專利名稱：一種壓控振蕩器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于射頻收發(fā)機領域，具體涉及一種電感電容壓控振蕩器。
背景技術：
目前，隨著藍牙、無線局域網(wǎng)和3G等無線應用的興起，射頻收發(fā)機的研究引起了人們的廣泛興趣，頻率綜合器為射頻收發(fā)系統(tǒng)提供本地振蕩信號，是收發(fā)機的重要組成部分。而高性能高集成度的壓控振蕩器是頻率綜合器和收發(fā)機面臨的重要挑戰(zhàn)。目前通信標準要求的載波頻率大都在IGHz以上，信道頻帶也常較寬。這就要求振蕩器具有中心頻率高、調諧范圍寬、相位噪聲低和功耗低的特點。壓控振蕩器可分為兩大類電感電容振蕩器和環(huán)型振蕩器。環(huán)型振蕩器噪聲性能差，功耗高，這些缺點限制了它在高性能通信系統(tǒng)中的應用，因此，射頻通信系統(tǒng)大都使用電感電容振蕩器。相位噪聲和抖動是用來衡量振蕩器噪聲性能的參數(shù)，相位噪聲是在頻率域來衡量振蕩器的頻譜純度，而抖動是在時間域來衡量振蕩器信號過零點的時間不確定性，它們是對同一現(xiàn)象的不同描述，從原理上來說，它們是等效的。當振蕩器用來做本地振蕩信號時， 一般用相位噪聲來描述它的噪聲性能，而當振蕩器用作時鐘發(fā)生器時，一般用抖動來描述它的噪聲性能。鎖相環(huán)的相位噪聲是信息傳輸質量和可靠性的重要參數(shù)。壓控振蕩器 (VCO)是頻率綜合器的重要組成部分，頻綜的遠端相位噪聲主要由壓控振蕩器決定，因而設計低噪聲VCO顯得十分關鍵。低噪聲VCO甚至是一些通信標準電路實現(xiàn)的瓶頸。近些年來，人們對壓控振蕩器進行了大量的研究，取得很大成效，但努力減小相位噪聲仍是研究的執(zhí)占。普通的電壓偏置型LC振蕩器如圖2所示，Ml, M2為NMOS互耦對，形成負阻，抵消諧振腔中的電阻損耗，維持電路穩(wěn)定振蕩。電容的兩端形成振蕩器的差分輸出端。通常結構中耦合對下面的電流源被短路到地的導線取代。在這種振蕩器中，兩個晶體管的
與諧振回路上的差分電壓幅度相等，但方向相反。當振蕩信號為0時，兩個晶體管都工作于飽和區(qū)，沒有能量注入諧振腔。當振蕩信號增加到超過晶體管的閾值電壓&時，一個
晶體管的超過迫使它進入線性區(qū)工作，而另一個晶體管的G進一步減小，迫使其
進入更深的飽和區(qū)。在線性區(qū)工作的晶體管相當于一個電阻，給諧振腔回路引入額外的損耗，而且該電阻會隨著振蕩信號的增加而減小，引入的損耗也會增加。在下一個半周期，兩個晶體管的工作狀態(tài)會發(fā)生轉換，另一個晶體管會進入線性區(qū)工作，給諧振回路引入損耗。 這些損耗會降低Q值，從而增大振蕩器的相位噪聲。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于改善壓控振蕩器的相位噪聲，在基本的LC振蕩器的電路基礎上，結合Hajimiri相位噪聲模型，提出了一種結構合理、簡單的優(yōu)化振蕩器相位噪聲的壓控振蕩器。
為解決上述技術問題，本發(fā)明采用的技術方案為壓控振蕩器，包括有電感L和電容C、匪OS管Ml、匪OS管M2，電感L和電容C并聯(lián)，匪OS管Ml和匪OS管M2組成匪OS互耦對，NMOS管Ml的漏極與NMOS管M2的柵極相接再與電容C的一端連接，NMOS管M2的漏極與NMOS管Ml的柵極相接再與電容C的另一端連接，NMOS管Ml和NMOS管M2的源極相接，還包括有匪OS管M3、匪OS管M4，匪OS管M3、匪OS管M4的漏極與匪OS管Ml、匪OS管 M2的源極相接，NMOS管M3、NM0S管M4的柵極分別與電容C的兩端相連，NMOS管M3和NMOS 管M4的源極相接后接地。所述的電感L為COMS工藝的片上螺旋電感。所述的電容C為CMOS工藝的電容。本發(fā)明的有益效果
