跨导线性化宽带LC型压控振荡器及可调电容阵列电路的制作方法

本发明涉及LC型压控振荡器，具体涉及跨导线性化宽带LC型压控振荡器及可调电容阵列电路。

背景技术：

压控振荡器是构成锁相环的重要组成部分，用于提供本振频率，构成锁相环环路。压控振荡器核心部份通常由有源的跨导器件和谐振回路构成，谐振回路通过反馈形成振荡。有源跨导器件则用来补偿谐振回路振荡的能量损失，从而产生持续稳定的振荡信号。压控振荡器作为锁相环的核心，起着提供本振频率的作用，其振荡频率与其控制电压成正比,为扩大其频率可调范围,还通常增加电容阵列。压控振荡器通常要求频率稳定度好，控制灵敏度高，调频范围宽，频偏与控制电压成线性关系并宜于集成等。并且由于锁相环的远端相位噪声主要由压控振荡器决定，所以对压控振荡器的相位噪声要求也愈加严格。由电感及电容构成谐振回路的LC型压控振荡器相位噪声性能要优于环形振荡器，在高性能的通信系统中应用非常广泛。

提升LC型压控振荡器的相位噪声通常需要增大振荡幅度及减小有源器件自身的固有噪声。传统的LC型压控振荡器通常将MOS器件的栅极及漏极交叉耦合以构成有源跨导器件，由于LC型压控振荡器的振荡信号摆幅通常接近甚至超过电源电压，这使得在大信号工作条件下，在振荡频率周期内，MOS器件近半个周期都工作在三极管区，呈现出跨导非线性特性，无法获得较好的相位噪声特性。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于提供跨导线性化宽带LC型压控振荡器及可调电容阵列电路。

本发明为了解决上述技术问题，本发明的第一个技术方案是：

一种跨导线性化宽带LC型压控振荡器，包括LC振荡电路及可调电容阵列电路一；所述LC振荡电路用于产生振荡信号；其特征在于：

该LC振荡电路包括PMOS管一、PMOS管二、三端差分电感一和偏置电路；

所述PMOS管一的栅极通过交流耦合电容一进行隔直后连接到PMOS管二的漏极，PMOS管二的栅极通过交流耦合电容二进行隔直后连接到PMOS管一的漏极；三端差分电感一的对称两端分别与PMOS管一的栅极和PMOS管二的栅极连接，三端差分电感一的中间抽头端连接偏置电路；可调电容阵列电路一与三端差分电感一的对称两端并联连接。

所述LC振荡电路用于产生持续稳定的振荡信号，为了实现有源跨导器件跨导线性化，采用了交流耦合电容将PMOS管一和PMOS管二的栅极及漏极隔断，并将LC振荡电路的谐振回路从传统的MOS器件漏极移至MOS器件栅极；为了给MOS器件的栅极提供必要的偏置电压，LC振荡电路的谐振回路的电感采用了三端差分电感，三端差分电感对称的两端端口横跨在MOS器件的栅极间，差分电感的中间抽头端口接偏置电压，以保证MOS器件的正常工作。

由于具有交流耦合电容，从而可以给MOS器件栅极提供低于其漏极电压的偏置电压，在交流工作的情况下，采用容值较小的交流耦合电容，可以使MOS器件漏极的振荡幅度小于MOS器件栅极的振荡幅度，从而在振荡频率期间内，大大减小了MOS器件工作进入三极管区的时间，从而抑制MOS器件的非线性特性，实现MOS器件跨导线性化。

同时，来自于MOS器件本身的噪声也得到了抑制：在振荡信号过零点时，由于此时振荡器的相位噪声灵敏度最高，器件噪声电压与其跨导成比例关系，当将LC振荡电路的谐振回路从传统的MOS器件漏极移至MOS器件栅极后，谐振回路上的有效跨导要比MOS器件本身的跨导小，因此，在在振荡信号过零点时，MOS器件噪声得到了有效的抑制。

同时，由于给MOS器件的栅极提供了小于漏极电压的偏置电压，避免了MOS器件进入三极管区，这减小了谐振回路Q值的衰退，与传统的直接耦合结构相比，可以提供更大的振荡幅度，同时减小注入谐振回路的其它噪声。同时采用可调电容阵列保证压控振荡器的频率覆盖范围。

