专利名称：：压控振荡器的制作方法
技术领域：
：本发明涉及无线通信
技术领域：
，尤其涉及无线收发机中的压控振荡器。
背景技术：
：在过去的十多年中，寻呼机、无绳电话、模拟及数字蜂窝电话等个人无线通信系统以及数字电视、广播得到了迅猛发展，无线通信成为继PC产业之后最重要的产业。由于集成电路具有体积小、功耗低、成本低的特点，无线通信技术的蓬勃发展促成了射频集成电路的迅速发展。目前，射频集成电路已经成为微电子学的重要研究领域之一。设计和研究高性能的关键电路模块成为促进射频集成电路技术进步至关重要的推动力。压控振荡器即是其中关键的电路模块之一。设计压控振荡器的最大挑战在于降低相噪声，很多通信系统都对压控振荡器的调谐范围和相噪声有严格的规定，给电路设计提出了挑战，而随着无线收发机集成到手机、笔记本电脑等依靠电池供电的移动设备中，使得在低功耗要求下进行高性能的振荡器设计难度更大。相位噪声是设计压控振荡器最关心的一个指标。由于噪声的原因，压控振荡器产生的频谱不是一个单一的谱线，而是一个带有边带的信号，如图1所示，所述的相位噪声指的是偏离中心频率f。某一个频率值Af的位置的频谱能量与中心频率位置的频谱能量的比值AP，通常用dBc表示。降低压控振荡器的相位噪声，会使整个无线收发机系统的性能有很大的提高。目前，有很多的方法来实现低相位噪声的压控振荡器最常用的方法是使用高Q值的电感；但是提高在片集成电感的Q值有一定困难，主要原因在于芯片的衬底损耗将降低电感Q值，同时，高Q值电感占用芯片面积较大，不利于降低芯片成本。另一个降低相噪声的方法是提高振荡器的输出功率，压控振荡器相噪声的经典模型Leeson模型提出，振荡器的输出信噪比随着输出功率增加而升高，这就意味着提高振荡器的输出功率有利于获得更好的相位噪声性能。在没有尾电流源的、晶体管交叉耦合的压控振荡器中，输出信噪比可以表示成。x、-~~^^^(1)从(1)式可知，V^越大，即有源器件栅极或基极的振荡幅度越大，输出信号的信噪比，也就是相噪声越好。可见，优化相位噪声的一个方法就是提高有源器件栅极或基极的振荡幅度。目前通常使用的片上集成的压控振荡器如图1所示，它由P型晶体管M1和M2，N型晶体管M3和M4，集成的片上电感L，可变电容Cv组成。P型晶体管Ml和M2的源端连接到一起并且连接到电源电压VDD，它们的漏端分别连接到压控振荡器的输出端Voutl和Vout2，而且M1的栅端连接到输出端Vout2，M2的栅端连接到输出端Voutl，形成交叉耦合。片上电感L的两端分别连接到压控振荡器的两个输出端Voutl和Vout2。同样，N型晶体管M3和M4的源端连接在一起并且连接到地电位GND，它们的漏端分别连接到压控振荡器的输出端Voutl和Vout2，而且M3的栅端连接到输出端Vout2，M4的栅端连接到输出端Voutl，也形成3交叉耦合。两个可变电容Cv中的一个可变电容的一端连接到压控振荡器的输出端Voutl，另一端连接到控制电压Vctrl;另一个可变电容一端连接到压控振荡器的输出端Vout2，另一端连接到控制电压Vctrl。晶体管M1和M2通过交叉耦合实现负阻提供能量，使得电感和可变电容组成的LC回路能维持振荡；同样地，晶体管M3和M4也通过交叉耦合实现负阻提供能量使得电感和可变电容组成的LC回路维持振荡。其中，可变电容由如下几种方式实现1)只是由集成的MOS结构的变容管实现的可变电容；2)只是由集成的二极管结构实现的可变电容；3)由集成的MOS结构的变容管并联或串联可以通过开关控制变化电容值的网络组成，而开关控制变化电容值的网络由集成的固定值的电容通过开关实现串联或并联进而实现电容值的变化；4)由集成的二极管结构实现的可变电容并联或串联可以通过开关控制变化电容值的网络组成，而开关控制变化电容值的网络由集成的固定值的电容通过开关实现串联或并联进而实现电容值的变化；5)由上述3)和上述4)两种电容网络组成的可变电容。电感L和可变电容Cv组成谐振回路，通过改变控制电压Vctrl的值或改变控制固定电容串联或并联的开关的状态，就可以改变可变电容Cv的电容值。由于LC谐振回路产生的振荡信号的频率可表示为,=，^TT^(2)2W丄*O由(2)式可知，通过改变控制电压Vctrl的值或改变控制固定电容串联或并联的开关状态，可以改变可变电容Cv的电容值，进而改变LC谐振回路所产生的频率。这也是压控振荡器的基本工作原理。在传统压控振荡器结构中，有源器件通过交叉耦合形成负阻，为震荡提供能量。但交叉耦合结构使得振荡器中有源器件的栅极与漏极连接在一起，该节点电压只能介于电源电压和地之间，于是限制了压控振荡器的振荡幅度。提高其振荡幅度将导致压控振荡器的电源电压和功耗增加，因此需要寻求更好的结构或方法，使得可以在片上集成低相位噪声的压控振荡器。
