宽频率调谐范围毫米波电感-电容压控振荡器及其调谐方法与流程

1.本发明涉及无线通信电子系统领域，具体涉及一种宽频率调谐范围毫米波电感-电容压控振荡器及其调谐方法。


背景技术：

2.在现代无线通信系统的收发机中，电感-电容压控振荡器产生本振信号，用于将接收或者发射的信号进行上变频或者下变频处理，电感-电容压控振荡器所产生的本振信号质量的好坏会直接影响到收发机整体的性能，并且随着无线频谱资源的进一步扩展，无线收发机需要处理的频率范围也进一步扩展，这就需要电感-电容压控振荡器能够产生覆盖更多频率范围的本振信号，同时电感-电容压控振荡器所产生的本振信号还需要满足一定的相位噪声要求，以确保接收机整体的性能。
3.在现代无线收发系统中，存在着不同的模块以实现对信号的处理过程，尤其在发射机中，同时存在着功率放大器以及电感-电容压控振荡器两个电路模块，其中功率放大器能够产生大信号，电感-电容压控振荡器是噪声敏感电路，因此功率放大器的大信号很容易对电感-电容压控振荡器产生干扰，尤其是当两个模块工作频率相近的时候，功率放大器的大信号会通过阻性、容性或者磁场耦合的方式对电感-电容压控振荡器进行干扰，使电感-电容压控振荡器的频率偏移。例如，由于功率放大器和电感-电容压控振荡器的电感之间的耦合作用，会导致电感-电容压控振荡器的电感感值发生瞬时变化，此时电感-电容压控振荡器的频率将会发生变化。
4.因此，如何实现宽频率调谐范围的电感-电容压控振荡器，是业界的一个研究方向。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种宽频率调谐范围毫米波电感-电容压控振荡器 (lc-vco)及其调谐方法，以扩展电感-电容压控振荡器的频率调节范围。
6.本发明为了实现上述的发明目的，本发明第一方面，揭示了一种宽频率调谐范围毫米波电感-电容压控振荡器，该电感-电容压控振荡器包括：八字形电感变压器、开关控制电路、负阻电路和可变电容电路，所述负阻电路和所述八字形电感变压器皆连接在所述可变电容电路的输出端vp和输出端vn，所述开关控制电路用于控制所述八字形电感变压器的状态。
7.可选的，所述负阻电路包括：第一nmos管，第二nmos管；
8.第一nmos管的漏极连接第二nmos管的栅极；第一nmos管的栅极连接第二nmos管的漏极；
9.第二nmos管的漏极连接第一nmos管的栅极；第二nmos管的栅极连接第一nmos管的漏极；
10.第一nmos管的漏极连接所述输出端vp；第二nmos管的漏极连接所述输出端vn；
11.第一nmos管的源极与第二nmos管的源极以及第一nmos管的衬底与第二nmos管的衬底均接地。
12.可选的，所述八字形电感变压器包括：一个八字形电感作为初级线圈，两个螺旋状电感作为次级线圈，所述两个螺旋状电感的两端分别接一个所述开关控制电路的两端。
13.可选的，所述初级线圈包括：第一线圈、第二线圈、第一连接件、第一交错部分以及中央抽头部分，所述第一线圈和所述第二线圈通过所述第一连接件和所述第一交错部分相连接，所述中央抽头部分设置于所述第一线圈上，所述第二线圈上设置有连接所述输出端vp和输出端vn的两个端部，所述中央抽头部分连接电源vdd。
14.可选的，所述开关控制电路包括：第三nmos管，第四nmos管，第一pmos管，第一偏置电阻，第二偏置电阻；
15.所述第三nmos管和所述第一pmos构成反相器结构，所述第三nmos 管和所述第一pmos的栅极相连并连接数字控制字，所述第三nmos管和所述第一pmos的漏极相连并连接所述第一偏置电阻的第二端和所述第二偏置电阻的第二端；所述第三nmos管的源极与衬底接地；所述第一pmos管的源极与衬底接电源vdd；
16.所述第一偏置电阻的第一端和所述第二偏置电阻的第一端分别连接所述次级线圈的两端；
17.第四nmos管的栅极连接数字控制字，第四nmos管的源极连接第一偏置电阻的第一端，第四nmos管的漏极连接第二偏置电阻的第一端。
