60GHz鎖相環(huán)低相噪自注入型電壓控制振蕩器及無線收發(fā)機(jī)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及集成電路設(shè)計(jì)領(lǐng)域，具體涉及一種用于低電壓下60 GHz鎖相環(huán)的低相噪自注入鎖定型電壓控制CMOS LC振蕩器。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著現(xiàn)代無線通信技術(shù)的蓬勃發(fā)展，我們對(duì)數(shù)據(jù)傳輸速率的要求越來越高。在無線通信頻段，60 GHz頻段具有載波頻率高和可用帶寬大這兩個(gè)特點(diǎn)。在60GHz頻段上，人們可以很輕松地將傳輸速率提升至lGbps-lOGbps，滿足業(yè)界對(duì)傳輸速率的要求。這也推動(dòng)了低成本、低功耗的60 GHz CMOS無線收發(fā)機(jī)的研究開發(fā)。在60 GHz收發(fā)機(jī)中，60 GHz鎖相環(huán)是一個(gè)必不可少的模塊。鎖相環(huán)的性能影響著整個(gè)收發(fā)機(jī)的性能，而60 GHz電壓控制振蕩器是鎖相環(huán)中的核心模塊，它們決定了鎖相環(huán)的一些重要特性，例如調(diào)諧范圍、相位噪聲等。
[0003]對(duì)于60 GHz CMOS電壓控制振蕩器電路的設(shè)計(jì)來說，降低輸出頻率的相位噪聲是其主要的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)之一。MOS管的各種非理想效應(yīng)、電感和電容等無源器件在振蕩器工作時(shí)的損耗等都是引起電壓控制振蕩器輸出頻率抖動(dòng)的因素，產(chǎn)生相位噪聲。
[0004]傳統(tǒng)的頻率較低的電壓控制振蕩器電路，例如在2.4GHz頻段的電壓控制振蕩器，通常采用環(huán)形振蕩器結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)面積小，但是相位噪聲差。在對(duì)相位噪聲要求高的應(yīng)用環(huán)境中，人們通常采用基于LC振蕩器的電壓控制振蕩器電路，這種結(jié)構(gòu)芯片面積大，不過輸出相位噪聲低。在LC振蕩器中，電感、電容、變?nèi)莨芷骷钠焚|(zhì)因素對(duì)相位噪聲的影響很大。
[0005]隨著頻率從2.4 GHz提升至60 GHz，基于LC結(jié)構(gòu)的振蕩器相位噪聲惡化很明顯。原因如下:在基于傳統(tǒng)LC結(jié)構(gòu)的60 GHz電壓控制振蕩器中，寄生電容占諧振腔的總電容的主要部分，電容品質(zhì)因素不高；襯底通過電容耦合的移位電流以及通過電磁感應(yīng)出的感應(yīng)電流也會(huì)增加，襯底損耗增加；趨膚效應(yīng)、鄰近效應(yīng)也會(huì)隨著頻率提升導(dǎo)致導(dǎo)線損耗增加；變?nèi)莨?、電容品質(zhì)因素與頻率成反比，頻率從2.4 GHz變?yōu)?0 GHz，變?nèi)莨芷焚|(zhì)因素從137.8變?yōu)?.58。這些因素共同導(dǎo)致傳統(tǒng)LC結(jié)構(gòu)的電壓控制振蕩器電路在頻率上升至60GHz時(shí)，輸出頻率的相位噪聲變差。而且隨著微電子技術(shù)向納米尺寸的發(fā)展，集成電路的設(shè)計(jì)要求也越來越向低電壓(1.0V以內(nèi))、低功耗靠攏，在低電壓下，電壓控制振蕩器的相位噪聲進(jìn)一步增加。