根据本发明所述的跨导线性化宽带LC型压控振荡器的优选方案，该LC振荡电路还包括三端差分电感二、电压控制可变电容三、四和可调电容阵列电路二；三端差分电感二的对称两端分别与PMOS管一的漏极和PMOS管二的漏极连接，三端差分电感二的中间抽头端接地；电压控制可变电容三、四的负端同时连接外部控制端口，电压控制可变电容三、四的正端分别与PMOS管一的漏极和PMOS管二的漏极连接；可调电容阵列电路二与三端差分电感二的对称两端并联连接。

根据本发明所述的跨导线性化宽带LC型压控振荡器的优选方案，所述可调电容阵列电路一包括2^N个可调电容阵列子单元；N取≥1的正整数。

根据本发明所述的跨导线性化宽带LC型压控振荡器的优选方案，所述可调电容阵列子单元由电容八、九、反相器一、二、NMOS管三以及电阻一、二、三构成；电容八的一端和电容九的一端分别连接三端差分电感一的对称两端，电容八的另一端接到NMOS管三的漏极，电容九的另一端接到NMOS管三的源极；反相器一的输入端接收外部数字控制信号，反相器一的输出信号为反相器二的输入信号，同时反相器一的输出信号通过电阻一为NMOS管三的栅极提供控制信号，反相器二的输出信号分别通过电阻二、三为NMOS管三的漏极和源极提供控制信号。

根据本发明所述的跨导线性化宽带LC型压控振荡器的优选方案，所述偏置电路包括偏置电感和偏置电容；偏置电感与偏置电容并联连接，并联节点的一端接地，并联节点的另一端作为偏置电压输出端与三端差分电感一的中间抽头端连接。

根据本发明所述的跨导线性化宽带LC型压控振荡器的优选方案，该LC振荡电路还包括电感三，该电感三的一端接电源，另一端同时与PMOS管一、PMOS管二的源极连接。

本发明的第二个技术方案是，一种构成压控振荡器的可调电容阵列电路，其特征在于：该可调电容阵列电路包括2^N个可调电容阵列子单元；N取≥1的正整数；所述可调电容阵列子单元由电容八、九、反相器一、二、NMOS管三以及电阻一、二、三构成；电容八的一端和电容九的一端分别连接对应的三端差分电感的对称两端，电容八的另一端接到NMOS管三的漏极；电容九的另一端接到NMOS管三的源极；反相器一的输入端接收外部输入数字控制信号，反相器一的输出信号为反相器二的输入信号，同时反相器一的输出信号通过电阻一为NMOS管三的栅极提供控制信号，反相器二的输出信号分别通过电阻二、三为NMOS管三的漏极和源极提供控制信号。

本发明所述的跨导线性化宽带LC型压控振荡器的有益效果是：本发明通过采用交流耦合电容将MOS器件的栅极及漏极隔断，并将LC振荡电路的谐振回路从传统的MOS器件漏极移至MOS器件栅极，实现了MOS器件跨导线性化，优化了LC型压控振荡器的相位噪声特性；同时采用可调电容阵列电路来实现对振荡频率的离散控制，扩展了LC型压控振荡器的振荡频率范围；本发明与传统的LC型压控振荡器相比，具有工作频率高、频率范围宽、相位噪声低等优点，可广泛应用在各种高频率本振锁相环系统中。

附图说明

图1是跨导线性化宽带LC型压控振荡器结构图。

图2是偏置电路的电路图。

图3是可调电容阵列电路的电路图。

图4是可调电容阵列电路子单元的电路图。

图5是跨导线性化宽带LC型压控振荡器跨导随振荡幅度变化曲线。

图6是跨导线性化宽带LC型压控振荡器输出振荡信号曲线图。

图7是跨导线性化宽带LC型压控振荡器7GHz振荡频率下相位噪声曲线图。

图8是跨导线性化宽带LC型压控振荡器振荡频率范围曲线图。

具体实施方式

参见图1至图4，一种跨导线性化宽带LC型压控振荡器，包括LC振荡电路及可调电容阵列电路一；所述LC振荡电路用于产生振荡信号；该LC振荡电路由有源跨导器件和谐振回路构成，谐振回路通过反馈形成振荡。有源跨导器件则用来补偿谐振回路振荡的能量损失，从而产生持续稳定的振荡信号。

