一种带有幅度检测的数控LC压控振荡器制造技术

本发明专利技术公开了一种带有幅度检测的LC压控振荡器，包括LC振荡器和振荡信号幅度检测单元。LC振荡器由LC频率谐振单元、电容阵列单元以及变容管阵列单元组成；输出幅度检测单元由一个带尾电流源的差分放大电路和一个带开关控制的传输门组成。LC压控振荡器产生高性能、低噪声的差分振荡信号，并且通过外部电路提供的数控信号改变带宽和压控增益。输出幅度检测单元接收振荡出的高频差分信号，输出该差分信号的最大值，该最大值减去直流偏置可得到振荡信号的幅度。本发明专利技术不仅能实现大的变容范围和高线性的压控增益，并能进一步判断电路能否正常振荡工作，得到高频振荡信号的幅度，解决了实时监测振荡电路与振荡信号的问题。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于CMOS集成电路
，具体涉及一种带有幅度检测的LC压控振荡器。
技术介绍
随着信息技术的高速发展，无线通信网得到了广泛的应用。在无线通信系统中，射频接收机位于整个系统的最前端。锁相环型频率合成器在射频接收机中提供接收机变频所需的本振信号，并根据信道规划产生不同的中心频率，起着非常重要的作用，随着电子系统日益发展，对锁相技术要求也越来越高。现在的锁相环(PLL)芯片向着频率高、频带宽、集成度大、功耗低、价格低廉、功能强大等方向发展。锁相环是一种相位负反馈控制系统，锁相环一般由鉴相器、环路滤波器和电压控制振荡器(VCO：VoltageControlOscillator)三个基本模块组成的一种相位负反馈系统，它能使受控振荡器的频率和相位与输入信号保持确定关系，并且可以抑制输入信号中的噪声以及压控振荡器的相位噪声，其中VCO的性能是决定锁相环最终性能的关键组成部分。压控振荡器广泛应用于通信系统电路中，例如锁相环、频率合成器以及时钟产生和时钟恢复电路。常见的VCO的实现形式有电感电容谐振振荡器(LC-VCO)和环形振荡器。环形振荡器的振幅比较大，但是其开关非线性效应很强，使得它受电源/地的影响很明显。虽然环形振荡器也能工作到1～2GHz，但是由于其噪声性能比LC振荡器差很多，所以在1GHz频段以上要求低相位噪声性能的振荡器设计很少采用环形振荡器结构。在无线收发机的单元电路中，CMOS全集成LC-VCO是近几年学术界和工业界重点研究的射频单元电路之一。压控振荡器最重要的指标要求有低相位噪声、低功耗、宽调谐范围等。刘隽人等在标题为“9～11GHz数字控制LC振荡器”(固态电子学研究与进展，2013，33(3):265-269、293)的文献中提出了用于全数字频率综合器、频率覆盖范围8.95～11.02GHz的数字控制LC振荡器，其采用带有尾电感的互补型LC振荡器结构，含有3组可编程电容阵列，以此来配合数字频率综合器的3个频率锁定过程，同时采用了由电容电感组成的滤波回路以代替尾电流源和接于供电处，以提高电路的相位噪声，但是带来了版图面积的急剧增大，此外其给出的频率粗调可变电容的方式的三个开关管的寄生效应大，如何实现大的可变电容范围以及步进也没有给出。吴朝晖等人在标题为“基于最小变电容结构的数控LC振荡器”(华中科技大学学报自然科学版，2016，44(5):76-80)的文献中也提出了一种数控最小变电容结构的LC振荡器，其采用互补型变容管两端跨接固定电容结构，可以使用较大尺寸变容管实现较小的变容值，从而减小了工艺误差对设计结果的影响，同时解决了大摆幅振荡信号下的非线性问题，缓解失配电容对失配率一致性对最小变容值的影响，但对如何具体实现各种电容阵列，文献中没有进行说明。
技术实现思路
