一種低相位噪聲lc-vco的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種低相位噪聲LC-VCO，所述一種低相位噪聲LC-VCO包括PMOS管Mp1、Mp2、Mp3、Mp4；NMOS管Mn1、Mn2；固定電容C1、C2、Cc1、Cc2；可變電容Cvar1、Cvar2；兩端電感ind；電阻R1、R2。本發明通過固定電容Cc1、Cc2將震蕩電壓波形耦合到并聯的尾電流源的PMOS管的柵極上，采用尾電流源動態切換技術，減小了交叉耦合負阻MOS管的電流波形占空比，而且減少了尾電流源MOS管陷阱的產生，從而降低LC-VCO的相位噪聲；另外，本發明將交叉耦合負阻PMOS的襯底接到地，從而降低了交叉耦合PMOS的閾值電壓，使得負阻提供的電流增大，LC-VCO的相位噪聲降低。
【專利說明】-種低相位噪聲LC-VCO

【技術領域】
[0001] 本發明涉及電感電容壓控振蕩器【技術領域】，更具體涉及一種低相位噪聲LC-VC0。

【背景技術】
[0002] 電感電容壓控振蕩器作為高頻信號產生模塊，通常為其它電路提供一定頻率的低 抖動時鐘。隨著通信速率的不斷提高，對LC-VC0的頻率要求也越來越高，而且，在高頻下對 振蕩器的相位噪聲要求也越來越嚴格。
[0003] LC-VC0的振蕩核心是并聯的電容電感，而由于電感和電容都有損耗，因此在振蕩 過程中需要外界不斷提供振蕩所需的能量。通常情況下，利用交叉耦合的M0S管形成負阻， 就可以為LC Tank提供能量。傳統的電路結構如圖1所示，交叉耦合的負阻在導通時，M0S 管會有噪聲疊加在導通電流上，并將噪聲電流傳遞到LC Tank中，從而影響振蕩波形的頻譜 純度。由于交叉耦合負阻中的兩個M0S管是交替導通的，它們導通電流波形也呈現一定周 期的變化，而噪聲是在電流不為〇時引入的。另外，尾電流源在工作時也會由于陷阱的產生 給LC Tank引入噪聲。


【發明內容】

[0004] (一）要解決的技術問題
[0005] 本發明要解決的技術問題是如何在不改變電源電壓情況下降低LC-VC0的相位噪 聲。
[0006] (二）技術方案
[0007] 為了解決上述技術問題，本發明提供了一種低相位噪聲LC-VC0,所述一種低相位 噪聲 LC-VC0 包括 PM0S 管 1^1、]\^2、]\^3、]\^4;匪05管血1、]\1112;固定電容(：1、〇2、(^1、(^2 ; 可變電容Cvarl、Cvar2 ;兩端電感ind ;電阻Rl、R2 ;
[0008] 所述可變電容Cvarl、Cvar2的陽極均連接電容調節電壓Vtune，所述固定電容C1 連接在所述Cvarl的陰極與輸出節點VC0P之間；所述固定電容C2連接在所述Cvar2的陰 極與輸出節點VC0N之間；所述兩端電容ind連接在所述VC0P和VC0N之間；所述兩端電容 ind、可變電容Cvarl、Cvar2、固定電容C1、C2構成基本LCTank ;
[0009] 所述Mpl和所述Mp2交叉稱合形成負阻，所述Mpl的柵極連接所述Mp2的漏極，所 述Mpl的漏極連接所述MP2的柵極；所述Mpl的源極和所述Mp2的源極均與所述Mp3的漏 極、所述Mp4的漏極連接；所述Mpl的漏極連接所述輸出節點VC0P ;所述Mp2的漏極連接所 述輸出節點VC0N ;所述Mpl、Mp2的襯底均接地；
[0010] 所述Mnl與所述Mn2交叉稱合形成負阻，所述Mnl的柵極連接所述Mn2的漏極；所 述Mnl的漏極連接所述Mn2的柵極；所述Mnl的漏極連接所述VC0P ;所述Mn2的漏極連接 所述VC0N ;所述Mnl源極、Mnl的襯底、Mn2的源極、Mn2的襯底均接地；
