[發明專利]一種基于亞閾值技術的變壓器耦合壓控振蕩器

在審

• 申請號: 201710841107.2
• 申請日: 2017-09-18
• 公開（公告）號: CN107592076A
• 公開（公告）日: 2018-01-16
• 發明（設計）人: 黃生林
• 申請（專利權）人: 黃生林
• 主分類號: H03B5/04
• 分類號: H03B5/04;H03B5/12
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明涉及射頻集成電路設計領域，具體涉及一種基于亞閾值技術的變壓器耦合壓控振蕩器。

背景技術

隨著汽車智能化、車聯網、安全汽車和新能源汽車時代的到來,汽車芯片的使用也更加廣泛。對于應用于汽車之間通信的芯片設計也提出了越來越高的挑戰。汽車通信芯片通常需要盡可能保持長時間的工作并且避免消耗過多的車輛的電能。對于應用在射頻無線接收機的鎖相環頻率合成器而言，壓控振蕩器通常是其中最消耗電能的模塊。為了在消耗盡可能小的功耗的前提下，盡量的保持電路的性能，降低電路的工作電壓，使整個電路工作在亞閾值區域是最好的降低電路功耗的方法。但是降低電路的工作電壓同時也會限制電路中的信號的幅度，這樣會影響整個電路的信噪比，從而會影響電路的相位噪聲的表現。在現有的無線通信系統中，壓控振蕩器通常是通過增加電路的功耗而獲得更小的相位噪聲表現，而壓控振蕩器作為一個需要消耗較大功耗的模塊，需要在獲得較小的相位噪聲的同時又希望其工作在消耗最小功耗的狀態，這需要設計者在設計壓控振蕩器的時候對相位噪聲和功耗做出較好的折中。在現有的超低電壓供電，超低功耗的壓控振蕩器設計中通常會采取特殊的工藝方法提高電感電容諧振回路的品質因數的方法來提高相位噪聲性能的表現，但是效果不佳。在現有的壓控振蕩器設計中，通常采取電流偏置的結構，即在電路中加入由NMOS管或PNMOS管搭建的電流源電路為電路提供電流偏置，這種電路結構中電流管的存在會導致所需要的偏置電壓升高，而增加功耗。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是降低壓控振蕩器的相位噪聲和偏置電壓，降低壓控振蕩器所消耗的功耗，目的在于提供一種基于亞閾值技術的變壓器耦合壓控振蕩器，采取把主回路中的差分電感與副回路中的單圈電感通過變壓器結構進行耦合的方法，提高變壓器和電感電容諧振回路的品質因數，降低相位噪聲；采取了去除尾電流管的設計，從而降低了所需要的偏置電壓，實現了超低電壓供電，超低功耗的設計。

本發明通過下述技術方案實現：

一種基于亞閾值技術的變壓器耦合壓控振蕩器，包括相互連接的核心振蕩電路和輸出緩沖級電路，所述核心振蕩電路包括電感電容諧振回路和負阻產生回路，電感電容諧振回路上主線圈差分電感L1與次級線圈電感L2通過變壓器結構進行磁耦合，負阻產生回路由交叉耦合結構的NMOS管M1和NMOS管M2組成，負阻產生回路中的NMOS管M1的漏極與電感電容諧振回路中主線圈電感L1和固定電容C1并接點相連，NMOS管M2的漏極與電感電容諧振回路中主線圈電感L1與固定電容C3的并接點相連。

本發明中的電感采用的是變壓器結構的設計，將主振蕩回路中的差分電感與次振蕩回路中的單圈電感相耦合，與傳統結構的兩串聯電感相比，提高了電感的品質因數，能夠明顯降低壓控振蕩器的相位噪聲；同時由于主線圈與次線圈之間的相互耦合，減小所需要的電感尺寸，減小所需芯片面積。

現有電路拓撲結構中，在交叉耦合管對的后面采用了尾電流源的設計，引入NMOS管M3為交叉耦合管提供電流偏置，這樣在電源電壓發生變化的時候，能夠保證電路中的偏置電流不隨偏置電壓發生較大的變化，但是尾電流源需要較高的電源電壓來保證所有的NMOS管均工作在飽和區，同時由于使用NMOS管作為尾電流管，會引入額外的噪聲，使電路的相位噪聲性能惡化。本發明采取的拓撲結構與圖2所示的傳統壓控振蕩器拓撲結構相比，去除了傳統結構中的尾電流源，從而降低了所需要的偏置電壓，實現了超低電壓供電，超低功耗的設計。這種電路結構為電壓偏置電路，電路中的偏置電流由電源電壓決定，由于從電源的正端到地之間沒有級聯的晶體管，這種電路比較適合在較低的電源電壓下工作，從而實現低功耗設計；同時由于去除了充當尾電流源的NMOS管，相比傳統結構的壓控振蕩器，減少了由于尾電流NMOS管所引入的相位噪聲，從而減少了相位噪聲的來源，本發明所采取的拓撲結構具有更好的相位噪聲性能。

優選的，所述電感電容諧振回路包括主線圈差分電感L1、次級線圈電感L2、固定電容C1、固定電容C2和差分變容二極管Cv，所述主線圈差分電感L1與次級線圈電感L2通過變壓器結構發生磁耦合；主線圈差分電感L1的公共抽頭端與VDD電源正電壓相連，主線圈差分電感L1另外兩端分別與固定電容C1正極和固定電容C2的正極一端相連，固定電容C1的另一端與差分變容二極管Cv的一極相連，固定電容C2的另一端與差分變容二極管Cv的另一極相連，差分變容二極管Cv的公共端接電壓控制信號的輸入端Vcont。