專利名稱：一種基于改進(jìn)尾電流源結(jié)構(gòu)的低相位噪聲lc vco的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種低相位噪聲的LC VCO (基于電感-電容諧振的壓控振蕩器)電路 結(jié)構(gòu)，具體涉及一種通過改進(jìn)尾電流源電路結(jié)構(gòu)來提高相位噪聲性能的基于改進(jìn)尾電流源 結(jié)構(gòu)的低相位噪聲LC VCO0
背景技術(shù)：
LC VCO是通信系統(tǒng)中頻率合成器的重要模塊，它的相位噪聲、功耗、面積等性能對 通信系統(tǒng)有著重要影響。相位噪聲影響著通信質(zhì)量，各種通信系統(tǒng)如GSM、CDMA、ZigBee, 802. 11、GPS、UWB等都對相位噪聲有嚴(yán)格的規(guī)定，而功耗和面積則對移動(dòng)通訊終端的成本起 著決定性作用，因此，在不增大功耗和面積的前提下，提高LCVCO的相位噪聲性能成為當(dāng)前 的研究熱點(diǎn)與難點(diǎn)。通常，LC VCO的相位噪聲性能可以通過增大功耗或者提高電感Q來提高，但是這 兩種方法均會(huì)增大通信系統(tǒng)成本。針對這一問題，2001年Emad Hegazi和Asad. A. Abidi 在文獻(xiàn)A Filtering Technique toLower LC Oscillator Phase Noise[1]中提出了一種噪 聲濾波技術(shù)，該方法能夠在不增加功耗的情況下提高LC VCO的相位噪聲性能，但是需要引 入額外的電感、電容來濾除尾電流源的二次諧波分量，因此該方法顯著地增大了芯片面積； 2004 年 C. C. Boon 等人在文獻(xiàn) RF CMOSLow-Phase-Noise LC Oscillator Through Memory Reduction TailTransistor中提出將LC VCO的尾電流源由固定偏置改為互補(bǔ)開關(guān)控制， 該方法可以減小尾電流源的Ι/f噪聲，且不會(huì)增大芯片面積，但是由于尾電流源偏置在開 關(guān)狀態(tài)，所以尾電流大小不能保持恒定且電流大小隨工藝偏差大，非恒定的尾電流將引入 幅度噪聲，并通過變?nèi)莨艿腁M-FM調(diào)制轉(zhuǎn)換為相位噪聲，且工藝偏差對該結(jié)構(gòu)性能的影響 較大。2005 年 Thierry Lagutere 等人在文獻(xiàn) Method to design low noisedifferential CMOS VCOs without tail current source中提出將LC VCO的尾電流源去掉，該方法可以 在不增加芯片面積的情況下得到更好的相位噪聲性能，但是由于沒有尾電流源，該結(jié)構(gòu)性 能隨工藝偏差大，而且電源抑制性能和穩(wěn)定性差。在現(xiàn)有的各種低相位噪聲LC VCO結(jié)構(gòu)中， 相位噪聲性能的提高均以面積的增大、性能穩(wěn)定性或電壓抑制性能的降低為代價(jià)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種工藝穩(wěn)定性和電壓抑制性能好、同時(shí)在不增加功耗和 不太影響芯片面積的情況下能提高相位噪聲性能的基于改進(jìn)尾電流源結(jié)構(gòu)的低相位噪聲 LC VCO0為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是該尾電流源結(jié)構(gòu)的低相位噪聲LC VCO的尾電流源由工作在線性區(qū)的P-MOSFET管M6和工作在飽和區(qū)的P-MOSFET管M8串聯(lián)而 成，P-MOSFET管M6與P-MOSFET管M8的柵極接在一起的，電流鏡由另兩個(gè)P-MOSFET管M5、 M7對P-MOSFET管M6、P-MOSFET管M8構(gòu)成，電流通過電流鏡偏置到VCO中。同傳統(tǒng)的LC VCO相比，本發(fā)明的結(jié)構(gòu)只增加了兩個(gè)位于線性區(qū)的MOS管仏和禮，相對于大面積的電感和電容來說，它們的面積可以忽略不計(jì)，所以，本發(fā)明基本上不會(huì)影響 芯片面積。而另一方面，由于線性區(qū)工作的P-M0SFET管M6的漏源電壓很小，從而，M6管的引 入對VCO輸出信號的最大擺幅影響較小。此外，M6管的引入使M8管的漏端(即A點(diǎn))往電 源看進(jìn)去的等效電阻變大，從而諧振腔的損耗減小，使LC VCO可以實(shí)現(xiàn)更低的相位噪聲。


