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使用背靠背串联型MOS变容管的低噪声数控LC振荡器制造技术

技术编号:3399903 阅读:355 留言:0更新日期:2012-04-11 18:40
本发明专利技术属于无线通信系统收发机芯片设计技术领域,其特征在于:采用数字信号控制的新颖的背靠背串联型MOS变容管构成数控LC振荡器的主要变容部分,减小了从振荡器中的幅度噪声所转变而来的相位噪声,提高了振荡器对于来自电流源的噪声的抑制能力,从而最终减小了振荡器输出信号的相位噪声,相比于已有方法,本发明专利技术所提出的方法能够有效的提高片上CMOS振荡器的性能并且降低振荡器的功耗,从而有助于降低接收机的制造成本和功耗。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种新型的使用背靠背串联型MOS变容管的片上CMOS低噪声数控LC振荡器,特别适用于无线通信系统收发机CMOS集成芯片的设计。
技术介绍
个人通信市场的迅速发展要求通信系统的个人手持终端日益向着低成本、低功耗、小型化、支持多种模式工作等方向发展,而要达到以上要求的唯一途径就是收发机芯片的集成化,实现所谓的片上系统(SOCSystem On Chip),即尽可能地将收发机的射频、模拟和数字模块集成在一个芯片上,同时尽可能地减少片外分立元件的数量。随着CMOS集成电路工艺尺寸的不断缩小,数字电路的集成化程度越来越高,而与此同时,芯片电源电压的不断降低给传统的射频和模拟电路设计带来了越来越大的挑战。压控振荡器(VCOVoltage Controlled Oscillator)通常应用在锁相环频率综合器中,是构成通信收发机射频前端的关键模块。传统的CMOS压控振荡器分为两种,一种是压控LC振荡器,它采用模拟电压控制的变容管与电感构成LC振荡回路,它的缺点是其性能容易随着电源电压的不断降低而变差,在构成片上系统时来自其它数字模块的衬底耦合噪声会显著恶化它的噪声性能,另外也不能直接用数字信号控制它的输出振荡频率,因此,传统的压控LC振荡器不能够适应当前系统集成和深亚微米工艺的要求;另一种压控振荡器是由反相器链组成的环形振荡器,其缺点是相位噪声和杂散较大,输出振荡频率精度较低,不能满足当前无线通信收发机的要求。另外,为了降低芯片成本,提高产品的市场竞争力,要求未来的收发机芯片尽可能地支持多种模式工作,比如能够同时支持TD-SCDMA和GSM两种系统的双模收发机芯片,同时支持802.11a/b/g的WLAN收发机芯片等,这样就对收发机的各个组成模块提出了更高的要求。对于压控振荡器来说,多种模式工作就要求它能够满足多种系统的噪声性能,具有更宽的频率调节范围和更灵活的电路结构,这些都给传统的压控振荡器设计带来了很大的挑战。近年来,采用数字方法实现传统的射频模块的功能开始成为人们研究的热点,先后有一些研究机构提出了一类新颖的基于LC振荡回路的CMOS数控LC振荡器,它们利用输入数字信号来控制LC振荡回路的电容值,从而达到能够直接用数字信号控制振荡器输出频率的目的,因而被称作数控LC振荡器(DCODigital Controlled LC Oscillator)。这种数控LC振荡器的性能较好,对于电源电压的降低不敏感,利用它可以方便的构成易于片上集成的全数字锁相环,因而非常符合当前深亚微米工艺和系统集成化的发展趋势。美国TI公司所提出的数控LC振荡器采用了∑Δ调制技术来提高输出频率的精度并降低相位噪声;德国的Infineon公司采用了一个较大规模的MOS变容管矩阵来实现数控LC振荡器。但是,上述振荡器的共同缺点是当振荡器工作时处于大信号状态,使变容管工作在非线性状态,从而将振荡器的幅度噪声转化为相位噪声,增加了振荡器对于尾电流管噪声的敏感度,从而恶化了振荡器输出信号的相位噪声。为了满足无线通信收发机对振荡器相位噪声的苛刻要求,目前的数控LC振荡器往往需要消耗较大的功耗。综上所述,传统的压控振荡器并不适合当前深亚微米工艺和系统集成化的发展趋势,并且在实现现代无线通讯收发机芯片时将会面临越来越多的困难;而已有的数控LC振荡器的相位噪声性能容易受到电路中幅度噪声的影响,功耗较大,并不能完全满足现代无线通信收发机高性能低功耗的要求。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种使用背靠背串联型MOS变容管的片上CMOS低噪声数控LC振荡器,该振荡器可以在大输出幅度下仍然保持良好的相位噪声特性,可以有效的减小电流源噪声以及其它幅度噪声对振荡器性能的影响,可以有效的降低功耗,因而可以适用于各种无线通信收发机系统芯片的设计中,并有助于得到更好的性能和更低的功耗。