專利名稱：電壓控制振蕩器的對(duì)稱噪聲濾波技術(shù)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及壓控振蕩器芯片的制造技術(shù)，具體地說是一種用于電壓控制振蕩器(vco)的對(duì)稱噪聲濾波技術(shù)。
背景技術(shù)：
單片集成的射頻收發(fā)器是當(dāng)前研究的重點(diǎn)，而高譜純度、低相位噪聲的 壓控振蕩器研究是其中難點(diǎn)之一，原因是缺乏高品質(zhì)的片上無(wú)源器件和對(duì)噪聲的機(jī)理缺乏本質(zhì)的認(rèn)識(shí)。傳統(tǒng)的噪聲分析都是基于Leeson噪聲公式，而 Leeson公式源于振蕩器的在周期穩(wěn)態(tài)狀態(tài)下的線形模型，它是一個(gè)缺乏理論 證明的經(jīng)驗(yàn)表達(dá)式，而實(shí)際上振蕩器是在大信號(hào)狀態(tài)下工作且非線形明顯， 因此在壓控振蕩器設(shè)計(jì)中Leeson公式還需要進(jìn)一步完善。 1、電感電容振蕩器相位噪聲圖l是一種基于尾電流偏置的N/PMOS互補(bǔ)型差分振蕩器，(a)是電路 結(jié)構(gòu)，(b)是其等效電路模型。互補(bǔ)差分對(duì)管M1、 M2和M3、 M4產(chǎn)生"負(fù)阻 抗"抵消諧振網(wǎng)絡(luò)等效電阻而形成振蕩。Real et al把振蕩器噪聲源分為三部 分諧振網(wǎng)絡(luò)噪聲，互補(bǔ)差分對(duì)管噪聲及尾電流源噪聲。壓控振蕩器的噪聲可表示為其中U<formula>formula see original document page 3</formula>式中I為偏置電流，Y為差分對(duì)管的溝道噪聲系數(shù)，R為諧振網(wǎng)絡(luò)等效電阻， Vo為振蕩器幅度，gm為尾電流管MO的跨導(dǎo)。k為波爾茲曼常數(shù)，T為絕對(duì)溫 度，叫為載波頻率，^為頻偏。F定義為振蕩器噪聲系數(shù)，式中三項(xiàng)分別表 示諧振網(wǎng)絡(luò)，互補(bǔ)差分對(duì)管(MOS)及尾電流源的噪聲系數(shù)。Realetal分析了電感電容壓控振蕩器中的噪聲，不足之處是沒有提出噪 聲抑制方法。Hegazi分析了 (2)中三種噪聲的組成，指出尾電流源所貢獻(xiàn)的 噪聲占75%左右。因此降低尾電流噪聲成為降低整個(gè)系統(tǒng)相位噪聲的關(guān)鍵。 并且最重要的是二次諧波噪聲。
Hegazi et al依據(jù)阻塞二次諧波來降低尾電流源的噪聲的原理，提出圖2 所示電路，阻止在頻率為2^處尾電流源噪聲和差分對(duì)管M1和M2進(jìn)行混頻， 抑制其產(chǎn)生位于載波處的相位噪聲。該電路在實(shí)際設(shè)計(jì)中取到一定的降低尾 電流源噪聲效果。2對(duì)稱噪聲濾波技術(shù)Hegazi et al等人認(rèn)識(shí)到了克服尾電流源噪聲的重要意義，不足之處是其 設(shè)計(jì)都是基于NMOS差分對(duì)管的"負(fù)阻"結(jié)構(gòu)，對(duì)于N/PMOS互補(bǔ)類型壓控 振蕩器的噪聲抑制，目前文獻(xiàn)均報(bào)道較少。Pietro Andreani et al曾把Hegazi 的噪聲濾波技術(shù)應(yīng)用到N/PMOS互補(bǔ)類型壓控振蕩器中，但也無(wú)明顯的改善。分析圖3 (a)所示N/PMOS互補(bǔ)類型壓控振蕩器的結(jié)構(gòu)可知，與NMOS 差分對(duì)管M1、 M2類似，PMOS差分對(duì)管M3、 M4在大信號(hào)作用下頻繁開關(guān)也 形成噪聲混頻效應(yīng)，對(duì)頻率位于2 ?！