專利名稱：一種基于注入鎖定倍頻器的低相噪正交壓控振蕩器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于射頻無線接收機(jī)集成電路技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種應(yīng)用于無線接收機(jī)頻率綜合器的低相噪正交壓控振蕩器(Quadrature Voltage-Controlled Oscillator, QVCO)ο
背景技術(shù)：
隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展，零中頻和低中頻射頻無線接收機(jī)得到了廣泛的應(yīng)用。 而這兩種接收機(jī)結(jié)構(gòu)需要正交信號來實(shí)現(xiàn)鏡像抑制和解調(diào)。產(chǎn)生正交信號的方法一般有以下幾種
(I)RC相移網(wǎng)絡(luò)首先設(shè)計(jì)一個差分壓控振蕩器，然后將壓控振蕩器的輸出送到RC相移網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)正交信號輸出。這種方法的得到的信號的正交性比較差，而且功耗比較大。(2) 2分頻器首先設(shè)計(jì)一個工作在兩倍頻的壓控振蕩器，然后將輸出信號送到分別送到兩個2分頻器中，得到正交信號。這種方法消耗的功耗很大，而且輸出信號相位誤差也比較大，再加上需要設(shè)計(jì)一個高頻的壓控振蕩器，設(shè)計(jì)難度高。(3)晶體管耦合采用耦合管將兩個差分信號進(jìn)行耦合。結(jié)構(gòu)簡單，但是正交耦合管會引入額外的噪聲，相位噪聲和相位精度之間存在折衷。(4)變壓器耦合采用變壓器耦合的方法，使得兩差分壓控振蕩器的二次諧波存在一個180°的相移，實(shí)現(xiàn)正交信號輸出。相位噪聲低，正交性好，但是變壓器需要占用很多面積。綜上所述，正交壓控振蕩器的設(shè)計(jì)主要是在相位噪聲、相位精度、面積和功耗這四個量之間進(jìn)行折衷。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種可保證高相位精度的前提下實(shí)現(xiàn)低相位噪聲輸出的正交壓控振蕩器。本發(fā)明提供的壓控振蕩器，是一種基于注入鎖定倍頻器的低相噪正交壓控振蕩器，它由兩個工作在基頻fo的差分壓控振蕩器(VC01、VC02)和一個注入鎖定倍頻器構(gòu)成。 其中，注入鎖定倍頻器又包括兩對耦合管(M5-M6、M7-M8)和一個工作在兩倍頻的差分壓控振蕩器(VC03)。第一差分壓控振蕩器(VC01)的負(fù)阻產(chǎn)生器由2個NMOS管(Ml和M2)交叉耦合連接組成，第二差分壓控振蕩器(VC02)的負(fù)阻產(chǎn)生器由2個NMOS管(M3和M4)交叉耦合連接組成，第三差分壓控振蕩器(VC03)的負(fù)阻產(chǎn)生器由2個NMOS管(M9和M10)交叉耦合連接組成；兩對耦合管(M5-M6、M7-M8)由NMOS管構(gòu)成，其中第一對耦合管(M5-M6)的柵極接第二差分壓控振蕩器(VC02)的輸出，漏極接到第三差分壓控振蕩器(VC03)的輸出端DP，源極接2個NMOS管(Ml和M2)的共源極；第二對耦合管(M7-M8)的柵極接第一差分壓控振蕩器(VC01)的輸出，漏極接到第三差分壓控振蕩器(VC03)的輸出端DN，源極接另2 個NMOS管(M3和M4)的共源極。
在該結(jié)構(gòu)中，耦合管一方面保證兩個頻率為&的壓控振蕩器頻率相等，同時(shí)實(shí)現(xiàn)一個相位誤差比較大的正交信號；另一方面又可以作為倍頻器得到兩個基頻壓控振蕩器的輸出信號的二次諧波。將兩個倍頻器得到的二次諧波注入到二倍頻壓控振蕩器中，通過調(diào)整該二倍頻壓控振蕩器的諧振頻率，保證注入鎖定能夠?qū)崿F(xiàn)。最終，倍頻器的輸出信號的相位是固定的，而且相差穩(wěn)定保持在180°。這樣就可以保證基頻壓控振蕩器的輸出是正交的。本發(fā)明的正交壓控振蕩器中所包含的差分壓控振蕩器的基本結(jié)構(gòu)是相同的，都包括
(1)一個片上電感電容(LC)諧振器；
(2)用來對振蕩頻率進(jìn)行調(diào)諧的片上可變電容；