18.可选的，所述可变电容电路包括：第一可变电容，第二可变电容，第一隔直电容，第二隔直电容，第三偏置电阻和第四偏置电阻；
19.所述第一可变电容的第一端和所述第二可变电容的第一端相连并连接控制信号vtune；所述第一可变电容的第二端连接所述第一隔直电容的第二端，所述第二可变电容的第二端连接所述第二隔直电容的第二端；
20.所述第一隔直电容的第一端为输出端vp；所述第二隔直电容的第一端为输出端vn；
21.所述第三偏置电阻的第一端连接所述第一可变电容的第二端；所述第四偏置电阻的第一端连接所述第二可变电容的第二端；所述第三偏置电阻的第二端和所述第四偏置电阻的第二端相连接并连接偏置电压vbias。
22.本发明第二方面，提供一种宽频率调谐范围毫米波电感-电容压控振荡器的调谐方法，采用如第一方面所述的一种宽频率调谐范围毫米波电感-电容压控振荡器，通过改变所述开关控制电路的状态，使得所述八字形电感变压器的初级线圈获得多个不同的电感值，从而所述电感-电容压控振荡器工作在不同的频带上。
23.可选的，当第一次级线圈的第一开关断开,第二次级线圈的第二开关断开时，初级线圈的等效电感为：
[0024][0025]
l1为初级线圈的电感，l2为第一次级线圈的电感，l3为第二次级线圈的电感，m表示初级线圈与第一次级线圈之间的耦合系数以及初级线圈与第二次级线圈之间的耦合系数。
[0026]
可选的，当第一次级线圈的第一开关闭合,第二次级线圈的第二开关闭合时，此时
初级线圈的等效电感为：
[0027][0028]
其中c
off
代表开关控制电路中的nmos4开关管在断开状态时的寄生电容，ω表示角频率，l1为初级线圈的电感，l2为第一次级线圈的电感，l3为第二次级线圈的电感，m表示初级线圈与第一次级线圈之间的耦合系数以及初级线圈与第二次级线圈之间的耦合系数。
[0029]
可选的，当第一次级线圈的第一开关闭合,第二次级线圈的第二开关断开时，此时初级线圈的等效电感为：
[0030][0031]
其中c
off
代表开关控制电路中的nmos4开关管在断开状态时的寄生电容，ω表示角频率，l1为初级线圈的电感，l2为第一次级线圈的电感，l3为第二次级线圈的电感，m表示初级线圈与第一次级线圈之间的耦合系数以及初级线圈与第二次级线圈之间的耦合系数。
[0032]
可选的，当第一次级线圈的第一开关断开，第二次级线圈的第二开关闭合时，此时初级线圈的等效电感为：
[0033][0034]
其中c
off
代表开关控制电路中的nmos4开关管在断开状态时的寄生电容，ω表示角频率，l1为初级线圈的电感，l2为第一次级线圈的电感，l3为第二次级线圈的电感，m表示初级线圈与第一次级线圈之间的耦合系数以及初级线圈与第二次级线圈之间的耦合系数。
[0035]
另外，通过改变所述开关控制电路的状态，使得所述八字形电感变压器的初级线圈获得多个不同的电感值，从而所述电感-电容压控振荡器工作在不同的频带上。
[0036]
相比于现有技术，本发明基于八字形电感变压器，在收发机系统中，可以减小其他模块对lc-vco模块的干扰作用，另外，基于八字形电感，分别构建了两个变压器，在开关控制电路不同的状态下，初级线圈最多可以获得四个不同的电感值，大大增加了电感-电容压控振荡器的频率调节范围。同时该新型变压器结构并不会占据额外的面积。
附图说明
[0037]
图1是本发明实施例提供的宽频率调谐范围毫米波电感-电容压控振荡器示意图；
[0038]
图2是本发明实施例提供的八字形电感变压器示意图；
[0039]
图3是本发明实施例提供的开关控制电路的结构图；
[0040]
图4是本发明实施例提供的电感-电容压控振荡器的频率调谐曲线示意图。
具体实施方式
[0041]
下面结合附图和实施例对本发明技术方案作详细的说明，其中表示了本发明的优选实施例，应该理解本领域技术人员可以修改在此描述的本发明，而仍然实现本发明的有
利效果。因此，下列描述应当被理解为对于本领域技术人员的广泛知道，而并不作为对本发明的限制。