具体为：该LC振荡电路包括PMOS管MP1、PMOS管MP2、三端差分电感L1、三端差分电感L2、电感L3、偏置电路、电压控制可变电容C3、C4、电容C5、C6和可调电容阵列电路二；

所述PMOS管MP1的栅极通过交流耦合电容C1进行隔直后连接到PMOS管MP2的漏极，PMOS管MP2的栅极通过交流耦合电容C2进行隔直后连接到PMOS管MP1的漏极；三端差分电感L1的左、右对称两端分别与PMOS管MP1的栅极和PMOS管MP2的栅极连接，三端差分电感L1的中间抽头端连接偏置电路；可调电容阵列电路一与三端差分电感L1的左、右对称两端并联连接。

三端差分电感L2的左、右对称两端分别与PMOS管MP1的漏极和PMOS管MP2的漏极连接，三端差分电感L2的中间抽头端接地；电压控制可变电容C3、C4的负端同时连接外部控制端口，电压控制可变电容C3、C4的正端分别与PMOS管MP1的漏极和PMOS管MP2的漏极连接；可调电容阵列电路二与三端差分电感L2的左、右对称两端并联连接。

电感L3的正端接跨导线性化宽带LC型压控振荡器的电源，电感L3的负端接PMOS管MP1、MP2的源极。电感L3形成了从电源到PMOS管MP1、MP2的尾电感，可以抑制压控振荡器谐振腔的高次谐波，也可以衰减来自电源的噪声。PMOS管MP1、MP2构成有源跨导器件，电感L3的负端连接PMOS管MP1及PMOS管MP2的源极进行供电，PMOS管MP1的栅极通过电容C1进行隔直后连接到PMOS管MP2的漏极，PMOS管MP2的栅极通过电容C2进行隔直后连接到PMOS管MP1的漏极，从而形成栅极与漏极的交叉耦合。同时，PMOS管MP1及PMOS管MP2的栅极分别接到三端差分电感L1的左、右对称两端，三端差分电感L1的中间抽头端口接到偏置电路，以提供必需的偏置电压，产生相应的偏置电流。当LC振荡器发生振荡时，由于谐振回路中的电阻会产生能量损耗，振荡信号会逐渐衰减，此时PMOS管MP1、MP2构成的有源跨导器件可以向谐振回路中注入电流，从而形成持续稳定的振荡信号。

三端差分电感L1其对称的两端横跨在MOS器件的栅极间，三端差分电感L1的中间抽头端接偏置电路，给PMOS管MP1及MP2的栅极提供偏置电压。三端差分电感L1及可调电容阵列电路一形成电感电容并联结构，构成谐振回路一，用于产生高频率的正弦波信号。其原理为利用电感电容的储能特性，让电磁两种能量交替转化，即形成电能和磁能的交替涨落，从而形成了振荡。

三端差分电感L2及可调电容阵列电路二构成谐振回路二，其中三端差分电感L2左、右对称的两端横跨在MOS器件的漏极间，差分电感的中间抽头端接到地，从而形成从电源到地的电流通路，可以为PMOS管MP1、MP2提供工作电流。可调电容阵列电路二横跨在MOS器件的漏极间。三端差分电感L2及可调电容阵列电路二形成电感电容并联结构，构成谐振回路二，用于产生高频率的正弦波信号。该谐振回路二与谐振回路一为并联关系，最终的谐振频率将是三端差分电感L1、L2及两个可调电容阵列电路分别并联计算得到。

电压控制可变电容C3的正端接到PMOS管MP1的漏极，电压控制可变电容C4的正端接到PMOS管MP2的漏极，电压控制可变电容C3、C4的负端连接到外部控制端口，当外部控制端口提供的控制电压vtune连续变化时，电压控制可变电容C3、C4两端的电压差随之变化，则电压控制可变电容C3、C4的容值也相应地连续变化，从而改变压控振荡器的振荡频率。形成外部控制端口对振荡器振荡频率的连续控制。

