一种具有尾电流源和基于变压器的振荡回路的电感电容振荡器制造技术

本发明专利技术公开了一种振荡器(300)，包括：一对晶体管(301,、303)，其源极(SOURCEA、SOURCEB)相互连接，漏极(DRAINA、DRAINB)和栅极(GATEA、GATEB)由一个包振荡器振荡回路(309)在内的正反馈环路耦合。其中，所述晶体管(301,303)的源极(SOURCEA、SOURCEB)连接到一个经过配置控制振荡器(300)的物理参数的电流源(305)上。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】一种具有尾电流源和基于变压器的振荡回路的电感电容振荡器
本专利技术涉及一种振荡器，特别涉及一种改良的削波和恢复振荡器。
技术介绍
收发器体系结构依赖于使用本地振荡器作频率变换，产生射频(RF)或中频(IF)本地信号，以便将基带信号上变频到射频信号，或将射频信号上变频到基带信号。因此，该振荡器是在各无线系统中的最重要的组件之一。本地振荡器的性能对无线系统有如下影响：相位噪声是无线系统的最致命的缺陷之一。由于相位噪声的非理想性，它破坏了载波相位上负载的信息。相位噪声在系统中会产生两种不同类型的破坏。一种是从带内，即调制信号的频带相位噪声。这直接影响了下变频，或上变频的信号。除与载波十分相近的带内噪声缓慢变化使数据受到影响，其它带内相位噪声的量，可以表示为一个相位误差或误差矢量幅度(EVM)。相位噪声的影响的另一个重要方面可以用干扰源来解释，如图1所示，这通常被称为阻塞干扰。混频器100混合了包括一个期望信号102和一个干扰信号104在内的无线射频信号，其中还包括具有本地振荡器的频谱110的本地振荡器信号LO。混频器100产生的中频信号(IF)的频谱是通过混合了所期望信号102的本地振荡器频谱110与混合了干扰信号104的本地振荡器频谱110相叠加来获得的。一个阻塞干扰进行上变频和下变频时，LO的相位噪声会将其相位噪声覆盖到阻塞干扰上，部分相位噪声将留在信号频带的顶部。这些非理想的相位噪声可以影响不同类型的无线系统，如宽带码分多址接入(W-CDMA)和全球移动通信系统(GSM)。相位噪声的破坏性影响可以在超外差接收机的前端最清楚地看到。由于正交频分调制(OFDM)信号在频率范围实行多载波传输，每个载波上具有相同相位噪声的多载波可以作为一个有相同的相位噪声的单载波来分析。然而，远端相位噪声可能会导致码间干扰(ISI)，这意味着对这个系统也有一个系统相位噪声要求。LTE和802.11g系统采用正交频分调制技术。另一方面，在无线通信领域，频谱是一种宝贵的财富。无线用户的数量需要更有效地利用频率资源。通信收发器依赖于使用本地振荡器作频率变换。因此，在接收器和发射器中的振荡器的频谱纯度是限制可用信道和用户二者性能和最大数量的因素之一。按照惯例，通常情况下，低噪声高性能振荡器采用交叉耦合负阻，即负跨导设计。此外，也可以采用尾电流成形、C类模式或更高阶的等电路形式。然而，已知的振荡器要受到大多数电路噪声转换为相位噪声事实的影响。这限制了可达到的最低相位噪声。现在先回顾一下现有最新技术的状况。图2是A.Visweswaran、R.B.Staszewski和J.R.Long所描述的“用于蜂窝式移动站和基站的1.2伏、65纳米的CMOS振荡器中相位去敏的削波和恢复技术”的削波和恢复振荡器(DCO)和压控振荡器(VCO)的示意图。晶体管M1和M2使用1:2的升压变压器T1和T2，在漏极和栅极之间实现正反馈。晶体管M1和M2实现了能承受大摆幅的厚氧化层元件的功能。大摆幅减小了输出振荡电压的上升和下降时间，并确保在输出端的硬削波。单独的变压器T1和T2提供共模抑制和足够的耦合，这并不是太弱，并且在设计中包含控制其界面处的阻抗变换。电压增益是通过卷绕升压和由变压器的匝数比及耦合系数造成的漏极和栅极的阻抗不匹配来实现的。