低闪烁噪声的低温压控振荡器电路、芯片及量子测控系统技术方案

本发明专利技术实施例提供了一种低闪烁噪声的低温压控振荡器电路、芯片及量子测控系统，在该低闪烁噪声的低温压控振荡器电路中，通过采用双层电感耦合结构和变压器结构，能够同时构建双二次谐波谐振点以及三次谐波谐振点，在低温下谐波调谐技术维持有效，使谐波可准确对齐，进而成功抑制低温闪烁噪声；同时，利用第一差模电容调节电路和第二差模电容调节电路分别实现振荡器频率的细调和粗调，实现宽带低温闪烁噪声的抑制。烁噪声的抑制。烁噪声的抑制。

【技术实现步骤摘要】
低闪烁噪声的低温压控振荡器电路、芯片及量子测控系统


[0001]本专利技术涉及微电子
，特别涉及一种低闪烁噪声的低温压控振荡器电路、芯片及量子测控系统。

技术介绍

[0002]压控振荡器(Voltage Controlled Oscillator，VCO)指输出频率与输入控制电压有对应关系的振荡电路，对压控振荡器的技术要求主要有：频率稳定度好、控制灵敏度高、调频范围宽、频偏与控制电压成线性关系并易于集成等；而压控振荡器输出频率的稳定度主要取决于相位噪声，相位噪声越小，则压控振荡器输出频率越稳定，精度越高；而相位噪声又分为闪烁噪声区和热噪声区，分别代表由闪烁噪声主导的区域和热噪声主导的区域。
[0003]B.Patra等人在IEEE Journal of Solid
‑
State Circuits,vol.53,no.1,pp.309
–
321,Jan.2018发表的《Cryo
‑
CMOS Circuits and Systems for Quantum Computing Applications》一文中指出：极低温环境下，CMOS工艺的闪烁噪声会剧烈恶化，导致VCO的低温闪烁噪声角(Flicker Noise Corner)较常温恶化40倍以上，由此可知，普遍采用CMOS工艺制造的压控振荡器其低温闪烁噪声角也将较常温恶化许多倍。
[0004]不过在VCO中常使用谐波调谐技术来抑制闪烁噪声，以图1(a)所示的LC
‑
VCO的原理图来进一步说明VCO传统的谐波调谐技术，其具体指：两个NMOS有源晶体管以交叉耦合对的形式构成负阻振荡器，交叉耦合对上方的线圈电感与电容组成两个或多个LC谐振腔，用于选定VCO电路输出的频率。如图1(b)所示，差模电容C
D
和共模电容C
C
与L构成一谐振回路，谐振于基频F0处，而共模电容C
C
与L又构成另一共模谐振回路，谐振于频率F
CM
处。通过调整共模电容C
C
与差模电容C
D
的比例，当C
C
/C
D
＝1/3时，使得F
CM
＝2F0，共模谐振频率刚好在基频的二次谐波处，此时能够获得最小的相位噪声(Phase Noise,PN)，如图1(c)所示。
[0005]然而，在低温环境下会引起无源器件(电容、电感)的参数变化，使LC谐振腔的振荡频率在常温、低温具有较大差异；低温时振荡频率向高频偏移，导致额外的谐振腔不能刚好谐振在基频的谐波频率处，不能获得最优的相位噪声，即在低温下谐波调谐技术将失效，谐波对齐失准，无法成功抑制低温闪烁噪声。
[0006]因此，亟待设计一种针对低温应用场景且相位噪声性能优异的压控振荡器方案。

