阅读说明：本技术 一种基于电容补偿技术的线性压控振荡器 (Linear voltage-controlled oscillator based on capacitance compensation technology ) 是由 刘洪刚 夏庆贞 于 2019-08-30 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种基于电容补偿技术的线性压控振荡器,采用CMOS工艺加工而成,包括振荡电路、LC谐振网络,LC谐振网络包括至少一个耦合电感、至少三个并联且具有不同偏置电压的变容管单元；每个耦合电感包括至少两个电感堆叠耦合而成的耦合结构,耦合结构两端的两个电感分别为主电感和次电感,主电感与振荡电路相连接并设置为振荡电路提供偏置电压的第一偏置端,次电感与变容管单元相连接并设置为变容管单元提供调谐电压的调谐端；每个变容管单元包括两个变容管对称串联构成的串联结构,每个变容管单元中的两个变容管的公共连接端形成用于为变容管单元提供其偏置电压的第二偏置端。本发明具有低相位噪声、高线性度、高温度稳定性的优点。(The invention relates to a linear voltage-controlled oscillator based on a capacitance compensation technology, which is processed by adopting a CMOS (complementary metal oxide semiconductor) process and comprises an oscillating circuit and an LC (inductance-capacitance) resonance network, wherein the LC resonance network comprises at least one coupling inductor and at least three varactor units which are connected in parallel and have different bias voltages; each coupling inductor comprises a coupling structure formed by stacking and coupling at least two inductors, the two inductors at the two ends of the coupling structure are respectively a main inductor and a secondary inductor, the main inductor is connected with the oscillating circuit and is set as a first offset end for providing bias voltage for the oscillating circuit, and the secondary inductor is connected with the varactor unit and is set as a tuning end for providing tuning voltage for the varactor unit; each varactor unit comprises a series structure formed by two varactors which are symmetrically connected in series, and a common connecting end of the two varactors in each varactor unit forms a second bias end for providing bias voltage for the varactor unit. The invention has the advantages of low phase noise, high linearity and high temperature stability.)

一种基于电容补偿技术的线性压控振荡器

技术领域

本发明涉及集成电路设计领域，特别涉及一种基于电容补偿技术的线性压控振荡器（VCO）。

背景技术

CMOS工艺具有高截止频率、高效率、高线性度、低介质损耗、低串扰，抗辐照，耐高温等优点，相比较于GaAs等化合物半导体具有成本低，集成度高，工艺成熟稳定等优势，广泛应用于无线通信、卫星、雷达、电子战等领域。线性化VCO可应用于高精度宽带雷达系统，有利于提高雷达系统的距离分辨率。

为了提高基于CMOS工艺压控振荡器的调谐线性度，在电路设计中通常采用开关电容阵或电容补偿的技术来实现。采用电容补偿技术设计的压控振荡器，通常需要采用耦合电感结构与多对变容管单元构成耦合LC谐振网络，这一相对简单的结构易于实现较高的调谐线性度，较低的调谐增益。但是，多LC谐振结构构成的谐振网络，其品质因子往往受限于耦合电感的品质因子，而谐振网络的品质因子将直接影响压控振荡器的相位噪声。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于电容补偿技术，且具有较高的调谐线性度和较低的相位噪声的线性压控振荡器。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种基于电容补偿技术的线性压控振荡器，采用CMOS工艺加工而成，所述基于电容补偿技术的线性压控振荡器包括振荡电路、与所述振荡电路相连接的LC谐振网络，所述LC谐振网络包括至少一个耦合电感、至少三个并联且具有不同偏置电压的变容管单元；当所述LC谐振网络包括多个所述耦合电感时，各所述耦合电感堆叠耦合；

每个所述耦合电感包括至少两个电感堆叠耦合而成的耦合结构，所述耦合结构两端的两个电感分别为主电感和次电感，所述主电感与所述振荡电路相连接，且所述主电感上设置有用于为所述振荡电路提供偏置电压的第一偏置端，所述次电感与所述变容管单元相连接，且所述次电感上设置有用于为所述变容管单元提供调谐电压的调谐端；所述耦合电感所包括的各电感采用所述CMOS工艺中的不同金属层制成；