如图2a所示，随着信号幅度201在栅极的降低，晶体管M1和M2的迅速从饱和区206转换到线性区212，使输出信号203削波。过渡区域204狭小。偏置电压(VB)变化，以调整削波开始。基音激励T1的次级绕组，而谐波通过电容CF2短路到地面。晶体管栅极被第二变压器T2驱动，这逐步增加了滤波波形，其峰-峰摆动超过传统振荡器。这种强烈的过载确保了在晶体管输出硬削波。根据线性时变的相位噪声模型，脉冲敏感度函数量化了振荡周期中的相位噪声敏感度。需要注意的是，在削波时间202期间，漏极电压203被削波，ISF值是零。因此，由无源和有源器件以及电源注入的噪声并不干扰振荡器在削波时间过零点或在削波时间的相位。电容CF1提高频率推移，降低了向PMOS寄生输出频率的灵敏度。开关电容电路CX1用于粗调振荡回路，而开关电容电路CX2用于细调振荡回路。节点N被用于调整振荡器的漏极电压削波和电流消耗。T.Lee与A.Hajimiri在“OscillatorPhaseNoise:Atutorial,”inIEEEJ.SolidStateCircuits,Vol.35,no.2,pp.326-336,Mar.2000文章中描述道：信号的幅度和谐振器的品质因数应当最大化，以在20dB/Dec区域获得更好的相位噪声性能。脉冲敏感度函数(ISF)具体说明了电路的噪声分量在振荡器的波形特性方面对相位噪声的贡献。有效ISF的DC值应尽可能接近零，以抑制1/f噪声的上变频。Mazzanti和P.Andreani在“ClassCHarmonicCMOSVCOs,WithGeneralResultonPhaseNoise”inIEEEJ.SolidStateCircuits,vol.43,NO.12,pp.2716-2729,Dec2008中有以下描述：差分对共源节点的大尾电流电容，和一个偏置网络，可以防止晶体管在深线性区工作。同时允许DC偏置电流以高转换效率转换成跨导(gm)级基波电流分量，以及将振荡回路产生的有效噪声最小化，从而最大限度地提高FOM值。E.Hegazi，H.Sjoland和A.Abidi在“AFilteringTechniquetolowerOscillatorPhaseNoise,”inISSCCDig.Tech.papers,Feb2001中描述道：一个电容器和一个电感器与电流源串联，形成一个低通滤波器，将电流源2f频率处的噪声短路到了地面。额外的谐振器还提供了一个振荡回路和地面之间的高阻抗路径。因此，该结构不会降低振荡回路的Q值。它可以改善振荡器的相位噪声和FOM值。使用一个完整的单片集成VCO或采用批量CMOS工艺制造的DCO，是很难满足基站RX振荡器600KHz到3MHz之间的相位噪声要求的。GSM-900-BTS和DCS-1800-BTSRX在800kHz频段对应的相位噪声规格分别为-147dBc/Hz和-138Bc/Hz，这两个规格被认为是最难达到的相位噪声规格。下面的公式(1)给出了在相位噪声谱1/f2区域的任意振荡器的相位噪声谱。其中，/ΔF是每个带宽等效噪声电流均方密度值，A是振荡电压的电压振幅，Γrms是振荡电压电压振幅的均方根值，Γrms是噪声电流源的ISF的均方根值，C是谐振器的调谐电容，ω0是载波频率，(Δω)是载波的频率偏置。Γrms，是脉冲敏感度函数的RMS值，是一个无量纲的、频率和幅度独立的周期函数，一个周期为2π。它描述了由在振荡电压某一个点上运用单位脉冲噪声而产生的相位的转换。此参数对于一个给定的振荡器架构而言是常数，它独立于该技术。公式(1)说明相位噪声随着在一个给定的频率偏移量的载波功率和相等的品质因数Q的增长而增长。但不幸的是，振荡振幅摆动量被限制为传统振荡器结构的电压源(VDD)的两倍。VDD在先进的CMOS工艺中有所减少。因此，振荡的振幅减小，相位噪声性能降低。振荡回路的品质因数是由振荡器本文档来自技高网...