鉴于上述，本专利技术提供了一种带有幅度检测的LC压控振荡器，其通过外部电路提供的电平信号可以容易的改变电压控制振荡器的调谐范围和改变电压控制振荡器的控制灵敏度，不仅可以实现大的变容范围和非常线性的控制灵敏度，并且还能进一步判断电路能否正常振荡工作，得到高频振荡信号的幅度。一种带有幅度检测的LC压控振荡器，包括LC振荡器和振荡信号幅度检测单元，所述的LC振荡器包括：LC频率谐振单元，通过振荡生成差分正弦信号；电容阵列单元，接收外部输入的n位电平信号用以选通内部固定电容对应的开关，将相应的固定电容并联至LC频率谐振单元的输出两端，从而调节LC压控振荡器的调谐范围即带宽；变容管阵列单元，接收外部输入的k位电平信号用以选通内部变容管电容对应的开关，将相应的变容管电容并联至LC频率谐振单元的输出两端，同时根据外加的控制电压VCTRL控制变容管的变容范围，从而调节LC压控振荡器的控制灵敏度即压控增益；所述的振荡信号幅度检测单元用于检测所述差分正弦信号的峰值，k和n均为大于1的自然数。所述的LC频率谐振单元包括三个电容C0～C1和C、带中心抽头的螺旋差分电感L0、两个NMOS管NM1～NM2和电阻R；其中，螺旋差分电感L0的一端与电容C0的一端、NMOS管NM1的漏极以及NMOS管NM2的栅极相连并作为第一输出端产生一路差分正弦信号，螺旋差分电感L0的另一端与电容C1的一端、NMOS管NM2的漏极以及NMOS管NM1的栅极相连并作为第二输出端产生另一路差分正弦信号，螺旋差分电感L0的中心抽头接电源电压，电容C0的另一端与电容C1的另一端相连，NMOS管NM1的源极与NMOS管NM2的源极、电容C的一端以及电阻R的一端相连，电容C的另一端与电阻R的另一端相连并接地。所述的电容阵列单元由n个电容开关模块组成，其中第i个电容开关模块由2i-1个电容开关支路并联而成，i为自然数且1≤i≤n；第i个电容开关模块中的任一电容开关支路由三个NMOS管NMi0～NMi2和两个电容Ci0～Ci1组成，其中电容Ci0的一端作为电容开关支路的一并联端与LC频率谐振单元的一输出端相连，电容Ci1的一端作为电容开关支路的另一并联端与LC频率谐振单元的另一输出端相连，电容Ci0的另一端与NMOS管NMi0的漏极以及NMOS管NMi2的漏极相连，电容Ci1的另一端与NMOS管NMi1的漏极以及NMOS管NMi2的源极相连，NMOS管NMi0的源极与NMOS管NMi1的源极相连并接外部输入的第i位电平信号，NMOS管NMi0的栅极和NMOS管NMi1的栅极均接电源电压，NMOS管NMi2的栅极接所述第i位电平信号对应的反相信号。所述的变容管阵列单元由k个变容管开关模块以及k个传输门模块组成，其中第j个传输门模块由两个PMOS管PMj3～PMj4和一个NMOS管NMj3组成，j为自然数且1≤j≤k，PMOS管PMj3的源极与NMOS管NMj3的漏极相连并接控制电压VCTRL，NMOS管NMj3的栅极接外部输入的第j位电平信号，PMOS管PMj3的栅极接所述第j位电平信号对应的反相信号，PMOS管PMj3的漏极与NMOS管NMj3的源极以及PMOS管PMj4的漏极相连并产生传输电平信号Crtl<j>，PMOS管PMj4的源极接电源电压，PMOS管PMj4的栅极接所述第j位电平信号；第j个变容管开关模块由两个PMOS管PMj0～PMj1组成，其中PMOS管PMj0的源极、漏极和衬底与PMOS管PMj1的源极、漏极和衬底共连并接所述的传输电平信号Crtl<j>，PMOS管PMj0的栅极与LC频率谐振单元的一输出端相连，PMOS管PMj1的栅极与LC频率谐振单元的另一输出端相连。所述第j个变容管开关模块中两个PMOS管PMj0～PMj1的宽长比均为2j-1d，d为单位宽长比。所述的振荡信号幅度检测单元由九个PMOS管P0～P8、十一个NMOS管N0～N10、两个电容C2～C3和两个电阻R0～R1组成，其中PMOS管P1～P4和P6的源极均接电源电压，电容C2的一端与LC频率谐振单元的一输出端相连以接收一路差分正弦信号，电容C3的一端与LC频率谐振单元的另一输出端相连以接收另一路差分正弦信号，电容C2的另一端与电阻R1的一端以及NMOS管N3的栅极相连，电容C3的另一端与电阻R0的一端以及NMOS管N2的栅极相连，电阻R0的另一端与电阻R1的另一端本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种带有幅度检测的LC压控振荡器，其特征在于，包括LC