一種可降低閃爍噪聲的lc正交壓控振蕩器的製作方法
2023-12-01 18:34:46
專利名稱：一種可降低閃爍噪聲的lc正交壓控振蕩器的製作方法
技術領域：
本發明屬於集成電路技術領域，具體涉及一種應用於正交壓控振蕩器(簡稱為QVC0) 的可降低閃爍噪聲的LC正交振蕩器。
背景技術：
隨著通信技術的發展，採用正交上變頻或者下變頻技術的鏡像抑制收發機結構得到廣 泛的應用，這種鏡像抑制電路收發機都需要提供正交的本地載波信號。
一種傳統的產生正交信號的QVC0電路結構如圖1所示，通過正交耦合兩個LC振蕩器 (以下簡稱"VC0")來直接輸出正交信號。相位噪聲和相位誤差是QVC0的兩個關鍵性能 指標。因為諧振腔的等效品質因子顯著下降，這種QVC0的相位噪聲比較差，而且在實現 中存在相位噪聲與相位誤差之間的折衷[l]，即相位噪聲性能好，相位誤差就大，反之亦 然。還有其它的降低相位噪聲的技術，例如，採用高品質因子Q的片上電感或利用高品質 因子Q的鍵合線(bonding wire)電感；採用兩次90度相移網絡間接提高Q值的方法[2]。 但是，前者的片上電感的Q值主要受工藝的限制一般低於IO，而鍵合線電感的精度很低， 這會導致I/Q兩路信號的幅度和相位失配比較大；後者，相移網絡的設計難度比較大同時 會增加功耗。
綜上所述，有必要設計開發一種QVC0電路，既可以獲得較低的相位噪聲，又能保證 較小的相位誤差，而相位噪聲的降低不是通過犧牲相位誤差來獲得。M. Tiebout， "Low-power low-phase-noise differentially tuned quadrature VCO
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發明內容
本發明的目的在於提供一種可降低以降低閃爍噪聲的LC正交壓控振器。 本發明提供的LC正交壓控振蕩器包含
(1) 一個由片上電感和片上電容構成的LC諧振腔；
(2) —個由2個麗0S管交叉耦合連接成的負阻產生器；
(3) —個正交耦合器，包含一條直接正交耦合路徑和一條交叉正交耦合路徑；
(4) 一個用於窄帶調諧的可變電容結構和一個用於多帶切換的數字控制陣列；
(5) —個在尾部對偏置源進行噪聲濾波的;r形低通濾波器；
(6) —個閃爍噪聲(1/f噪聲)消除電路，在輸出電壓過零點時，可以減少進入LC
振蕩器腔的l/f噪聲。
圖l.傳統的正交壓控振蕩器結構示意圖2.正交壓控振蕩器的模型。
圖3.本發明的正交壓控振蕩器結構示意圖。
圖4.可變電容連接方式。
圖5.可變電容的電容值。
圖6.數字控制陣列(DCCA)結構。
圖7.消除1/f噪聲的QVC0結構示意圖。
圖8. 1/f噪聲消除原理圖。其中，(a)為輸出電壓I路和Q路，(b)為I路輸出和噪 聲，(c)為開關S1、 S2的電流注入，(d)為輸出噪聲。
圖中標號l為可變電容結構；2為DCCA結構；3為l/f噪聲消除電路。
具體實施例方式
下面結合附圖、上文的綜述以及下文的實例來說明本發明的目的、優點和原理。 圖1產生正交信號的傳統的QVCO結構。下面結合圖1、圖2和圖3描述正交信號的產 生。其中醒0S管M1A和醒0S管M2A， NM0S管M1B和NMOS管M2B分別為兩個VC0提供負 阻；麗OS管M3A和NM0S管M4A提供兩個VC0的交叉正交耦合通路，NM0S管M3B和麗0S 管M4B提供兩個VC0的直接正交耦合通路。由於一個交叉耦合相當於電路將產生一個180 度相移，假設兩個VC0的相位延遲分別是麼和A，通常兩者相等，即麼=^=^。根據 Barkhausen判據，如果環路中的相位延遲是2;r的整數倍，20 + ;r = 2A:;r時，振蕩器振蕩才
能振蕩。因此，0 = ±工。
2