本發(fā)明提出一種可優(yōu)化振蕩器相噪的電流源，使其在振蕩波形的峰、谷值處向諧振環(huán)路注入電流，而其他時刻不注入電流，減小了互耦對和電流源對相位噪聲的影響，優(yōu)化了 LC 振蕩器的相位噪聲性能。


圖1是振蕩輸出差分波形、ISF函數(shù)波形、注入電流波形對比示意圖。圖2是現(xiàn)有的普通電壓偏置型LC振蕩器電路圖。圖3是本發(fā)明具有優(yōu)化相位噪聲效果的LC振蕩器電路圖。
具體實施例方式下面結合附圖對本發(fā)明的具體實施方式
作進一步詳細的描述。本發(fā)明詳細分析了 LC壓控振蕩器的相位噪聲模型，找出可以提高振蕩器相位噪聲性能的具體實現(xiàn)方法，具體過程如下
LC振蕩器的噪聲模型分析
振蕩器剛開始起振時，它的環(huán)路增益必須大于1，將振蕩器內部噪聲或干擾進行放大， 使其振蕩幅度不斷增加。當振蕩幅度增加大一定程度時，有源器件的非線性會使環(huán)路增益開始下降，只有當環(huán)路增益下降到1，振蕩信號幅度才能達到穩(wěn)定。因此，為了保證振蕩器能正常起振，并維持穩(wěn)定的振蕩，所有的振蕩器都是非線性系統(tǒng)。而且，振蕩器的振蕩幅度一般會很高，會使得有源器件周期性的導通或截止，這使得振蕩器的開環(huán)傳輸函數(shù)是一時變函數(shù)，所以振蕩器是一個非線性時變系統(tǒng)，不能利用線性時不變(LTI)模型來分析它的相位噪聲性能。目前人們提出了許多有用的相位噪聲模型。根據(jù)Hajimiri相位噪聲模型可知，振蕩器是一個非線性時變系統(tǒng)，引入沖擊靈敏度函數(shù)(impulse sensitivity function, ISF)這是個無量綱的與頻率和幅度無
關的函數(shù)，周期為2 i。這個函數(shù)指振蕩器被相位處注入的沖擊脈沖所擾動的靈敏度。 如圖1 (a)、(b)，在LC振蕩器中，ΓΟφ在振蕩波形的過零點處存在最大值，在振蕩波形的峰值處為0。如圖3所示，本發(fā)明所述的壓控振蕩器，包括有電感L和電容C、NMOS管Ml、NMOS 管M2，電感L和電容C并聯(lián)，所述的電感L為COMS工藝的各類片上螺旋電感。所述的電容C為CMOS工藝的各種電容。NMOS管Ml和匪OS管M2組成匪OS互耦對，匪OS管Ml的漏極與NMOS管M2的柵極相接再與電容C的一端連接，NMOS管M2的漏極與NMOS管Ml的柵極相接再與電容C的另一端連接，NMOS管Ml和NMOS管M2的源極相接，還包括有NMOS管 M3、匪OS管M4，匪OS管M3、匪OS管M4的漏極與匪OS管Ml、匪OS管M2的源極相接，匪OS 管M3、NM0S管M4的柵極分別與電容C的兩端相連，NMOS管M3和NMOS管M4的源極相接后接地。本發(fā)明在圖2所示LC振蕩器的基礎上，增加兩個NMOS管M3、M4作為尾電流源，M3、 M4的柵極分別與兩輸出端(即電容的兩端)相連，振蕩器輸出信號控制這兩個電流源。其中 M1、M2仍為NMOS互耦對，互耦對形成負阻，也就是正反饋。負阻型LC振蕩器利用負阻來補償LC諧振回路的能量損失，在諧振時，負阻提供的能量等于諧振回路損失的能量，維持電路穩(wěn)定振蕩。本發(fā)明獨特之處是使用了圖3中所示的電流源。此電流源由M3和M4兩個NMOS 晶體管組成，其漏端和源端都連在一起，柵端分別連到兩個輸出端(電容C的兩端是振蕩器的差分輸出端，作為一種自治電路，振蕩器沒有輸入)。電路工作時，當輸出處于直流點時， 如圖1中t2時刻(振蕩器對擾動敏感)。此時M3和M4截止，沒有電流注入。當輸出達到峰值點附近時，如圖1中tl時刻(振蕩器對擾動不敏感)。此時M3和M4只有一個導通，為電路注入電流。這樣電流源在為電路注入能量維持正常振蕩的同時，又只在特定的時機注入， 以保證達到較低的相位噪聲。