[0042]
在下列段落中参照附图以举例更具体地描述本发明，根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚，需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
[0043]
发明人经过长期的研究发现，为实现宽频率调谐范围的电感-电容压控振荡器，可行的方法包括使用多个电感-电容压控振荡器核心架构，使用开关电容阵列等。对于使用多个电感-电容压控振荡器核心架构的方法，通过使不同的电感
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电容压控振荡器核心工作在不同的频率范围上，可以实现宽频率调谐范围的本振信号的输出，但是由于该方法使用了多个电感-电容压控振荡器核心，所以会占据额外的芯片面积，同时也会消耗额外的功耗。对于使用开关电容阵列的方法，该方式是通过一系列的开关电容阵列与电感-电容压控振荡器的谐振腔并联，通过改变开关电容阵列数字控制位的状态，开关电容阵列会呈现出不同的电容值，从而改变电感-电容压控振荡器的频率，实现宽频率调谐范围。开关电容阵列的开关管在导通时存在导通电阻，如果使用较小尺寸的开关管，此时的导通电阻较大，会恶化电感-电容压控振荡器谐振腔整体的q值，此时需要更大尺寸的nmos管负阻对来保证电感-电容压控振荡器能够正常的起振，更大尺寸的 mos管负阻对一方面给会使得电路整体的功耗增加，同时也会引入额外的寄生电容，从而进一步限制了电感-电容压控振荡器的频率调节范围；如果使用较大尺寸的开关管，此时的导通电阻较小，但是较大尺寸的开关管在关闭状态时会引入较大的寄生电容，也会限制电感-电容压控振荡器的频率调节范围。
[0044]
本发明提供一种宽频率调谐范围毫米波电感-电容压控振荡器，请参考图1 所示，该电感-电容压控振荡器包括：八字形电感变压器、开关控制电路、负阻电路和可变电容电路，所述负阻电路和所述八字形电感变压器皆连接在所述可变电容电路的输出端vp和输出端vn，所述开关控制电路用于控制所述八字形电感变压器的状态。
[0045]
本发明实施例中，所述负阻电路由交叉耦合的nmos对组成，如图1所示，所述负阻电路包括：第一nmos管nmos1，第二nmos管nmos2；
[0046]
第一nmos管nmos1的漏极连接第二nmos管nmos2的栅极；第一 nmos管nmos1的栅极连接第二nmos管nmos2的漏极；
[0047]
第二nmos管nmos2的漏极连接第一nmos管nmos1的栅极；第二 nmos管nmos2的栅极连接第一nmos管nmos1的漏极；
[0048]
第一nmos管nmos1的漏极连接输出端vp；第二nmos管nmos2的漏极连接输出端vn；
[0049]
第一nmos管nmos1的源极与第二nmos管nmos2的源极以及第一 nmos管nmos1的衬底与第二nmos管nmos2的衬底均接地。
[0050]
在其他发明实施例中，所述负阻电路也可以由pmos对组成。
[0051]
如图2所示，该图为本发明所提供的八字形电感变压器的结构图，在本发明实施例提供的八字形电感变压器中，包括：一个八字形电感作为初级线圈，两个螺旋状电感作为次级线圈，所述两个螺旋状电感的两端分别接一个所述开关控制电路的两端。
[0052]
本发明实施例提供的八字形电感变压器包括：八字形电感10、第一螺旋电感201以及第二螺旋电感301，其中，第一螺旋电感201以及第二螺旋电感301 分别与八字形电感10形成两个变压器结构。
[0053]
所述八字形电感初级线圈10包括第一线圈101、第二线圈102、第一连接件103、第一交错部分104以及中央抽头部分105，第一连接件103与第一交错部分104交错；所述第一螺旋电感包括201；所述第二螺旋电感包括301。
[0054]
所述第一线圈101、第二线圈102、第一交错部分104、中央抽头部分105 位于第二层，第一连接件103位于第三层，第一螺旋电感201、第二螺旋电感 301位于第一层。