[0011] 所述Cel連接在所述VC0P和所述Mp3的柵極之間，所述Cc2連接在所述VC0N和 所述Mp4之間；
[0012] 所述Mp3的源極、Mp4的源極、Mp3的襯底、Mp4的襯底均與電源Vdd相連；所述 Mp3的柵極連接所述電阻R1的一端，所述電阻R1的另一端連接尾電流源偏置電壓Vbias， 所述電阻R2的一端連接所述Mp4的柵極，所述電阻R2的另一端連接所述尾電流源偏置電 壓 Vbias。
[0013] 優選地，所述固定電容Cl和C2的電容大小相等。
[0014] 優選地，所述可變電容Cvarl、Cvar2的尺寸相同。
[0015] (三）有益效果
[0016] 本發明提供了一種低相位噪聲LC-VC0,本發明采用尾電流源動態切換技術，減小 了交叉耦合負阻M0S管的電流波形占空比，而且減少了尾電流源M0S管陷阱的產生，從而降 低LC-VC0的相位噪聲；另外，本發明將交叉耦合負阻PM0S的襯底接到地，從而降低了交叉 耦合PM0S的閾值電壓，使得負阻提供的電流增大，LC-VC0的相位噪聲降低。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0017] 為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現 有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本 發明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以 根據這些附圖獲得其他的附圖。
[0018] 圖1為傳統LC-VC0的電路圖；
[0019] 圖2為本發明的一個較佳實施例的一種低相位噪聲LC-VC0的電路圖；
[0020] 圖3a為傳統LC-VC0在振蕩頻率為5GHz時的相位噪聲仿真結果示意圖；
[0021] 圖3b為只采用本發明提出的尾電流源動態切換技術的電路在振蕩頻率為5GHz時 的相位噪聲仿真結果示意圖；
[0022] 圖3c為本發明的一種低相位噪聲LC-VC0在在振蕩頻率為5GHz時的相位噪聲仿 真結果示意圖。

【具體實施方式】
[0023] 下面結合附圖和實施例對本發明作進一步詳細描述。以下實施例用于說明本發 明，但不能用來限制本發明的范圍。
[0024] 圖2為本發明的一個較佳實施例的一種低相位噪聲LC-VC0的電路圖；所述一種低 相位噪聲 LC-VC0 包括 PM0S 管 Mp 1、Mp2、Mp3、Mp4 ;NM0S 管 Mnl、Mn2 ;固定電容 Cl、C2、Cc 1、 Cc2 ;可變電容Cvarl、Cvar2 ;兩端電感ind ;電阻Rl、R2 ;
[0025] 所述可變電容Cvarl、Cvar2的陽極均連接電容調節電壓Vtune，所述固定電容Cl 連接在所述Cvarl的陰極與輸出節點VC0P之間；所述固定電容C2連接在所述Cvar2的陰 極與輸出節點VC0N之間；所述兩端電容ind連接在所述VC0P和VC0N之間；所述兩端電容 ind、可變電容Cvarl、Cvar2、固定電容Cl、C2構成基本LC Tank ;
[0026] 所述Mpl和所述Mp2交叉稱合形成負阻，所述Mpl的柵極連接所述Mp2的漏極，所 述Mpl的漏極連接所述MP2的柵極；所述Mpl的源極和所述Mp2的源極均與所述Mp3的漏 極、所述Mp4的漏極連接；所述Mpl的漏極連接所述輸出節點VC0P ;所述Mp2的漏極連接所 述輸出節點VC0N ;所述Mpl、Mp2的襯底均接地；
[0027] 所述Mnl與所述Mn2交叉耦合形成負阻，所述Mnl的柵極連接所述Mn2的漏極；所 述Mnl的漏極連接所述Mn2的柵極；所述Mnl的漏極連接所述VC0P ;所述Mn2的漏極連接 所述VC0N ;所述Mnl源極、Mnl的襯底、Mn2的源極、Mn2的襯底均接地；
