一种低功耗低噪声高线性增益的压控振荡器制造技术

本发明专利技术公开了一种低功耗低噪声高线性增益的压控振荡器，包括：第一电感、第二电感、分布式变容管结构电路、负阻差分对电路、尾电流管电路和幅度探测电路；第一电感、第二电感和分布式变容管结构电路组成LC谐振网络，用于产生所述低功耗低噪声高线性增益的VCO的振荡信号；负阻差分对电路与LC谐振网络连接，用于对LC谐振网络进行能量补偿；尾电流管电路与所述压控振荡器的输出端连接，其采用自偏置原理产生直流偏置电压作为供电电压为LC谐振网络提供直流电流；幅度探测电路与所述压控振荡器的输出端连接，用于为负阻差分对电路和尾电流管电路提供体偏置电压。在本发明专利技术中，可实现压控振荡器的低功耗、低噪声、高线性增益。

【技术实现步骤摘要】
一种低功耗低噪声高线性增益的压控振荡器
本专利技术涉及射频集成电路
，尤其涉及一种低功耗低噪声高线性增益的压控振荡器。
技术介绍
当前，高速稳定的时钟信号是很多应用的前提，例如，高性能模数转换器、高速串行数据通信、无线收发机等，因此，对于低功耗、低抖动(jitter)、高速的锁相环(PLL)的需求日益增加，而在锁相环的设计过程中，高性能的VCO(VoltageControlledOscillator，压控振荡器)是关键。PLL是产生低jitter、高频时钟的首选，典型的整数分频PLL结构包括鉴频鉴相器、电荷泵、环路滤波器、压控振荡器、分频器这五个部分。VCO在锁相环中贡献带外噪声，对于一个优化的PLL，VCO的噪声贡献一半的输出jitter，因此要实现PLL低jitter输出时钟，噪声性能好的VCO十分必须。与此同时，对于优化了的PLL，VCO的功耗为整个环路功耗的一半，所以降低VCO的功耗是降低整个环路功耗关键。VCO的增益(Kvco)变化会引起环路增益的变化，这将恶化环路的稳定性和相位噪声，因此，高线性增益是高性能VCO的一个重要衡量指标。因此，压控振荡器的噪声降低技术一直是研究是热点，其大致可以分为三个研究方向：1、提高谐振腔的Q值。由Lesson的VCO噪声模型中相位噪声与谐振腔Q值的关系可知，提髙Q值，能改善相噪。但由于硅基自身的限制，Q值很难有数量级的提升，因此对相位噪声的改善有限。此外,用绑线电感、MEMS等高Q值的非标准CMOS工艺谐振腔设计VCO，取得了突出的相位噪声性能，同时功耗也较低。但由于特殊工艺的要求，目前还未取得广泛的应用。2、减小噪声源。方法一：尾电流源在VCO中通常是最大的噪声来源，在2002年S.Levantino提出了去除尾电流源的方法，将负阻管的源端直接接地，具体如附图1所示。由于尾电流源这一主要的噪声源消失，带内相位噪声的改善达到10dB，但同时功耗比有尾电流的设计增加近50％，并且没有尾电流源的高阻通道，电源地的噪声进入谐振腔，恶化了tank(谐振腔)的相位噪声。方法二：用为了有效滤除尾电流源的噪声，同时保持共源点到地的高阻特性，E.Hegazi等在2001年提出了尾电流源滤波技术，如附图2所示，然而该结构的电感Lf与电容Ct只能谐振在固定频率，对于具有一定频率调谐范围的VCO，当振荡频率调到其他值，就无法保证高阻通道；此外，额外的大电容和电感，也明显增加了芯片的面积。方法三：减小MOS管闪烁噪声的一种有效技术是自开关偏置。I.BloomandY.Nemirovsky发现，闪烁噪声与捕获占据的时间常数相关，如果MOS管周期性地导通和截止，该时间常数会减小，从而在物理本质上降低MOS管自身的闪烁噪声，但问题在于开关信号需要很大的摆幅，以令MOS管从积累区到强反型区深度切换，才能显著减小闪烁噪声，这就引入了非常大的动态功耗，使VCO的总功耗剧烈增加。C.C.Boon在2004年和G.Huang在2009均采用了自开关偏置原理降低VCO的闪烁噪声，采用自偏置原理的VCO如附图3所示。