[0055]
所述第一螺旋电感包括201设置于第一线圈101的内部，第二螺旋电感包括301设置于第二线圈102的外部。
[0056]
于一些实施例中，第一螺旋电感包括201设置于第一线圈101的外部，第二螺旋电感包括301设置于第二线圈102的内部。
[0057]
所述次级线圈第一螺旋状电感201的两端接开关控制电路202的两端，次级线圈第二螺旋状电感301的两端接开关控制电路302的两端。
[0058]
进一步的，所述第一线圈101和所述第二线圈102通过所述第一连接件103 和所述第一交错部分104相连接，所述中央抽头部分105设置于所述第一线圈 101上，所述第二线圈102上设置有连接所述输出端vp和输出端vn的两个端部，所述中央抽头部分连接电源vdd。
[0059]
在一个实施例中，本发明的八字形电感变压器可以采用如下工艺实现：
[0060]
在基底上形成第一金属层；
[0061]
对所述第一金属层进行图案化，获得第一螺旋电感和第二螺旋电感；
[0062]
在所述第一金属层上形成第一隔离层；
[0063]
在所述第一隔离层上形成第二金属层；
[0064]
对所述第二金属层进行图案化，获得第一线圈、第二线圈、第一交错部分以及中央抽头部分，所述第一线圈的一端和所述第二线圈的一端通过所述第一连接件相连接，所述中央抽头部分连接在所述第一线圈上，所述第二线圈具有两个引出端；
[0065]
在所述第二金属层上形成第二隔离层，在所述第二隔离层中形成多个通孔，并在所述通孔中形成插塞，第一个插塞的一端连接至所述第一线圈的另一端，第二个插塞的一端连接至所述第二线圈的另一端；
[0066]
在所述第二隔离层上形成第三金属层；
[0067]
对所述第三金属层进行图案化，获得第一连接件，所述第一交错部分的两端分别连接至所述第一连接件的另一端和所述第二连接件的另一端。
[0068]
参见图3，本发明实施例提供的开关控制电路包括：第三nmos管nmos3，第四nmos管nmos4，第一pmos管pmos1，第一偏置电阻r1，第二偏置电阻r2。
[0069]
第三nmos管nmos3和第一pmos管pmos1构成反相器结构，第三 nmos管nmos3和第一pmos管pmos1的栅极相连并连接数字控制字，第三nmos管nmos3和第一pmos管pmos1的漏极相连并连接第一偏置电阻 r1和第二偏置电阻的第二端r2的第二端；第三nmos管nmos3的源极与衬底接地；第一pmos管pmos1的源极与衬底接电源vdd。
[0070]
第一偏置电阻r1的第一端和第二偏置电阻r2的第一端分别连接次级线圈的两端。
[0071]
第四nmos管nmos4的栅极连接数字控制字，第四nmos管nmos4 的源极连接第一偏置电阻r1的第一端，第四nmos管nmos4的漏极连接第二偏置电阻r2的第一端。
[0072]
作为示例，所述第一偏置电阻r1和第二偏置电阻r2的阻值相同。
[0073]
进一步的，如图1所示，本发明实施例提供的可变电容电路包括：第一可变电容cvar1、第二可变电容cvar2、第一隔直电容c1、第二隔直电容c2、第三偏置电阻r3和第四偏置电阻r4。
[0074]
所述第一可变电容cvar1的第一端和第二可变电容cvar2的第一端相连并连接电感-电容压控振荡器的控制信号vtune；所述第一可变电容cvar1的第二端连接第一隔直电容c1的第二端，所述第二可变电容cvar2的第二端连接第二隔直电容c2的第二端。
[0075]
所述第一隔直电容c1的第一端为电感-电容压控振荡器的输出端vp；所述第二隔直电容c2的第一端为电感-电容压控振荡器的输出端vn。
[0076]
所述第三偏置电阻r3的第一端连接第一可变电容cvar1的第二端；所述第四偏置电阻r4的第一端连接第二可变电容cvar2的第二端；第三偏置电阻 r3的第二端和第四偏置电阻r4的第二端相连接并连接偏置电压vbias。
