60GHz锁相环低相噪自注入型电压控制振荡器及无线收发机的制作方法
【技术领域】
[0001 ] 本发明涉及集成电路设计领域，具体涉及一种用于低电压下60 GHz锁相环的低相噪自注入锁定型电压控制CMOS LC振荡器。
【背景技术】
[0002]随着现代无线通信技术的蓬勃发展，我们对数据传输速率的要求越来越高。在无线通信频段，60 GHz频段具有载波频率高和可用带宽大这两个特点。在60GHz频段上，人们可以很轻松地将传输速率提升至lGbps-lOGbps，满足业界对传输速率的要求。这也推动了低成本、低功耗的60 GHz CMOS无线收发机的研究开发。在60 GHz收发机中，60 GHz锁相环是一个必不可少的模块。锁相环的性能影响着整个收发机的性能，而60 GHz电压控制振荡器是锁相环中的核心模块，它们决定了锁相环的一些重要特性，例如调谐范围、相位噪声等。
[0003]对于60 GHz CMOS电压控制振荡器电路的设计来说，降低输出频率的相位噪声是其主要的设计挑战之一。MOS管的各种非理想效应、电感和电容等无源器件在振荡器工作时的损耗等都是引起电压控制振荡器输出频率抖动的因素，产生相位噪声。
[0004]传统的频率较低的电压控制振荡器电路，例如在2.4GHz频段的电压控制振荡器，通常采用环形振荡器结构。这种结构面积小，但是相位噪声差。在对相位噪声要求高的应用环境中，人们通常采用基于LC振荡器的电压控制振荡器电路，这种结构芯片面积大，不过输出相位噪声低。在LC振荡器中，电感、电容、变容管器件的品质因素对相位噪声的影响很大。
[0005]随着频率从2.4 GHz提升至60 GHz，基于LC结构的振荡器相位噪声恶化很明显。原因如下:在基于传统LC结构的60 GHz电压控制振荡器中，寄生电容占谐振腔的总电容的主要部分，电容品质因素不高；衬底通过电容耦合的移位电流以及通过电磁感应出的感应电流也会增加，衬底损耗增加；趋肤效应、邻近效应也会随着频率提升导致导线损耗增加；变容管、电容品质因素与频率成反比，频率从2.4 GHz变为60 GHz，变容管品质因素从137.8变为5.58。这些因素共同导致传统LC结构的电压控制振荡器电路在频率上升至60GHz时，输出频率的相位噪声变差。而且随着微电子技术向纳米尺寸的发展，集成电路的设计要求也越来越向低电压(1.0V以内)、低功耗靠拢，在低电压下，电压控制振荡器的相位噪声进一步增加。
[0006]为了减小60GHz电压控制振荡器电路的相位噪声，一种常用的办法是采用适用于射频的SOI或者锗硅工艺。这些工艺寄生电容小、衬底损耗小，器件工作速度快，电压控制振荡器的输出相位噪声能获得较好的改善，但是这些工艺价格昂贵，而且难以与收发机后端的基于CMOS工艺的基带数字处理芯片集成。
[0007]综上所述，在工作频率为60 GHz时，传统的基于LC结构的CMOS电压控制振荡器电路难以在低电压下获得较低的相位噪声。
【发明内容】
[0008]为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种60 GHz锁相环低相噪自注入型电压控制振荡器及无线收发机。
[0009]一种60 GHz锁相环的低相噪自注入锁定型电压控制振荡器，
通过采用多个相同的LC振荡器核心，并使振荡信号注入到相应的谐振腔中，通过注入锁定原理，谐振腔电路锁定在同一工作频率点，输出波形相位也同步，此时通过波形叠加，输出波形中本振频率功率加强，而噪声通过LC谐振腔的滤波作用基本未增加。
[0010]所述的电压控制振荡器，包括LC谐振腔电路，负阻对电路，自注入锁定电路，输出缓冲电路，
所述的LC谐振腔电路包括电感L2、L3和变容管C2、C3、C6、C7 ;其中L2两端分别与C2和C3的正极相连，中间抽头端与电源电压VDD相连；C2负极与C3负极相连，C2负极与输入控制电压VC相连山3两端分别与C6和C7的正极相连，中间抽头端与电源电压相连；C6负极与C7负极相连，C6负极与输入控制电压VTUNE相连，VTUNE是由环路滤波器产生的电压信号;
