專利名稱：一種具有寬鎖定范圍的次諧波注入鎖定壓控振蕩器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于射頻無線接收機(jī)集成電路技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種應(yīng)用于無線接收機(jī)頻率綜合器中的寬鎖定范圍的次諧波注入鎖定壓控振蕩器。
背景技術(shù)：
在很多如高性能模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)、數(shù)據(jù)通信和射頻接收/發(fā)射器等應(yīng)用中往往需要低相位噪聲(Phase Noise)和低相位抖動(dòng)的穩(wěn)定時(shí)鐘。一般情況下，該時(shí)鐘電路往往采用鎖相環(huán)結(jié)構(gòu)(PLL)。在傳統(tǒng)PLL結(jié)構(gòu)中，帶內(nèi)相噪主要是由參考時(shí)鐘、鑒頻鑒相器(PFD) 和電荷泵(Charge Pump)決定的，而帶外相噪主要是由壓控振蕩器(VCO)決定的。為了得到最優(yōu)的輸出相噪，可以通過選擇合適的環(huán)路帶寬來實(shí)現(xiàn)。但是，很多通信標(biāo)準(zhǔn)對(duì)環(huán)路帶寬是有限制的，而且為了保證環(huán)路的穩(wěn)定性環(huán)路帶寬不能太大。因此，僅僅通過選擇環(huán)路帶寬來優(yōu)化PLL整體的噪聲性能不適用于高頻應(yīng)用。對(duì)于一個(gè)次諧波注入鎖定VCO來說，在鎖定范圍的相噪滿足如下關(guān)系
^PLL = + 2OlogioN⑴
其中為注入信號(hào)的相噪，N為VCO輸出信號(hào)和注入信號(hào)的頻率比。利用次諧波注
入鎖定技術(shù)的這一特性，可以降低PLL輸出信號(hào)的時(shí)鐘抖動(dòng)(jitter)。但是次諧波注入鎖定的鎖定范圍很窄，芯片制造過程中的工藝偏差和溫度偏差嚴(yán)重影響注入鎖定VCO工作的穩(wěn)定性。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種具有寬鎖定范圍的次諧波注入鎖定壓控振蕩器。本發(fā)明提供的壓控振蕩器，主要包括如下結(jié)構(gòu)
(1)一個(gè)片上電感電容(LC)諧振器；
(2)—個(gè)由第一晶體管Ml和第二晶體管M2交叉耦合連接而成的負(fù)阻產(chǎn)生器；
(3)用來對(duì)振蕩頻率進(jìn)行粗調(diào)諧的數(shù)字控制電容陣列(DCCA)；
(4)用來對(duì)振蕩頻率進(jìn)行細(xì)調(diào)諧的具有線性化特性的可變電容陣列(VA)；
(5)由第三晶體管M3和第四晶體管M4組成的注入對(duì)管；
(6)脈沖產(chǎn)生電路(PulseGenerator)ο其中，第一晶體管Ml的柵極和漏極分別接壓控振蕩器的輸出端VP和VN，第二晶體
管M2的柵極和漏極分別接壓控振蕩器的輸出端VN和VP。第一晶體管Ml和第二晶體管M2
的源極共同接到第一電流鏡Il的漏極。第三晶體管M3的漏極接壓控振蕩器的輸出端VP，
第四晶體管M4的漏極接壓控振蕩器的輸出端VN，第四晶體管M4和第三晶體管M3的源極
共同連接到第二電流鏡12的漏極。第一偏置電阻RBl的一端接直流電平VB，另一端接晶體
管M4的柵極。第二偏置電阻RB2的一端接直流電平VB，另一端接第三晶體管M3的柵極。
參考信號(hào)經(jīng)過脈沖產(chǎn)生電路得到的脈沖信號(hào)，先通過隔直電容CB，再輸入到第四晶體管M4的柵極。用來對(duì)頻率進(jìn)行粗調(diào)諧的數(shù)字控制電容陣列(DCCA)的兩端分別接壓控振蕩器的輸出端VP和VN。具有線性化特性的可變電容陣列(VA)的兩端分別接壓控振蕩器的輸出端 VP 禾口 VN0本發(fā)明中，脈沖產(chǎn)生電路的輸出通過注入對(duì)管注入到壓控振蕩器中。如果注入鎖定能夠發(fā)生，那么在鎖定范圍內(nèi)VCO的相噪滿足如下關(guān)系Xpii = Lw + 20 Iog10 ,