(3)由2個NMOS管交叉耦合連接而成的負(fù)阻產(chǎn)生器；
(4)用來給壓控振蕩器提供偏置電流的尾電流源。本發(fā)明的正交壓控振蕩器，可以通過改變可變電容的容值，調(diào)節(jié)工作在基頻的壓控振蕩器的輸出頻率。本發(fā)明的正交壓控振蕩器，可以通過改變可變電容的容值，調(diào)節(jié)工作在兩倍頻的壓控振蕩器的輸出頻率和正交壓控振蕩器輸出信號的正交性。本發(fā)明的正交壓控振蕩器，在實(shí)現(xiàn)低相噪壓控振蕩器的同時(shí)還可以實(shí)現(xiàn)倍頻器的功能。本發(fā)明的突出改進(jìn)主要在于正交壓控振蕩器采用新的正交實(shí)現(xiàn)方式，其中相位噪聲是由工作在基頻的差分壓控振蕩器決定的，而相位精度是由注入鎖定倍頻器決定的。相位噪聲和相位精度之間不存在折衷關(guān)系，可以在保證高相位精度下，實(shí)現(xiàn)低相位噪聲輸出。 由于本發(fā)明的正交壓控振蕩器需要額外的一個高頻的壓控振蕩器，功耗和面積上會比傳統(tǒng)的用晶體管耦合的正交壓控振蕩器略大一些。


圖1傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的正交壓控振蕩器。圖2傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的正交壓控振蕩器原理圖。圖3本發(fā)明的基于注入鎖定倍頻器的壓控振蕩器的結(jié)構(gòu)示意圖。圖4本發(fā)明的正交壓控振蕩器的原理圖。圖5壓控振蕩器的正交輸出波形。圖6壓控振蕩器的相噪對比圖。圖7相位關(guān)系的蒙特卡洛分析。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖進(jìn)行說明
如圖1所示，傳統(tǒng)的正交壓控振蕩器由兩個差分壓控振蕩器VCOl和VC02以及兩對耦合管M1-M2和M3-M4構(gòu)成。其中M5-M6和M7-M8為負(fù)阻管用來維持振蕩?；驹砣鐖D2所示，交叉耦合方式會引入一個180°的相移，根據(jù)巴克豪森準(zhǔn)則，整個環(huán)路引入的相移為的整數(shù)倍。則假設(shè)兩個壓控振蕩器引入的相移相等都為Φ，滿足2Φ+π=2π，即Φ=π/2。對于傳統(tǒng)的正交壓控振蕩器，耦合系數(shù)k=Iinj/I0SC越大，正交性越好。但是，注入電流會導(dǎo)致電感電容諧振腔的Q值降低，進(jìn)而惡化壓控振蕩器的相位噪聲。如圖3所示，本發(fā)明的基于注入鎖定倍頻器的壓控振蕩器包含三個全差分壓控振蕩器。其中壓控振蕩器VC01、VC02工作在基頻，VC03工作在二倍頻。Ml- M4以及M9-M10 為負(fù)阻管分別用來維持相應(yīng)的壓控振蕩器振蕩。M5-M6和M7-M8為耦合管，同時(shí)可以作為倍頻器。結(jié)合圖4說明該壓控振蕩器的工作原理。假設(shè)VCOl輸出信號的相位為Φ和Φ + π， VC02輸出信號的相位為θ和Θ+ji。Μ5-Μ6構(gòu)成倍頻器1，Μ7-Μ8構(gòu)成倍頻器2。倍頻器1 的漏端和源端輸出信號的相位分別是2 Φ和2Φ+2π。倍頻器2的漏端和源端輸出信號的相位分別是2 θ和2 θ +2 π。倍頻1和倍頻器2的漏端信號注入到VC03的輸出端，源端信號注入到共模點(diǎn)A和B處。源端注入信號可以保證兩個VCO的輸出頻率相等，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)相位誤差較大的正交信號。通過調(diào)整VCTRL2，以改變VC03的諧振頻率，注入到VC03的信號，會不斷調(diào)整相應(yīng)的相位。如果注入鎖定能夠?qū)崿F(xiàn)的話，倍頻器漏端輸出信號的相位固定，兩者保持180°的相位差，即2Φ=2 θ 士 π。這樣一來，VCOl和VC03輸出信號的相位 φ= θ 士 π/2，即可以實(shí)現(xiàn)正交。本發(fā)明的正交壓控振蕩器不是通過電流注入耦合，工作在基頻的壓控振蕩器中的電感電容諧振腔的Q值不會降低，即相噪不會發(fā)生惡化。圖5為該正交壓控振蕩器的正交輸出波形。圖6為相噪對比圖，可以發(fā)現(xiàn)，該發(fā)明的基于注入鎖定倍頻器的壓控振蕩器的相噪曲線同差分的壓控振蕩器的相噪曲線幾乎重合，同時(shí)低于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的正交壓控振蕩器的相噪。