CN115549591A - 基于碳纳米管场效应晶体管的压控振荡器 - Google Patents

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CN115549591A CN202211285072.6A CN202211285072A CN115549591A CN 115549591 A CN115549591 A CN 115549591A CN 202211285072 A CN202211285072 A CN 202211285072A CN 115549591 A CN115549591 A CN 115549591A
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张志勇
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Peking University
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Abstract

本发明涉及一种基于碳纳米管场效应晶体管的压控振荡器，属于振荡器技术领域，该压控振荡器包括：包含n个延迟单元的延迟单元组和包含n个变容器单元的变容器单元组，延迟单元组的各个延迟单元形成反馈回路，延迟单元组的各单元的输出端分别通过对应的变容器单元组的各单元连接至控制电压Vctrl输出端，延迟单元组的各单元的供电端分别连接至VDD端；延迟单元组的各单元中相关器件与对应的变容器单元组的各单元共用金属电极。本申请可增大压控振荡器的调频范围，克服了传统的压控振荡器控制电压范围受限导致的调频问题，同时，可使压控振荡器具有更小的寄生延时，同时不损失器件的性能，克服了传统的压控振荡器的连线寄生冗余问题。

Description

基于碳纳米管场效应晶体管的压控振荡器
技术领域
本发明涉及振荡器技术领域，尤其涉及一种基于碳纳米管场效应晶体管的压控振荡器。
背景技术
压控振荡器是构建无线通信***的基本元件，通常，对压控振荡器的频率范围的调控是通过将控制电压转换成电流来实现，典型的实现方式是使用电流源作为从电压到电流的转换器，这种方法使在即便很低的供电电压下也可实现电压到电流的转换，缺点是其延迟单元的输入电压范围受限于其晶体管的阈值电压。
压控振荡器主要由若干个延迟单元级联组成，当满足Barkhausen准则时，某一单元的输出信号经过整个环路并回到该单元的输入时，信号翻转产生周期性的振荡信号，压控振荡器的重要优势就是宽调谐范围和面积小，压控振荡器内部的电路连接线所带来的寄生延迟由寄生电阻R和寄生电容C来描述，寄生延迟越小，意味着压控振荡器的功耗越低、频率调谐越好，由于传统半导体工艺制备的限制，现有CMOS晶体管的负载电容与延迟单元的连接是以后道金属互连的工艺实现，这种方式走线较长，带来很多寄生延迟，实现高性能压控振荡器，必须突破常规的负载电容与延迟单元的互连所带来的寄生的限制，现有的减小互连寄生延迟的方式主要有两种：一是通过采用更低电阻率和更高电子迁移率的金属互连线，二是减小互连线的体积和尺寸，但是这两种方式都是从后道工艺入手，无法真正实现对寄生延迟的移除。
发明内容
本发明意在提供一种基于碳纳米管场效应晶体管的压控振荡器，以解决现有技术中存在的不足，本发明要解决的技术问题通过以下技术方案来实现。
本发明提供一种基于碳纳米管场效应晶体管的压控振荡器，所述压控振荡器由具有延迟单元D1，D2,……Dn组成的延迟单元组和具有变容器单元T1，T2,……Tn的变容器单元组组成，n＝2i+1,i为大于零的正整数；
其中，所述延迟单元D1，D2,……Dn为由碳纳米管场效应晶体管构成的有源负载，分别具有一输入端、一输出端和一供电端，所述延迟单元D1，D2,……Dn的输入端和输出端串联形成一环形电路，所述延迟单元D1，D2,……Dn的供电端连接至VDD端；
