阅读说明：本技术 一种基于动态阈值技术的低功耗压控振荡器 (Low-power consumption voltage-controlled oscillator based on dynamic threshold technology ) 是由 高静 殷嘉程 徐江涛 聂凯明 于 2019-09-29 设计创作，主要内容包括：本发明公开一种基于动态阈值技术的低功耗压控振荡器,包括提供负阻弥补谐振腔振荡时的功率损耗的CMOS交叉耦合对、用于产生压控振荡器的谐振信号的LC谐振腔,电容分压动态阈值模块；CMOS交叉耦合对的两个差分输出端口分别与LC谐振腔的两个输入端口并联,且将该两个差分输出端口作为LC压控振荡器的输出端口。本发明能实现通过检测输出信号波形来动态的调节晶体管衬底电压,从而改变晶体管阈值电压,实现在低电源电压情况下提高电路起振速度,且降低输出信号的相位噪声和功耗。(The invention discloses a low-power consumption voltage-controlled oscillator based on a dynamic threshold technology, which comprises a CMOS cross coupling pair, an LC resonant cavity and a capacitance voltage-dividing dynamic threshold module, wherein the CMOS cross coupling pair is used for providing negative resistance to make up power loss during resonant cavity oscillation; and two differential output ports of the CMOS cross-coupled pair are respectively connected with two input ports of the LC resonant cavity in parallel, and the two differential output ports are used as output ports of the LC voltage-controlled oscillator. The invention can realize dynamic adjustment of the substrate voltage of the transistor by detecting the waveform of the output signal, thereby changing the threshold voltage of the transistor, realizing improvement of the circuit oscillation starting speed under the condition of low power supply voltage, and reducing the phase noise and the power consumption of the output signal.)

一种基于动态阈值技术的低功耗压控振荡器

技术领域

本发明涉及压控振荡器技术领域，特别是涉及一种基于动态阈值技术的低功耗压控振荡器。

背景技术

在射频通信技术中，压控振荡器VCO是为芯片提供本地稳定的本振信号的电路，是锁相环模块中的重要组成部分，可以产生所需要的时钟信号，其功耗、调节灵敏度、相位噪声时刻影响着收发机的性能，如何有效改善压控振荡器的性能是射频通信技术的关键之一。

目前常用的VCO类型为环形VCO和LC VCO两种。环路VCO反馈环节不包含电容和电感器件可以有效的节省芯片空间，但是其相位噪声较差并且会消耗更大的功耗。LC VCO的调谐范围没有环路VCO的大，但是其噪声性能表现更加好，以及功耗更加低，被广泛应用于射频技术中。

VCO相位噪声严重影响着系统性能表现，因此射频电路设计中关于如何提高相位噪声是一直是技术难题，电路不同拓补结构对其性能有着不同的影响。采用CMOS交叉耦合对结构的LC VCO，可通过提高品质因数来减少其相位噪声，但会增加电路功耗。但在应用电源电压下降、功耗降低的电路时，电路起振速度会变慢，同时电路的品质因数降低会使相位噪声性能变差。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术中存在的技术缺陷，而提供一种基于动态阈值技术的低功耗压控振荡器，通过对典型LC压控振荡器结构的改进与优化，解决压控振荡器在低电源电压情况下相位噪声差、起振速度慢的问题，且降低电路的功耗。

为实现本发明的目的所采用的技术方案是：

一种基于动态阈值技术的低功耗压控振荡器，包括提供负阻弥补谐振腔振荡时的功率损耗的CMOS交叉耦合对、用于产生压控振荡器的谐振信号的LC谐振腔，采用电容分压技术来实现动态阈值电压的电容分压动态阈值模块；CMOS交叉耦合对的两个差分输出端口分别与LC谐振腔的两个输入端口并联，且将该两个差分输出端口作为LC压控振荡器的输出端口；

