電壓控制振蕩器的對稱噪聲濾波技術的製作方法

2023-10-10 09:52:34 2

專利名稱：電壓控制振蕩器的對稱噪聲濾波技術的製作方法
技術領域：
本發明涉及壓控振蕩器晶片的製造技術，具體地說是一種用於電壓控制振蕩器(vco)的對稱噪聲濾波技術。
背景技術：
單片集成的射頻收發器是當前研究的重點，而高譜純度、低相位噪聲的 壓控振蕩器研究是其中難點之一，原因是缺乏高品質的片上無源器件和對噪聲的機理缺乏本質的認識。傳統的噪聲分析都是基於Leeson噪聲公式，而 Leeson公式源于振蕩器的在周期穩態狀態下的線形模型，它是一個缺乏理論 證明的經驗表達式，而實際上振蕩器是在大信號狀態下工作且非線形明顯， 因此在壓控振蕩器設計中Leeson公式還需要進一步完善。 1、電感電容振蕩器相位噪聲圖l是一種基於尾電流偏置的N/PMOS互補型差分振蕩器，(a)是電路 結構，(b)是其等效電路模型。互補差分對管M1、 M2和M3、 M4產生"負阻 抗"抵消諧振網絡等效電阻而形成振蕩。Real et al把振蕩器噪聲源分為三部 分諧振網絡噪聲，互補差分對管噪聲及尾電流源噪聲。壓控振蕩器的噪聲可表示為其中Uformula see original document page 3式中I為偏置電流，Y為差分對管的溝道噪聲係數，R為諧振網絡等效電阻， Vo為振蕩器幅度，gm為尾電流管MO的跨導。k為波爾茲曼常數，T為絕對溫 度，叫為載波頻率，^為頻偏。F定義為振蕩器噪聲係數，式中三項分別表 示諧振網絡，互補差分對管(MOS)及尾電流源的噪聲係數。Realetal分析了電感電容壓控振蕩器中的噪聲，不足之處是沒有提出噪 聲抑制方法。Hegazi分析了 (2)中三種噪聲的組成，指出尾電流源所貢獻的 噪聲佔75%左右。因此降低尾電流噪聲成為降低整個系統相位噪聲的關鍵。 並且最重要的是二次諧波噪聲。
Hegazi et al依據阻塞二次諧波來降低尾電流源的噪聲的原理，提出圖2 所示電路，阻止在頻率為2^處尾電流源噪聲和差分對管M1和M2進行混頻， 抑制其產生位於載波處的相位噪聲。該電路在實際設計中取到一定的降低尾 電流源噪聲效果。2對稱噪聲濾波技術Hegazi et al等人認識到了克服尾電流源噪聲的重要意義，不足之處是其 設計都是基於NMOS差分對管的"負阻"結構，對於N/PMOS互補類型壓控 振蕩器的噪聲抑制，目前文獻均報導較少。Pietro Andreani et al曾把Hegazi 的噪聲濾波技術應用到N/PMOS互補類型壓控振蕩器中，但也無明顯的改善。分析圖3 (a)所示N/PMOS互補類型壓控振蕩器的結構可知，與NMOS 差分對管M1、 M2類似，PMOS差分對管M3、 M4在大信號作用下頻繁開關也 形成噪聲混頻效應，對頻率位於2 。±^的噪聲具有下混頻作用，產生的信號 士 通過反饋迴路進入到諧振電路中，形成相位噪聲，傳統的分析認為B 點是一個理想的交流地，不具備噪聲源，而實際上的效果並非如此，在B點 所包括的噪聲源有-A、 鍵合電感的電阻熱噪聲。晶片都要通過鍵合線連接到封裝上，而鍵 合線本身具有一定的電阻，大小和鍵合線的長度，鍵合線半徑以及鍵合線電 阻率有關.B、 鍵合線與鍵合線之間的耦合噪聲。不同的鍵合線與鄰近鍵合線之間 存在較大耦合電感，其他鍵合線上的噪聲可以耦合到該鍵合線上。耦合係數 M與兩條鍵合的長度以及距離有關。C、 濾波電容的等效電阻熱噪聲。由於在電源Pad上通常有較大的濾波電 容，且大電容對高頻噪聲沒有很好的抑制能力，相反濾波電容本身具有寄生 電阻，在2 。