圖1為傳統(tǒng)LC VCO結(jié)構(gòu)；圖2為本發(fā)明的LC VCO結(jié)構(gòu)；圖3為傳統(tǒng)LC VCO的尾電流源噪聲分析圖；圖4為本發(fā)明的LC VCO的尾電流源噪聲分析圖；圖5為傳統(tǒng)的LC VCO與本發(fā)明LC VCO的調(diào)諧曲線對比圖；圖6為頻偏I(xiàn)OOkHz處兩個(gè)VCO的相位噪聲隨Ve的變化曲線對比圖；圖7為頻偏I(xiàn)MHz處兩個(gè)VCO的相位噪聲隨Ve的變化曲線對比圖；圖8為Ve = 0. 6V時(shí)，兩個(gè)VCO的相位噪聲隨頻偏的變化曲線對比圖；圖9為Ve = 1. 2V時(shí)，兩個(gè)VCO的相位噪聲隨頻偏的變化曲線對比圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。傳統(tǒng)的LC VCO結(jié)構(gòu)如圖1所示，它的尾電流源只有一個(gè)處于飽和區(qū)的M6管 (P-MOSFET)，電流鏡由M5(P-MOSFET)對M6 (P-MOSFET)構(gòu)成，電流通過電流鏡偏置到VCO中。 本發(fā)明提出的LC VCO結(jié)構(gòu)如圖2所示，尾電流源由工作在線性區(qū)的P-MOSFET管M6和工作 在飽和區(qū)的P-MOSFET管M8串聯(lián)而成，P-MOSFET管M6與P-MOSFET管M8的柵極接在一起的， 電流鏡由另兩個(gè)P-MOSFET管M5、M7對P-MOSFET管M6、P-MOSFET管M8構(gòu)成，電流通過電流 鏡偏置到VCO中。驗(yàn)證表明本發(fā)明的尾電流源可以使VCO獲得更低的相位噪聲。為了說明本發(fā)明的效果，使用SMIC 0. 18 μ m射頻CMOS工藝對傳統(tǒng)的LC VCO結(jié)構(gòu) 及本發(fā)明的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了仿真比較。在仿真過程中，兩個(gè)VCO的電感L、變?nèi)莨蹸v、以及M1 M4管的各種參數(shù)完全一樣，同時(shí)圖1和圖2中電流鏡的柵電壓(即B點(diǎn)電壓)相等，偏置電 路的電流和尾電流源的電流也都相等。圖5為傳統(tǒng)LC VCO與本發(fā)明VCO的調(diào)諧曲線圖，從圖中可以看出兩者的調(diào)諧曲 線完全一致；圖6和圖7分別為在頻偏I(xiàn)OOkHz和IMHz處兩個(gè)VCO的相位噪聲隨壓控電壓 Vc的變化曲線對比圖，圖8和圖9分別為Vc = 0. 6V和Vc = 1. 2V時(shí)，兩個(gè)VCO的相位噪聲 隨頻偏變化曲線對比圖，從圖6 圖9可以看出，在相同的功耗下以及不影響芯片面積的情 況下，本發(fā)明的LC VCO的在小于IMHz的頻偏處，相位噪聲性能改善明顯，相對于傳統(tǒng)的LC VCO結(jié)構(gòu)能降低約2 5dBc/Hz。圖3和圖4分別為傳統(tǒng)LC VCO和本發(fā)明結(jié)構(gòu)的尾電流源中所存在的各種噪聲電 流源示意圖。由圖3容易得到傳統(tǒng)LC VCO中尾電流源流入諧振腔的均方噪聲電流為Cut = 4. %+4 =爪2.4 + 4
Sm5( 1 )
式中分別為M5、M6管均方噪聲電流，ξ:為輸入VCO核的均方噪聲電
流，gm5、gm6分別表示M5和M6管的跨導(dǎo)；m為VCO尾電流與偏置電路電流的比值。對于本發(fā)明的LC VCO電路結(jié)構(gòu)，可以采用噪聲疊加的方法計(jì)算流入諧振腔的電 流。首先，分析禮和禮管的噪聲影響，如圖4所示，假設(shè)兩者等效到柵上(即B點(diǎn))的噪聲 電壓為Vng，則Vng滿足
權(quán)利要求
1. 一種基于改進(jìn)尾電流源結(jié)構(gòu)的低相位噪聲LC VC0，其特征在于該尾電流源結(jié)構(gòu) 的低相位噪聲LC VCO的尾電流源由工作在線性區(qū)的P-MOSFET管M6和工作在飽和區(qū)的 P-MOSFET管M8串聯(lián)而成，P-MOSFET管M6與P-MOSFET管M8的柵極接在一起的，電流鏡由另 外兩個(gè)P-MOSFET管M5、M7對P-MOSFET管M6、P-MOSFET管M8構(gòu)成，電流通過電流鏡偏置到 VCO 中。
全文摘要
一種基于改進(jìn)尾電流源結(jié)構(gòu)的低相位噪聲LC VCO(基于電感-電容諧振的壓控振蕩器)，其尾電流源由工作在線性區(qū)的P-MOSFET管M6和工作在飽和區(qū)的P-MOSFET管M8串聯(lián)而成，P-MOSFET管M6與P-MOSFET管M8的柵極接在一起，電流鏡由另兩個(gè)P-MOSFET管M5、M7對P-MOSFET管M6、P-MOSFET管M8構(gòu)成，電流通過電流鏡偏置到VCO中。由于線性區(qū)工作的P-MOSFET管M6的漏源電壓很小，從而，M6管的引入對VCO輸出信號的最大擺幅影響較小。此外，M6管的引入使M8管的漏端(即A點(diǎn))看進(jìn)去的等效電阻變大，從而諧振腔的損耗減小，使該LC VCO可以實(shí)現(xiàn)更低的相位噪聲。
文檔編號H03B5/12GK102088289SQ201010579378
公開日2011年6月8日 申請日期2010年12月8日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月8日
發(fā)明者姚劍峰, 胡志剛, 邵志標(biāo) 申請人:西安交通大學(xué)