3、抑制噪声源到相位噪声的转化。来自器件的噪声需要通过一定的转化机制才能最终形成输出的相位噪声，因此除了减小噪声来源外，抑制器件噪声到相位噪声的转化也是降低相位噪声的一种重要方法，A.IsmailandA.A.Abidi在2003年提出一种利用退耦电容抑制变频增益的技术，如附图4所示，由于负阻管闪烁噪声扰动共源点的二次谐波，产生AM-FM转化，若在负阻差分对的共源点间插入退耦电容C0，可引入一次谐波分量，减小二次谐波的影响，消除共模电容，从而抑制闪烁噪声的变频转化，改善了带内相位噪声。图1至图4展示了VCO的发展方向，这四种方式各有各的优点，但是也各有各的缺点，无法满足需要。目前，市场上常用的一种采用体偏置原理的尾电流源固定偏置VCO，如图5所示，其在图1至图4的基础上作出了进一步的改进，利用体偏置原理降低了MOS管的阈值电压，从而该LC-tankVCO(LC谐振压控振荡器)能工作在很低的供电电压下，实现了低功耗，但是其噪声还有待提高。
技术实现思路
基于
技术介绍
存在的技术问题，本专利技术提出了一种低功耗低噪声高线性增益的压控振荡器。本专利技术提出的一种低功耗低噪声高线性增益的压控振荡器，包括：第一电感、第二电感、分布式变容管结构电路、负阻差分对电路、尾电流管电路和幅度探测电路；第一电感、第二电感和分布式变容管结构电路组成LC谐振网络，用于产生所述低功耗低噪声高线性增益的VCO的振荡信号；负阻差分对电路与LC谐振网络连接，LC谐振网络产生一个与分布式变容管结构电路并联的等效电阻，负阻差分对电路充当补偿等效电阻的负阻，用于对LC谐振网络进行能量补偿；尾电流管电路与所述压控振荡器的输出端连接，其采用自偏置原理产生直流偏置电压作为供电电压为LC谐振网络提供直流电流；幅度探测电路与所述压控振荡器的输出端连接，用于为负阻差分对电路和尾电流管电路提供体偏置电压。优选地，所述压控振荡器的输出端包括VCO第一电压输出节点和VCO第二电压输出节点，第一电感一端连接直流电源输入端，另一端连接VCO第一电压输出节点；第二电感一端连接直流电源输入端，另一端连接VCO第二电压输出节点；分布式变容管结构电路连接VCO第一电压输出节点和VCO第二电压输出节点。优选地，分布式变容管结构电路由第一电容、第二电容、第三电容、第四电容、第一变容管、第二变容管、第三变容管、第四变容管、第一电阻、第二电阻、第三电阻和第四电阻组成；第一变容管一端连接第一电压节点，另一端连接第二电压节点；第二变容管一端连接第三电压节点，另一端连接第二电压节点；第三变容管一端连接第四电压节点，另一端连接第二电压节点；第四变容管一端连接第五电压节点，另一端连接第二电压节点；第二电压节点用于接入控制电压(Vctrl)；第一电容一端连接VCO第一电压输出节点，另一端连接第一电压节点；第二电容一端连接VCO第二电压输出节点，另一端连接第三电压节点；第三电容一端连接VCO第一电压输出节点，另一端连接第四电压节点；第四电容一端连接VCO第二电压输出节点，另一端连接第五电压节点；第一电阻和第二电阻串联并连接在第一电压节点和第三电压节点之间；第三电阻和第四电阻串联并连接在第四电压节点和第五电压节点之间；第一电阻和第二电阻连接处接入第一参考电压，第三电阻和第四电阻连接处接入第二参考电压。优选地，负阻差分对电路包括第一场效应管和第二场效应管；第一场效应管的漏极连接VCO第一电压输出节点，其栅极连接VCO第二电压输出节点，其源极连接第六电压节点；第二场效应管的漏极连接VCO第二电压输出节点，其栅极连接VCO第一电压输出节点，其源极连接第七电压节点。优选地，尾电流管电路包括第三场效应管和第四场效应管；第三场效应管的漏极连接第六电压节点,其栅极连接VCO第二电压输出节点，其源极接地。