[发明专利]一种基于亚阈值技术的变压器耦合压控振荡器

说明书

技术领域

本发明涉及射频集成电路设计领域，具体涉及一种基于亚阈值技术的变压器耦合压控振荡器。

背景技术

随着汽车智能化、车联网、安全汽车和新能源汽车时代的到来,汽车芯片的使用也更加广泛。对于应用于汽车之间通信的芯片设计也提出了越来越高的挑战。汽车通信芯片通常需要尽可能保持长时间的工作并且避免消耗过多的车辆的电能。对于应用在射频无线接收机的锁相环频率合成器而言，压控振荡器通常是其中最消耗电能的模块。为了在消耗尽可能小的功耗的前提下，尽量的保持电路的性能，降低电路的工作电压，使整个电路工作在亚阈值区域是最好的降低电路功耗的方法。但是降低电路的工作电压同时也会限制电路中的信号的幅度，这样会影响整个电路的信噪比，从而会影响电路的相位噪声的表现。在现有的无线通信系统中，压控振荡器通常是通过增加电路的功耗而获得更小的相位噪声表现，而压控振荡器作为一个需要消耗较大功耗的模块，需要在获得较小的相位噪声的同时又希望其工作在消耗最小功耗的状态，这需要设计者在设计压控振荡器的时候对相位噪声和功耗做出较好的折中。在现有的超低电压供电，超低功耗的压控振荡器设计中通常会采取特殊的工艺方法提高电感电容谐振回路的品质因数的方法来提高相位噪声性能的表现，但是效果不佳。在现有的压控振荡器设计中，通常采取电流偏置的结构，即在电路中加入由NMOS管或PNMOS管搭建的电流源电路为电路提供电流偏置，这种电路结构中电流管的存在会导致所需要的偏置电压升高，而增加功耗。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是降低压控振荡器的相位噪声和偏置电压，降低压控振荡器所消耗的功耗，目的在于提供一种基于亚阈值技术的变压器耦合压控振荡器，采取把主回路中的差分电感与副回路中的单圈电感通过变压器结构进行耦合的方法，提高变压器和电感电容谐振回路的品质因数，降低相位噪声；采取了去除尾电流管的设计，从而降低了所需要的偏置电压，实现了超低电压供电，超低功耗的设计。

本发明通过下述技术方案实现：

一种基于亚阈值技术的变压器耦合压控振荡器，包括相互连接的核心振荡电路和输出缓冲级电路，所述核心振荡电路包括电感电容谐振回路和负阻产生回路，电感电容谐振回路上主线圈差分电感L1与次级线圈电感L2通过变压器结构进行磁耦合，负阻产生回路由交叉耦合结构的NMOS管M1和NMOS管M2组成，负阻产生回路中的NMOS管M1的漏极与电感电容谐振回路中主线圈电感L1和固定电容C1并接点相连，NMOS管M2的漏极与电感电容谐振回路中主线圈电感L1与固定电容C3的并接点相连。

本发明中的电感采用的是变压器结构的设计，将主振荡回路中的差分电感与次振荡回路中的单圈电感相耦合，与传统结构的两串联电感相比，提高了电感的品质因数，能够明显降低压控振荡器的相位噪声；同时由于主线圈与次线圈之间的相互耦合，减小所需要的电感尺寸，减小所需芯片面积。

现有电路拓扑结构中，在交叉耦合管对的后面采用了尾电流源的设计，引入NMOS管M3为交叉耦合管提供电流偏置，这样在电源电压发生变化的时候，能够保证电路中的偏置电流不随偏置电压发生较大的变化，但是尾电流源需要较高的电源电压来保证所有的NMOS管均工作在饱和区，同时由于使用NMOS管作为尾电流管，会引入额外的噪声，使电路的相位噪声性能恶化。本发明采取的拓扑结构与图2所示的传统压控振荡器拓扑结构相比，去除了传统结构中的尾电流源，从而降低了所需要的偏置电压，实现了超低电压供电，超低功耗的设计。这种电路结构为电压偏置电路，电路中的偏置电流由电源电压决定，由于从电源的正端到地之间没有级联的晶体管，这种电路比较适合在较低的电源电压下工作，从而实现低功耗设计；同时由于去除了充当尾电流源的NMOS管，相比传统结构的压控振荡器，减少了由于尾电流NMOS管所引入的相位噪声，从而减少了相位噪声的来源，本发明所采取的拓扑结构具有更好的相位噪声性能。

优选的，所述电感电容谐振回路包括主线圈差分电感L1、次级线圈电感L2、固定电容C1、固定电容C2和差分变容二极管Cv，所述主线圈差分电感L1与次级线圈电感L2通过变压器结构发生磁耦合；主线圈差分电感L1的公共抽头端与VDD电源正电压相连，主线圈差分电感L1另外两端分别与固定电容C1正极和固定电容C2的正极一端相连，固定电容C1的另一端与差分变容二极管Cv的一极相连，固定电容C2的另一端与差分变容二极管Cv的另一极相连，差分变容二极管Cv的公共端接电压控制信号的输入端Vcont。