CN117478067A - 一种基于变压器磁调谐的双模w波段压控振荡器 - Google Patents

一种基于变压器磁调谐的双模w波段压控振荡器 Download PDF

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陈元平
朱承同
徐雷钧
谢月娥
徐晶
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Abstract

本发明公开了一种基于变压器磁调谐的双模W波段压控振荡器，包括两对交叉耦合对MOS管、双模六线圈变压器、调谐开关细调谐MOS管、调谐开关粗调谐MOS管和两对输出缓冲级MOS管；通过控制细调谐MOS管Msw1和细调谐MOS管Msw2实现谐振腔等效电感值的变化，细调谐MOS管Msw1在电感较小的高频段打开，在电感较大的低频段关闭，对于无变容管的精细频率调谐，通过改变细调谐MOS管Msw2栅极电压改变其电阻，实现等效电感的精细调谐；使用双模六线圈变压器代替单模三线圈变压器，实现了四频带W波段压控振荡器。本发明具有更高的谐振腔Q值，可以实现较好的相位噪声，为W波段信号收发前端提供了高品质的本振信号源。

Description

一种基于变压器磁调谐的双模W波段压控振荡器
技术领域
本发明属于集成电路技术领域，具体涉及一种基于变压器磁调谐的双模W波段压控振荡器。
背景技术
75GHz到110GHz的W波段频段具有广泛的应用，包括通信、雷达、射电天文学、气象雷达、医学成像和科学研究等领域。随着CMOS工艺节点的不断缩小，目前有可能在这一频段实现基于CMOS工艺的压控振荡器。然而，在如此高的频率下，要实现低相位噪声、低功耗和宽调谐范围的压控振荡器仍然具有挑战性。
传统的变容管调谐方法存在一个频率升高时品质因数(Q)值急剧下降的问题，这会导致谐振腔的等效品质因数(Q)值下降，最终损害整个压控振荡器的相位噪声性能。此外，考虑到W波段频率范围内的寄生效应，变容管的调谐范围通常被限制在6％以下。对于大多数应用，特别是那些需要应对工艺和温度变化的情况，这是远远不够的。因此，在W波段压控振荡器电路的设计中，提高谐振腔的品质因数(Q)值、降低相位噪声，并实现更宽广的频率调谐范围已成为一个极具吸引力的挑战。
发明内容
针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种基于变压器磁调谐的双模W波段压控振荡器。
本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
一种基于变压器磁调谐的双模W波段压控振荡器，包括交叉耦合对MOS管M1、交叉耦合对MOS管M2、交叉耦合对MOS管M3、交叉耦合对MOS管M4、双模六线圈变压器耦合谐振线圈L1、双模六线圈变压器耦合谐振线圈L2、双模六线圈变压器细调谐线圈Lsw1、双模六线圈变压器细调谐线圈Lsw2、双模六线圈变压器粗调谐线圈Lsw3、双模六线圈变压器粗调谐线圈Lsw4、调谐开关细调谐MOS管Msw1、调谐开关细调谐MOS管Msw2、调谐开关粗调谐MOS管Msw3、调谐开关粗调谐MOS管Msw4、输出缓冲级MOS管M5、输出缓冲级MOS管M6、输出缓冲级MOS管M7和输出缓冲级MOS管M8；
所述交叉耦合对MOS管M1和交叉耦合对MOS管M2的源极连接地，交叉耦合对MOS管M1和交叉耦合对MOS管M2的漏极分别连接双模六线圈变压器耦合谐振线圈L1两端，交叉耦合对MOS管M1的栅极连接到交叉耦合对MOS管M2的漏极；
所述输出缓冲级MOS管M5的栅极连接交叉耦合对MOS管M1的漏极，输出缓冲级MOS管M5的源极接地，输出缓冲级MOS管M5的漏极连接输出OUT1P；所述输出缓冲级MOS管M6的栅极连接交叉耦合对MOS管M2的漏极，输出缓冲级MOS管M6的源极接地，输出缓冲级MOS管M6的漏极连接输出OUT1N；