圖3是本發明的QVC0結構示意圖，包含有LC諧振腔(LC-tank)，交叉耦合管實現的 負阻振蕩器，正交耦合器(包含直接正交耦合和交叉正交耦合)，用於窄帶調諧的可變電 容結構和一個用於多帶切換的數字控制陣列，1/f噪聲消除電路(將在後面結合圖7和圖 8詳細描述)。振蕩器A輸出I路信號，振蕩器B輸出Q路信號。其中LC諧振腔由片上電 感和片上電容構成。NMOS管M1A和NMOS管M2A， NMOS管M1B和NMOS管M2B分別為兩個
VC0提供負阻。可變電容結構和數字控制陣列將參照圖4和圖6在下面詳細描述。
圖4是用於窄帶調諧的A-M0S可變電容連接結構。可變管採用A-醒0S管M0S可變電 容，由於其工作在積累區，溝道中一直處於多子導通狀態，溝道導通電阻小，從而擁有更 高的Q值，可以降低AM-PM調製增益，降低1/f的上變頻噪聲貢獻。並且在可變電容與振 蕩器輸出端之間分別串連一個固定電容<^ ，這樣的連接方式比可變電容直接連接振蕩起
輸出端的方式更線形。此外，採用電阻R1， R2用於抵制Vctrl和Vbias的電壓波動。Vbias 是用於偏置可變電容使得可變電容工作在線形度比較高的一段區域，如圖5中虛線橢圓框 所示。
圖6是多帶切換數字控制陣列(DCCA)結構。它由兩個電阻R3、兩個電容Ca和MOS 管M4連接組成，減小壓控振蕩器的增益對於減小噪聲的調頻有重要意義，而為了使VC0 在較小增益的條件下覆蓋所需要的頻點，需要採用數控開關電容陣列(DCCA)把設計的頻 率覆蓋範圍分為多個子頻帶來覆蓋，以彌補小增益下模擬調諧範圍的不足。採用這種結構 的DCCA有以下的優點當電晶體關斷的時候，電晶體的源極和漏極通過電阻被偏置到最 高電平(假設開關管為NNM0S管M0S電晶體)，此時加在電晶體源極一襯底PN結以及漏 極一襯底PN結上的電壓為-Vdd。大的反偏電壓使得這兩個PN結的耗盡區增大，大大減 小了源極和漏極上的寄生電容對開關電容陣列調諧範圍的影響。
圖7是l/f噪聲消除的QVCO結構圖，其中包含的LC諧振腔(LC-tank)，交叉耦合管 實現的負阻振蕩器，正交耦合器(包含直接正交耦合和交叉正交耦合)，用於窄帶調諧的 可變電容結構和一個用於多帶切換的數字控制陣列己經在圖3中描述過，這裡將不重複。 其中虛線框F表示的;r形低通濾波器對偏置電路進行噪聲濾波，將在下面詳細描述。1/f 噪聲消除電路的具體結構如圖7的點劃線框所示(將在下面結合圖8詳細描述)。
如圖7所示，NM0S管M5、畫0S管M6構成電流鏡，麗0S管M5為VC0提供直流電流/ 。
『 『 『 『
假設麗0S管M5管的尺寸為(i)5，麗0S管M6管的尺寸為(+)e，並且(一)5:(+)6=":1，
丄 Z 丄 丄
則，在小於10MHz的頻率範圍內，NMOS管M6管的噪聲降被放大n倍並且經過上變頻到 振蕩器輸出頻率附近形成低頻偏相位噪聲。如果不加處理，醒OS管M6的低頻噪聲對電路 相位噪聲的貢獻將會超過NMOS管M5的低頻噪聲的貢獻。虛線框F為;r形低通濾波器可以 減小醒0S管M6管的低頻相位噪聲貢獻。需要注意的是，"形低通濾波器中的濾波電阻對 噪聲的影響，由於電阻不會貢獻1/f噪聲，因此這個濾波電阻不會貢獻低頻偏的相位噪聲。 如圖7所示的點劃線框表示的是1/f噪聲消除電路。由兩個開關S1、 S2分別連接於 振蕩器A和振蕩器B之間。其中電流/ /，但是要小於/。其中開關S1是由振蕩器A的
輸出控制，開關S2是由振蕩器B的輸出控制。開關S1和開關S2隻有在控制電壓位於峰 值時才能打開，其他時間是關閉的。
下面結合圖8描述1/f噪聲消除電路的工作原理。
眾所周知，根據Hajimiri的相位噪聲理論，在振蕩器輸出電壓過零點時注入的噪聲 對相位噪聲的貢獻最大。如圖8的I路的輸出和噪聲圖所示，在電壓過零點時，注入的噪 聲疊加到輸出電壓上，這樣引起幅度的變換，使得真正的電壓過零點延遲或者提前，這樣 就使得頻率發生變化，也就是產生相位噪聲；而如果噪聲疊加到輸出電壓的峰值處，那麼 僅僅引起該點輸出幅度的變化，並不會形成相位噪聲。因此，通過在振蕩器輸出電壓過零 點時控制噪聲的注入就可以減低相位噪聲。