CMOS交叉耦合对为NMOS及PMOS互补交叉耦合管，包括第一NMOS管M1、第二NMOS管M2、第一PMOS管M3、第二PMOS管M4；第一NMOS管M1的漏极和第一PMOS管M3的漏极相连，第二NMOS管M2的漏极和第二PMOS管M4的漏极相连，第一NMOS管M1和第一PMOS管M3的栅极连接至第二NMOS管M2和第二PMOS管M4的漏极，第二NMOS管M2和第二PMOS管M4的栅极连接至第一NMOS管M1和第一PMOS管M3的漏极；第一NMOS管M1和第一PMOS管M3的漏极以及第二NMOS管M2和第二PMOS管M4的漏极为压控振荡器的差分输出端口；

LC谐振腔包括第一电容C1、第二电容C2、第一变容管Cvar1、第二变容管Cvar2和电感L；第一电容C1和第二电容C2串联后两端与第一变容管Cvar1和第二变容管Cvar2串联后两端以及电感L差分端口并联构成谐振腔；第一变容管Cvar1和第二变容管Cvar2一端相连后作为控制电压的输入端，通过外部控制电压实现压控振荡器的频率调节；

电容分压动态阈值模块包括第三电容C3、第四电容C4、第五电容C5、第六电容C6、第七电容C7、第八电容C8、第九电容C9、第十电容C10；第三电容C3和第四电容C4相连端连至第一NMOS管M1的衬底端，第三电容C3和第四电容C4两端分别连至第一NMOS管M1的栅端和源端；所述第五电容C5和第六电容C6相连端连至第二NMOS管M2的衬底端，第五电容C5和第六电容C6两端分别连至第二NMOS管M2的栅端和源端；所述第七电容C7和第八电容C8相连端连至第一PMOS管M3的衬底端，第七电容C7和第八电容C8两端分别连至第一PMOS管M3的漏端和源端；第九电容C9和第十电容C10相连端连至第二PMOS管M4的衬底端，第九电容C9和第十电容(C10)两端分别连至第二PMOS管M4的漏端和源端。

其中，所有的NMOS的源端都接地，所有的PMOS的源端都接电源VDD。

本发明能实现通过检测输出信号波形来动态的调节晶体管衬底电压，从而改变晶体管阈值电压，实现在低电源电压情况下提高电路起振速度，且降低输出信号的相位噪声和功耗。

附图说明

图1为本发明的基于动态阈值技术的低功耗压控振荡器的结构图。

图2-5所示为分别为本发明中各外电容分压动态阈值模块的结构图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1-5所示，本发明一种基于动态阈值技术的低功耗压控振荡器，包括提供负阻弥补谐振腔振荡时的功率损耗的CMOS交叉耦合对、用于产生压控振荡器的谐振信号的LC谐振腔，采用电容分压技术来实现动态阈值电压的电容分压动态阈值模块；CMOS交叉耦合对的两个差分输出端口分别与LC谐振腔的两个输入端口并联，且将该两个差分输出端口作为LC压控振荡器的输出端口；

CMOS交叉耦合对为NMOS及PMOS互补交叉耦合管，包括第一NMOS管M1、第二NMOS管M2、第一PMOS管M3、第二PMOS管M4；第一NMOS管M1的漏极和第一PMOS管M3的漏极相连，第二NMOS管M2的漏极和第二PMOS管M4的漏极相连，第一NMOS管M1和第一PMOS管M3的栅极连接至第二NMOS管M2和第二PMOS管M4的漏极，第二NMOS管M2和第二PMOS管M4的栅极连接至第一NMOS管M1和第一PMOS管M3的漏极；第一NMOS管M1和第一PMOS管M3的漏极以及第二NMOS管M2和第二PMOS管M4的漏极为压控振荡器的差分输出端口；

LC谐振腔包括第一电容C1、第二电容C2、第一变容管Cvar1、第二变容管Cvar2和电感L；第一电容C1和第二电容C2串联后两端与第一变容管Cvar1和第二变容管Cvar2串联后两端以及电感L差分端口并联构成谐振腔；第一变容管Cvar1和第二变容管Cvar2一端相连后作为控制电压的输入端，通过外部控制电压实现压控振荡器的频率调节；