[0006]為了減小60GHz電壓控制振蕩器電路的相位噪聲，一種常用的辦法是采用適用于射頻的SOI或者鍺硅工藝。這些工藝寄生電容小、襯底損耗小，器件工作速度快，電壓控制振蕩器的輸出相位噪聲能獲得較好的改善，但是這些工藝價(jià)格昂貴，而且難以與收發(fā)機(jī)后端的基于CMOS工藝的基帶數(shù)字處理芯片集成。
[0007]綜上所述，在工作頻率為60 GHz時(shí)，傳統(tǒng)的基于LC結(jié)構(gòu)的CMOS電壓控制振蕩器電路難以在低電壓下獲得較低的相位噪聲。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了一種60 GHz鎖相環(huán)低相噪自注入型電壓控制振蕩器及無線收發(fā)機(jī)。
[0009]一種60 GHz鎖相環(huán)的低相噪自注入鎖定型電壓控制振蕩器，
通過采用多個(gè)相同的LC振蕩器核心，并使振蕩信號(hào)注入到相應(yīng)的諧振腔中，通過注入鎖定原理，諧振腔電路鎖定在同一工作頻率點(diǎn)，輸出波形相位也同步，此時(shí)通過波形疊加，輸出波形中本振頻率功率加強(qiáng)，而噪聲通過LC諧振腔的濾波作用基本未增加。
[0010]所述的電壓控制振蕩器，包括LC諧振腔電路，負(fù)阻對(duì)電路，自注入鎖定電路，輸出緩沖電路，
所述的LC諧振腔電路包括電感L2、L3和變?nèi)莨蹸2、C3、C6、C7 ;其中L2兩端分別與C2和C3的正極相連，中間抽頭端與電源電壓VDD相連；C2負(fù)極與C3負(fù)極相連，C2負(fù)極與輸入控制電壓VC相連山3兩端分別與C6和C7的正極相連，中間抽頭端與電源電壓相連；C6負(fù)極與C7負(fù)極相連，C6負(fù)極與輸入控制電壓VTUNE相連，VTUNE是由環(huán)路濾波器產(chǎn)生的電壓信號(hào);
所述負(fù)阻對(duì)電路，包括NMOS器件N2、N3、N4、N5，N2的柵極與N3的漏極相接，N3的柵極與N2的漏極相接，N2與N3的源級(jí)接地，N2和N3構(gòu)成一個(gè)負(fù)阻對(duì)，用于給L2、C2、C3構(gòu)成的諧振腔提供能量；N4的柵極與N5的漏極相接，N5的柵極與N4的漏極相接，N4與N5的源級(jí)接地，N4和N5構(gòu)成一個(gè)負(fù)阻對(duì)，用于給L3、C6、C7構(gòu)成的諧振腔提供能量；
所述的自注入鎖定電路，包括電容C4和C5，C4連接C3和C6的正極，C5連接C2和C7的正極；
所述的輸出緩沖電路，包括=NMOS器件NI和N6，電感LI和電容Cl ;其中NI柵極與N2漏極相連，N6柵極與N5漏極相連，N6源極和漏極接地；L5 —端接NI漏極，一端接地；C1正極接NI漏極，負(fù)極接Fout，F(xiàn)out是輸出端口。
[0011]所述的電壓控制振蕩器包含兩個(gè)相同的工作在60 GHz頻段的LC振蕩器核心，其中L2和L3為中心抽頭的片上螺旋形電感，C2、C3、C4、C5為累積性變?nèi)莨堋?br>[0012]所述的NMOS器件N1、N2、N3、N4、N5、N6均為采用深N阱工藝，同時(shí)經(jīng)過閾值調(diào)整工藝形成的低閾值金屬氧化物半導(dǎo)體MOS晶體管。
[0013]所述的電壓控制振蕩器，所述的電容Cl、C2、C3為金屬M(fèi)OM電容。
[0014]一種無線收發(fā)機(jī)，采用了任一項(xiàng)所述的電壓控制振蕩器。
[0015]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下有益的技術(shù)效果:
在負(fù)阻對(duì)電路中，只采用了 NMOS管，取消了 PMOS管，這樣可以使得諧振腔寄生電容減小，使電壓控制振蕩器頻率能夠在低電壓(1.2V)下工作在60 GHz頻段。通過采用相同的兩個(gè)振蕩器核心，并使其振蕩信號(hào)相互注入到對(duì)方諧振腔中。通過注入鎖定原理，兩個(gè)諧振腔電路會(huì)鎖定在同一工作頻率點(diǎn)，輸出波形相位也會(huì)同步。此時(shí)通過波形疊加，輸出波形中本振頻率功率加強(qiáng)，而噪聲通過LC諧振腔的濾波作用并未明顯增加，所以電壓控制CMOS振蕩器輸出的相位噪聲能得到顯著減小，同時(shí)降低了電壓控制振蕩器的FOM值。
[0016]本發(fā)明的60 GHz電壓控制CMOS振蕩器電路能夠工作在1.2V低工作電壓下，在Spectre仿真中，輸出相位噪聲比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)降低3.4 dB，F(xiàn)OM降低1.2 dB，適合于對(duì)相位噪聲要求比較高的應(yīng)用環(huán)境。
【附圖說明】
[0017]圖1是傳統(tǒng)的電壓控制振蕩器電路的電路結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2是本發(fā)明實(shí)施例的一個(gè)60 GHz電壓控制振蕩器電路的電路結(jié)構(gòu)示意圖；
圖3是本發(fā)明實(shí)施例的電壓控制振蕩器電路與傳統(tǒng)電壓控制振蕩器電路的Spectre模擬仿真結(jié)果示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0018]以下結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的說明，但是所做示例不作為對(duì)本發(fā)明的限制。
[0019]如圖1所示的傳統(tǒng)的電壓控制振蕩器電路結(jié)構(gòu)，控制電壓(VTUNE)控制變?nèi)莨軆啥穗妷翰?，改變變?nèi)莨艿娜葜?，從而改變電壓控制振蕩器的輸出頻率。NMOS管形成負(fù)阻對(duì)，補(bǔ)充諧振腔振蕩時(shí)損失的能量。輸出緩沖電路需要放大輸出信號(hào)，同時(shí)需要將輸出阻抗與負(fù)載進(jìn)行匹配。此傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)可以通過不同的實(shí)現(xiàn)方式進(jìn)行具體設(shè)計(jì)，負(fù)阻對(duì)電路中可以同時(shí)采用NMOS與PMOS管來減小功耗，諧振腔電路中可以加入電容陣列增加其可調(diào)諧范圍，不同的實(shí)現(xiàn)方式所得到的振蕩器電路的性能也會(huì)存在差異。
[0020]如圖2所示的本發(fā)明中的用于低電壓下60 GHz鎖相環(huán)的低相噪自注入鎖定型電壓控制CMOS LC振蕩器電路結(jié)構(gòu)，包括多個(gè)NMOS晶體管、電感、電容和變?nèi)莨堋MOS晶體管采用的是低閾值帶深N阱結(jié)構(gòu)的η溝道MOS晶體管；電容采用的是射頻金屬M(fèi)OM電容；變?nèi)莨懿捎玫氖抢鄯e性MOS變?nèi)莨?；電感采用的是片上螺旋形金屬電感。圖2所示為采用了兩個(gè)相同的LC振蕩器核心，但是對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說，根據(jù)本實(shí)施例的教導(dǎo)，采用更多個(gè)相同的LC振蕩器核心也是可以實(shí)現(xiàn)的(未示出)。
[0021]用于低電壓下60 GHz鎖相環(huán)的低相噪自注入型電壓控制CMOS LC振蕩器，包括LC諧振腔電路，負(fù)阻對(duì)電路，自注入鎖定電路，輸出緩沖電路:
所述的LC諧振腔電路，用于振蕩器振蕩時(shí)存儲(chǔ)和釋放能量。它同時(shí)也是一個(gè)帶通濾波器，負(fù)責(zé)輸出特定的頻率。包括電感1^、1^3和變?nèi)莨?2、03、