繼的噪聲具有下混頻作用，產(chǎn)生的信號(hào) 士 通過反饋回路進(jìn)入到諧振電路中，形成相位噪聲，傳統(tǒng)的分析認(rèn)為B 點(diǎn)是一個(gè)理想的交流地，不具備噪聲源，而實(shí)際上的效果并非如此，在B點(diǎn) 所包括的噪聲源有-A、 鍵合電感的電阻熱噪聲。芯片都要通過鍵合線連接到封裝上，而鍵 合線本身具有一定的電阻，大小和鍵合線的長(zhǎng)度，鍵合線半徑以及鍵合線電 阻率有關(guān).B、 鍵合線與鍵合線之間的耦合噪聲。不同的鍵合線與鄰近鍵合線之間 存在較大耦合電感，其他鍵合線上的噪聲可以耦合到該鍵合線上。耦合系數(shù) M與兩條鍵合的長(zhǎng)度以及距離有關(guān)。C、 濾波電容的等效電阻熱噪聲。由于在電源Pad上通常有較大的濾波電 容，且大電容對(duì)高頻噪聲沒有很好的抑制能力，相反濾波電容本身具有寄生 電阻，在2 。±^處產(chǎn)生熱噪聲。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于通過分析基于電感電容壓控振蕩器的噪聲機(jī)理，提出 電壓控制振蕩器(vco)對(duì)稱噪聲濾波技術(shù)，以進(jìn)一步抑制電流源的噪聲。按照本發(fā)明提供的技術(shù)方案，在4個(gè)差分對(duì)管M1 4中，差分對(duì)管M1的柵 極與差分對(duì)管M2的漏極相連，差分對(duì)管M2的柵極與差分對(duì)管M1的漏極相 連，差分對(duì)管M1的柵極與差分對(duì)管M2的源極相互連接到節(jié)點(diǎn)A，形成互鎖的 形式；差分對(duì)管M3的柵極與差分對(duì)管M4的漏極相連，差分對(duì)管M4的柵極與 差分對(duì)管M3的漏極相連，差分對(duì)管M3的柵極與差分對(duì)管M4源極相互連接到 節(jié)點(diǎn)B，同樣形成互鎖的形式；差分對(duì)管M1的柵極與差分對(duì)管M3的漏極相連于節(jié)點(diǎn)E，差分對(duì)管M2的 柵極與差分對(duì)管M4的漏極相連于節(jié)點(diǎn)D，在節(jié)點(diǎn)E與D之間并接電感Ld和可 變電容Cd;其特征是在節(jié)點(diǎn)A上通過電感Lxl連接到差分對(duì)管MO的漏極節(jié)點(diǎn)F，在 節(jié)點(diǎn)A與零電位之間產(chǎn)生一個(gè)寄生電容Cpl;在節(jié)點(diǎn)F和零電位之間并接電容 Cx，差分對(duì)管MO的源極接零電位，柵極由外部控制；在節(jié)點(diǎn)B上通過電感Lx2連接到節(jié)點(diǎn)C，在節(jié)點(diǎn)B與零電位間產(chǎn)生一個(gè)寄 生電容Cp2;在節(jié)點(diǎn)C和電源之間串接包括電阻Rb和電感Lb的鍵合電感模型， 在節(jié)點(diǎn)C與零電位之間串接包括電阻Rf與電容Cf的電源濾波電容模型，由電 感Lx2和PMOS對(duì)差分對(duì)管M3、差分對(duì)管M4的源極產(chǎn)生的寄生電容Cp2諧振 在2叫上，在B點(diǎn)形成一個(gè)對(duì)2w。頻率的高阻抗，這樣來自電源線端的2w。土 噪 聲不能在PMOS對(duì)差分對(duì)管M3、差分對(duì)管M4中變頻到載波頻段形成相位噪 聲，從而在源頭上抑制與電流源相關(guān)的噪聲形成。針對(duì)電源極的噪聲及PMOS差分對(duì)管的噪聲混頻效應(yīng)，本申請(qǐng)創(chuàng)新性的 提出一種對(duì)稱噪聲濾波技術(shù)，如圖3(b)所示，與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)不同的是，在節(jié)點(diǎn)B 增加一個(gè)電感Lx2，它和PMOS差分對(duì)管M3、 M4的源極產(chǎn)生的寄生電容Cp2 諧振在2w。