其中Linj為注入信號(hào)的相噪，N為vco輸出信號(hào)和注入信號(hào)的頻率的比值。本發(fā)明中，通過數(shù)字控制電容陣列實(shí)現(xiàn)較寬頻率范圍的覆蓋，并能夠通過數(shù)字控制字選擇不同的調(diào)諧曲線。本發(fā)明中，數(shù)字控制電容陣列(DCCA)可由三組偏置在不同電壓下累積型MOS電容并聯(lián)組成(見圖3)，可提高調(diào)諧曲線的線性度，減少AM-FM調(diào)制和Ι/f噪聲的上變頻，增加調(diào)諧曲線的可用范圍。本發(fā)明中，通過采用單端注入的方式實(shí)現(xiàn)偶次次諧波注入。本發(fā)明中，脈沖產(chǎn)生電路采用兩級(jí)級(jí)聯(lián)的方式(見圖4)，在一個(gè)參考時(shí)鐘周期內(nèi)得到四個(gè)脈寬等于VCO輸出信號(hào)半個(gè)周期的脈沖，簡(jiǎn)稱為四沿注入。這種注入方法可以增大注入信號(hào)目標(biāo)諧波的幅度和鎖定范圍。本發(fā)明中，脈沖產(chǎn)生電路中的延遲單元采用電容并聯(lián)的延遲結(jié)構(gòu)(圖6)，延遲時(shí)間隨著控制電壓的升高而增加。本發(fā)明的主要改進(jìn)在于，采用兩級(jí)脈沖產(chǎn)生電路級(jí)聯(lián)的方式，實(shí)現(xiàn)四沿注入。增加了注入信號(hào)目標(biāo)諧波的幅度，相應(yīng)地增加了鎖定范圍，提高了注入鎖定壓控振蕩器工作的穩(wěn)定性。本發(fā)明的次諧波注入鎖定壓控振蕩器可以有效的降低鎖相環(huán)輸出信號(hào)的相位抖動(dòng) (jitter)，可應(yīng)用于無線接收機(jī)頻率綜合器中。
圖1為本發(fā)明的具有寬鎖定范圍的壓控振蕩器的結(jié)構(gòu)圖示。
圖2為具有線性化功能的可變電容陣列(VA)圖示。
圖3數(shù)字控制電容陣列(DCCA)的單元結(jié)構(gòu)圖示。
圖4本發(fā)明提出的四沿脈沖產(chǎn)生電路結(jié)構(gòu)。
圖5雙沿脈沖產(chǎn)生電路結(jié)構(gòu)。
圖6延遲單元電路。
圖7四沿脈沖產(chǎn)生電路時(shí)序圖。
圖8 (a)雙沿注入鎖定范圍；(b)四沿注入鎖定范圍。
圖9相噪對(duì)比圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖進(jìn)一步說明本發(fā)明的原理和實(shí)施方式。如圖1所示，本發(fā)明的注入鎖定壓控振蕩器采用的是尾電流偏置的NMOS壓控振蕩器結(jié)構(gòu)。其中電感采用的是中心抽頭的差分電感；交叉耦合管Ml和M2 (為2個(gè)NMOS管) 提供負(fù)阻，抵消掉LC諧振腔的等效寄生電阻以維持振蕩。細(xì)調(diào)諧是通過具有線性化功能的可變電容陣列(VA)來實(shí)現(xiàn)的。傳統(tǒng)的累積型MOS電容的特性曲線具有非線性，導(dǎo)致調(diào)諧曲線的可用的范圍減少，同時(shí)也引入了 AM-FM的相位噪聲。為了解決這一問題，將三組分別偏置在1. 2V、0. 6V和OV的可變電容并聯(lián)起來(如圖2所示)。這樣便使得在控制電壓Vctrl 從0變化到1.2V的范圍內(nèi)，調(diào)諧曲線的斜率，也就是Kvco保持恒定。為保證振蕩器能夠覆蓋一定的頻率范圍，同時(shí)又防止Kvco太大而惡化相位噪聲。往往采用數(shù)字控制電容陣列 (DCCA)，將全部的頻帶分為多個(gè)子帶，通過數(shù)字控制字來選擇每一個(gè)子帶。本發(fā)明采用的 DCCA單元的結(jié)構(gòu)，如圖3所示，其中MC1-MC4為偏置管，MC5-MC6為開關(guān)管，Ccl_Cc2為DCCA 單元所控制的接入LC諧振腔的電容。