下面分析振蕩器在一個振蕩周期內的具體的工作狀態(tài)。如圖1所示，在t=0時，在振蕩信號靠近直流點的時候，互耦對兩個晶體管都導通，仔細設計M3、M4兩個晶體管的尺寸(兩個管子的尺寸設計得完全相同)，使得這時候M3、M4晶體管截止，也就是在振蕩信號過零點附近沒有電流注入諧振回路，當振蕩信號離開零點，Ml漏端電壓增大，晶體管M3開始導通進入線性區(qū)，增加到峰值時，晶體管M3進入飽和區(qū)，晶體管M4截止，流過M3的電流注入諧振回路。仔細設計M1，M2的尺寸(兩個管子尺寸完全相同)，使得此時的Ml、M2仍然工作在飽和區(qū)，形成負阻，給諧振回路補充能量損失，維持電路穩(wěn)定振蕩。在下一個半周期，左右兩邊的晶體管的工作狀態(tài)會發(fā)生轉換，晶體管M4導通，晶體管M3截止，流過M4的電流注入諧振回路，M1、M2兩晶體管形成負阻，給諧振回路補充能量損失。根據(jù)上面第一部分對相位噪聲模型分析得知，ISF在振蕩信號波形的峰、谷值處(tl)為0，也就是在振蕩波形峰、谷值注入的電流脈沖而引入的噪聲對相位噪聲性能影響最小。而且兩個尾電流源只是在振蕩波形的峰、谷值處導通其中一個，在波形過零點時刻這兩個管子均截止，其他時刻這兩個管子工作在線性區(qū)，注入電流小，因此電流源引入的噪聲也大大減小。這樣就優(yōu)化了 LC振蕩器的相位噪聲性能?？傊景l(fā)明雖然例舉了上述優(yōu)選實施方式，但是應該說明，雖然本領域的技術人員可以進行各種變化和改型，除非這樣的變化和改型偏離了本發(fā)明的范圍，否則都應該包括在本發(fā)明的保護范圍內。
權利要求
1.一種壓控振蕩器，包括有電感(L)和電容(C)、NMOS管(Ml)、NMOS管(M2)，電感(L) 和電容(C)并聯(lián)，NMOS管(Ml)和NMOS管(M2)組成NMOS互耦對，NMOS管(Ml)的漏極與 NMOS管(M2)的柵極相接再與電容(C)的一端連接，NMOS管(M2)的漏極與NMOS管(Ml)的柵極相接再與電容(C)的另一端連接，NMOS管(Ml)和NMOS管(M2)的源極相接，其特征在于還包括有匪OS管(M3)、NM0S管(M4)，NMOS管(M3)、NM0S管(M4)的漏極與匪OS管(Ml )、 NMOS管(M2)的源極相接，NMOS管(M3)、NMOS管(M4)的柵極分別與電容(C)的兩端相連， NMOS管(M3)和NMOS管(M4)的源極相接后接地。
2.按照權利要求1所述的一種壓控振蕩器，其特征在于所述的電感(L)為COMS工藝的片上螺旋電感。
3.按照權利要求1所述的一種壓控振蕩器，其特征在于所述的電容(C)為CMOS工藝的電容。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種壓控振蕩器。壓控振蕩器，包括有電感L和電容C、NMOS管M1、NMOS管M2，電感L和電容C并聯(lián)，NMOS管M1和NMOS管M2組成NMOS互耦對，NMOS管M1的漏極與NMOS管M2的柵極相接再與電容C的一端連接，NMOS管M2的漏極與NMOS管M1的柵極相接再與電容C的另一端連接，NMOS管M1和NMOS管M2的源極相接，還包括有NMOS管M3、NMOS管M4，NMOS管M3、NMOS管M4的漏極與NMOS管M1、NMOS管M2的源極相接，NMOS管M3、NMOS管M4的柵極分別與電容C的兩端相連，NMOS管M3和NMOS管M4的源極相接后接地。本發(fā)明通過實現(xiàn)一種恰當偏置的電流源，在正確的時機為諧振腔注入能量，優(yōu)化了LC振蕩器的相位噪聲性能。
文檔編號H03L7/099GK102158224SQ201110091000
公開日2011年8月17日 申請日期2011年4月12日 優(yōu)先權日2011年4月12日
發(fā)明者李正平, 林榮, 王明照 申請人:廣州潤芯信息技術有限公司