一种基于模式切换的四核四模毫米波压控振荡器

本发明涉及集成电路设计，特别涉及一种基于模式切换的四核四模毫米波压控振荡器。

背景技术：

1、四核四模振荡器己在很多领域中得到了较为广泛的应用，例如模拟和数字通信领域以及无线电电子学等领域，尤其是在要求高数据速率的无线通信中用到的各式各样的宽带频率源。锁相环已显示出了面积小、功耗低、噪声低、系统整合性好等对无线通信设备尤为重要的优点。近年，为响应第五代(5g)无线通信技术的要求，出现了使用多个谐振器的，可覆盖很宽的毫米波频率范围的锁相环，并且在牺牲了较大的芯片面积的情况下，这种锁相环仍然能满足毫米波段低相噪的要求。

2、在现有技术当中，有的技术人员提出了采用注入锁定倍频器的方法，实现产生高质量毫米波信号的锁相环。然而，在宽带频率范围实现稳定的注入锁定并不容易，同时锁相环的架构复杂性会大大增加。因此，具有宽带、低相位噪声、小尺寸的毫米波振荡器是首选。当提出使用小数n分频并带有δ-σ噪声消除方案的锁相环实现宽带频率综合器，这种技术具有较高的杂散水平，平均分频是正确的，但瞬时分频是错误的，要降低瞬时分频倍数的差异，鉴频器或电荷泵就会不断地校正瞬时相位误差，调制器则会承受繁重的运算工作，从而使系统的输出时钟信号频率存在杂散成分，导致超出大多数通信标准的容许水平。因此，不能直接应用注入锁定倍频方案或小数n分频方案。

3、在现有技术当中，还有的技术人员提出了一种“采用c-2c指数比例开关电容阶梯的毫米波数字控制振荡器”的方法，以c-xc电容阵列和数控开关整体作为振荡器的谐振电容部分，通过多路数字信号控制等效电容，从而改变振荡器中心频率。这种方法得到的系统带宽并非严格意义上的连续变化的带宽，而是离散的频点集合组成的带宽，并且电容值难以控制，严格的倍数关系难以保证。此外，大量的电容占用芯片面积较大，且系统中可能存在的电磁噪声较多，大量的开关对控制信号相位的要求更高。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于模式切换的四核四模毫米波压控振荡器，该种振荡器能够切换不同工作模式，相对于单核宽带振荡器，基于模式切换的四核四模振荡器可以根据实际工作情况调整工作模式，从而防止由于工艺、电压、温度等非理想因素影响而导致的环路带宽准确性和稳定性，简化了电路结构，节省了芯片面积。

2、为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、一种基于模式切换的四核四模毫米波压控振荡器，包括四核谐振器电路和工作模式控制开关阵列；

4、所述四核谐振器电路包括：片上电感器l1、片上电感器l2、片上电感器l3、片上电感器l4、负阻元件m1、负阻元件m2、负阻元件m3、负阻元件m4、负阻元件m5、负阻元件m6、负阻元件m7、负阻元件m8、谐振电容cv1、谐振电容cv2、谐振电容cv3、谐振电容cv4、开关电容阵列ca1、开关电容阵列ca2、开关电容阵列ca3、开关电容阵列ca4、耦合电容组cp1、耦合电容组cp2、供电电流源i1、供电电流源i2、供电电流源i3、供电电流源i4；

5、供电电流源i1与负阻元件m1、m2源极相连；负阻元件m1栅极与负阻元件m2漏极相连，负阻元件m2栅极与负阻元件m1漏极相连；开关电容ca1一端与负阻元件m1漏极相连，另一端与负阻元件m2漏极相连；谐振电容cv1一端与负阻元件m1漏极相连，另一端与负阻元件m2漏极相连；电感l1一端与负阻元件m1漏极相连，另一端与负阻元件m2漏极相连；

6、供电电流源i2与负阻元件m3、m4源极相连；负阻元件m3栅极与负阻元件m4漏极相连，负阻元件m4栅极与负阻元件m3漏极相连；开关电容ca2一端与负阻元件m3漏极相连，另一端与负阻元件m4漏极相连；谐振电容cv2一端与负阻元件m3漏极相连，另一端与负阻元件m4漏极相连；电感l2一端与负阻元件m3漏极相连，另一端与负阻元件m4漏极相连；