MCl和MC2的源極接電源，柵極連接在一起接控制電壓，漏極分別接開關(guān)管MC5的源極和漏極。MC3和MC4的源極接地，柵極連接在一起接控制電壓，漏極分別接開關(guān)管的MC5的源極和漏極。MC5和MC6的柵極接控制電壓，MC5的源極和漏極分別同MC6的漏極和源極連接在一起。電容Ccl的一端接壓控振蕩器的輸出VP，另一端接MC5的源極。電容Cc2的一端接壓控振蕩器的輸出VN，另一端接MC5的漏極。當(dāng)控制電壓為高電平時(shí)，MC5-MC6打開，MC3-MC4將開關(guān)管的源極和漏極偏置為低電平，進(jìn)一步減小了開關(guān)管的導(dǎo)通電阻，以提高LC諧振腔的等效Q值。當(dāng)控制電壓為低電平時(shí)，MC5-MC6 關(guān)斷，MC1-MC2將開關(guān)管的源極和漏極偏置為高電平，防止LC諧振腔Q值的惡化。圖4為本發(fā)明提出的四沿脈沖產(chǎn)生電路，跟傳統(tǒng)的雙沿脈沖產(chǎn)生電路(如圖5所示)類似，都是由延遲單元和異或門構(gòu)成。不同的是，本發(fā)明采用兩級(jí)脈沖產(chǎn)生電路級(jí)聯(lián)的方式，一個(gè)參考時(shí)鐘周期內(nèi)實(shí)現(xiàn)了四次脈沖注入，提高了相應(yīng)諧波的幅度。而鎖定范圍由如下關(guān)系
權(quán)利要求
1.一種具有寬鎖定范圍的次諧波注入鎖定壓控振蕩器，其特征在于包括(1)一個(gè)片上電感電容諧振器；(2)—個(gè)由第一晶體管(Ml)和第二晶體管(M2)交叉耦合連接而成的負(fù)阻產(chǎn)生器；(3)用來對(duì)振蕩頻率進(jìn)行粗調(diào)諧的數(shù)字控制電容陣列(DCCA)；(4)用來對(duì)振蕩頻率進(jìn)行細(xì)調(diào)諧的具有線性化特性的可變電容陣列(VA)；(5)由第三晶體管(M3)和第四晶體管(M4)組成的注入對(duì)管；(6)脈沖產(chǎn)生電路。
2 根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓控振蕩器，其特征在于具體的連接關(guān)系如下第一晶體管(Ml)的柵極和漏極分別接壓控振蕩器的輸出端VP和VN，第二晶體管(M2) 的柵極和漏極分別接壓控振蕩器的輸出端VN和VP;第一晶體管(Ml)和第二晶體管(M2)的源極共同接到第一電流鏡Il的漏極；第三晶體管(M3)的漏極接壓控振蕩器的輸出端VP， 第四晶體管(M4)的漏極接壓控振蕩器的輸出端VN，第四晶體管(M4)和第三晶體管(M3)的源極共同連接到第二電流鏡12的漏極；第一偏置電阻(RBl)的一端接直流電平VB，另一端接第四晶體管(M4)的柵極；第二偏置電阻(RB2)的一端接直流電平VB，另一端接第三晶體管(M3)的柵極；參考信號(hào)經(jīng)過脈沖產(chǎn)生電路得到脈沖信號(hào)，先通過隔直電容CB，再輸入到第四晶體管(M4)的柵極；用于對(duì)頻率進(jìn)行粗調(diào)諧的數(shù)字控制電容陣列(DCCA)的兩端分別接壓控振蕩器的輸出端VP和VN ；具有線性化特性的可變電容陣列(VA)的兩端分別接壓控振蕩器的輸出端VP和VN0
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的壓控振蕩器，其特征在于脈沖產(chǎn)生電路的輸出通過注入對(duì)管注入到壓控振蕩器中；如果注入鎖定能夠發(fā)生，那么在鎖定范圍內(nèi)壓控振蕩器(VCO)的相噪滿足如下關(guān)系Lpll = Linj + 201og10 Ar ,其中Lmj為注入信號(hào)的相噪，ν為壓控振蕩器(VCO)輸出信號(hào)和注入信號(hào)的頻率的比值。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的壓控振蕩器，其特征在于通過數(shù)字控制電容陣列實(shí)現(xiàn)較寬頻率范圍的覆蓋，并通過數(shù)字控制字選擇不同的調(diào)諧曲線。