所述细调谐MOS管Msw1的栅极和漏极分别连接在双模六线圈变压器细调谐线圈Lsw1的两端，细调谐MOS管Msw1的源极接栅极细调控制电压VS1；所述粗调谐MOS管Msw3的栅极和漏极分别连接在双模六线圈变压器粗调谐线圈Lsw3的两端，粗调谐MOS管Msw3的源极接栅极粗调控制电压VS3；
所述交叉耦合对MOS管M3和交叉耦合对MOS管M4的源极连接地，交叉耦合对MOS管M3和交叉耦合对MOS管M4的漏极连接双模六线圈变压器耦合谐振线圈L2的两端，交叉耦合对MOS管M3的栅极连接到交叉耦合对MOS管M4的漏极；
所述输出缓冲级MOS管M7的栅极连接交叉耦合对MOS管M3的漏极，输出缓冲级MOS管M7的源极接地，输出缓冲级MOS管M7的漏极连接输出OUT2P；所述输出缓冲级MOS管M8的栅极连接交叉耦合对MOS管M4的漏极，输出缓冲级MOS管M8的源极接地，输出缓冲级MOS管M8的漏极连接输出OUT2N；
所述细调谐MOS管Msw2的栅极和漏极分别连接在双模六线圈变压器细调谐线圈Lsw2的两端，细调谐MOS管Msw2的源极接栅极细调控制电压VS2；所述粗调谐MOS管Msw4的栅极和漏极分别连接在双模六线圈变压器粗调谐线圈Lsw4的两端，粗调谐MOS管Msw4的源极接栅极粗调控制电压VS4。
上述技术方案中，所述双模六线圈变压器细调谐线圈Lsw1设置在最内圈，双模六线圈变压器细调谐线圈Lsw2设置在最外圈，双模六线圈变压器细调谐线圈Lsw1和双模六线圈变压器细调谐线圈Lsw2之间依次设置双模六线圈变压器耦合谐振线圈L1、双模六线圈变压器粗调谐线圈Lsw3、双模六线圈变压器粗调谐线圈Lsw4和双模六线圈变压器耦合谐振线圈L2，由此构成双模六线圈变压器。
上述技术方案中，所述双模六线圈变压器粗调谐线圈Lsw3和双模六线圈变压器粗调谐线圈Lsw4配置为屏蔽线圈。
上述技术方案中，所述双模六线圈变压器细调谐线圈Lsw1、双模六线圈变压器细调谐线圈Lsw2、双模六线圈变压器耦合谐振线圈L1、双模六线圈变压器粗调谐线圈Lsw3、双模六线圈变压器粗调谐线圈Lsw4和双模六线圈变压器耦合谐振线圈L2均使用顶层厚金属。
上述技术方案中，所述双模六线圈变压器在高频模式时，使用双模六线圈变压器耦合谐振线圈L1和双模六线圈变压器细调谐线圈Lsw1，调谐开关粗调谐MOS管Msw3配置为打开，调谐开关粗调谐MOS管Msw4配置为关闭。
上述技术方案中，所述双模六线圈变压器在低频模式时，使用双模六线圈变压器耦合谐振线圈L2和双模六线圈变压器细调谐线圈Lsw2，调谐开关粗调谐MOS管Msw3配置为关闭，调谐开关粗调谐MOS管Msw4配置为打开。
上述技术方案中，所述双模六线圈变压器生成四频带W波段信号。
本发明的有益效果为：
(1)本发明提供的基于变压器磁调谐的双模W波段压控振荡器，相对于传统的变容管调谐方法，它有效解决了变容管品质因数(Q)随频率增加而急剧降低的问题，同时减小了谐振腔内部的寄生电容，使得无变容管的W波段振荡器能够实现低相位噪声和宽广的频率调谐范围，为W波段频率的产生提供了可靠的本振信号源。
(2)相对于三线圈单模变压器，本发明采用六线圈双模变压器，使其能够生成超宽带的四频带W波段信号，不仅实现了双倍的频率调谐范围，还带来了更广泛的调谐范围和更卓越的相位噪声性能。
附图说明
图1为本发明所述基于变压器磁调谐的双模W波段压控振荡器电路图；
图2为本发明所述双模六线圈变压器布局图；
图3为本发明所述压控振荡器不同栅极电压下的瞬态波形图；
图4为本发明所述压控振荡器选择不同边带频率与栅压的关系图；