±^處產生熱噪聲。發明內容本發明的目的在於通過分析基於電感電容壓控振蕩器的噪聲機理，提出 電壓控制振蕩器(vco)對稱噪聲濾波技術，以進一步抑制電流源的噪聲。按照本發明提供的技術方案，在4個差分對管M1 4中，差分對管M1的柵 極與差分對管M2的漏極相連，差分對管M2的柵極與差分對管M1的漏極相 連，差分對管M1的柵極與差分對管M2的源極相互連接到節點A，形成互鎖的 形式；差分對管M3的柵極與差分對管M4的漏極相連，差分對管M4的柵極與 差分對管M3的漏極相連，差分對管M3的柵極與差分對管M4源極相互連接到 節點B，同樣形成互鎖的形式；差分對管M1的柵極與差分對管M3的漏極相連於節點E，差分對管M2的 柵極與差分對管M4的漏極相連於節點D，在節點E與D之間並接電感Ld和可 變電容Cd;其特徵是在節點A上通過電感Lxl連接到差分對管MO的漏極節點F，在 節點A與零電位之間產生一個寄生電容Cpl;在節點F和零電位之間並接電容 Cx，差分對管MO的源極接零電位，柵極由外部控制；在節點B上通過電感Lx2連接到節點C，在節點B與零電位間產生一個寄 生電容Cp2;在節點C和電源之間串接包括電阻Rb和電感Lb的鍵合電感模型， 在節點C與零電位之間串接包括電阻Rf與電容Cf的電源濾波電容模型，由電 感Lx2和PMOS對差分對管M3、差分對管M4的源極產生的寄生電容Cp2諧振 在2叫上，在B點形成一個對2w。頻率的高阻抗，這樣來自電源線端的2w。土 噪 聲不能在PMOS對差分對管M3、差分對管M4中變頻到載波頻段形成相位噪 聲，從而在源頭上抑制與電流源相關的噪聲形成。針對電源極的噪聲及PMOS差分對管的噪聲混頻效應，本申請創新性的 提出一種對稱噪聲濾波技術，如圖3(b)所示，與傳統結構不同的是，在節點B 增加一個電感Lx2，它和PMOS差分對管M3、 M4的源極產生的寄生電容Cp2 諧振在2w。上，在B點形成一個對2w。頻率的高阻抗，這樣來自電源線端的 2w。土、噪聲不能在PMOS差分對管M3、 M4中下變頻到載波頻段形成相位噪聲，從而在源上抑制與電流源相關的噪聲形成。由於噪聲濾波網絡都諧振在2w。上，因此電感Lxl和電感Lx2電感都比較小，不佔太大面積，通常，諧振網絡的寄生電容Cpl和Cp2都是利用差分耦合 對NMOS差分對管Ml、 M2和PMOS差分對管M3、 M4的源極寄生電容形成， 噪聲諧振網絡中電感的Q值要適中，這樣可以拓寬頻帶，有效的克服因為工 藝，溫度和電壓變化而引起諧振點的偏移。針對傳統分析的局限性，在充分理解噪聲機理的基礎上，提出對稱噪聲 濾波技術，進一步抑制電流源的噪聲。在此基礎上所實現的4.8 GHzVCO取 到一 123.66 dBc/Hz的噪聲性能，在同類設計中取得很好的結果。


圖l是一種基於尾電流偏置的N/PMOS互補型差分振蕩器，其中的(a) 是電路結構，(b)是其等效電路模型。圖2的a與b分別指傳統的兩種噪聲濾波技術。
圖3 (a)為傳統的N/PMOS互補類型壓控振蕩器的結構圖。 圖3 (b)為本發明的N/PMOS互補類型壓控振蕩器的結構圖。
具體實施方式