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的壓控振蕩器，其特征在于數(shù)字控制電容陣列(DCCA)由三組偏置在不同電壓下累積型MOS電容并聯(lián)組成，用于提高調(diào)諧曲線的線性度，減少AM-FM調(diào)制和 Ι/f噪聲的上變頻，增加調(diào)諧曲線的可用范圍。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的壓控振蕩器，其特征在于所述的數(shù)字控制電容陣列(DCCA)結(jié)構(gòu)為設(shè)MC1-MC4為偏置管，MC5-MC6為開關(guān)管，Ccl-Cc2為DCCA單元所控制的接入LC諧振腔的電容；其中，MCl和MC2的源極接電源，柵極連接在一起接控制電壓，漏極分別接MC5 的源極和漏極；MC3和MC4的源極接地，柵極連接在一起接控制電壓，漏極分別接開關(guān)管MC5 的源極和漏極；MC5和MC6的柵極接控制電壓，MC5的源極和漏極分別同MC6的漏極和源極連接在一起；Ccl的一端接壓控振蕩器的輸出VP，另一端接MC5的源極；Cc2的一端接壓控振蕩器的輸出VN，另一端接MC5的漏極；當(dāng)控制電壓為高電平時(shí)，MC5、MC6打開，MC3、MC4將開關(guān)管的源極和漏極偏置為低電平，進(jìn)一步減小開關(guān)管的導(dǎo)通電阻，提高LC諧振腔的等效Q值；當(dāng)控制電壓為低電平時(shí)， MC5、MC6關(guān)斷，MC、MC2將開關(guān)管的源極和漏極偏置為高電平，防止LC諧振腔Q值的惡化。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的壓控振蕩器，其特征在于通過采用單端注入的方式實(shí)現(xiàn)偶次次諧波注入。
8.根據(jù)權(quán)利要求2所述的壓控振蕩器，其特征在于脈沖產(chǎn)生電路采用兩級(jí)級(jí)聯(lián)的方式，在一個(gè)參考時(shí)鐘周期內(nèi)得到四個(gè)脈寬等于壓控振蕩器(VCO)輸出信號(hào)半個(gè)周期的脈沖， 用于增大注入信號(hào)目標(biāo)諧波的幅度和鎖定范圍。
9.根據(jù)權(quán)利要求2所述的壓控振蕩器，其特征在于脈沖產(chǎn)生電路中的延遲單元采用電容并聯(lián)的延遲結(jié)構(gòu)，使延遲時(shí)間隨著控制電壓的升高而增加。
全文摘要
本發(fā)明屬于射頻無線接收機(jī)集成電路技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種具有寬鎖定范圍的次諧波注入鎖定壓控振蕩器。該壓控振蕩器包括片上電感電容諧振器、由2個(gè)NMOS管交叉耦合連接而成的負(fù)阻產(chǎn)生器、用來對(duì)振蕩頻率進(jìn)行粗調(diào)諧的數(shù)字控制電容陣列、用來對(duì)振蕩頻率進(jìn)行細(xì)調(diào)諧的具有線性化特性的可變電容陣列、注入對(duì)管、脈沖產(chǎn)生電路。通過將兩級(jí)脈沖產(chǎn)生電路進(jìn)行級(jí)聯(lián)，最終在一個(gè)參考時(shí)鐘周期內(nèi)得到四個(gè)脈寬等于的輸出信號(hào)半個(gè)周期的窄脈沖，稱這種方法為四沿注入。相對(duì)于傳統(tǒng)的雙沿注入方式，本發(fā)明可以有效的增加注入信號(hào)目標(biāo)諧波的幅度，增大壓控振蕩器的鎖定范圍，可應(yīng)用于無線接收機(jī)頻率綜合器中。
文檔編號(hào)H03L7/183GK102332915SQ20111020880
公開日2012年1月25日 申請(qǐng)日期2011年7月25日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月25日
發(fā)明者任俊彥, 廉琛, 張楷晨, 李寧, 李巍 申請(qǐng)人:復(fù)旦大學(xué)