第四场效应管的漏极连接第七电压节点,其栅极连接VCO第一电压输出节点，其源极接地。优选地，幅度探测电路包括第五场效应管、第六场效应管和第五电容；第五场效应管的漏极连接VCO第一电压输出节点，其栅极连接VCO第二电压输出节点，其源极连接第八电压节点；第六场效应管的漏极连接VCO第二电压输出节点，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种低功耗低噪声高线性增益的压控振荡器，其特征在于，包括：第一电感(L1)、第二电感(L2)、分布式变容管结构电路、负阻差分对电路、尾电流管电路和幅度探测电路；第一电感(L1)、第二电感(L2)和分布式变容管结构电路组成LC谐振网络，用于产生VCO的振荡信号；负阻差分对电路与LC谐振网络连接，LC谐振网络产生一个与分布式变容管结构电路并联的等效电阻，负阻差分对电路充当补偿等效电阻的负阻，用于对LC谐振网络进行能量补偿；尾电流管电路与所述压控振荡器的输出端连接，其采用自偏置原理产生直流偏置电压作为供电电压为LC谐振网络提供直流电流；幅度探测电路与所述压控振荡器的输出端连接，用于为负阻差分对电路和尾电流管电路提供体偏置电压。

【技术特征摘要】
1.一种低功耗低噪声高线性增益的压控振荡器，其特征在于，包括：第一电感(L1)、第二电感(L2)、分布式变容管结构电路、负阻差分对电路、尾电流管电路和幅度探测电路；第一电感(L1)、第二电感(L2)和分布式变容管结构电路组成LC谐振网络，用于产生VCO的振荡信号；负阻差分对电路与LC谐振网络连接，LC谐振网络产生一个与分布式变容管结构电路并联的等效电阻，负阻差分对电路充当补偿等效电阻的负阻，用于对LC谐振网络进行能量补偿；尾电流管电路与所述压控振荡器的输出端连接，其采用自偏置原理产生直流偏置电压作为供电电压为LC谐振网络提供直流电流；幅度探测电路与所述压控振荡器的输出端连接，用于为负阻差分对电路和尾电流管电路提供体偏置电压；所述压控振荡器的输出端包括VCO第一电压输出节点(QP)和VCO第二电压输出节点(QN)，第一电感(L1)一端连接直流电源输入端，另一端连接VCO第一电压输出节点(QP)；第二电感(L2)一端连接直流电源输入端，另一端连接VCO第二电压输出节点(QN)；分布式变容管结构电路连接VCO第一电压输出节点(QP)和VCO第二电压输出节点(QN)；负阻差分对电路包括第一场效应管(NM1)和第二场效应管(NM2)；第一场效应管(NM1)的漏极连接VCO第一电压输出节点(QP)，其栅极连接VCO第二电压输出节点(QN)，其源极连接第六电压节点(A6)；第二场效应管(NM2)的漏极连接VCO第二电压输出节点(QN)，其栅极连接VCO第一电压输出节点(QP)，其源极连接第七电压节点(A7)；尾电流管电路包括第三场效应管(NM3)和第四场效应管(NM4)；第三场效应管(NM3)的漏极连接第六电压节点(A6),其栅极连接VCO第二电压输出节点(QN)，其源极接地；第四场效应管(NM4)的漏极连接第七电压节点(A7),其栅极连接VCO第一电压输出节点(QP)，其源极接地；幅度探测电路包括第五场效应管(NM5)、第六场效应管(NM6)和第五电容(C5)；第五场效应管(NM5)的漏极连接VCO第一电压输出节点(QP)，其栅极连接VCO第二电压输出节点(QN)，其源极连接第八电压节点(A8)；第六场效应管(NM6)的漏极连接VCO第二电压输出节点(...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗林，孟煦，林福江，
申请(专利权)人：中国科学技术大学先进技术研究院，
类型：发明
国别省市：安徽;34