所述变容器单元T1，T2,……Tn-1的一端与控制电压Vctrl输入端电连接，另一端与所述延迟单元D2,……Dn的输入端电连接；变容器单元Tn的一端与控制电压Vctrl输入端电连接，另一端与延迟单元D1的输出端电连接，变容器单元Tn-1的输出端作为所述压控振荡器的输出端Vout。
在上述的方案中，所述延迟单元D1，D2,……Dn与所述变容器单元T1，T2,……Tn共用金属电极。
在上述的方案中，所述延迟单元D1，D2,……Dn分别具有第一碳基PMOS管M1和第二碳基PMOS管M2。
在上述的方案中，所述变容器单元T1，T2,……Tn为第三碳基PMOS管M3。
在上述的方案中，所述第一碳基PMOS管M1的栅极与所述第一碳基PMOS管M1的源极连接，并作为延迟单元的输出端。
在上述的方案中，所述第一碳基PMOS管M1的漏极接地。
在上述的方案中，所述第二碳基PMOS管M2的栅极作为延迟单元的输入端。
在上述的方案中，所述第二碳基PMOS管M2的源极连接至VDD端，所述第二碳基PMOS管M2漏极与所述第一碳基PMOS管M1的源极连接。
在上述的方案中，所述第三碳基PMOS管M3的栅极连接至所述控制电压Vctrl输入端，所述第三碳基PMOS管M3的源极与所述第三碳基PMOS管M3的漏极连接，并连接至变容器单元对应的延迟单元的输出端。
在上述的方案中，所述第三碳基PMOS管M3的源极、所述第三碳基PMOS管M3的漏极、所述第一碳基PMOS管M1的源极以及所述第一碳基PMOS管M1的栅极共用金属电极。
本发明实施例包括以下优点：
本发明实施例提供的基于碳纳米管场效应晶体管的压控振荡器，通过将压控振荡器中变容器单元组的各单元的两端分别连在控制电压Vctrl输出端与对应的压控振荡器中延迟单元组的各单元的输出端，用以控制传输时变容器单元的电容值正比于控制电压与对应的延迟单元的平均输出电压之差，使得在即使在很小的供电电压下也可提供一大范围的控制电压，从而增大了调频范围，克服了传统的压控振荡器控制电压范围受限导致的调频问题，同时，通过使得延迟单元组各单元中相关器件与对应的所述变容器单元组的各单元共用金属电极，在器件层面上将变容器单元与延迟单元小型化集成，使压控振荡器具有更小的寄生延时，同时不损失器件的性能，克服了传统的压控振荡器的连线寄生冗余问题。
附图说明
图1是本发明的一种基于碳纳米管场效应晶体管的压控振荡器实施例的组成示意图。
图2是本发明的延迟单元的电路图。
图3是本发明的变容器单元的电路图。
图4是本发明的延迟单元与变容器单元的电路连接图。
图5是本发明的延迟单元和变容器单元的结构示意图。
图6是本发明的延迟单元中相关器件与变容器单元共用金属电极的结构示意图。
图7是本发明的一个实施例中的基于碳纳米管场效应晶体管的压控振荡器的电路图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
如图1所示，本发明提供的一种基于碳纳米管场效应晶体管的压控振荡器，所述压控振荡器包括：所述压控振荡器由具有延迟单元D1，D2,……Dn组成的延迟单元组和具有变容器单元T1，T2,……Tn的变容器单元组组成，n＝2i+1,i为大于零的正整数，即n为大于1的奇数自然数；
其中，所述延迟单元D1，D2,……Dn为由碳纳米管场效应晶体管构成的有源负载，分别具有一输入端、一输出端和一供电端，所述延迟单元D1，D2,……Dn的输入端和输出端串联形成一环形电路，所述延迟单元D1，D2,……Dn的供电端连接至VDD端；
所述变容器单元T1，T2,……Tn-1的一端与控制电压Vctrl输入端电连接，另一端与所述延迟单元D2,……Dn的输入端电连接；变容器单元Tn的一端与控制电压Vctrl输入端电连接，另一端与延迟单元D1的输出端电连接，变容器单元Tn-1的输出端作为所述压控振荡器的输出端Vout。
在本实施例中，由于延迟单元D1，D2,……Dn的输出端分别通过对应的变容器单元T1，T2,……Tn连接至控制电压Vctrl输出端，可通过调节变容器单元T1，T2,……Tn的电容值提供一大范围的控制电压。