发明内容本发明的目的是针对压控振荡器在相位噪声优化方面所受到的一些限制，提供一种基于新的优化相位噪声的技术的压控振荡器，在相同的电源电压和功耗下，在相同的振荡频率和频率偏移处获得更好的相位噪声性能。为达到上述目的，本发明实施例的技术方案提供一种压控振荡器，该压控振荡器包括LC谐振回路，所述LC谐振回路包括谐振电感，所述谐振电感与电容1，2并联，所述并联支路两端分别串联一个电容3，4再与电容5，6并联；有源器件，所述有源器件用于提供负电导且所述有源器件的栅极或基极分别接所述谐振电感的两端，漏极或集电极分别接所述电容5，6的支路两端。其中，通过改变所述电容1，2，3，4，5或6的电容值来调节所述振荡器的振荡频率；其中，所述谐振电感是片上电感，且所述有源器件的直流偏置由所述片上电感提供；其中，所述有源器件是MOSFET或BJT;其中，所述电容1、2、3、4、5或6是固定电容；其中，所述电容1、2、3、4、5或6是集成的M0S结构的变容管；其中，所述电容1、2、3、4、5或6是集成的二极管；其中，所述电容1、2、3、4、5或6由集成的MOS结构的变容管并联或串联可以通过开关控制电容值的网络组成；其中，所述电容1、2、3、4、5或6由集成的二极管结构的可变电容并联或串联可以通过开关控制变化电容值的网络组成；其中，所述电容1、2、3、4、5或6由集成的MOS结构的变容管并联或串联可以通过开关控制电容值的网络与集成的二极管结构的可变电容并联或串联可以通过开关控制变化电容值的网络组成。更具体地，所述可以通过开关控制电容值的网络由集成的固定值的电容通过开关实现串联或并联进而实现电容值的变化。本发明改变了传统压控振荡器中谐振回路的拓扑结构传统压控振荡器的谐振回路为电感与可变电容并联；而本发明所述的压控振荡器的谐振回路中，电感先与电容串联，之后再与可调电容并联。即在谐振电感两端各插入一个电容，使得电感两端的振荡幅度不受电源电压的限制，从而可以在有源器件的栅极或基极获得超过电源电压的振荡幅度，优化压控振荡器的相位噪声性能。本发明提出的压控振荡器仅在谐振回路中加入了两个电容，具有设计简单、成本低、易于单片集成等优点。而且该结构打破了电源电压对相位噪声优化的限制，在低功耗设计中具有很好的应用前景。图1是相位噪声概念示意图；图2是现有压控振荡器的结构示意图；图3是本发明技术方案的结构图；图4是现有压控振荡器谐振回路等效电路示意图；图5是本发明技术方案的谐振回路的等效电路示意图；图6是本发明实施例的压控振荡器的带参数设置的电路图；图7是本发明实施例的压控振荡器电路节点电压波形；图8是本发明实施例的压控振荡器的相位噪声特性。具体实施例方式下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例仅用于说明本发明的目的，并不能用来限制本发明的范围。本发明实施例的压控振荡器的带参数设置的电路图如图6所示，该电路包括由片上电感L实现的谐振电感；由P型晶体管Ml，M2及N型晶体管M3，M4实现的有源器件；可调电容；固定电容Cp。其中，Vdl，Vd2为压控振荡器的输出端，Voutl，Vout2为片上电感L的输出端；VDD为电源电压，GND为地电位，Vctrl为控制电压。P型晶体管Ml和M2的源端连接到一起并且连接到VDD，它们的漏端分别连接到Vdl和Vd2，并且Ml的栅端连接到Voutl，M2的栅端连接到Vout2，Voutl和Vout2各自通过Ccl，Cc2连接到Vd2和Vdl。同样，N型晶体管M3和M4的源端连接在一起并且连接到GND，它们的漏端分别连接到Vdl和Vd2，并且M3的栅端连接到Voutl，M4的栅端连接到Vout2。Cvl—端连接到Vdl，另一端连接到Vctrl;Cv2的一端连接到Vd2，另一端连接到Vctrl。固定电容Cp接在Vdl和Vd2之间。该振荡器采用IV电源电压，通过调节Vctrl的值，可以将振荡器调谐到4.95GHz。图7为图6所示电路的节点电压波形，其中，VD代表有源器件漏端电压，VG代表有源器件栅极电压，由图中可以看出，VD的电压幅度确实低于VG的幅度，而且VD的幅度小于电源电压，而VG则可以超过电源电压。因此，本发明技术方案的电路能够使得输出信号振荡幅度增加，且不受电源电压值的限制。