专利名称：一种带有变压器型噪声滤波器的振荡器的制作方法
技术领域：
本发明属于射频与毫米波集成电路设计领域，特别涉及低成本、低相位噪声的振荡器。
背景技术：
随着深亚微米CMOS工艺的进步和射频集成电路技术的发展，在单个硅片上实现整个射频收发系统已经成为可能。在目前的市场上，针对工作在IOGHz以下的射频收发机， 传统的GaAs工艺已经基本被CMOS工艺取代。如今，使用RF CMOS工艺实现针对第二代QG) 和第三代(3G)标准的无线通信系统已不再困难。新的通信标准对射频收发系统提出了更严峻的要求，特别是针对多模多频段的收发机系统，为了保证与多种通信频段兼容，所设计的射频系统的每个模块都必须达到更高的指标，从而面临新的挑战。例如，新一代的针对 802. Ilac协议的宽带接收机需要频率综合器提供用于不同频段(分别为2. 4GHz和5GHz) 的本振信号。一种方案是采用多个锁相环，使各个锁相环在不同的频段工作。由于振荡器中的电感所占用的面积很大，这种方案将具有很大成本。目前射频系统中的振荡器一般使用LC交叉耦合振荡器。为了降低相位噪声，通常在交叉耦合管的源端串联一个噪声滤波器，该噪声滤波器谐振在输出频率的两倍处。对于电流偏置的振荡器，通常在尾电流源两端并联一个较大的电容，同时在尾电流源与交叉耦合管之间串联一个电感，使该电感与交叉耦合管源端的电容谐振在两倍频处。对于电压偏置的振荡器，需要在交叉耦合管源端与地之间接入电感，使该电感与交叉耦合管源端电容谐振在两倍频处。相关工作见参考文献《E. Hegazi, H. Sjoland, A. A. Abidi, "AFiltering Technique to Lower LC Oscillator Phase Noise,，，in IEEE J. Solid-State Circuits, vol. 36，no. 12，Dec. 2001，pp. 1921—1930.))为了提高电流利用率，从而降低功耗，广泛采用的电路拓扑结构为CMOS LC交叉耦合振荡器。为了降低此结构的相位噪声，已有的文献中主要采用三种方案。第一种方案在NMOS管和PMOS管的源端分别接入滤波电感，称之为“双电感滤波结构”，相关工作见参考文献〈〈E· Hegazi，J. Rael, A. A. Abidi, The Designer* s Guide to High-Purity Oscillators，New York :Springer，2004.》；第二种方案在 NMOS 管和 PMOS 管的源端分别接入电阻，称之为“双电阻滤波结构”，相关工作见参考文献《E. Temporiti, C. Weltin-Wu, D.Baldi, R. Tonietto and F. Svelto，"A 3GHz fractional all-digital PLL with a 1. 8MHzbandwidth implementing spur reduction techniques，，，in IEEE Journal of Solid State Circuits，Mar. 2009，pp. 824-834.》；第三种方案仅在 NMOS 管的源端接入滤波电感，称之为“单电感滤波结构(NMOS) ”，相关工作见参考文献《S. S. Yoo, Y. C. Choi, H J. Song，S. C. Park，J. H. Park and H. J. Yoo, "A 5. 8-GHz high-frequency resolution digitallly controlled oscillator for using the difference between inversion and accumulation mode capacitance of pMOS varactors，” in IEEE Trans, on Microwave Theory and Techniques，Feb. 2011，pp. 375-381.》。双电感滤波结构可以同时抑制NMOS和PMOS交叉耦合对进入线性区，但是需要消耗两个电感的面积；双电阻滤波结构在低频振荡器中可以在较宽的范围内提供相对较高的电阻，但是会消耗额外的电压余度，同时电阻会引入额外的热噪声；单电感滤波结构(NMOS)虽然只是用一个电感，但是只能抑制NMOS交叉耦合对进入线性区，因而相位噪声性能不能达到理论上的最小值。