；
M1和M2的漏极分别通过电容CL接地；M1和M2的漏极分别连接可变电容Cvar的栅极，可变电容Cvar的源/漏区域分别连接控制电压Vcont，；M1和M2的漏极分别通过隔直电容CD连接补偿可变电容Cc的源/漏区域，Cc的栅极连接补偿电压VC，可变电容Cvar的源/漏区域和补偿可变电容Cc的源/漏区域通过偏置电阻RD相连接；
M1和M2的漏极分别通过电容CM与M5和M6的漏极相连接，M5和M6的源极均接地，M5和M6的栅极均连接数字信号B0。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的一种低电源灵敏度的电感电容压控振荡器，其特征在于，可变电容Cvar和补偿可变电容Cc均为P型场效应晶体管电容。
5.一种权利要求1至4中任一项所述的低电源灵敏度的电感电容压控振荡器的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
A、将补偿可变电容Cc的一端连接补偿电源Vc，另一端通过隔直电容连接现有的电感电容压控振荡器的输出端；
B、通过偏置电阻RD把可变电容Cvar的源/漏区域和补偿可变电容Cc的源/漏区域相连接。
6.一种权利要求1至4中任一项所述的低电源灵敏度的电感电容压控振荡器的应用，其特征在于，所述低电源灵敏度的电感电容压控振荡器应用于锁相环中。
7.一种锁相环，其特征在于，包括权利要求1至4中任一项所述的低电源灵敏度的电感电容压控振荡器。
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