如圖所示在4個差分對管M1 4中，差分對管M1的柵極與差分對管M2 的漏極相連，差分對管M2的柵極與差分對管M1的漏極相連，差分對管M1的 柵極與差分對管M2源極相互連接到節點A，形成互鎖的形式；差分對管M3 的柵極與差分對管M4的漏極相連，差分對管M4的柵極與差分對管M3的漏極 相連，差分對管M3的柵極與差分對管M4源極相互連接到節點B，同樣形成互 鎖的形式；差分對管M1的柵極與差分對管M3的漏極相連於節點E，差分對管M2的 柵極與差分對管M4的漏極相連於節點D，在節點E於D之間並接電感Ld和可 變電容Cd;在節點A上通過電感Lxl連接到差分對管MO的漏極節點F，在節點A與零 電位之間產生一個寄生電容Cpl;在節點F和零電位之間並接電容Cx，差分對 管MO的源極接零電位，柵極由外部控制；在節點B上通過電感Lx2連接到節點C，在節點B與零電位間產生一個寄 生電容Cp2;在節點C和電源之間串接包括電阻Rb和電感Lb的鍵合電感模型， 在節點C與零電位之間串接包括電阻Rf與電容Cf的電源濾波電容模型，由電 感Lx2和PMOS對差分對管M3、差分對管M4的源極產生的寄生電容Cp2諧振 在2^上，在B點形成一個對2^v頻率的高阻抗，這樣來自電源線端的2w。土氣噪 聲不能在PMOS對差分對管M3、差分對管M4中變頻到載波頻段形成相位噪 聲，從而在源頭上抑制與電流源相關的噪聲形成。
權利要求
1、電壓控制振蕩器的對稱噪聲濾波技術，在4個差分對管(M1～4)中，差分對管(M1)的柵極與差分對管(M2)的漏極相連，差分對管(M2)的柵極與差分對管(M1)的漏極相連，差分對管(M1)的柵極與差分對管(M2)源極相互連接到節點(A)，形成互鎖的形式；差分對管(M3)的柵極與差分對管(M4)的漏極相連，差分對管(M4)的柵極與差分對管(M3)的漏極相連，差分對管(M3)的柵極與差分對管(M4)源極相互連接到節點(B)，同樣形成互鎖的形式；差分對管(M1)的柵極與差分對管(M3)的漏極相連於節點(E)，差分對管(M2)的柵極與差分對管(M4)的漏極相連於節點(D)，在節點(E)於(D)之間並接電感(Ld)和可變電容(Cd)；其特徵是在節點(A)上通過電感(Lx1)連接到差分對管(M0)的漏極節點(F)，在節點(A)與零電位之間產生一個寄生電容(Cp1)；在節點(F)和零電位之間並接電容(Cx)，差分對管(M0)的源極接零電位，柵極由外部控制；在節點(B)上通過電感(Lx2)連接到節點(C)，在節點(B)與零電位間產生一個寄生電容(Cp2)在節點(C)和電源之間串接包括電阻(Rb)和電感(Lb)的鍵合電感模型，在節點(C)與零電位之間串接包括電阻(Rf)與電容(Cf)的電源濾波電容模型，由電感(Lx2)和PMOS對差分對管M3、差分對管(M4)的源極產生的寄生電容(Cp2)諧振在2ω0上，在(B)點形成一個對2ω0頻率的高阻抗，這樣來自電源線端的2ω0±ωm噪聲不能在PMOS對差分對管(M3)、差分對管(M4)中變頻到載波頻段形成相位噪聲，從而在源頭上抑制與電流源相關的噪聲形成。
全文摘要
本發明涉及壓控振蕩器晶片的製造技術，具體地說是一種用於壓控振蕩器的VCO對稱噪聲濾波技術。按照本發明提供的技術方案，在4個差分對管M1～4中，差分對管M1的柵極與差分對管M2的漏極相連，差分對管M2的柵極與差分對管M1的漏極相連，差分對管M1的柵極與差分對管M2的源極相互連接到節點A，形成互鎖的形式；差分對管M3的柵極與差分對管M4的漏極相連，差分對管M4的柵極與差分對管M3的漏極相連，差分對管M3的柵極與差分對管M4源極相互連接到節點B，同樣形成互鎖的形式。利用本發明後可以進一步抑制電流源的噪聲。
文檔編號H03B5/08GK101159427SQ20071013488
公開日2008年4月9日 申請日期2007年10月23日 優先權日2007年10月23日
發明者楊豐林 申請人:無錫漢柏信息技術有限公司