[發明專利]一種可優化VCO相位噪聲性能的新型開關結構

有效

• 申請號: 201310040780.8
• 申請日: 2013-02-01
• 公開（公告）號: CN103117744A
• 公開（公告）日: 2013-05-22
• 發明（設計）人: 李國儒;李云初;戴惜時
• 申請（專利權）人: 蘇州云芯微電子科技有限公司
• 主分類號: H03L7/099
• 分類號: H03L7/099
• 代理公司: 南京縱橫知識產權代理有限公司 32224
• 代理人: 董建林

技術領域

本發明涉及一種高性能射頻鎖相環芯片設計，尤其涉及一種可優化VCO相位噪聲性能的新型開關結構，屬于半導體集成電路技術領域。

背景技術

鎖相環作為時鐘頻率合成模塊或者射頻芯片中的本振頻率合成模塊，在各種芯片產品中有著廣泛的應用。隨著電子產業的發展以及各種新的通信標準的提出，人們對單芯片集成更多通信協議的要求越來越高，不同通信協議占用頻帶的不同意味著鎖相環在保證良好相位噪聲性能的同時需要有更寬的頻率覆蓋范圍。

經典的模擬鎖相環電路模塊包括：鑒頻鑒相器（PFD）、模擬環路濾波器（LPF）、壓控振蕩器（VCO）、分頻器等；與模擬鎖相環不同，數字鎖相環采用TDC替代鑒頻鑒相器，數字濾波器替代模擬濾波器，數控振蕩器（DCO）替代壓控振蕩器（VCO）。VCO或者是DCO，作為鎖相環的主要組成部分，其相位噪聲性能直接影響整個鎖相環的相位噪聲性能。在鎖相環系統設計中為了保證合理的振蕩器增益，寬頻率覆蓋范圍的鎖相環往往通過在振蕩器中加入更多的開關改變諧振腔的電容值實現，如圖7所示。但是CMOS工藝中開關的非理想特性會嚴重惡化振蕩器的相位噪聲性能。

傳統寬頻率覆蓋范圍VCO電路中開關電路結構如圖1所示。開關由三個MOS開關管M0、M1、M2組成，理想情況下，當控制電壓SW為高時開關理想導通，電容C0、C1接入諧振腔兩端，增大諧振腔電容值，VCO振蕩在低頻段；當控制電壓SW為低時開關理想關斷，電容C0、C1脫離諧振腔，VCO振蕩在高頻段。然而，實際MOS管開關導通與關斷情況下的等效電路如圖2所示，導通情況下開關寄生電阻Rds嚴重影響電容C0和C1的諧振腔Q值，導致低頻段相位噪聲惡化。為了減小開關導通對諧振腔Q值的影響，需要加大開關尺寸；關斷情況下開關寄生非線性電容Cdg/Cdb(Csg/Csb)接入諧振腔中，高頻的VCO輸出信號幾乎全部通過電容C0、C1進入到非線性電容的兩端，使得諧振腔中的電容隨著振蕩幅度的變化不斷變化，惡化了VCO的相位噪聲性能。特別是當VCO工作在最高頻率時，所有開關電路的開關都斷開，整個開關電路在諧振腔中表現為一個非常大的非線性電容，會嚴重影響壓控振蕩器的相位噪聲性能。可以通過減小開關尺寸來降低非線性電容的影響，但小尺寸開關又會嚴重影響VCO低頻段的相位噪聲性能。可見傳統的開關結構不能兼顧高低頻段相位噪聲性能，特別是在VCO頻率覆蓋范圍很高的情況下。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是克服現有技術的缺陷，提供一種新型的CMOS開關結構，在不影響寬頻率覆蓋范圍VCO低頻段相位噪聲性能的同時優化其高頻段相位噪聲性能。

為解決上述技術問題，本發明提供一種可優化VCO相位噪聲性能的新型開關結構，包括三個柵極共連并與控制電壓SW連接的第一MOS開關管、第二MOS開關管、第三MOS開關管；所述第二MOS開關管、第三MOS開關管的源極接地，漏極分別與第一MOS開關管的源極和漏極連接，其特征是，還包括兩個MOS電容管，兩個MOS電容管的柵極分別連接到所述第一MOS開關管的源極和漏極；兩個MOS電容管的源極共連至地；兩個MOS電容管的漏極均接地。

由上述各元件連接構成的開關結構作為一開關支路，多個所述開關支路并聯構成開關陣列。

所述開關陣列采用二進制數字控制位或者任何其它數字編碼方式進行控制。

本發明所達到的有益效果：

本發明在傳統VCO開關電路結構基礎上，加入非線性電容補償電路，很好的補償了在開關斷開時的開關非線性寄生電容對VCO相位噪聲的影響。通過分析該改進的開關電路結構，以及仿真驗證，可以看到該改進結構在開關全部斷開時對壓控振蕩器的相位噪聲性能有良好的改善，并且在開關全部導通時對電路幾乎沒有影響。在現今的壓控振蕩器的設計中，隨著頻率的升高，頻率覆蓋范圍的加寬，本發明將會大大提高VCO的高頻段相位噪聲性能。

附圖說明

圖1是傳統VCO開關結構；

圖2是傳統VCO開關等效電路；

圖3是本發明的新型VCO開關結構；

圖4是本發明的新型VCO開關電路的電路模型；

圖5是本發明的新型VCO開關電路半邊電路模型；

圖6是開關斷開時Cd01與Cg3的電容曲線；

圖7是采用傳統開關陣列結構的VCO；

圖8?采用新型開關陣列結構的VCO；

圖9開關全部導通時采用傳統和新型開關結構的VCO相位噪聲曲線；

圖10?開關全部斷開時采用傳統和新型開關結構的VCO相位噪聲曲線。