上，在B點(diǎn)形成一個(gè)對(duì)2w。頻率的高阻抗，這樣來自電源線端的 2w。土、噪聲不能在PMOS差分對(duì)管M3、 M4中下變頻到載波頻段形成相位噪聲，從而在源上抑制與電流源相關(guān)的噪聲形成。由于噪聲濾波網(wǎng)絡(luò)都諧振在2w。上，因此電感Lxl和電感Lx2電感都比較小，不占太大面積，通常，諧振網(wǎng)絡(luò)的寄生電容Cpl和Cp2都是利用差分耦合 對(duì)NMOS差分對(duì)管Ml、 M2和PMOS差分對(duì)管M3、 M4的源極寄生電容形成， 噪聲諧振網(wǎng)絡(luò)中電感的Q值要適中，這樣可以拓寬頻帶，有效的克服因?yàn)楣?藝，溫度和電壓變化而引起諧振點(diǎn)的偏移。針對(duì)傳統(tǒng)分析的局限性，在充分理解噪聲機(jī)理的基礎(chǔ)上，提出對(duì)稱噪聲 濾波技術(shù)，進(jìn)一步抑制電流源的噪聲。在此基礎(chǔ)上所實(shí)現(xiàn)的4.8 GHzVCO取 到一 123.66 dBc/Hz的噪聲性能，在同類設(shè)計(jì)中取得很好的結(jié)果。
圖l是一種基于尾電流偏置的N/PMOS互補(bǔ)型差分振蕩器，其中的(a) 是電路結(jié)構(gòu)，(b)是其等效電路模型。圖2的a與b分別指?jìng)鹘y(tǒng)的兩種噪聲濾波技術(shù)。
圖3 (a)為傳統(tǒng)的N/PMOS互補(bǔ)類型壓控振蕩器的結(jié)構(gòu)圖。 圖3 (b)為本發(fā)明的N/PMOS互補(bǔ)類型壓控振蕩器的結(jié)構(gòu)圖。
具體實(shí)施方式
如圖所示在4個(gè)差分對(duì)管M1 4中，差分對(duì)管M1的柵極與差分對(duì)管M2 的漏極相連，差分對(duì)管M2的柵極與差分對(duì)管M1的漏極相連，差分對(duì)管M1的 柵極與差分對(duì)管M2源極相互連接到節(jié)點(diǎn)A，形成互鎖的形式；差分對(duì)管M3 的柵極與差分對(duì)管M4的漏極相連，差分對(duì)管M4的柵極與差分對(duì)管M3的漏極 相連，差分對(duì)管M3的柵極與差分對(duì)管M4源極相互連接到節(jié)點(diǎn)B，同樣形成互 鎖的形式；差分對(duì)管M1的柵極與差分對(duì)管M3的漏極相連于節(jié)點(diǎn)E，差分對(duì)管M2的 柵極與差分對(duì)管M4的漏極相連于節(jié)點(diǎn)D，在節(jié)點(diǎn)E于D之間并接電感Ld和可 變電容Cd;在節(jié)點(diǎn)A上通過電感Lxl連接到差分對(duì)管MO的漏極節(jié)點(diǎn)F，在節(jié)點(diǎn)A與零 電位之間產(chǎn)生一個(gè)寄生電容Cpl;在節(jié)點(diǎn)F和零電位之間并接電容Cx，差分對(duì) 管MO的源極接零電位，柵極由外部控制；在節(jié)點(diǎn)B上通過電感Lx2連接到節(jié)點(diǎn)C，在節(jié)點(diǎn)B與零電位間產(chǎn)生一個(gè)寄 生電容Cp2;在節(jié)點(diǎn)C和電源之間串接包括電阻Rb和電感Lb的鍵合電感模型， 在節(jié)點(diǎn)C與零電位之間串接包括電阻Rf與電容Cf的電源濾波電容模型，由電 感Lx2和PMOS對(duì)差分對(duì)管M3、差分對(duì)管M4的源極產(chǎn)生的寄生電容Cp2諧振 在2^上，在B點(diǎn)形成一個(gè)對(duì)2^v頻率的高阻抗，這樣來自電源線端的2w。土氣噪 聲不能在PMOS對(duì)差分對(duì)管M3、差分對(duì)管M4中變頻到載波頻段形成相位噪 聲，從而在源頭上抑制與電流源相關(guān)的噪聲形成。