因此，针对射频CMOS LC振荡器来说，在不增加面积的前提下降低相位噪声，是射频电路设计中亟待解决的关键问题，以保证为整个接收机系统所使用的本振信号的高精度。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于为克服已有技术的不足之处，提出一种带有变压器型噪声滤波器的振荡器，在不增加芯片面积和成本的情况下，降低相位噪声，提高振荡器性能。为实现以上目的，本发明提出了一种带有变压器型噪声滤波器的振荡器，其特征在于，采用变压器实现噪声滤波器，从而同时滤除共模电流的二次谐波与四次谐波成分，在 CMOS差分振荡器中NMOS的源端与PMOS的源端都实现二次谐波与四次谐波电流的抑制， 并且不需要两个电感，减小面积、降低成本，该振荡器包括由交叉耦合NMOS对和交叉耦合 PMOS对组成的交叉耦合负阻管，由谐振电感和谐振电容组成的谐振腔，以及由滤波变压器和滤波电容组成的噪声滤波器；各部分的连接关系如下交叉耦合负阻管的漏端与谐振腔并联；交叉耦合负阻管中NMOS对的源端接滤波变压器初级的一端，滤波变压器初级的另一端接地；交叉耦合负阻管中PMOS对的源端接滤波变压器次级的一端，滤波变压器次级的另一端接电源；滤波变压器的初级和次级分别有滤波电容与之并联(滤波电容可以由交叉耦合负阻管源端的寄生电容实现，依具体情况而定)。所述交叉稱合匪OS对由2个匪OS管MN1和MN2组成，交叉耦合PMOS对由2个PMOS 管MP1和MP2组成；所述的谐振腔由谐振电感L和谐振电容C组成，所述的噪声滤波器由滤波变压器XM和滤波电容Cp和Cn组成；其连接关系为NM0S管的源极接NMOS管MN2的源极，并与变压器XM初级的一端相连接；变压器XM初级的另一端接GND ；NMOS管MN1的漏极接NMOS管MN2的栅极，作为正输出端；NMOS管的栅极接NMOS管MN2的漏极，作为负输出端；PMOS管MP1的源极接PMOS管MP2的源极，并与变压器XM次级的一端相连接；变压器 XM次级的另一端接VDD ；PMOS管MP1的漏极接PMOS管MP2的栅极，并与正输出端相连；PMOS 管MP1的栅极接PMOS管MP2的漏极，并与负输出端相连；电感L的一端接正输出端，另一端接负输出端；电容C的一端接正输出端，另一端接负输出端；电容Cn—端接NMOS管丽工的源极，另一端接GND ；电容Cp —端接PMOS管MP1的源极，另一端接VDD (根据具体情况，电容Cn 可以部分或全部由匪OS管源极处的寄生电容提供，电容Cp可以部分或全部由PMOS管 MP1源极处的寄生电容提供)。本发明的技术特点及有益效果本发明提出的带有变压器型噪声滤波器的振荡器实现了较低的相位噪声，并且不需要两个电感，从而减小了面积，降低了成本。与同类振荡器相比，利用本发明提出的带有变压器型噪声滤波器在相位噪声性能上占有绝对优势，并具有较小的面积，而功耗并没有明显的增加，在同类基于CMOS工艺的工作中为目前最好的指标，从而验证了本发明的正确性和实效性。
图1为本发明实施例中的带有变压器型噪声滤波器的振荡器的电路原理图；图2为采用不同噪声滤波器的振荡器其相位噪声性能的仿真结果。
具体实施例方式为使本发明的目的、技术方案和特点更加清楚明确，下面结合附图及具体实施方式
对本发明进行详细说明与描述。本发明提出了一种带有变压器型噪声滤波器的振荡器，其特征在于，该振荡器包括由交叉耦合NMOS对和交叉耦合PMOS对组成的交叉耦合负阻管，由谐振电感和谐振电容组成的谐振腔，以及由滤波变压器和滤波电容组成的噪声滤波器；各部件的连接关系如下交叉耦合负阻管的漏端与谐振腔并联；交叉耦合负阻管中交叉耦合NMOS对的源端接滤波变压器初级的一端，滤波变压器初级的另一端接地；交叉耦合负阻管中交叉耦合PMOS对的源端接滤波变压器次级的一端，滤波变压器次级的另一端接电源；滤波变压器的初级和次级分别有滤波电容与之并联(滤波电容可以由交叉耦合负阻管源端的寄生电容实现，依具体情况而定)。