技术实现思路

[0007]本专利技术的第一个方面，提供一种低闪烁噪声的低温压控振荡器电路，利用双层电感耦合结构和变压器结构实现双二次谐波谐振点的构建，能够在低温下谐波调谐技术维持有效，使谐波可准确对齐，进而成功抑制低温闪烁噪声。
[0008]在本专利技术的第一方面中，提供的一种低闪烁噪声的低温压控振荡器电路，其包括：双层电感耦合结构、变压器结构、第一振荡频率调节电路、第二振荡频率调节电路、第一MOS管以及第二MOS管；
[0009]其中，所述双层电感耦合结构的上层电感一端耦合至工作电压输入端，下层电感
一端通过所述第一电容耦合至工作电压输入端，上层电感和下层电感的另一端共同耦合至所述变压器结构的中心抽头；
[0010]所述变压器结构的初级绕组的一端耦合至所述第一MOS管的栅极，其另一端耦合至所述第二MOS管的栅极，次级绕组的一端耦合至所述第一MOS管的漏极，其另一端耦合至所述第二MOS管的漏极；而且，所述变压器结构的初级绕组的中心耦合至第二电压输入端；
[0011]所述第一MOS管和所述第二MOS管的源极分别耦合至接地端，所述第一MOS管的漏极耦合至第二电容的一端，所述第二MOS管的漏极耦合至第二电容的另一端；
[0012]所述第一差模电容调节电路与所述第二差模电容调节电路并联连接，并设置在所述变压器结构的初级绕组的两端之间，用以分别调节接入所述变压器结构的初级绕组的差模电容，进而调节压控振荡器电路的振荡频率。
[0013]在一些可能的实施例中，所述双层电感耦合结构由两条叠层设置的金属走线构成，上层金属走线构成所述上层电感，下层金属走线构成所述下层电感，且所述两条叠层设置的金属走线被构造为同一平面内相对称的两个环形结构。
[0014]在一些可能的实施例中，本专利技术的低闪烁噪声的低温压控振荡器电路还包括去耦电容；其中，所述工作电压输入端耦合至所述去耦电容的正极板，所述双层电感耦合结构的上层电感的一端耦合至所述去耦电容的正极板，下层电感一端通过所述第一电容耦合至所述去耦电容的正极板，所述去耦电容的负极板耦合至接地端。
[0015]在一些可能的实施例中，所述第一差模电容调节电路包括：第一固定电容、第一可变电容和第二可变电容；且所述第一可变电容与所述第二可变电容串联连接后与所述第一固定电容并联连接，并设置在所述变压器结构的初级绕组的两端之间；其中，第一可变电容与所述第二可变电容的连接节点耦合至电容调节电压输入端。
[0016]在一些可能的实施例中，所述第二差模电容调节电路包括：多个开关电容单元；其中，每个所述开关电容单元包括：一对固定电容和一个MOS管；而且，所述MOS管的源极通过一个固定电容耦合至所述变压器结构的初级绕组的一端，所述MOS管的漏极通过另一个固定电容耦合至所述变压器结构的初级绕组的另一端，所述MOS管的栅极耦合至该开关电容单元对应的开关信号输入端。
[0017]在一些可能的实施例中，所述开关电容单元还包括：第一反相器、第二反相器和一对电阻；其中，所述第一反相器的输入端耦合至该开关电容单元对应的开关信号输入端，其输出端耦合至所述第二反相器的输入端，所述第二反相器的输出端耦合至所述MOS管的栅极；一个电阻一端耦合至所述MOS管的源极，另一端耦合至所述第一反相器的输出端，另一个电阻一端耦合至所述MOS管的漏极，另一端耦合至所述第一反相器的输出端。
[0018]在一些可能的实施例中，所述第二差模电容调节电路的电容值变化范围与所述第一电容的电容值的比例为10:1～20:1之间。
[0019]在一些可能的实施例中，本专利技术的低闪烁噪声的低温压控振荡器电路还包括：多个开关电阻单元；其中，每个所述开关电阻单元包括：一个接地电阻和一个MOS管，而且，所述第一MOS管和所述第二MOS管的源极共同耦合至所述接地电阻的一端，所述接地电阻的另一端耦合至MOS管的漏极，MOS管的源极耦合至接地端，MOS管的栅极耦合至该开关电阻单元对应的开关信号输入端。
[0020]在一些可能的实施例中，本专利技术的低闪烁噪声的低温压控振荡器电路还包括：第
一缓冲器和第二本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种低闪烁噪声的低温压控振荡器电路，其特征在于，包括：双层电感耦合结构、变压器结构、第一振荡频率调节电路、第二振荡频率调节电路、第一MOS管以及第二MOS管；其中，所述双层电感耦合结构的上层电感一端耦合至工作电压输入端，下层电感一端通过所述第一电容耦合至工作电压输入端，上层电感和下层电感的另一端共同耦合至所述变压器结构的中心抽头；所述变压器结构的初级绕组的一端耦合至所述第一MOS管的栅极，其另一端耦合至所述第二MOS管的栅极，次级绕组的一端耦合至所述第一MOS管的漏极，其另一端耦合至所述第二MOS管的漏极；而且，所述变压器结构的初级绕组的中心耦合至第二电压输入端；所述第一MOS管和所述第二MOS管的源极分别耦合至接地端，所述第一MOS管的漏极耦合至第二电容的一端，所述第二MOS管的漏极耦合至第二电容的另一端；所述第一差模电容调节电路与所述第二差模电容调节电路并联连接，并设置在所述变压器结构的初级绕组的两端之间，用以分别调节接入所述变压器结构的初级绕组的差模电容，进而调节压控振荡器电路的振荡频率。2.如权利要求1所述低闪烁噪声的低温压控振荡器电路，其特征在于，所述双层电感耦合结构由两条叠层设置的金属走线构成，上层金属走线构成所述上层电感，下层金属走线构成所述下层电感，且所述两条叠层设置的金属走线被构造为同一平面内相对称的两个环形结构。3.如权利要求2所述低闪烁噪声的低温压控振荡器电路，其特征在于，还包括去耦电容；其中，所述工作电压输入端耦合至所述去耦电容的正极板，所述双层电感耦合结构的上层电感的一端耦合至所述去耦电容的正极板，下层电感一端通过所述第一电容耦合至所述去耦电容的正极板，所述去耦电容的负极板耦合至接地端。4.如权利要求1所述低闪烁噪声的低温压控振荡器电路，其特征在于，所述第一差模电容调节电路包括：第一固定电容、第一可变电容和第二可变电容；且所述第一可变电容与所述第二可变电容串联连接后与所述第一固定电容并联连接，并设置在所述变压器结构的初级绕组的两端之间；其中，第一可变电容与所述第二可变电容的连接节点耦合至电容调节电压输入端。5.如权利要求1所述低闪烁噪声的低温压控振荡器电路，其特征在于，所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：王成，张耕南阳，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：