[0028] 所述Cel連接在所述VC0P和所述Mp3的柵極之間，所述Cc2連接在所述VC0N和所 述Mp4之間；所述Mp3的源極、Mp4的源極、Mp3的襯底、Mp4的襯底均與電源Vdd相連；所述 Mp3的柵極連接所述電阻R1的一端，所述電阻R1的另一端連接尾電流源偏置電壓Vbias， 所述電阻R2的一端連接所述Mp4的柵極，所述電阻R2的另一端連接所述尾電流源偏置電 壓 Vbias。
[0029] 上述固定電容Cl和C2的電容大小相等。上述可變電容Cvarl、Cvar2的尺寸相 同。
[0030] 本發明所提出的尾電流源切換技術，即通過所述固定電容Cel和Cc2將所述基本 LC Tank耦合到兩個并聯的尾電流源M0S管（Mp3和Mp4)的柵極，所述Mp3和Mp4的柵源電 壓可以表示為：
[0031] ^53^4 = '^5 + Acosimt + φ) ( J }
[0032] 其中，Vgs為Mp3和Mp4的直流柵源電壓，等于Vbias-Vdd，Vbias為尾電流源柵極 偏置電壓，A表示LC-VC0差分振蕩信號，即VC0P和VC0N通過電容Cc 1和Cc2耦合到Mp3和 Mp4柵極上的幅度，ω表示LC-VC0的角頻率，資表示相移。由公式（1)可以計算出通過尾 電流源總電流的大小，表示如下：
[0033] hau = β?Φ^Ι - 1? D2 + ^2^(cof + φ)]
[0034] 其中，β是導電因子，Vth是閾值電壓。從表達式可以看出，總的尾電流源流過電 流大小在本來偏置β [(|vgs|-|vth|)2]的基礎上增加了一部分，即.沒[il 2cos2(ctJt + ^)]， 可以看出，增加的部分與振蕩頻率是余弦函數的平方關系。那么，在LC-VC0的差分電壓波 形相交處，正好C〇s〇f +史）=0 ,所以，此時Itail = β [(|vgsHvth|)2],即在LC-VC0的 差分電壓波形相交處流過尾電流源電流的大小最小，即流過交叉耦合PM0S管Mpl和Mp2的 電流最小，則表明流過Mpl和Mp2的電流占空比減小，這樣有助于減小交叉耦合PM0S管帶 來的相位噪聲。而且，在LC-VC0的差分電壓波形相交處，壓控振蕩器最容易受到噪聲干擾， 而本發明提出的方案能有效減小此時的電流，從而減小噪聲。另外，相對于傳統的固定偏置 尾電流源，本發明所提出的方案中采用了交替導通的兩個尾電流源，因此，可以減少偏置電 壓引起的陷阱產生，從而降低尾電流源帶來的閃爍噪聲。
[0035] 如果能提高交叉耦合負阻提供給LC Tank振蕩所需的能量，則LC-VC0的相位噪聲 能有效降低。在本發明所提出的方案中，對于單N阱CMOS工藝，由于PM0S是做在N阱里， 因此可以對每個PM0S單獨施加襯底電壓。本發明中將交叉耦合的PM0S管Mpl和Mp2的襯 底接到地，從而降低了 Mpl和Mp2的閾值電壓，因此，交叉耦合PM0S負阻可以為LC Tank提 供更大的能量，從而降低LC-VC0的相位噪聲。
[0036] 本發明的一種低相位噪聲LC-VC0的仿真結果及分析。
[0037] 利用SPECTRE對上面的電路進行仿真，該仿真實驗基于SMIC65nm CMOS工藝，電源 電壓1. 2V。
[0038] 對于圖1中的傳統結構，電路振蕩在5GHz時，頻偏1MHz處的相位噪聲 為-106. 6dBc/Hz，如圖3a所示，采用了本發明中提出的尾電流源動態切換技術后，振蕩在 5GHz時，頻偏1MHz處的相位噪聲為-112dBc/Hz，如圖3b所示，相對于圖1所示的傳統結構， 相位噪聲降低了 5. 4dB。