图5为本发明所述压控振荡器不同栅极电压下的相位噪声特性图。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。
请参见图1，图1是本发明实施例提供的基于变压器磁调谐的双模W波段压控振荡器电路图，所述压控振荡器包括两对交叉耦合对MOS管M1和M2、M3和M4、双模六线圈变压器耦合谐振线圈L1和L2、双模六线圈变压器细调谐线圈Lsw1和Lsw2、双模六线圈变压器粗调谐线圈Lsw3和Lsw4、调谐开关细调谐MOS管Msw1和Msw2、调谐开关粗调谐MOS管Msw3和Msw4以及两对输出缓冲级MOS管M5和M6、M7和M8。
所述第一对交叉耦合对MOS管M1和M2的源极连接地，M1的栅极连接到M2的漏极，M2的漏极连接到M1的栅极，M1和M2的漏极连接双模六线圈变压器耦合谐振线圈L1的两端；所述输出缓冲级MOS管M5的栅极连接M1的漏极，M5的源极连接地，M5的漏极连接输出OUT1P；所述输出缓冲级MOS管M6的栅极连接M2的漏极，M6的源极连接地，M6的漏极连接输出OUT1N；所述细调谐MOS管Msw1的栅极和漏极分别连接在双模六线圈变压器细调谐线圈Lsw1的两端，Msw1的源极接栅极细调控制电压VS1；所述粗调谐MOS管Msw3的栅极和漏极分别连接在双模六线圈变压器粗调谐线圈Lsw3的两端，Msw3的源极接栅极粗调控制电压VS3。
所述第二对交叉耦合对MOS管M3和M4的源极连接地，M3的栅极连接到M4的漏极，M4的漏极连接到M3的栅极，M3和M4的漏极连接双模六线圈变压器耦合谐振线圈L2的两端；所述输出缓冲级MOS管M7的栅极连接M3的漏极，M7的源极连接地，M7的漏极连接输出OUT2P；所述输出缓冲级MOS管M8的栅极连接M4的漏极，M8的源极连接地，M8的漏极连接输出OUT2N；所述细调谐MOS管Msw2的栅极和漏极分别连接在双模六线圈变压器细调谐线圈Lsw2的两端，Msw2的源极接栅极细调控制电压VS2；所述粗调谐MOS管Msw4的栅极和漏极分别连接在双模六线圈变压器粗调谐线圈Lsw4的两端，Msw4的源极接栅极粗调控制电压VS4。
在本实施实例中，两对交叉耦合对MOS管提供负阻以补偿谐振腔的损耗，产生的寄生电容与双模六线圈变压器等效电感形成谐振腔产生振荡信号，调谐开关粗调谐MOS管Msw3和Msw4打开时等效电感小，形成高频段，关闭时等效电感大，形成低频段，通过调谐开关细调谐MOS管Msw1和Msw2的栅级电压(VS1和VS2)改变其电阻(Rsw1和Rsw2)，实现等效电感的精细调谐。
请参见图2，图2是本发明实施例提供的双模六线圈变压器布局图，包括：耦合谐振线圈L1和L2、细调谐线圈Lsw1和Lsw2、粗调谐线圈Lsw3和Lsw4，将粗调谐线圈Lsw3和Lsw4配置为屏蔽线圈，放在L1和L2的中间，减小谐振线圈L1和L2之间的耦合系数，任何时刻Lsw3和Lsw4只能使用其中一个，将细调谐线圈Lsw1放在最内圈，通过与L1的磁调谐完成等效电感L1eq的精细调谐，将细调谐线圈Lsw2放在最外圈，通过与L2的磁调谐完成等效电感L2eq的精细调谐，所有线圈都使用顶层厚金属以减小损耗；所述双模六线圈变压器在100GHz仿真时，耦合谐振线圈L1和L2的自感值分别为110pH和134pH、细调谐线圈Lsw1和Lsw2的自感值分别为72pH和183pH、粗调谐线圈Lsw3和Lsw4的自感值分别为86pH和104pH、耦合谐振线圈L1和L2之间的耦合系数为0.32。
在本实施实例中，双模六线圈变压器在高频模式仅接通电源VDD1，使用耦合谐振线圈L1和细调谐线圈Lsw1，粗调谐线圈Lsw3和Lsw4分别配置为打开、关闭状态。在低频模式仅接通电源VDD2，使用耦合谐振线圈L2和细调谐线圈Lsw2，粗调谐线圈Lsw3和Lsw4分别配置为关闭、打开状态。为了保证双模工作的稳定性，将粗调谐线圈Lsw3和Lsw4配置为屏蔽线圈，减小耦合谐振线圈L1和L2的耦合系数，并且在任何时候，粗调谐线圈Lsw3和Lsw4只打开其中一个。