結合Hajimiri的相位噪聲理論和M0S管的1/f噪聲特性，僅在振蕩器輸出電壓過零 點時減小流過M0S管的直流電流就可以減小相位噪聲又不會產生相位噪聲對電流依賴的問 題。由于振蕩器A和振蕩器B的輸出是正交的，從圖8中最上面的輸出電壓I路和Q路示 意圖可以看出，當I路電壓過零點時，Q路的電壓正好處於電壓峰值；反之，當Q路電壓 過零點時，I路的電壓正好處於與電壓峰值。如上所述，S1開關是由Q路電壓控制，S2開 關是由I路電壓控制。因此，當I路電壓過零點時，Q路的電壓是峰值，這時S1閉合，電 流/。注入節點A，如圖8的A點和B點的電流注入(該圖中標示I的是注入A點的電流，
標示Q的是注入B點的電流)，由於^ / ，流過NM0S管M1A、麗0S管M2A、函0S管M3A 和麗0S管M4A的電流之和約等於0。由MOS管的1/f噪聲公式，i〖oc^^ (其中K是工
藝和尺寸參數，/^是流過NMOS管MOS管的直流電流值，/是頻率)，從這個公式可以看 出MOS的1/f噪聲的大小正比於直流電流(也就是，直流電流越大，1/f噪聲越大，反之 亦然)，所以，如圖8輸出噪聲圖所示，這時注入的1/f噪聲是一個幅度大小約等於0的 脈衝，顯然這四個麗OS管MOS管的1/f噪聲對振蕩器的相位噪聲貢獻顯著減小。之後，I 路的電壓不在過零點，Q路的電壓也不在峰值，Sl斷開，直到I路電壓到達下一個過零點 時，重複上述的工作狀態。I路控制S2在Q路電壓過零點時向B點注入電流的過程與Q路 控制Sl在I路電壓過零點時向A點注入電流的過程類似。
權利要求
1、一種可降低閃礫噪聲的LC正交壓控振器，其特徵在於包含(1)一個由片上電感和片上電容構成的LC諧振腔；(2)一個由2個NMOS管交叉耦合連接成的負阻產生器；(3)一個正交耦合器，包含一條直接正交耦合路徑和一條交叉正交耦合路徑；(4)一個用於窄帶調諧的可變電容結構和一個用於多帶切換的數字控制陣列；(5)一個在尾部對偏置源進行噪聲濾波的π形低通濾波器；(6)一個閃爍噪聲消除電路，在輸出電壓過零點時，減少進入LC振蕩器腔的1/f噪聲。
2. 根據權利要求1所述的可降低閃礫噪聲的LC正交壓控振蕩器，其特徵在於所述的 採用窄帶協調的可變電容連接結構，其可變管採用A-畫OS管MOS可變電容，在A-NMOS管 MOS可變電容與振蕩器輸出之間分別串聯一個電容，並且採用兩個電阻抑制直流控制電壓 和直流偏置的電源波動。
3. 根據權利要求1所述的可降低閃礫噪聲的LC正交壓控振蕩器，其特徵在於所述的 多帶切換的數字控制陣列由兩個電阻、兩個電容和一個MOS管M4電路連接組成。
4. 根據權利要求4所述的可降低閃礫噪聲的LC正交壓控振蕩器，其特徵在於所述的 閃爍噪聲消除電路由開關Sl和開關S2組成，它們分別連接於電源與振蕩器A和振蕩器B 的輸出之間，開關Sl由振蕩器A的輸出控制，開關S2由振蕩器B的輸出控制，開關Sl 和開關S2在控制電壓位於峰值時打開，在其他時間關閉。
全文摘要
本發明屬於集成電路技術領域，具體為一種可降低閃礫噪聲的LC正交壓控振蕩器。使用正交耦合器連接兩個負阻型振蕩器使之輸出正交信號，通過在正交振蕩器中使用更線形的窄帶調諧可變電容結構、寄生電容較小的多帶切換數字陣列以及在輸出電壓過零點時減少進入器件閃爍噪聲進入LC振蕩器的閃爍噪聲消除電路，從而獲得較低的相位噪聲。
文檔編號H03B5/08GK101183851SQ20071017217
公開日2008年5月21日 申請日期2007年12月13日 優先權日2007年12月13日
發明者巍 李, 鄭劍欽 申請人:復旦大學