圖7為相位關(guān)系的蒙特卡洛分析，其中(a)圖為傳統(tǒng)的正交壓控振蕩器輸出的相位關(guān)系，圖(b)當(dāng)VCTRL2為IV時(shí)該壓控振蕩器輸出的相位關(guān)系。傳統(tǒng)的正交壓控振蕩器的輸出相位平均值為90. 0038°，標(biāo)準(zhǔn)差為 336. 485m ；該發(fā)明提出的壓控振蕩器的輸出相位平均值為90. 0022°，標(biāo)準(zhǔn)差為308. 353m0 該壓控振蕩器的輸出相位的標(biāo)準(zhǔn)差小于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)輸出相位的標(biāo)準(zhǔn)差，證明該壓控振蕩器的相位準(zhǔn)確度要高于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)。圖7 (b)- (d)表示的是在不同VCTRL2條件下的輸出相位關(guān)系，可以發(fā)現(xiàn)，相位精度隨著控制電壓的改變而變化。這表明，在實(shí)際電路測試過程中可以通過調(diào)節(jié)VCTRL2的值來改善壓控振蕩器輸出的正交性。
權(quán)利要求
1.一種基于注入鎖定倍頻器的低相噪正交壓控振蕩器，其特征在于由兩個工作在基頻 f0的差分壓控振蕩器(VC01、VC02)和一個注入鎖定倍頻器構(gòu)成；其中，所述注入鎖定倍頻器又包括兩對耦合管(M5-M6、M7-M8)和一個工作在兩倍頻的差分壓控振蕩器(VC03)；第一差分壓控振蕩器(VCOl)的負(fù)阻產(chǎn)生器由2個NMOS管(Ml和M2)交叉耦合連接組成，第二差分壓控振蕩器(VC02)的負(fù)阻產(chǎn)生器由2個NMOS管(M3和M4)交叉耦合連接組成，第三差分壓控振蕩器(VC03)的負(fù)阻產(chǎn)生器由2個NMOS管(M9和M10)交叉耦合連接組成；所述兩對耦合管(M5-M6、M7-M8)由NMOS管構(gòu)成，其中，第一對耦合管(M5-M6)的柵極接第二差分壓控振蕩器(VC02)的輸出，漏極接到第三差分壓控振蕩器(VC03)的輸出端DP，源極接第一差分壓控振蕩器(VCOl)的負(fù)阻產(chǎn)生器的2個NMOS管(Ml和M2)的共源極；第二對耦合管(M7-M8)的柵極接第一差分壓控振蕩器(VCOl)的輸出，漏極接到第三差分壓控振蕩器 (VC03)的輸出端DN，源極接第二差分壓控振蕩器(VC02)的負(fù)阻產(chǎn)生器的2個NMOS管(M3 和M4)的共源極。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的正交壓控振蕩器，其特征在于每個壓控振蕩器均包括(1)一個片上電感電容(LC)諧振器；(2)用來對振蕩頻率進(jìn)行調(diào)諧的片上可變電容；(3)由2個NMOS管交叉耦合連接而成的負(fù)阻產(chǎn)生器；(4)用來給壓控振蕩器提供偏置電流的尾電流源。
全文摘要
本發(fā)明屬于射頻無線接收機(jī)集成電路技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種基于注入鎖定倍頻器的低相噪正交壓控振蕩器，可應(yīng)用于無線接收機(jī)集成電路中。該正交壓控振蕩器由兩個工作在基頻f0的壓控振蕩器，兩對耦合管和一個工作在兩倍頻2f0的壓控振蕩器構(gòu)成。其中耦合管和工作頻率為2f0的壓控振蕩器一起組成了注入鎖定倍頻器。本發(fā)明中，相位噪聲是由工作頻率為f0的差分壓控振蕩器決定的，相位誤差是由注入鎖定倍頻器決定的。同傳統(tǒng)的正交壓控振蕩器不同，該正交壓控振蕩器中不存在相位噪聲和相位誤差的折衷關(guān)系，可以在保證高相位精度的前提下實(shí)現(xiàn)低相位噪聲。
文檔編號H03L7/099GK102355258SQ20111022063
公開日2012年2月15日 申請日期2011年8月3日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月3日
發(fā)明者任俊彥, 廉琛, 張楷晨, 李寧, 李巍 申請人:復(fù)旦大學(xué)