所述的带有变压器型噪声滤波器的振荡器，其电路的实施例结构如图1所示，包括由交叉耦合NMOS对和交叉耦合PMOS对组成的交叉耦合负阻管，由谐振电感L和谐振电容C组成的谐振腔，以及由滤波变压器XM和滤波电容Ci^PCn组成的噪声滤波器；其中交叉耦合匪OS对由2个匪OS管MN1和MN2组成，交叉耦合PMOS对由2个PMOS管MP1和MP2组成；其连接关系为NM0S管的源极接NMOS管MN2的源极，并与变压器XM初级的一端相连接；变压器XM初级的另一端接GND ；NMOS管的漏极接NMOS管MN2的栅极，作为正输出端OUTp ；NMOS管MN1的栅极接NMOS管MN2的漏极，作为负输出端OUIn ；PMOS管MP1的源极接PMOS管MP2的源极，并与变压器XM次级的一端相连接；变压器XM次级的另一端接VDD ； PMOS管MP1的漏极接PMOS管MP2的栅极，并与正输出端相连；PMOS管MP1的栅极接PMOS管 MP2的漏极，并与负输出端相连；电感L的一端接正输出端，另一端接负输出端；电容C的一端接正输出端，另一端接负输出端；电容Cn —端接NMOS管MN1的源极，另一端接GND ；电容 Cp—端接PMOS管MP1的源极，另一端接VDD (根据具体情况，电容Cn可以部分或全部由NMOS 管MN1源极处的寄生电容提供，电容Cp可以部分或全部由PMOS管MP1源极处的寄生电容提供)。该电路结构中变压器的初级和次级分别与并联的电容谐振，并且在输出频率的二次谐波和四次谐波同时谐振，从而与单独在NMOS管源端加入噪声滤波器相比降低了相位噪声，并且与在NMOS管与PMOS管源端分别加入噪声滤波器相比，减小了面积，降低了成本。本发明采用65nm RF-CMOS工艺针对工作在4GHz射频频段的振荡器电路为实施例，其电路原理如图1所示，其IMHz频偏处的相位噪声可达-U9dBc/Hz。本实施例中带有
变压器型噪声滤波器的振荡器关键参数与指标于下表中列出
权利要求
1.一种带有变压器型噪声滤波器的振荡器，其特征在于，该振荡器包括由交叉耦合 NMOS对和交叉耦合PMOS对组成的交叉耦合负阻管，由谐振电感和谐振电容组成的谐振腔， 以及由滤波变压器和滤波电容组成的噪声滤波器；各器件的连接关系如下交叉耦合负阻管的漏端与谐振腔并联；交叉耦合负阻管中交叉耦合NMOS对的源端接滤波变压器初级的一端，滤波变压器初级的另一端接地；交叉耦合负阻管中交叉耦合PMOS对的源端接滤波变压器次级的一端，滤波变压器次级的另一端接电源；滤波变压器的初级和次级分别有滤波电容与之并联。
2.如权利要求1所述的振荡器，其特征在于，所述交叉耦合NMOS对由2个NMOS管MN1 和MN2组成，交叉耦合PMOS对由2个PMOS管MP1和MP2组成；所述的谐振腔由谐振电感L和谐振电容C组成，所述的噪声滤波器由滤波变压器XM和滤波电容Cp和Cn组成；其连接关系为NM0S管MN1的源极接NMOS管MN2的源极，并与变压器XM初级的一端相连接；变压器XM 初级的另一端接GND ；匪OS管的漏极接匪OS管丽2的栅极，作为正输出端；匪OS管的栅极接NMOS管MN2的漏极，作为负输出端；PMOS管MP1的源极接PMOS管MP2的源极，并与变压器XM次级的一端相连接；变压器XM次级的另一端接VDD ；PMOS管MP1的漏极接PMOS 管MP2的栅极，并与正输出端相连；PMOS管MP1的栅极接PMOS管MP2的漏极，并与负输出端相连；电感L的一端接正输出端，另一端接负输出端；电容C的一端接正输出端，另一端接负输出端；电容Cn —端接NMOS管MN1的源极，另一端接GND ；电容Cp —端接PMOS管MP1的源极，另一端接VDD。
全文摘要
本发明公开一种带有变压器型噪声滤波器的振荡器，属于射频与毫米波集成电路设计领域，该振荡器包括由交叉耦合NMOS对和交叉耦合PMOS对组成的交叉耦合负阻管，由谐振电感和谐振电容组成的谐振腔，以及由滤波变压器和滤波电容组成的噪声滤波器；各部分的连接关系如下交叉耦合负阻管的漏端与谐振腔并联；交叉耦合负阻管中交叉耦合NMOS对的源端接滤波变压器初级的一端，滤波变压器初级的另一端接地；交叉耦合负阻管中交叉耦合PMOS对的源端接滤波变压器次级的一端，滤波变压器次级的另一端接电源；滤波变压器的初级和次级分别有滤波电容与之并联。本发明可以降低振荡器的相位噪声，同时由于不需要引入两个电感从而减小面积、降低成本。
文档编号H03B5/12GK102412785SQ20111039181
公开日2012年4月11日 申请日期2011年11月30日 优先权日2011年11月30日
发明者张雷, 王燕, 金庆, 陈寿面 申请人:上海集成电路研发中心有限公司, 清华大学