每个所述变容管单元包括两个变容管对称串联构成的串联结构，每个所述变容管单元中的两个所述变容管的公共连接端形成用于为所述变容管单元提供其偏置电压的第二偏置端。

优选的，所述振荡电路包括用于产生负阻、构成交叉耦合结构的第一核心振荡管和第二核心振荡管，所述第一核心振荡管的栅极与所述第二核心振荡管的漏极相连接，所述第二核心振荡管的栅极与所述第一核心振荡管的漏极相连接，所述第一核心振荡管的漏极、所述第二核心振荡管的漏极分别连接在所述主电感的两端，所述第一核心振荡管的源极与所述第二核心振荡管的源极共接。

优选的，所述基于电容补偿技术的线性压控振荡器还包括为所述振荡电路提供可调偏置电流的可变电流源。

优选的，所述可变电流源包括第一晶体管、第二晶体管和偏置电阻，所述偏置电阻的一端形成用于为所述可变电流源提供偏置电压的第三偏置端，所述第一晶体管的栅极和漏极、所述第二晶体管的栅极均与所述偏置电阻的另一端相连接，所述第一晶体管的源极、所述第二晶体管的源极分别接地，所述第二晶体管的漏极与所述第一核心振荡管的源极、所述第二核心振荡管的源极相连接。

优选的，所述基于电容补偿技术的线性压控振荡器还包括用于降低负载牵引效应、用作隔离的缓冲放大器。

优选的，所述缓冲放大器包括共源连接的第三晶体管和第四晶体管，所述第三晶体管的漏极、所述第四晶体管的漏极连接到一起而形成用于为所述缓冲放大器提供偏置电压的第四偏置端，所述第三晶体管的漏极、所述第四晶体管的漏极分别经对应的隔直电容后形成所述基于电容补偿技术的线性压控振荡器的输出端，所述第三晶体管的栅极与第一核心振荡管的漏极相连接，所述第四晶体管的栅极与所述第二核心振荡管的漏极相连接，所述第三晶体管的源极、所述第四晶体管的源极均与所述第一核心振荡管的源极、所述第二核心振荡管的源极相连接。

优选的，所述第三晶体管的漏极经第一螺旋电感后、所述第四晶体管的漏极经第二螺旋电感后再连接到一起。

优选的，所述耦合电感所包括的电感均为单圈螺旋电感。

优选的，所述基于电容补偿技术的线性压控振荡器所采用的所述CMOS工艺中，衬底为高阻硅。

由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：本发明的一种基于电容补偿技术的线性压控振荡器，通过将耦合电感结构中的次电感采用厚金属层设计，可以提高整个耦合谐振网络的品质因子，进而降低了压控振荡器的相位噪声；通过采用多对变容管对并通过设置不同的偏置电压，可以提高整个电容电压特性曲线的线性度，进而提高了整个压控振荡器的调谐线性度；通过采用CMOS工艺，可以提高整个电路的温度稳定性。该线性压控振荡器克服了传统压控振荡器在线性度、相位噪声以及温度稳定性等方面的局限性，实现了具有低相位噪声、高线性度、高温度稳定性性能的线性压控振荡器，在高精度宽带雷达系统等领域具有广阔的应用前景。

附图说明

附图1为本发明的一种基于电容补偿技术的线性压控振荡器的拓扑结构示意图。

附图2为本发明的一种基于电容补偿技术的线性压控振荡器中所用到的高品质因子的LC谐振网络的结构示意图。

附图3为本发明的一种基于电容补偿技术的线性压控振荡器的版图示意图。

附图4为本发明的一种基于电容补偿技术的线性压控振荡器的输出信号频谱测试结果图。

附图5为本发明的一种基于电容补偿技术的线性压控振荡器的输出信号相位噪声测试结果图。

附图6为本发明的一种基于电容补偿技术的线性压控振荡器在线性调谐范围内振荡信号的频率，输出信号的功率以及衡量线性度的增益随扫描电压变化的测试结果图。

具体实施方式

下面结合附图所示的实施例对本发明作进一步描述。

实施例一：一种基于电容补偿技术的线性压控振荡器如附图1所示。该线性压控振荡器采用CMOS工艺加工而成，它包括振荡电路、LC谐振网络、可变电流源、缓冲放大器。在图1中，振荡电路位于图中的中间部分，可变电流源位于图中的下半部分，缓冲放大器位于图中的左右两侧，LC谐振网络位于图中的上半部分。