權(quán)利要求
1、電壓控制振蕩器的對(duì)稱噪聲濾波技術(shù)，在4個(gè)差分對(duì)管(M1～4)中，差分對(duì)管(M1)的柵極與差分對(duì)管(M2)的漏極相連，差分對(duì)管(M2)的柵極與差分對(duì)管(M1)的漏極相連，差分對(duì)管(M1)的柵極與差分對(duì)管(M2)源極相互連接到節(jié)點(diǎn)(A)，形成互鎖的形式；差分對(duì)管(M3)的柵極與差分對(duì)管(M4)的漏極相連，差分對(duì)管(M4)的柵極與差分對(duì)管(M3)的漏極相連，差分對(duì)管(M3)的柵極與差分對(duì)管(M4)源極相互連接到節(jié)點(diǎn)(B)，同樣形成互鎖的形式；差分對(duì)管(M1)的柵極與差分對(duì)管(M3)的漏極相連于節(jié)點(diǎn)(E)，差分對(duì)管(M2)的柵極與差分對(duì)管(M4)的漏極相連于節(jié)點(diǎn)(D)，在節(jié)點(diǎn)(E)于(D)之間并接電感(Ld)和可變電容(Cd)；其特征是在節(jié)點(diǎn)(A)上通過電感(Lx1)連接到差分對(duì)管(M0)的漏極節(jié)點(diǎn)(F)，在節(jié)點(diǎn)(A)與零電位之間產(chǎn)生一個(gè)寄生電容(Cp1)；在節(jié)點(diǎn)(F)和零電位之間并接電容(Cx)，差分對(duì)管(M0)的源極接零電位，柵極由外部控制；在節(jié)點(diǎn)(B)上通過電感(Lx2)連接到節(jié)點(diǎn)(C)，在節(jié)點(diǎn)(B)與零電位間產(chǎn)生一個(gè)寄生電容(Cp2)在節(jié)點(diǎn)(C)和電源之間串接包括電阻(Rb)和電感(Lb)的鍵合電感模型，在節(jié)點(diǎn)(C)與零電位之間串接包括電阻(Rf)與電容(Cf)的電源濾波電容模型，由電感(Lx2)和PMOS對(duì)差分對(duì)管M3、差分對(duì)管(M4)的源極產(chǎn)生的寄生電容(Cp2)諧振在2ω0上，在(B)點(diǎn)形成一個(gè)對(duì)2ω0頻率的高阻抗，這樣來自電源線端的2ω0±ωm噪聲不能在PMOS對(duì)差分對(duì)管(M3)、差分對(duì)管(M4)中變頻到載波頻段形成相位噪聲，從而在源頭上抑制與電流源相關(guān)的噪聲形成。
全文摘要
本發(fā)明涉及壓控振蕩器芯片的制造技術(shù)，具體地說是一種用于壓控振蕩器的VCO對(duì)稱噪聲濾波技術(shù)。按照本發(fā)明提供的技術(shù)方案，在4個(gè)差分對(duì)管M1～4中，差分對(duì)管M1的柵極與差分對(duì)管M2的漏極相連，差分對(duì)管M2的柵極與差分對(duì)管M1的漏極相連，差分對(duì)管M1的柵極與差分對(duì)管M2的源極相互連接到節(jié)點(diǎn)A，形成互鎖的形式；差分對(duì)管M3的柵極與差分對(duì)管M4的漏極相連，差分對(duì)管M4的柵極與差分對(duì)管M3的漏極相連，差分對(duì)管M3的柵極與差分對(duì)管M4源極相互連接到節(jié)點(diǎn)B，同樣形成互鎖的形式。利用本發(fā)明后可以進(jìn)一步抑制電流源的噪聲。
文檔編號(hào)H03B5/08GK101159427SQ20071013488
公開日2008年4月9日 申請(qǐng)日期2007年10月23日 優(yōu)先權(quán)日2007年10月23日
發(fā)明者楊豐林 申請(qǐng)人:無(wú)錫漢柏信息技術(shù)有限公司