[0077]
作为示例，所述第一可变电容cvar1和第二可变电容cvar2的容值相同。
[0078]
作为示例，所述第一隔直电容c1和第二隔直电容c2的容值相同。
[0079]
作为示例，所述第三偏置电阻r3和第四偏置电阻r4的阻值相同。
[0080]
其中vtune为控制电压信号，用于控制每条调谐曲线的调谐范围，当vtune 的电压发生变化时，变容管的电容值也随之发生变化，从而实现电感-电容压控振荡器频率的精调。
[0081]
该八字形电感变压器调节电感-电容压控振荡器输出频率的工作原理是：
[0082]
电感-电容压控振荡器的振荡频率可以表示为：
[0083][0084]
式中，l为lc谐振腔的电感值，c为电感-电容压控振荡器整体的电容，包括可变电容、以及寄生电容部分。该八字形电感器的两个线圈都串联了开关控制电路，当开关控制电路断开时，次级线圈视为断路，不会产生耦合电流，初级线圈和次级线圈之间不存在磁场耦合作用，因此初级线圈的电感不会发生变化，当开关控制电路闭合时，由于磁场耦合作用，初级线圈的感值会发生变化，下面分四种不同的开关状态进行讨论(在本发明实例中，为简化运算，设 m1＝m2＝m，其中m1代表l1与l2之间的耦合系数，m2代表l1与l3之间的耦合系数)：
[0085]
当次级线圈l2的开关s2断开,次级线圈l3的开关s3断开时，如图2所示，此时由于磁场耦合的作用，此时初级线圈的等效电感为：
[0086][0087]
由上式可知，虽然在两个次级线圈的开关都断开的情况下，初级线圈的电感值还是会发生一定的变化。
[0088]
当次级线圈l2的开关s2闭合,次级线圈l3的开关s3闭合时，此时由于磁场耦合的作用，此时初级线圈的等效电感为：
[0089][0090]
其中c
off
代表开关控制电路中的nmos4开关管在断开状态时的寄生电容，ω表示角频率。
[0091]
当次级线圈l2的开关s2闭合,次级线圈l3的开关s3断开时，此时由于磁场耦合的作用，此时初级线圈的等效电感为：
[0092][0093]
当次级线圈l2的开关s2断开,次级线圈l3的开关s3闭合时，此时由于磁场耦合的作用，此时初级线圈的等效电感为：
[0094][0095]
从以上公式可以看出，在次级线圈开关控制电路的不同状态下，该八字形电感变压器的初级线圈最多可以获得四个不同的电感值，此时电感-电容压控振荡器可以工作在四个不同的频带上，从而实现宽频率调谐范围。
[0096]
参见图4，该图为本发明所提供的一种宽频率调谐范围毫米波电感-电容压控振荡器的频率调谐曲线，通过控制两个次级线圈开关控制电路的状态，在不同的磁场耦合的作用下，该八字形电感变压器的初级线圈最多可以获得四个不同的电感值，此时电感-电容压控振荡器可以工作在四个不同的频带上。当s2 断开，s3也断开时，此时电感-电容压控振荡器的调谐范围为46.23ghz-49.63ghz；当s2闭合，s3断开时，此时电感-电容压控振荡器的调谐范围为 48.21ghz-52.07ghz；当s2断开，s3闭合时，此时电感-电容压控振荡器的调谐范围为50.65ghz-54.99ghz；当s2闭合，s3也闭合时，此时电感-电容压控振荡器的调谐范围为53.48ghz-58.6ghz；该电感-电容压控振荡器实现了较宽的频率调谐范围。
[0097]
相比于现有技术，本发明至少同时解决了两方面的问题：一是电感-电容压控振荡器所采用的八字形电感变压器的初级线圈为八字形电感，由于八字形电感本身特有的电磁特性，在收发机系统中，可以减小其他模块对电感-电容压控振荡器模块的干扰作用；二是两个螺旋电感分别与初级线圈形成两个变压器结构，分别构建了两个变压器，在开关控制电路不同的状态下，初级线圈最多可以获得四个不同的电感值，可以大大增加电感-电容压控振荡器的频率调节范围，同时该新型变压器结构并不会占据额外的面积。
[0098]
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。