图8为图6所示电路的相噪声特性，在距中心频率10kHz和l腿z的频偏处的相位噪声分别为-105.8dBc/Hz和-126.8dBc/Hz。电路的功耗为5.26mA。而用同样的晶体管和电感设计的现有结构的压控振荡器性能为功耗1.56mA，1MHz频偏处的相位噪声为-114dBc/Hz。由于压控振荡器在不同的功耗限制、振荡频率和频偏等条件下的相位噪声性能不同，为了比较不同功耗和不同振荡频率的压控振荡器的相位噪声性能，引入了F0M指标<formula>formulaseeoriginaldocumentpage6</formula>式中f。为振荡频率，Af为频偏，Pdc为功耗。F0M越小，则说明在相同的振荡频率、功耗和频偏下，电路能获得的相位噪声越低。现有结构与本发明技术方案结构的压控振荡器的性能比较如表l所示表1<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>通过计算得到的本发明技术方案结构的压控振荡器的F0M为-193dBc/Hz，而现有结构压控振荡器的F0M为-185dBc/Hz左右。可见本发明技术方案的压控振荡器结构确实能获得比现有压控振荡器更好的相位噪声性能。以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关
技术领域：
的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。权利要求一种压控振荡器，其特征在于，所述压控振荡器包括LC谐振回路，所述LC谐振回路包括谐振电感，所述谐振电感与电容(1)、(2)并联，构成并联支路，所述并联支路两端分别串联一个电容(3)、(4)后再与电容(5)、(6)并联；有源器件，所述有源器件用于提供负电导，且所述有源器件的栅极或基极分别接所述谐振电感的两端，漏极或集电极分别接所述电容(5)、(6)的支路两端。2.如权利要求l所述的压控振荡器，其特征在于，通过改变所述电容(1)、(2)、(3)、(4)、(5)或(6)的电容值来调节所述振荡器的振荡频率。3.如权利要求l所述的压控振荡器，其特征在于，所述电容(1)、(2)的值为O。4.如权利要求1所述的压控振荡器，其特征在于，其中所述电容(1)、(2)、(3)、(4)、(5)或(6)是由集成的M0S结构的变容管实现的可变电容。5.如权利要求1所述的压控振荡器，其特征在于，其中所述电容(1)、(2)、(3)、(4)、(5)或(6)是由集成的二极管结构实现的可变电容。6.如权利要求1所述的压控振荡器，其特征在于，其中所述电容(1)、(2)、(3)、(4)、(5)或(6)由集成的MOS结构的变容管并联或串联可以通过开关控制电容值的网络组成。7.如权利要求l所述的压控振荡器，其特征在于，其中所述电容(1)、(2)、(3)、(4)、(5)或(6)由集成的二极管结构的可变电容并联或串联可以通过开关控制变化电容值的网络组成。8.如权利要求1所述的压控振荡器，其特征在于，其中所述电容(1)、(2)、(3)、(4)、(5)或(6)由集成的MOS结构的变容管并联或串联可以通过开关控制电容值的网络与集成的二极管结构的可变电容并联或串联可以通过开关控制变化电容值的网络组成。9.如权利要求7或8所述的压控振荡器，其特征在于，其中所述可以通过开关控制电容值的网络由集成的固定值的电容通过开关实现串联或并联进而实现电容值的变化。10.如权利要求1所述的压控振荡器，其特征在于，其中所述有源器件是M0SFET或BJT。全文摘要本发明涉及无线收发机中的压控振荡器。本发明公开了一种压控振荡器，所述压控振荡器包括LC谐振回路，所述LC谐振回路包括谐振电感与电容(1)、(2)并联，构成并联支路，所述并联支路两端分别串联一个电容(3)、(4)后再与电容(5)、(6)并联；用于提供负电导的有源器件，所述有源器件的栅极或基极接电感两端，漏极或集电极接电容(5)、(6)支路两端；所述电路通过改变电容(1)、(2)、(3)、(4)、(5)或(6)的电容值来调节振荡器的振荡频率。本发明通过改变压控振荡器中谐振回路的拓扑结构，在谐振电感两端各插入一个电容，使得振荡器的振荡幅度不受电源电压的限制，从而优化压控振荡器的相位噪声性能。文档编号H03B5/08GK101753100SQ200810226980公开日2010年6月23日申请日期2008年11月28日优先权日2008年11月28日发明者刘军华,廖怀林,樊亮,王川,陈江,黄如申请人:北京大学