下面通过仿真实验进一步说明本发明基于变压器磁调谐的单模W波段压控振荡器的优点。
本实例采用40nm CMOS工艺制作双模W波段压控振荡器。该工艺具有一层poly层和十层金属层，其中，变压器结构主要采用M10层厚金属实现。本实施例中基于变压器磁调谐的双模W波段压控振荡器各参数如表1所示：
表1
参数 参数值
电源电压VDD1(V) 1
电源电压VDD2(V) 1
交叉耦合对M1-M4 1μm*24*40nm
输出缓冲级MOS管M5-M8 1μm*10*40nm
调谐开关细调谐MOS管Msw1-Msw2 1μm*8*40nm
调谐开关粗调谐MOS管Msw3-Msw4 1μm*6*100nm
耦合谐振线圈L1和L2 110pH/134pH
细调谐线圈Lsw1和Lsw2 72pH/183pH
粗调谐线圈Lsw3和Lsw4 86pH/104pH
请参见图3，图3是本发明实施例提供的基于变压器磁调谐的双模W波段压控振荡器使用高频模式接通电源VDD1，使用耦合谐振线圈L1、调谐开关粗调谐MOS管Msw3配置为打开、调谐开关粗调谐MOS管Msw4配置为关闭，调谐开关细调谐开关MOS管Msw1在不同栅极电压下的瞬态波形图。根据仿真波形可以得到：起振结束后，压控振荡器振幅达到1.2V，随着细调谐MOS管Msw1的栅极电压逐渐增大，压控振荡器振略微有所减小。
本实施例中基于变压器磁调谐的双模W波段压控振荡器各边带选择真值表如表2所示：
表2
请参见图4，图4是本发明实施例提供的基于变压器磁调谐的双模W波段压控振荡器选择不同边带频率时与栅压的关系图。通过选择表2中的配置方式，可以得到四种不同的输出频率边带，根据仿真输出波形可以得到：通过控制细调谐MOS管Msw1(Msw2)实现输出频率的连续调节，控制粗调谐开关MOS管Msw3(Msw4)实现输出频率的边带调节，输出频率范围为85-108GHz，实现了23.8％的宽频带频率调谐范围。
请参见图5，图5是本发明实施例提供的基于变压器磁调谐的双模W波段压控振荡器使用高频模式接通电源VDD1，使用耦合谐振线圈L1、调谐开关粗调谐MOS管粗调谐MOS管Msw3配置为打开、调谐开关粗调谐MOS管粗调谐Msw4配置为关闭，细调谐开关MOS管Msw1在不同栅极电压下的相位噪声特性图。根据相位噪声特性图可以得到：当输出频率在100GHz左右时，随着栅压的升高，压控振荡器的输出相位噪声从-107.36dBc/Hz@10MHz逐渐升高到-102.31dBc/Hz@10MHz，这是因为随着栅极电压的升高，双模六线圈变压器的品质因数(Q)逐渐下降，在100GHz的输出频率，由于没有采用开关电容阵列和变容管进行调谐，实现了一个宽频带频率调谐范围和较好的相位噪声性能。
所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于变压器磁调谐的双模W波段压控振荡器，其特征在于，包括交叉耦合对MOS管M1、交叉耦合对MOS管M2、交叉耦合对MOS管M3、交叉耦合对MOS管M4、双模六线圈变压器耦合谐振线圈L1、双模六线圈变压器耦合谐振线圈L2、双模六线圈变压器细调谐线圈Lsw1、双模六线圈变压器细调谐线圈Lsw2、双模六线圈变压器粗调谐线圈Lsw3、双模六线圈变压器粗调谐线圈Lsw4、调谐开关细调谐MOS管Msw1、调谐开关细调谐MOS管Msw2、调谐开关粗调谐MOS管Msw3、调谐开关粗调谐MOS管Msw4、输出缓冲级MOS管M5、输出缓冲级MOS管M6、输出缓冲级MOS管M7和输出缓冲级MOS管M8；