振荡器和振荡信号幅度检测单元，所述的LC振荡器包括：LC频率谐振单元，通过振荡生成差分正弦信号；电容阵列单元，接收外部输入的n位电平信号用以选通内部固定电容对应的开关，将相应的固定电容并联至LC频率谐振单元的输出两端，从而调节LC压控振荡器的调谐范围即带宽；变容管阵列单元，接收外部输入的k位电平信号用以选通内部变容管电容对应的开关，将相应的变容管电容并联至LC频率谐振单元的输出两端，同时根据外加的控制电压VCTRL控制变容管的变容范围，从而调节LC压控振荡器的控制灵敏度即压控增益；所述的振荡信号幅度检测单元用于检测所述差分正弦信号的峰值，k和n均为大于1的自然数。

【技术特征摘要】
1.一种带有幅度检测的LC压控振荡器，其特征在于，包括LC振荡器和振荡信号幅度检测单元，所述的LC振荡器包括：LC频率谐振单元，通过振荡生成差分正弦信号；电容阵列单元，接收外部输入的n位电平信号用以选通内部固定电容对应的开关，将相应的固定电容并联至LC频率谐振单元的输出两端，从而调节LC压控振荡器的调谐范围即带宽；变容管阵列单元，接收外部输入的k位电平信号用以选通内部变容管电容对应的开关，将相应的变容管电容并联至LC频率谐振单元的输出两端，同时根据外加的控制电压VCTRL控制变容管的变容范围，从而调节LC压控振荡器的控制灵敏度即压控增益；所述的振荡信号幅度检测单元用于检测所述差分正弦信号的峰值，k和n均为大于1的自然数。2.根据权利要求1所述的LC压控振荡器，其特征在于：所述的LC频率谐振单元包括三个电容C0～C1和C、带中心抽头的螺旋差分电感L0、两个NMOS管NM1～NM2和电阻R；其中，螺旋差分电感L0的一端与电容C0的一端、NMOS管NM1的漏极以及NMOS管NM2的栅极相连并作为第一输出端产生一路差分正弦信号，螺旋差分电感L0的另一端与电容C1的一端、NMOS管NM2的漏极以及NMOS管NM1的栅极相连并作为第二输出端产生另一路差分正弦信号，螺旋差分电感L0的中心抽头接电源电压，电容C0的另一端与电容C1的另一端相连，NMOS管NM1的源极与NMOS管NM2的源极、电容C的一端以及电阻R的一端相连，电容C的另一端与电阻R的另一端相连并接地。3.根据权利要求1所述的LC压控振荡器，其特征在于：所述的电容阵列单元由n个电容开关模块组成，其中第i个电容开关模块由2i-1个电容开关支路并联而成，i为自然数且1≤i≤n；第i个电容开关模块中的任一电容开关支路由三个NMOS管NMi0～NMi2和两个电容Ci0～Ci1组成，其中电容Ci0的一端作为电容开关支路的一并联端与LC频率谐振单元的一输出端相连，电容Ci1的一端作为电容开关支路的另一并联端与LC频率谐振单元的另一输出端相连，电容Ci0的另一端与NMOS管NMi0的漏极以及NMOS管NMi2的漏极相连，电容Ci1的另一端与NMOS管NMi1的漏极以及NMOS管NMi2的源极相连，NMOS管NMi0的源极与NMOS管NMi1的源极相连并接外部输入的第i位电平信号，NMOS管NMi0的栅极和NMOS管NMi1的栅极均接电源电压，NMOS管NMi2的栅极接所述第i位电平信号对应的反相信号。4.根据权利要求1所述的LC压控振荡器，其特征在于：所述的变容管阵列单元由k个变容管开关模块以及k个传输门模块组成，其中第j个传输门模块由两个PMOS管PMj3～PMj4和一个NMOS管NMj3组成，j为自然数且1≤j≤k，PMOS管PMj3的源极与NMOS管NMj3的漏极相连并接控制电压VCTRL，NMOS管NMj3的栅极接外部输入的第j位电平信号，PMOS管PMj3的栅极接所述第j位电平信号对应的反相信号，PMOS管PMj3的漏极与NMOS管NMj3的源极以及PMOS管PMj4的漏极...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴秀山，韩建强，王艳智，俞丙威，
申请(专利权)人：中国计量大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33