LC谐振网络与振荡电路相连接，它包括至少一个耦合电感、至少三个变容管单元。各变容管单元并联且具有不同偏置电压。当LC谐振网络包括多个耦合电感时，各耦合电感堆叠耦合。

每个耦合电感包括至少两个电感堆叠耦合而成的耦合结构，耦合结构两端的两个电感分别为主电感和次电感，主电感与振荡电路相连接，且主电感上设置有用于为振荡电路提供偏置电压的第一偏置端；次电感与变容管单元相连接，且次电感上设置有用于为变容管单元提供调谐电压的调谐端。

每个变容管单元包括两个变容管对称串联构成的串联结构，故变容管单元也可成为变容管对。每个变容管单元中的两个变容管的公共连接端形成用于为变容管单元提供其偏置电压的第二偏置端。

如附图1和附图2所示，在本实施例中，LC谐振网络包括一个耦合电感和三个变容管单元。耦合电感则包括两个堆叠耦合的电感，分别为主电感L3/L_first和次电感L4/L_second。主电感L3/L_first上设置的第一偏置端连接pad5，从而为振荡电路提供偏置电压。主电感L3/L_first的两端与振荡电路相连接。次电感L4/L_second上设置的调谐端连接pad6，从而为变容管单元提供调谐电压Vs。三个变容管单元并联，第一个变容管单元包括串联的变容管C_var1和变容管C_var6，变容管C_var1和变容管C_var6串联的公共连接端构成的第二偏置端连接pad9为其提供偏置电压；第二个变容管单元包括串联的变容管C_var2和变容管C_var5，变容管C_var2和变容管C_var5串联的公共连接端构成的第二偏置端连接pad8为其提供偏置电压；第三个变容管单元包括串联的变容管C_var3和变容管C_var4 ，C_var3和变容管C_var4串联的公共连接端构成的第二偏置端连接pad7为其提供偏置电压。以上三个变容管单元的偏置电压各不相同，分别为V3、V2、V1。三个变容管单元并联后，再连接至次电感L4/L_second的两端。以上三对变容管具有相同的尺寸。不同变容管对的偏置电压不同，通过设置不同变容管对的偏置电压，使不同变容管的电容-电压特性曲线发生偏移，不同变容管电容-电压特性曲线相互补偿，以提高整个电容-电压特性曲线在调谐电压范围内的线性度，进而可以提高压控振荡器的调谐线性度。

振荡电路包括用于产生负阻、构成交叉耦合结构的第一核心振荡管M1和第二核心振荡管M2。第一核心振荡管M1的栅极与第二核心振荡管M2的漏极相连接，第二核心振荡管M2的栅极与第一核心振荡管M1的漏极相连接，第一核心振荡管M1的漏极、第二核心振荡管M2的漏极分别连接在主电感L3/L_first的两端，第一核心振荡管M1的源极与第二核心振荡管M2的源极共接。

可变电流源用于为振荡电路提供可调偏置电流。可变电流源包括第一晶体管M3、第二晶体管M4和偏置电阻R。偏置电阻R的一端形成用于为可变电流源提供偏置电压的第三偏置端并连接pad3，第一晶体管M3的栅极和漏极、第二晶体管M4的栅极均与偏置电阻R的另一端相连接，第一晶体管M3的源极、第二晶体管M4的源极分别接地，第二晶体管M4的漏极与第一核心振荡管M1的源极、第二核心振荡管M2的源极相连接。

用于降低负载牵引效应、用作隔离的缓冲放大器包括共源连接的第三晶体管M5和第四晶体管M6，第三晶体管M5和第四晶体管M6也可以分别称之为共源管M5和共源管M6。第三晶体管M5的漏极、第四晶体管M6的漏极连接到一起而形成用于为缓冲放大器提供偏置电压Vbia的第四偏置端并连接pad4，第三晶体管M5的漏极、第四晶体管M6的漏极分别经对应的隔直电容C1、C2后形成基于电容补偿技术的线性压控振荡器的输出端并分别连接至pad1、pad2，第三晶体管M5的栅极与第一核心振荡管M1的漏极相连接，第四晶体管M6的栅极与第二核心振荡管M2的漏极相连接，第三晶体管M5的源极、第四晶体管M6的源极均与第一核心振荡管M1的源极、第二核心振荡管M2的源极、第二晶体管M4的漏极相连接。