【技术保护点】
振荡器（300)，其特征在于，包括：一对晶体管（301、303），其源极（SOURCEA、SOURCEB）直接相连，漏极(DRAINA、DRAINB)和栅极(GATEA、GATEB)经由包含振荡器振荡回路(309)的正反馈回路耦合，其特征在于，所述晶体管（301、303）的源极（SOURCEA、SOURCEB）被连接到一个电流源（305）上，所述电流源（305）被配置为控制振荡器(300)的物理参数。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.振荡器(300)，其特征在于，包括：一对晶体管(301、303)，其源极(SOURCEA、SOURCEB)直接相连，漏极(DRAINA、DRAINB)和栅极(GATEA、GATEB)经由包含振荡器振荡回路(309)的正反馈回路耦合，其特征在于，所述晶体管(301、303)的源极(SOURCEA、SOURCEB)被连接到一个电流源(305)上，所述电流源(305)被配置为控制振荡器(300)的物理参数,第一变压器(T1)的初级(1)被连接到晶体管(301、303)的漏极(DRAINA、DRAINB)上；第一变压器(T1)的次级(2)被连接到在第一变压器(T1)的次级(2)和第二变压器(T2)的初级(1a)之间公共的中间节点(IMA、IMB)上；第二变压器T2的初级(1a)被连接到中间节点(IMA、IMB)上；第二变压器(T2)的次级(2a)被连接到晶体管(301、303)的栅极(GATEA、GATEB)上；所述第一变压器(T1)的匝数比是1：n1，所述第二变压器(T2)的匝数比是1：n2,第一变压器(T1)的初级(1)经由第一电容(C1)耦合到一个参考电压(311)上；第一变压器(T1)的次级(2)与第二变压器(T2)的初级(1a)经由第二电容(C2)耦合到参考电压(311)上；第二变压器(T2)的次级(2a)经由第三电容(C3)耦合到参考电压(311)上。2.根据权利要求1所述的振荡器(300)，其特征在于，电流源(305)被配置为用于控制所述振荡器(300)的物理参数中的以下至少一种：振荡器振荡回路(309)的振荡电压的削波持续时间；工艺变化和满足由经时击穿、热载流子效应性能恶化、漏体击穿引起的可靠性问题的振荡电压幅度；根据相位噪声要求调整振荡器(300)功耗的电流损耗；振荡器振荡回路(309)的振荡电压的上升和下降时间。3.根据权利要求1或权利要求2所述的振荡器(300)，其特征在于，振荡器(300)的谐振频率是由包括升压变压器(T1、T2)和调谐电容(C1、C2、C3)在内的振荡器振荡回路(309)的输入阻抗决定的。4.根据权利要求1所述的振荡器(300)，其特征在于，电流源(305)经过配置，调整振荡器(300)的电流消耗和振幅。5.根据权利要求1所述的振荡器(300)，其特征在于，电流源(305)包括一个MOSFET晶体管，或一个电阻，或电阻和电感的结合。6.根据权利要求3任一项所述的振荡器(300)，其特征在于，升压变压器(T1、T2)的通过电容(C1、C2、C3)实现耦合，所述电容根据所期望的有关振荡器振荡回路的阻抗、相位噪声性能及可靠性方面的优化准则配置。7.根据权利要求1所述的振荡器(300)，其特征在于，振荡器(300)的谐振频率确定为：其中，ω表示振荡器(300)的振荡频率，C1表示第一电容(C1),，C2表示第二电容(C2)，C3表示第三电容(C3)，n1表示第一变压器(T1)的匝数比，n2表示第二变压器(T2)的匝数比，LP1表示所述第一变压器(T1)的初级电感，Lp2的表示第二变压器(T2)的初级电感。8.根据权利要求1所述的振荡器(300)，其特征在于，第三电容(C3)被设置为一个固定的值，设计用于振荡器(300)的超低相位噪声性能；第三电容满足下面的关系式：其中，C1表示第一电容(C1)，C2表示第二电容(C2)，C3表示第三电容(C3)，n1表示第一变压器(T1)的匝数比，n2表示第二变压器(T2)的匝数比。9.根据权利要求1所述的振荡...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗伯特·博丹·斯达世斯基，马苏德·巴巴伊，阿克希·韦斯文斯瓦润，何卓彪，
申请(专利权)人：华为技术有限公司，
类型：发明
国别省市：广东;44