本发明中，可调电容阵列电路用于扩展LC型压控振荡器的振荡频率范围LC型压控振荡器的振荡频率由下式决定：

其中f为振荡频率，L为LC型压控振荡器谐振回路中的有效电感值，C为LC型压控振荡器谐振回路中的有效电容值。由于LC型压控振荡器中电感L通常固定，为了实现频率可调，采用电容值受电压控制的可变电容来调节电容C的值，从而可以通过外部控制端口提供的控制电压vtune实现振荡频率的连续控制，但可变电容的电容变化范围有限，为了实现更宽范围的振荡频率，同时采用可调电容阵列电路来实现对振荡频率的离散控制。将振荡频率的离散控制与控制端口提供的控制电压vtune对振荡频率的连续控制相结合，可以实现LC振荡器的宽振荡频率覆盖。

PMOS管MP1的漏极及PMOS管MP2的漏极分别通过交流耦合电容C5、C6接输出端口OUTP、OUTN，OUTP、OUTN即压控振荡器的振荡信号输出端口。交流耦合电容C5、C6可以形成振荡器与后级驱动电路的交流隔直，便于后级驱动电路提供适合其工作的直流工作点。

所述偏置电路由偏置电感L4及偏置电容C7构成，偏置电感L4的正端和偏置电容C7的正端连接在一起，作为偏置电压输出端VBIAS，并与三端差分电感一L1的中间抽头端连接。偏置电感L4的负端和偏置电容C7的负端连接在一起下拉到地。在本方案中，由于构成有源跨导器件的MOS管为PMOS管，根据跨导线性化技术的原理，需要将MOS管栅极偏置电压设定为低于其漏极电压，因此可以直接通过偏置电感L4将PMOS管栅极下拉到地电位，即偏置电压为零。从而避免PMOS管工作时进入三极管区，实现PMOS管跨导线性化。偏置电感L4可以看作有着较大交流阻抗，较小直流阻抗的电阻，既提供零偏置电压，又可以减小谐振回路能量到地的泄漏。偏置电容C7与偏置电感L4共同构成LC滤波结构，可以用来减小地电位噪声注入到谐振回路。

所述可调电容阵列电路一、二均包括2^N个可调电容阵列子单元；N取≥1的正整数。

在具体实施例中，所述可调电容阵列电路可由64个相同的可调电容阵列子单元构成，其中1个作备用。采用6位的数字控制位来进行电容大小的控制切换，数字控制方式为二进制权重控制电容阵列，将振荡频率范围分成26共64个子段，相邻子段间的连续频率覆盖通过连续改变图1中的电压控制可变电容C3及C4的控制电压vtune实现连续调谐。每一位数字控制码控制的子单元的个数分别为1，2，4，8，32，采用这种结构的原因在于：振荡电路的工作频率较高，极小的寄生都会对振荡频率产生较大的影响，维持各频率段间距的均匀性会显得困难些。而采用相同子单元来构成电容阵列，可以减小寄生参数的不均匀性，以便进行数字控制时，形成均匀连续的频率变化。

所述可调电容阵列子单元由电容C8、C9、反相器一、二、NMOS管MN3以及电阻R1、R2、R3构成；电容C8的一端和电容C9的一端分别连接三端差分电感的左、右对称两端，即如果是构成可调电容阵列电路一，电容C8的一端和电容C9的一端分别连接三端差分电感L1的左、右对称两端，如果是构成可调电容阵列电路二，电容C8的一端和电容C9的一端分别连接三端差分电感L2的左、右对称两端，电容C8的另一端接到NMOS管MN3的漏极；电容C9的另一端接到NMOS管MN3的源极；反相器一11的输入端接收外部数字控制码，反相器一11的输出信号ctrl1为反相器二12的输入信号，同时反相器一11的输出信号ctrl2通过电阻R1为NMOS管MN3的栅极提供控制信号，反相器二12的输出信号分别通过电阻R2、R3为NMOS管MN3的漏极和源极提供控制信号。ctrl1及ctrl2为两个逻辑电平相反的控制信号。电容C8、C9通常由精度较高的金属电容构成。

在具体实施例中，反相器一11由NMOS管MN1与PMOS管MP3构成，反相器二12由NMOS管MN2与PMOS管MP4构成。当输入数字控制信号in逻辑电平为0时，ctrl1信号逻辑电平为1，ctrl2信号逻辑电平为0，NMOS管MN3栅源电压大于阈值电压，NMOS管MN3打开，电容C8、C9被接入谐振回路，谐振频率降低。当输入数字控制信号in逻辑电平为1时，ctrl1信号逻辑电平为0，ctrl2信号逻辑电平为1，NMOS管MN3栅源电压为负，NMOS管MN3关闭，电容C8、C9从谐振回路中断开，谐振频率升高。

