[发明专利]一种毫米波宽带数控振荡器

说明书

本发明公开了一种毫米波宽带数控振荡器，包括LC谐振腔和负阻电路。LC谐振腔采用电感调谐和电容调谐协同工作的宽带调谐机制，其中，电感调谐采用基于互感开关的片上变压器结构；电容调谐分为三级：电容粗调电路、电容中调电路及电容精调电路，其中，电容粗调电路由开关电容阵列构成；电容中调电路及电容精调电路均由离散电压控制可变电容构成，不需引入开关。与已有的毫米波宽带数控振荡器技术相比，本发明实现的毫米波数控振荡器的带宽更大、寄生电容更小、芯片面积更小，更利于数字锁相环的片内集成，极大节省了整个数字锁相环芯片面积。

技术领域

本发明属于集成电路设计领域，特别涉及一种毫米波宽带数控振荡器。

背景技术

数控振荡器(Digital-controlled Oscillator，DCO)是数字锁相环中最核心的电路，与压控振荡器(Voltage-controlled oscillator，VCO)利用模拟电压控制输出连续频率的机理不同，DCO通过输入数字控制信号改变LC谐振腔中的电感或电容值，最终输出离散频率。虽然二者控制机理不同，但宽带调谐技术是相通的，在VCO中适用的宽带调谐技术也可适用于DCO。

专利“中国专利：CN110729967A，2020.01.24”(参考文献1)，采用四个基本的LC-VCO构成窄带切换电路，输出缓冲电路将四个窄带VCO共漏连接，最终将所选择的窄带VCO作为整个VCO的输出。这种基于多窄带振荡器组合的宽带振荡器调谐技术，设计复杂度低，实现宽带输出的同时具有良好的噪声性能，但是牺牲了很大的芯片面积，不利于整个锁相环芯片集成。

专利“中国专利：CN107425812A，2017.12.01”(参考文献2)，双模电感通过开关阵列实现两种等效电感值之间的切换，用于振荡频率的粗调节。第一变容二极管阵列和第二变容二极管阵列用于调节负载网络的电容值，实现振荡频率的细调节。这种宽带振荡器调谐技术设计复杂度很高，该发明所用电感一方面占用了很大的面积，另一方面实现两种等效电感值切换的四个MOS开关直接与电感连接，开关自身损耗将直接影响谐振腔品质因数Q值，因此要达到实现宽带调谐的同时保证相位噪声的目的，需要反复调整电感的形状尺寸以及MOS开关管的尺寸，设计难度很大。

发明内容

发明目的：针对现有宽带振荡器调谐技术存在的问题，本发明提供一种毫米波宽带数控振荡器，实现带宽更大、寄生电容更小和芯片面积更小。

技术方案：为实现上述发明目的，本发明的一种毫米波宽带数控振荡器采用如下技术方案：

毫米波宽带数控振荡器包括LC谐振腔和负阻电路；LC谐振腔采用电感调谐和电容调谐协同工作的宽带调谐机制，其中，电感调谐由基于互感开关的片上变压器实现；电容调谐分为三级：电容粗调电路、电容中调电路和电容精调电路，电容粗调电路由开关电容阵列构成；电容中调电路以及电容精调电路均由离散电压控制可变电容构成。

其中，

所述基于互感开关的片上变压器结构为：互感开关的第零输出端与第一输出端分别连接到片上变压器次级线圈的两端，第一控制端接收由外部控制电路提供的控制互感开关导通和截止的控制信号；片上变压器初级线圈两端分别连接到第二输出端和第三输出端，片上变压器的中心抽头连接电源电压。

所述互感开关由第零NMOS管、第零反相器、第一电阻和第二电阻构成，具有第零输出端、第一输出端和第一控制端；第零NMOS管的栅极连接第一控制端和第零反相器输入端，漏极连接第零输出端，源极连接第一输出端；第一电阻一端连接至第零反相器输出端，另一端连接第零输出端；第二电阻一端连接至第零反相器输出端，另一端连接第一输出端。

所述基于互感开关的片上变压器的T模型的输入阻抗Z_in为：