[发明专利]基于片上连续可调电感的压控振荡器

说明书

本发明涉及压控振荡器，具体涉及基于片上连续可调电感的压控振荡器，包括不同金属层次且没有互相接触的片上电感、低阻导体环，片上电感主体结构呈环形且叠放在中间，片上电感外围设有低阻导体环；本发明提供的技术方案能够有效克服现有技术所存在的通过改变电容值改变振荡频率涉及到的电路复杂，不易实现，且需要占据较大芯片面积的缺陷。

技术领域

本发明涉及压控振荡器，具体涉及基于片上连续可调电感的压控振荡器。

背景技术

在传统的片上压控振荡器中，差分结构电感电容振荡器具有以下优势。首先，差分结构对环境噪声具有更强的抗干扰能力，输出信号的摆幅更大；其次，由于如今射频系统中往往采用吉尔伯特双平衡混频器，使用差分结构避免了一个单端转换为双端的转换电路，减少了电路的复杂度。近年来，使用交叉耦合对管作为负阻的差分振荡器成为了研究重点。本发明是在负阻式差分结构电感电容振荡器的基础上进行改进。

图1给出了一个差分负阻电路，这是一个带电阻的NMOS交叉耦合对。这种负阻电路可以提供差分运算，是CMOS集成LC振荡器最常见的拓扑结构。该交叉耦合对管的等效电阻R_eq如下：

R_eq＝-2/g_m

其中，g_m是NMOS跨导。

一个传统的负阻式差分结构电感电容振荡器如图2所示。电感L和电容C并联，组成并联LC谐振电路，晶体管M1和M2交叉耦合组成差分负阻结构，一方面提供负阻来抵消电感自带的寄生电阻，另一方面提供振荡需要的能量，使该振荡器电路得以一直保持振荡。值得一提的是，电阻R1和R2可以提高晶体管V_GS，有利于提高晶体管特征频率。

目前，传统电感电容振荡器都是利用LC谐振的方式来控制振荡频率的，且主要是通过改变电容值来改变振荡频率。如果设计需要宽的调谐范围，则需要大量的开关电容组成开关电容阵列。更进一步说，以开关电容阵列的方式来实现宽调谐范围需要占据较大的芯片面积，且电路复杂度高，不易实现。

为了进一步理解负阻式LC振荡器，图3给出了负阻式LC振荡器的等效电路图。L、C分别代表了理想的电感和电容，R则是并联电感、电容的等效电阻，有源电路一方面提供负阻来抵消电阻，另一方面也提供能量让振荡电路不停振荡下去。振荡频率如下：

本发明仍然采用了负阻式差分结构LC振荡器的电路，但是振荡频率的改变不再依托于电容值的变化，而是依赖电感值的变化。

电感L(inductance)是用来描述磁场能量的存储效应。当线圈中通过的电流为I，根据毕一萨定律，该电流在空间任一点所产生的磁感应强度都和回路的电流成正比，所以磁通量φ也和电流I成正比：

当有电流流过的两线圈相互临近时，如图4，由线圈1中的电流I₁所引起的变化磁场在通过线圈2时，会在线圈2中产生感应电动势。同样，线圈2中的电流1₂所引起的变化磁场在通过线圈1时，也会在线圈1中产生感应电动势。两个载流线圈相互激起感应电动势的这种现象称为互感。如果两线圈所载电流同相，磁通相互叠加，电感效应加强。反之，如果所载电流反相，磁通相互抵消，电感效应减弱。为了描述这种相互作用而产生的电感变化，引入互电感(Mutual-Inductance)概念。

大多数片上平面螺旋电感都是应用CMOS工艺的顶层金属来设计的，因为顶层金属较厚，0.18μm CMOS工艺中顶层金属的厚度为1μm，其他层的金属厚度为0.54μm，这样用顶层金属所做的同样长度的金属线电阻最小，电感性能较好。

常用的片上螺旋电感有正方形、六边形、八边形、圆形四种形状，其几何参数有：外径，内径，线宽，圈数和线间距等，工艺参数则主要是衬底电阻率和金属线电导率。