所述负阻对电路，包括NMOS器件N2、N3、N4、N5，N2的栅极与N3的漏极相接，N3的栅极与N2的漏极相接，N2与N3的源级接地，N2和N3构成一个负阻对，用于给L2、C2、C3构成的谐振腔提供能量；N4的栅极与N5的漏极相接，N5的栅极与N4的漏极相接，N4与N5的源级接地，N4和N5构成一个负阻对，用于给L3、C6、C7构成的谐振腔提供能量；
所述的自注入锁定电路，包括电容C4和C5，C4连接C3和C6的正极，C5连接C2和C7的正极；
所述的输出缓冲电路，包括=NMOS器件NI和N6，电感LI和电容Cl ;其中NI栅极与N2漏极相连，N6栅极与N5漏极相连，N6源极和漏极接地；L5 —端接NI漏极，一端接地；C1正极接NI漏极，负极接Fout，Fout是输出端口。
[0011]所述的电压控制振荡器包含两个相同的工作在60 GHz频段的LC振荡器核心，其中L2和L3为中心抽头的片上螺旋形电感，C2、C3、C4、C5为累积性变容管。
[0012]所述的NMOS器件N1、N2、N3、N4、N5、N6均为采用深N阱工艺，同时经过阈值调整工艺形成的低阈值金属氧化物半导体MOS晶体管。
[0013]所述的电压控制振荡器，所述的电容Cl、C2、C3为金属MOM电容。
[0014]一种无线收发机，采用了任一项所述的电压控制振荡器。
[0015]与现有技术相比，本发明具有如下有益的技术效果:
在负阻对电路中，只采用了 NMOS管，取消了 PMOS管，这样可以使得谐振腔寄生电容减小，使电压控制振荡器频率能够在低电压(1.2V)下工作在60 GHz频段。通过采用相同的两个振荡器核心，并使其振荡信号相互注入到对方谐振腔中。通过注入锁定原理，两个谐振腔电路会锁定在同一工作频率点，输出波形相位也会同步。此时通过波形叠加，输出波形中本振频率功率加强，而噪声通过LC谐振腔的滤波作用并未明显增加，所以电压控制CMOS振荡器输出的相位噪声能得到显著减小，同时降低了电压控制振荡器的FOM值。
[0016]本发明的60 GHz电压控制CMOS振荡器电路能够工作在1.2V低工作电压下，在Spectre仿真中，输出相位噪声比传统结构降低3.4 dB，FOM降低1.2 dB，适合于对相位噪声要求比较高的应用环境。
【附图说明】
[0017]图1是传统的电压控制振荡器电路的电路结构示意图；
图2是本发明实施例的一个60 GHz电压控制振荡器电路的电路结构示意图；
图3是本发明实施例的电压控制振荡器电路与传统电压控制振荡器电路的Spectre模拟仿真结果示意图。
【具体实施方式】
[0018]以下结合附图和【具体实施方式】对本发明做进一步的说明，但是所做示例不作为对本发明的限制。
[0019]如图1所示的传统的电压控制振荡器电路结构，控制电压(VTUNE)控制变容管两端电压差，改变变容管的容值，从而改变电压控制振荡器的输出频率。NMOS管形成负阻对，补充谐振腔振荡时损失的能量。输出缓冲电路需要放大输出信号，同时需要将输出阻抗与负载进行匹配。此传统结构可以通过不同的实现方式进行具体设计，负阻对电路中可以同时采用NMOS与PMOS管来减小功耗，谐振腔电路中可以加入电容阵列增加其可调谐范围，不同的实现方式所得到的振荡器电路的性能也会存在差异。
[0020]如图2所示的本发明中的用于低电压下60 GHz锁相环的低相噪自注入锁定型电压控制CMOS LC振荡器电路结构，包括多个NMOS晶体管、电感、电容和变容管。NMOS晶体管采用的是低阈值带深N阱结构的η沟道MOS晶体管；电容采用的是射频金属MOM电容；变容管采用的是累积性MOS变容管；电感采用的是片上螺旋形金属电感。图2所示为采用了两个相同的LC振荡器核心，但是对于本领域技术人员来说，根据本实施例的教导，采用更多个相同的LC振荡器核心也是可以实现的(未示出)。
[0021]用于低电压下60 GHz锁相环的低相噪自注入型电压控制CMOS LC振荡器，包括LC谐振腔电路，负阻对电路，自注入锁定电路，输出缓冲电路:
所述的LC谐振腔电路，用于振荡器振荡时存储和释放能量。它同时也是一个带通滤波器，负责输出特定的频率。包括电感1^、1^3和变容管02、03、