电容分压动态阈值模块包括第三电容C3、第四电容C4、第五电容C5、第六电容C6、第七电容C7、第八电容C8、第九电容C9、第十电容C10；第三电容C3和第四电容C4相连端连至第一NMOS管M1的衬底端，第三电容C3和第四电容C4两端分别连至第一NMOS管M1的栅端和源端；所述第五电容C5和第六电容C6相连端连至第二NMOS管M2的衬底端，第五电容C5和第六电容C6两端分别连至第二NMOS管M2的栅端和源端；所述第七电容C7和第八电容C8相连端连至第一PMOS管M3的衬底端，第七电容C7和第八电容C8两端分别连至第一PMOS管M3的漏端和源端；第九电容C9和第十电容C10相连端连至第二PMOS管M4的衬底端，第九电容C9和第十电容(C10)两端分别连至第二PMOS管M4的漏端和源端。

上述的电容分压动态阈值模块，通过检测输出信号的变化，改变晶体管M1、M2、M3、M4衬底电压，从而实现动态阈值电压。

其中，所有的NMOS的源端都接地，所有的PMOS的源端都接电源VDD。

需要说明的是，压控振荡器VCO的相位噪声与很多因素有关，如电路品质因数Q、元器件个数以及电流源噪声等都，时刻影响着相位噪声好坏。Leeson基于线性时不变(LinerTime Invariant,LTI)理论提出相位噪声公式表示为，

其中，F为噪声系数,k为玻尔兹曼常数，Q为品质因数。提高相位噪声性能的一个可行方式是提高电路的品质因数，振荡器的品质因数可以通过降低晶体管的阈值电压(Vth)以及提高电路的负电导(Gm)来改善。

本发明的电路采用CMOS交叉耦合型结构可以得到更好的Q值以及提高电路的负电阻，其负阻抗由NMOS管和PMOS管共同作用提供，提出的电路的负阻抗可以表示为，

传统的动态阈值MOSFET需要较低输出摆幅来避免给MOS器件引入正向偏置的PN结而影响电路性能，为了避免这种情况的发生，本发明采用电容分压技术来实现动态阈值，在保持高摆幅的输出基础上提高相位噪声性能，MOSFET的阈值电压可以表示为：

式中V_th0是在零偏压下的阈值电压，γ是体效应系数，Φ_F是反型层的电势，V_bs是衬底和源端的电压。式中V_th可以通过改变V_bs而得到改变，采用电容分压技术来实现动态阈值电压，其NMOS的衬底和源端的电压可表示为，

V_g和V_s分别为栅端和源端的电压，当输出幅度减小时，其NMOS管的衬底电压会增加，使得阈值电压减小以及增大NMOS的跨导。同时PMOS管也同样采用了电容分压技术，当输出幅度减小时，其PMOS管的衬底电压会减小，使得阈值电压减小并且增大PMOS的跨导。动态阈值MOSFET的另一个优点是可以提高振荡器的启动速度，在初始状态下，NMOS管和PMOS管的Vbs都为最大值，则阈值电压为最小值，因此使电路的负跨导足够大到满足振荡条件，振荡条件可以表示为，

其中G_m为电路的跨导，R_P是电路的消耗电阻。DTMOS也可以降低所提出电路的最小电源电压，但是为了使NMOS管和PMOS管工作，其最小电源电压必须大于|V_thP|和V_thN的总和。在初始振荡时交叉耦合晶体管的阈值电压为最低值，因此与传统的VCO结构相比本文结构可以在更低的电源电压下工作，并且在振荡开始之后会随着振幅自动调节MOS管的阈值电压，消耗更少的功耗。

本发明中，CMOS交叉耦合对和LC谐振腔并联，提供负阻弥补谐振腔振荡时的功率损耗，构成压控振荡器的核心电路。压控振荡器核心电路的输出分别与电容C3、C5、C7、C9相连，通过检测输出信号峰值来调节晶体管衬底电压。衬底电压变化会改变晶体管的阈值电压，实现动态阈值电压达到提升电路起振速度和降低功耗的目的，采用NMOS及PMOS互补交叉耦合对结构降低了相位噪声。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。