7、供电电流源i3与负阻元件m5、m6源极相连；负阻元件m5栅极与负阻元件m6漏极相连，负阻元件m6栅极与负阻元件m5漏极相连；开关电容ca3一端与负阻元件m5漏极相连，另一端与负阻元件m6漏极相连；谐振电容cv3一端与负阻元件m5漏极相连，另一端与负阻元件m6漏极相连；电感l3一端与负阻元件m5漏极相连，另一端与负阻元件m6漏极相连；

8、供电电流源i4与负阻元件m7、m8源极相连；负阻元件m7栅极与负阻元件m8漏极相连，负阻元件m8栅极与负阻元件m7漏极相连；开关电容ca4一端与负阻元件m7漏极相连，另一端与负阻元件m8漏极相连；谐振电容cv4一端与负阻元件m7漏极相连，另一端与负阻元件m8漏极相连；电感l4一端与负阻元件m7漏极相连，另一端与负阻元件m8漏极相连；

9、耦合电容组cp1一端与m1漏极相连、一端与m2漏极相连、一端与m5漏极相连，一端与m6漏极相连；耦合电容组cp2一端与m3漏极相连、一端与m4漏极相连、一端与m7漏极相连，一端与m8漏极相连；

10、电感l1,l2之间构成耦合互感结构；电感l3,l4之间构成耦合互感结构。

11、所述工作模式控制开关阵列包括：传输门开关阵列sw1、传输门开关阵列sw2、传输门开关阵列sw3、传输门开关阵列sw4；传输门开关阵列sw1一端与接口vosc1相连，一端与接口vosc3相连；传输门开关阵列sw2一端与接口vosc1相连，一端与接口vosc2相连；传输门开关阵列sw3一端与接口vosc2相连，一端与接口vosc4相连；传输门开关阵列sw4一端与接口vosc3相连，一端与接口vosc4相连。

12、优选的，所述四核谐振器电路中四个双端输出lc并联谐振核的中心频率表达式为：

13、

14、其中，cmode为四核四模毫米波压控振荡器在当前工作模式下的等效谐振电容器，lmode为四核四模毫米波压控振荡器在当前工作模式下的等效谐振电感器；

15、相邻左右两个谐振电感器交叠，引入磁耦合；上下两个谐振电容器之间接入额外电容，引入电耦合。

16、优选的，所述四核谐振器电路分别工作在对应工作模式的工作状态：

17、第一工作模式：接口vosc1与接口vosc2之间、接口vosc3与接口vosc4之间交叉通路开关断开，平行通路开关导通即同相并联，接口vosc1与接口vosc3之间、接口vosc2与接口vosc4之间交叉通路开关导通，平行通路开关断开即反相并联，电容cm接入，相邻电感电流方向相同，互感增强；

18、第二工作模式：接口vosc1与接口vosc2之间、接口vosc3与接口vosc4之间交叉通路开关断开，平行通路开关导通即同相并联，接口vosc1与接口vosc3之间、接口vosc2与接口vosc4之间交叉通路开关断开，平行通路开关导通即同相并联，电容cm架空，相邻电感电流方向相同，互感增强；

19、第三工作模式：接口vosc1与接口vosc2之间、接口vosc3与接口vosc4之间交叉通路开关导通，平行通路开关断开即反相并联，接口vosc1与接口vosc3之间、接口vosc2与接口vosc4之间交叉通路开关导通，平行通路开关断开即反相并联，电容cm接入，相邻电感电流方向相反，互感减弱；

20、第四工作模式：接口vosc1与接口vosc2之间、接口vosc3与接口vosc4之间交叉通路开关导通，平行通路开关断开即反相并联，接口vosc1与接口vosc3之间、接口vosc2与接口vosc4之间交叉通路开关关断，平行通路开关导通即同相并联，电容cm架空，相邻电感电流方向相反，互感减弱。

21、优选的，相邻两个谐振器之间设有四个传输门开关，负阻元件m2漏极、负阻元件m4漏极、负阻元件m6漏极、负阻元件m8漏极四个节点两两之间存在一个传输门开关。

22、有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

23、1.本发明的实现的基于模式切换的四核四模毫米波压控振荡器，通过模式切换电路实现了宽带调谐，增大了振荡器的调谐范围。

24、2.与已有的宽带调谐技术相比，本发明实现的基于模式切换的四核四模毫米波压控振荡将多个窄带的压控振荡器通过模式切换电路组合在一起，实现了较低的调谐增益，极大地减小了相位噪声与杂散。