如图2所示，所述延迟单元包括第一碳基PMOS管M1和第二碳基PMOS管M2，所述第一碳基PMOS管M1的栅极与所述第一碳基PMOS管M1的源极连接，并作为延迟单元的输出端，所述第一碳基PMOS管M1的漏极接地，所述第二碳基PMOS管M2的栅极作为延迟单元的输入端，所述第二碳基PMOS管M2的源极连接至VDD端，所述第二碳基PMOS管M2漏极与所述第一碳基PMOS管M1的源极连接。
在本实施例中，具有负的阈值电压的第一碳基PMOS管M1，没有采用传统的栅漏短接的形式形成管接有源负载，而是以栅源短接的形式实现两端口限流源负载，可提供稳定电流，并起到过流保护作用。
在本实施例中，延迟单元中第一碳基PMOS管M1和第二碳基PMOS管M2的连接结构可使延迟单元的增益对其输入输出电压的变化不敏感从而使电路保持较好的线性度。
如图3和图4所示，所述变容器单元采用第三碳基PMOS管M3，所述第三碳基PMOS管M3的栅极连接至所述控制电压Vctrl输入端，所述第三碳基PMOS管M3的源极与所述第三碳基PMOS管M3的漏极连接，并连接至变容器单元对应的延迟单元的输出端。
在本实施例中，通过将第三碳基PMOS管M3的两端分别连在控制电压Vctrl输出端与变容器单元对应的延迟单元的输出端，用以控制传输时第三碳基PMOS管M3的电容值正比于控制电压与对应的延迟单元的平均输出电压之差，使得在即使在很小的供电电压下也可提供一大范围的控制电压，从而增大了调频范围。
在本实施例中，变容器单元连接到每个延迟单元的输出端，其电容的变化是通过调节电压来实现，当控制电压小时，变容器单元的电容较小，产生的传输时延也小，反之，当控制电压大时，变容器单元的电容较大，从而导致传输时延增大，为了得到尽可能大的电压摆幅，控制电压取值范围在保证延迟单元中第二碳基PMOS管M2导通的情况下选择控制电压以减少第二碳基PMOS管M2源漏电压来减小信号损失，并可使第二碳基PMOS管M2电流减小从而降低功耗。
如图5所示，图5-1为碳基PMOS管结构示意图，图5-2为第三碳基PMOS管M3结构示意图，图5-3为延迟单元中第一碳基PMOS管M1结构示意图，第三碳基PMOS管M3的源极与第三碳基PMOS管M3的漏极共用金属电极；第一碳基PMOS管M1的源极与第一碳基PMOS管M1的栅极共用金属电极。
如图6所示，所述延迟单元D1，D2,……Dn中第一碳基PMOS管M1与对应的所述变容器单元T1，T2,……Tn共用金属电极，具体地，所述第三碳基PMOS管M3的源极、所述第三碳基PMOS管M3的漏极、所述第一碳基PMOS管M1的源极以及所述第一碳基PMOS管M1的栅极共用金属电极。
如图7所示，本发明的一个实施例中提供了包含5个延迟单元和包含5个变容器单元的压控振荡器，其中，延迟单元包括第一碳基PMOS管M1和第二碳基PMOS管M2，所述第一碳基PMOS管M1的栅极与所述第一碳基PMOS管M1的源极连接，并作为延迟单元的输出端，所述第一碳基PMOS管M1的漏极接地，所述第二碳基PMOS管M2的栅极作为延迟单元的输入端，所述第二碳基PMOS管M2的源极连接至VDD端，所述第二碳基PMOS管M2漏极与所述第一碳基PMOS管M1的源极连接；变容器单元采用第三碳基PMOS管M3，所述第三碳基PMOS管M3的栅极连接至所述控制电压Vctrl输入端，所述第三碳基PMOS管M3的源极与所述第三碳基PMOS管M3的漏极连接，并连接至变容器单元对应的延迟单元的输出端；此外，第一个延迟单元的输入端与第五个延迟单元的输出端连接至压控振荡器的输出端，第二个延迟单元至第四个延迟单元的输入端分别连接至各自对应的前一个延迟单元的输出端，5个延迟单元的供电端分别连接至VDD端。
应该指出，上述详细说明都是示例性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语均具有与本申请所属技术领域的普通技术人员的通常理解所相同的含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式。此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的术语在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施方式能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。