所述交叉耦合对MOS管M1和交叉耦合对MOS管M2的源极连接地，交叉耦合对MOS管M1和交叉耦合对MOS管M2的漏极分别连接双模六线圈变压器耦合谐振线圈L1两端，交叉耦合对MOS管M1的栅极连接到交叉耦合对MOS管M2的漏极；
所述输出缓冲级MOS管M5的栅极连接交叉耦合对MOS管M1的漏极，输出缓冲级MOS管M5的源极接地，输出缓冲级MOS管M5的漏极连接输出OUT1P；所述输出缓冲级MOS管M6的栅极连接交叉耦合对MOS管M2的漏极，输出缓冲级MOS管M6的源极接地，输出缓冲级MOS管M6的漏极连接输出OUT1N；
所述细调谐MOS管Msw1的栅极和漏极分别连接在双模六线圈变压器细调谐线圈Lsw1的两端，细调谐MOS管Msw1的源极接栅极细调控制电压VS1；所述粗调谐MOS管Msw3的栅极和漏极分别连接在双模六线圈变压器粗调谐线圈Lsw3的两端，粗调谐MOS管Msw3的源极接栅极粗调控制电压VS3；
所述交叉耦合对MOS管M3和交叉耦合对MOS管M4的源极连接地，交叉耦合对MOS管M3和交叉耦合对MOS管M4的漏极连接双模六线圈变压器耦合谐振线圈L2的两端，交叉耦合对MOS管M3的栅极连接到交叉耦合对MOS管M4的漏极；
所述输出缓冲级MOS管M7的栅极连接交叉耦合对MOS管M3的漏极，输出缓冲级MOS管M7的源极接地，输出缓冲级MOS管M7的漏极连接输出OUT2P；所述输出缓冲级MOS管M8的栅极连接交叉耦合对MOS管M4的漏极，输出缓冲级MOS管M8的源极接地，输出缓冲级MOS管M8的漏极连接输出OUT2N；
所述细调谐MOS管Msw2的栅极和漏极分别连接在双模六线圈变压器细调谐线圈Lsw2的两端，细调谐MOS管Msw2的源极接栅极细调控制电压VS2；所述粗调谐MOS管Msw4的栅极和漏极分别连接在双模六线圈变压器粗调谐线圈Lsw4的两端，粗调谐MOS管Msw4的源极接栅极粗调控制电压VS4。
2.根据权利要求1所述的基于变压器磁调谐的双模W波段压控振荡器，其特征在于，所述双模六线圈变压器细调谐线圈Lsw1设置在最内圈，双模六线圈变压器细调谐线圈Lsw2设置在最外圈，双模六线圈变压器细调谐线圈Lsw1和双模六线圈变压器细调谐线圈Lsw2之间依次设置双模六线圈变压器耦合谐振线圈L1、双模六线圈变压器粗调谐线圈Lsw3、双模六线圈变压器粗调谐线圈Lsw4和双模六线圈变压器耦合谐振线圈L2，由此构成双模六线圈变压器。
3.根据权利要求2所述的基于变压器磁调谐的双模W波段压控振荡器，其特征在于，所述双模六线圈变压器粗调谐线圈Lsw3和双模六线圈变压器粗调谐线圈Lsw4配置为屏蔽线圈。
4.根据权利要求3所述的基于变压器磁调谐的双模W波段压控振荡器，其特征在于，所述双模六线圈变压器细调谐线圈Lsw1、双模六线圈变压器细调谐线圈Lsw2、双模六线圈变压器耦合谐振线圈L1、双模六线圈变压器粗调谐线圈Lsw3、双模六线圈变压器粗调谐线圈Lsw4和双模六线圈变压器耦合谐振线圈L2均使用顶层厚金属。
5.根据权利要求2所述的基于变压器磁调谐的双模W波段压控振荡器，其特征在于，所述双模六线圈变压器在高频模式时，使用双模六线圈变压器耦合谐振线圈L1和双模六线圈变压器细调谐线圈Lsw1，调谐开关粗调谐MOS管Msw3配置为打开，调谐开关粗调谐MOS管Msw4配置为关闭。
6.根据权利要求5所述的基于变压器磁调谐的双模W波段压控振荡器，其特征在于，所述双模六线圈变压器在低频模式时，使用双模六线圈变压器耦合谐振线圈L2和双模六线圈变压器细调谐线圈Lsw2，调谐开关粗调谐MOS管Msw3配置为关闭，调谐开关粗调谐MOS管Msw4配置为打开。
7.根据权利要求6所述的基于变压器磁调谐的双模W波段压控振荡器，其特征在于，所述双模六线圈变压器生成四频带W波段信号。
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