[0039] 圖2為本發明的一個較佳實施例的一種低相位噪聲LC-VC0的電路圖；其中采用 了尾電流源動態切換技術和交叉耦合PM0S管襯底接地方法，對圖2進行仿真，電路工作在 5GHz時，頻偏1MHz處的相位噪聲為-116. 8dBc/Hz，如圖3c所示，相對于只采用尾電流源動 態切換技術，相位噪聲降低了 4. 8dB，即說明了將交叉耦合負阻PM0S管的襯底接地后，相位 噪聲降低了 4. 8dB。
[0040] 綜上所述，本發明的一種低相位噪聲LC-VC0的結構，采用了尾電流源動態切換技 術，可以減小交叉耦合負阻PM0S的電流波形占空比，并減少尾電流源M0S管陷阱的產生，從 而有效降低LC-VC0的相位噪聲。另外，本發明方案中將交叉耦合PM0S的襯底接地，減小了 PM0S管閾值電壓，增大了交叉耦合負阻提供給LC Tank的能量，從而降低了 LC-VC0的相位 噪聲。
[0041] 以上實施方式僅用于說明本發明，而非對本發明的限制。盡管參照實施例對本發 明進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，對本發明的技術方案進行各種組合、 修改或者等同替換，都不脫離本發明技術方案的精神和范圍，均應涵蓋在本發明的權利要 求范圍當中。
【權利要求】
1. 一種低相位噪聲LC-VCO,其特征在于，所述一種低相位噪聲LC-VCO包括PMOS管 1^1、]\^2、]\^3、]\^4 ;匪05管血1、]\1112;固定電容(：1、〇2、（^1、（^2;可變電容〇&1'1、〇&『2 ; 兩端電感ind ;電阻R1、R2 ; 所述可變電容Cvarl、Cvar2的陽極均連接電容調節電壓Vtune，所述固定電容Cl連接 在所述Cvarl的陰極與輸出節點VC0P之間；所述固定電容C2連接在所述Cvar2的陰極與 輸出節點VC0N之間；所述兩端電容ind連接在所述VC0P和VC0N之間；所述兩端電容ind、 可變電容Cvarl、Cvar2、固定電容C1、C2構成基本LCTank ; 所述Mpl和所述Mp2交叉稱合形成負阻，所述Mpl的柵極連接所述Mp2的漏極，所述 Mpl的漏極連接所述MP2的柵極；所述Mpl的源極和所述Mp2的源極均與所述Mp3的漏極、 所述Mp4的漏極連接；所述Mpl的漏極連接所述輸出節點VC0P ;所述Mp2的漏極連接所述 輸出節點VC0N ;所述Mpl、Mp2的襯底均接地； 所述Mnl與所述Mn2交叉耦合形成負阻，所述Mnl的柵極連接所述Mn2的漏極；所述 Mnl的漏極連接所述Mn2的柵極；所述Mnl的漏極連接所述VC0P ;所述Mn2的漏極連接所述 VC0N ;所述Mnl源極、Mnl的襯底、Mn2的源極、Mn2的襯底均接地； 所述Cel連接在所述VC0P和所述Mp3的柵極之間，所述Cc2連接在所述VC0N和所述 Mp4之間； 所述Mp3的源極、Mp4的源極、Mp3的襯底、Mp4的襯底均與電源Vdd相連；所述Mp3的柵 極連接所述電阻R1的一端，所述電阻R1的另一端連接尾電流源偏置電壓Vbias，所述電阻 R2的一端連接所述Mp4的柵極，所述電阻R2的另一端連接所述尾電流源偏置電壓Vbias。
2. 根據權利要求1所述的一種低相位噪聲LC-VC0,其特征在于，所述固定電容Cl和C2 的電容大小相等。
3. 根據權利要求1所述的一種低相位噪聲LC-VC0,其特征在于，所述可變電容Cvarl、 Cvar2的尺寸相同。
【文檔編號】H03L7/099GK104052472SQ201410256146
【公開日】2014年9月17日 申請日期:2014年6月10日 優先權日:2014年6月10日
【發明者】王源, 甘善良, 賈嵩, 張鋼剛, 張興 申請人:北京大學