此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、***、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位，如旋转90度或处于其他方位，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。
在上面详细的说明中，参考了附图，附图形成本文的一部分。在附图中，类似的符号典型地确定类似的部件，除非上下文以其他方式指明。在详细的说明书、附图及权利要求书中所描述的图示说明的实施方案不意味是限制性的。在不脱离本文所呈现的主题的精神或范围下，其他实施方案可以被使用，并且可以作其他改变。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于碳纳米管场效应晶体管的压控振荡器，其特征在于，所述压控振荡器由具有延迟单元D1，D2,……Dn组成的延迟单元组和具有变容器单元T1，T2,……Tn的变容器单元组组成，n＝2i+1,i为大于零的正整数，其中，
所述延迟单元D1，D2,……Dn为由碳纳米管场效应晶体管构成的有源负载，分别具有一输入端、一输出端和一供电端，所述延迟单元D1，D2,……Dn的输入端和输出端串联形成一环形电路，所述延迟单元D1，D2,……Dn的供电端连接至VDD端；
所述变容器单元T1，T2,……Tn-1的一端与控制电压Vctrl输入端电连接，另一端与所述延迟单元D2,……Dn的输入端电连接；变容器单元Tn的一端与控制电压Vctrl输入端电连接，另一端与延迟单元D1的输出端电连接，变容器单元Tn-1的输出端作为所述压控振荡器的输出端Vout。
2.根据权利要求1所述的基于碳纳米管场效应晶体管的压控振荡器，其特征在于，所述延迟单元D1，D2,……Dn与所述变容器单元T1，T2,……Tn共用金属电极。
3.根据权利要求2所述的基于碳纳米管场效应晶体管的压控振荡器，其特征在于，所述延迟单元D1，D2,……Dn分别具有第一碳基PMOS管M1和第二碳基PMOS管M2。
4.根据权利要求3所述的基于碳纳米管场效应晶体管的压控振荡器，其特征在于，所述变容器单元T1，T2,……Tn为第三碳基PMOS管M3。
5.根据权利要求3所述的基于碳纳米管场效应晶体管的压控振荡器，其特征在于，所述第一碳基PMOS管M1的栅极与所述第一碳基PMOS管M1的源极连接，并作为延迟单元的输出端。
6.根据权利要求5所述的基于碳纳米管场效应晶体管的压控振荡器，其特征在于，所述第一碳基PMOS管M1的漏极接地。
7.根据权利要求3所述的基于碳纳米管场效应晶体管的压控振荡器，其特征在于，所述第二碳基PMOS管M2的栅极作为延迟单元的输入端。
8.根据权利要求7所述的基于碳纳米管场效应晶体管的压控振荡器，所述第二碳基PMOS管M2的源极连接至VDD端，所述第二碳基PMOS管M2漏极与所述第一碳基PMOS管M1的源极连接。
9.根据权利要求4所述的基于碳纳米管场效应晶体管的压控振荡器，其特征在于，所述第三碳基PMOS管M3的栅极连接至所述控制电压Vctrl输入端，所述第三碳基PMOS管M3的源极与所述第三碳基PMOS管M3的漏极连接，并连接至变容器单元对应的延迟单元的输出端。
10.根据权利要求4所述的基于碳纳米管场效应晶体管的压控振荡器，其特征在于，所述第三碳基PMOS管M3的源极、所述第三碳基PMOS管M3的漏极、所述第一碳基PMOS管M1的源极以及所述第一碳基PMOS管M1的栅极共用金属电极。
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