使用背靠背串联型MOS变容管的低噪声数控LC振荡器,其特征在于,含有第1耦合对管PM1和PM2,第2耦合对管NM1和NM2以及LC振荡回路,其中所述第1耦合对管中,PM1管和PM2管的源极相连后经过一个电流偏置的电流源连接到电源电压VDD;所述第2耦合对管中,NM1管和NM2管的源极相连后接地;在所述第1耦合对管和第2耦合对管之间,PM1管的漏极、PM2管的栅极、NM1管的漏极、NM2管的栅极彼此相连后,构成所述片上CMOS数控背靠背串联型低噪声LC振荡器的一个输出端outP;PM2管的漏极、PM1管的栅极、NM2管的漏极、NM1管的栅极彼此相连后,构成所述LC振荡器的另一个输出端outN;所述LC振荡回路并联于所述低噪声LC振荡器的outP、outN两个输出端之间,由差分电感和变容控制电路并联构成,其中所述的变容控制电路由相互之间都并联于所述的outP、outN两端且各自带有接口电路的工艺-电压-温度校准模式背靠背串联型MOS变容管阵列、捕捉模式MOS电容阵列、整数部分的锁定模式MOS电容阵列以及分数部分的锁定模式MOS电容阵列组成,所述各个组成部分在各自的数字信号控制下分别改变各自的电容值,从而改变接入LC振荡回路的总电容值,并相应的改变输出振荡频率,其中所述工艺-电压-温度校准模式背靠背串联型MOS变容管阵列是一个在所述LC振荡器启动后首先要执行的工艺-电压-温度校准模式中所使用的电路结构,由接口电路和背靠背串联型MOS变容管阵列构成;所述接口电路的输入是一组二进制的工艺-电压-温度校准模式所使用的数字控制信号,用PVT表示,由PVT0~PVT5共6个信号组成,该接口电路的输出是一组数字变容控制信号,用P表示,由P0~P5共6个信号组成;P与PVT的关系为P=PVT,(1)所述背靠背串联型MOS变容管阵列是由6个背靠背串联型MOS变容管并联而成的;所述背靠背串联型MOS变容管,由四个相同尺寸的PMOS管M1、M2、M3、M4及四个高阻值的CMOS片上电阻R1、R2、R3、R4组成,所述M1管、M2管、M3管、M4管的衬底相连后接电源电压VDD,M1管、M2管各自的源极和漏极相连后接电阻R1的一端,M3管、M4管各自的源极和漏极相连后接电阻R2的一端,电阻R1、R2的另一端相连后接数字变容控制信号,R3、R4的一端相连,另一端分别接所述数控LC振荡器的outP、outN端,M2管、M3管的栅极相连后接R3、R4的公共端,而M1管的栅极和M4管的栅极分别作为背靠背串联型MOS变容管的输出连接所述数控LC振荡器的outP、outN端;所述背靠背串联型MOS变容管的电容值由所述数字变容控制信号P来控制的;所述捕捉模式MOS电容阵列工作时振荡器执行捕捉模式,使输出振荡频率处于所要求的频道上;在该捕捉模式以及后面的锁定模式中,均采用了差分PMOS单元变容管对构成所述的捕捉模式MOS电容阵列以及锁定模式MOS电容阵列中的变容管,所述差分PMOS单元变容管对,由两个相同尺寸的PMOS管M1、M2组成,所述M1管、M2管的衬底相连后接电源电压VDD,M1管、M2管各自的源极和漏极相连后接数字变容控制信号,而M1管的栅极和M2管的栅极分别作为差分PMOS单元变容管对的输出连接所述数控LC振荡器的outP、outN端;所述捕捉模式MOS电容阵列由一个行接口电路、一个列接口电路和一本文档来自技高网
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【技术保护点】
使用背靠背串联型MOS变容管的低噪声数控LC振荡器,其特征在于,含有:集成在一个数模混合电路中的第1耦合对管(PM1)和(PM2),第2耦合对管(NM1)和(NM2)以及LC振荡回路,其中:所述第1耦合对管中,(PM1)管和(PM2 )管的源极相连后经过一个电流偏置的电流源连接到电源电压(VDD);所述第2耦合对管中,(NM1)管和(NM2)管的源极相连后接地;在所述第1耦合对管和第2耦合对管之间,(PM1)管的漏极、(PM2)管的栅极、(NM1)管的漏 极、(NM2)管的栅极彼此相连后,构成所述片上CMOS数控背靠背串联型低噪声LC振荡器的一个输出端(outP);(PM2)管的漏极、(PM1)管的栅极、(NM2)管的漏极、(NM1)管的栅极彼此相连后,构成所述LC振荡器的另一个输出端(outN);所述LC振荡回路并联于所述低噪声LC振荡器的(outP)、(outN)两个输出端之间,由差分电感和变容控制电路并联构成,其中:所述的变容控制电路由相互之间都并联于所述的(outP)、(outN)两端且各自带有接口电路 的工艺-电压-温度校准模式背靠背串联型MOS变容管阵列、捕捉模式MOS电容阵列、整数部分的锁定模式MOS电容阵列以及分数部分的锁定模式MOS电容阵列组成,所述各个组成部分在各自的数字信号控制下分别改变各自的电容值,从而改变接入LC振荡回路的总电容值,并相应的改变输出振荡频率,其中:所述工艺-电压-温度校准模式背靠背串联型MOS变容管阵列是一个在所述LC振荡器启动后首先要执行的工艺-电压-温度校准模式中所使用的电路结构,由接口电路和背靠背串联型MOS变容管阵列构成;所述 接口电路的输入是一组二进制的工艺-电压-温度校准模式所使用的数字控制信号,用PVT[5∶0]表示,由PVT0~PVT5共6个信号组成,该接口电路的输出是一组数字变容控制信号,用P[5∶0]表示,由P0~P5共6个信号组成;P[5∶0]与PVT[5∶0]的关系为***,(1)所述背靠背串联型MOS变容管阵列是由6个背靠背串联型MOS变容管并联而成的;所述背靠背串联型MOS变容管,由四个相同尺寸的PMOS管(M1)、(M2)、(M3)、(M4)及四个高阻值的C MOS片上电阻(R1)、(R2)、(R3)、(R4)组成,所述(M1)管、(M2)管、(M3)管、(M4)管的衬底相连后接电源...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员:王少华于光明杨华中
申请(专利权)人:清华大学
类型:发明
国别省市:11[中国|北京]

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