参见图3和图4，一种构成压控振荡器的可调电容阵列电路，该可调电容阵列电路包括2^N个可调电容阵列子单元；N取≥1的正整数；所述可调电容阵列子单元由电容C8、C9、反相器一、二、NMOS管MN3以及电阻R1、R2、R3构成；反相器一11的输入端接收外部输入数字控制信号，反相器一11的输出信号ctrl1为反相器二12的输入信号，同时反相器一11的输出信号ctrl2通过电阻R1为NMOS管MN3的栅极提供控制信号，反相器二12的输出信号分别通过电阻R2、R3为NMOS管MN3的漏极和源极提供控制信号。ctrl1及ctrl2为两个逻辑电平相反的控制信号。电容C8的一端和电容C9的一端分别连接对应的三端差分电感的对称两端，即如果是构成可调电容阵列电路一，电容C8的一端和电容C9的一端分别连接三端差分电感L1的对称两端，如果是构成可调电容阵列电路二，电容C8的一端和电容C9的一端分别连接三端差分电感L2的对称两端，电容C8的另一端接到NMOS管MN3的漏极；电容C9的另一端接到NMOS管MN3的源极；电容C8、C9通常由精度较高的金属电容构成。

在具体实施例中，反相器一11由NMOS管MN1与PMOS管MP3构成，反相器二12由NMOS管MN2与PMOS管MP4构成。当外部输入数字控制信号in逻辑电平为0时，ctrl1信号逻辑电平为1，ctrl2信号逻辑电平为0，NMOS管MN3栅源电压大于阈值电压，NMOS管MN3打开，电容C8、C9被接入谐振回路，谐振频率降低。当输入数字控制信号in逻辑电平为1时，ctrl1信号逻辑电平为0，ctrl2信号逻辑电平为1，NMOS管MN3栅源电压为负，NMOS管MN3关闭，电容C8、C9从谐振回路中断开，谐振频率升高。

跨导线性化宽带LC型压控振荡器对有源MOS器件跨导线性化的改善效果如图5，横轴为MOS器件栅极电压，纵轴为跨导，图中三根曲线分别为传统LC型压控振荡器跨导随振荡幅度变化曲线，跨导线性化宽带LC型压控振荡器跨导随振荡幅度变化曲线及跨导线性化宽带LC型压控振荡器谐振腔有效跨导随振荡幅度变化曲线。由图5可以看出，当采用传统的MOS器件栅漏直接交叉耦合的方案式，随着MOS器件栅极电压的加大，MOS器件的跨导不断减小，从而使得MOS器件的跨导在一个振荡周期内整体呈现出较大的非线性特性。而采用跨导线性化宽带LC型压控振荡器可以实现有源MOS器件跨导线性化。

跨导线性化宽带LC型压控振荡器输出振荡信号曲线如图6所示，横轴为时间，纵轴为电压。由图6可以看出，跨导线性化宽带LC型压控振荡器可以形成高频率正弦信号振荡输出。

跨导线性化宽带LC型压控振荡器相位噪声曲线如图7所示，横轴为频率，纵轴为功率谱。在7.3GHz振荡频率下，跨导线性化宽带LC型压控振荡器100KHz频偏处相位噪声达到-108dBc/Hz，1MHz频偏处相位噪声达到-128dBc/Hz，由图7可以看出，跨导线性化宽带LC型压控振荡器具有良好的相位噪声特性。

跨导线性化宽带LC型压控振荡器振荡频率范围曲线如图8所示，横轴为子段位数，纵轴为频率。跨导线性化宽带LC型压控振荡器在64段子段覆盖的情况下，可以覆盖5.4GHz～7.3GHz频率范围，频率调谐比例达到了26％。由图8可以看出，跨导线性化宽带LC型压控振荡器可以实现宽带频率覆盖。

上面的实施结果表明：本发明的一种跨导线性化宽带LC型压控振荡器具有振荡频率高，频率范围宽，相位噪声低等特点。本发明技术可以广泛应用在各种高频率本振锁相环系统中。