[發(fā)明專利]一種基于源極阻尼電阻的寬帶VCO

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• 申請日: 2020-10-29
• 公開（公告）號: CN112234983A
• 公開（公告）日: 2021-01-15
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 劉冬生;金子睿;胡昂
• 申請（專利權(quán)）人: 華中科技大學(xué)
• 主分類號: H03L7/099
• 分類號: H03L7/099
• 代理公司: 華中科技大學(xué)專利中心 42201
• 代理人: 李智

本發(fā)明公開了一種基于源極阻尼電阻的寬帶VCO，屬于射頻集成電路領(lǐng)域，包括N個工作頻段的LC?VCO核，N為≥2的整數(shù)；每個LC?VCO核包括：柵極和漏極交叉耦合連接的NMOS對和PMOS對，由開關(guān)電容陣列C?Tank、可變電容、L?C諧振網(wǎng)絡(luò)并聯(lián)組成的諧振網(wǎng)絡(luò)，與NMOS對/PMOS對的源端單獨或者同時連接的源極阻尼電阻；其中NMOS對和PMOS對漏極連接，再與諧振網(wǎng)絡(luò)連接；所述L?C諧振網(wǎng)絡(luò)用于對輸出信號進(jìn)行選頻，選出關(guān)心的基頻，L?C諧振網(wǎng)絡(luò)包括電感L和電容C，不同的LC?VCO核具有不同的電感L和電容C。其中，源極阻尼電阻，實現(xiàn)環(huán)路增益降低，并設(shè)計“8”字型定制電感，增加諧振腔Q值，抑制非線性效應(yīng)產(chǎn)生的諧波分量，降低閃爍噪聲傳遞，優(yōu)化了VCO輸出信號的相位噪聲性能。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于射頻集成電路領(lǐng)域，更具體地，涉及一種基于源極阻尼電阻的寬帶VCO。

背景技術(shù)

VCO(Voltage Controlled Oscillator，壓控振蕩器)是一類輸出頻率在一定范圍內(nèi)受輸入電壓調(diào)整的振蕩器總稱。VCO作為頻率合成器、鎖相環(huán)以及其他時鐘產(chǎn)生電路的重要模塊，其相位噪聲直接影響到輸出時鐘的相位噪聲及抖動性能。在深亞微米工藝下，隨著工藝的進(jìn)步，MOS管溝道長度不斷降低，閃爍噪聲的轉(zhuǎn)角頻率不斷增加，相位噪聲中晶體管閃爍噪聲成分已經(jīng)成為影響VCO相位噪聲的主要因素。

寬帶VCO的應(yīng)用場景很多，主要包含可重構(gòu)射頻收發(fā)器、軟件無線電等寬頻帶領(lǐng)域。區(qū)別于窄帶通信中的VCO，寬帶VCO需要產(chǎn)生較寬頻率范圍內(nèi)的本地時鐘信號，以覆蓋不同無線通信協(xié)議規(guī)定的通信頻帶。同時寬帶VCO需要能在較寬的頻率范圍內(nèi)保持良好的噪聲特性，以滿足各個協(xié)議規(guī)定的通信質(zhì)量。

傳統(tǒng)的低噪聲VCO設(shè)計方法可以分為：①優(yōu)化諧振腔Q值；②減小噪聲源；③減小噪聲傳輸。其中集成電感的Q值難以做高，閃爍噪聲源難以濾除，電路非線性導(dǎo)致噪聲折疊等問題導(dǎo)致上述方法僅能實現(xiàn)窄頻帶內(nèi)良好的噪聲性能，但難以在寬頻帶內(nèi)的保持噪聲性能。隨著MOS管溝道長度的降低，MOS管的閃爍噪聲成分已經(jīng)成為限制相位噪聲性能繼續(xù)提升的主要因素。如何保證在較寬頻率范圍內(nèi)保證良好的閃爍噪聲抑制性能，成為繼續(xù)提高VCO噪聲性能的一大研究趨勢。

采用阻尼電阻可以有效改善閃爍噪聲，抑制噪聲傳輸。在LC-VCO電路中，MOS管存在閃爍噪聲，同時由于MOS管跨導(dǎo)的非線性，使得輸出振蕩信號中混有諧波成分。當(dāng)閃爍噪聲與振蕩頻率的諧波混頻后，頻譜搬移到基頻附近，引起基頻附近的相位波動，最終導(dǎo)致VCO相位噪聲性能惡化。從上述噪聲傳輸機(jī)制出發(fā)，有研究指出可以在負(fù)阻對MOS管漏極添加阻尼電阻，一方面減小閃爍噪聲向諧振腔的傳輸；另一方面在溝道電流和柵極電壓間引入額外相位差θ，減小相位抖動。其研究成果表明，采用漏極電阻的VCO能夠在較寬頻率范圍內(nèi)保持恒定的閃爍噪聲抑制性能，即恒定的相位噪聲性能。但是由于其同時在PMOS交叉耦合對和NMOS交叉耦合對漏極引入了漏極阻尼電阻，面臨VCO難以起振，振蕩信號幅度過小等問題。

發(fā)明內(nèi)容

針對現(xiàn)有技術(shù)的缺陷和改進(jìn)需求，本發(fā)明提供了一種基于源極阻尼電阻的寬帶VCO，其目的在于，降低MOS管閃爍噪聲引起的VCO相位噪聲惡化，并實現(xiàn)較寬頻帶范圍內(nèi)相位噪聲的優(yōu)化。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種基于源極阻尼電阻的寬帶VCO，包括N個工作頻段的LC-VCO核，N為≥2的整數(shù)；每個LC-VCO核包括：柵極和漏極交叉耦合連接的NMOS對和PMOS對，由開關(guān)電容陣列C-Tank、可變電容、采用定制“8”字型電感的L-C諧振網(wǎng)絡(luò)并聯(lián)組成的諧振網(wǎng)絡(luò)，與NMOS對/PMOS對的源端單獨或者同時連接的源極阻尼電阻R1/R2；其中NMOS對和PMOS對漏極連接，再與諧振網(wǎng)絡(luò)連接；柵極和漏極交叉耦合連接的NMOS對和PMOS對充當(dāng)負(fù)阻，用于提供維持電路振蕩的增益；開關(guān)電容陣列用于劃分不同子頻帶，提高VCO增益線性度，降低AM-FM效應(yīng)；可變電容根據(jù)輸入控制電壓完成對頻率點的精細(xì)調(diào)整；L-C諧振網(wǎng)絡(luò)用于對輸出信號進(jìn)行選頻，選出關(guān)心的基頻；源極阻尼電阻R1/R2用于降低MOS管閃爍噪聲傳遞，抑制閃爍噪聲向相位噪聲的轉(zhuǎn)換。