本实施例中，第三晶体管M5的漏极经第一螺旋电感L1后、第四晶体管M6的漏极经第二螺旋电感L2后再连接到一起，并连接至pad4。第一螺旋电感L1、第二螺旋电感L2均为在片螺旋电感，用于抑制键合线寄生电感对缓冲放大器的影响。

以上方案的基于电容补偿技术的线性压控振荡器，采用的CMOS工艺，通过键合金线引到封装焊盘，衬底为高阻硅。耦合电感所包括的电感均为单圈螺旋电感，且各电感采用CMOS工艺中的不同金属层制成。如，主电感L3/L_first在上，次电感L4/L_second在下，次电感L4/L_second采用CMOS工艺中第二层相对较厚的金属层加工而成，电感L3/L_first采用CMOS工艺中顶层相对较厚的金属层加工而成，以提高整个LC谐振网络的品质因子。

如附图3所示，上述采用CMOS工艺加工而成的线性压控振荡器，其整个芯片版图的尺寸为580μm×560μm。图3中左侧输出端口通过隔直电容C1连接至输出焊盘pad1，右侧输出端口通过隔直电容C2连接至输出焊盘pad2；可变电流源的偏置电压连接至偏置焊盘pad3，缓冲放大器中共源管M5、M6的漏极通过螺旋电感L1、L2连接至偏置焊盘pad4，核心振荡管M1和M2的漏极通过主电感L_first连接至焊盘pad5，3对变容管单元的调谐电压Vs通过次电感L_second连接至焊盘pad6，第一对变容管C_var5、C_var6的偏置电压通过焊盘pad7施加，第二对变容管C_var3、C_var4的偏置电压通过焊盘pad8施加，第三对变容管C_var1、C_var2的偏置电压通过焊盘pad9施加，在芯片两个输出焊盘pad1和pad2的上下两侧，各有一个焊盘，分别是pad10、pad11、pad12、pad13，为GSG探针测试用的接地焊盘，同时为整个芯片的接地焊盘。

图4为本发明所提供的基于电容补偿技术的线性压控振荡器输出信号的频谱测试结果。测试时将其中一个输出焊盘接50欧姆负载电阻，另外一个输出焊盘通过GSG探针连接至频谱仪。测试结果表明，本发明所提供的基于电容补偿技术的线性压控振荡器可以稳定的振荡在K波段，输出基频信号与二次谐波相差31dBc，表现出较好的谐波抑制特性。由于采用了先进的CMOS工艺，具有更好的射频特性，本设计中提供的压控振荡器可以提供比基于传统硅基CMOS工艺设计的压控振荡器更高的输出功率。

图5为本发明所提供的基于电容补偿技术的线性压控振荡器输出信号相位噪声的测试结果。测试时，通过调节可变电流源的偏置电流，可以使压控振荡器工作在最佳相位噪声状态下。测试结果表明，由于采用了特殊设计的具有高品质因子的谐振网络，本发明所提供的压控振荡器在偏1MHz时的相位噪声为-101dBc/Hz。在偏100KHz时的相位噪声为-60dBc/Hz。与传统的基于CMOS工艺的压控振荡器相比较，本发明中所提供的压控振荡器具有更优异的相位噪声特性。

图6为本发明所提供的基于电容补偿技术的线性压控振荡器在线性调谐范围内振荡信号的频率，输出信号的功率以及衡量线性度的增益随调谐电压变化的测试结果。在调谐电压从0.4V扫描到2V时，该线性压控振荡器的振荡频率可以随调谐电压线性变化。压控振荡器的振荡频率从23.11GHz变化到26GHz,线性调谐范围为2.89GHz，线性调谐带宽为11.8%。在线性调谐范围内，压控振荡器的输出功率介于-3dBm~-1dBm之间。表明本发明中所提供的线性压控振荡器能够提供较大的基频振荡输出信号。在线性调谐范围内，压控振荡器的调谐增益从1.25GHz/V变化到2.45GHz/V，调谐线性度为32.4%。测试结果表明，本发明所提供的基于电容补偿技术的线性压控振荡器与传统的压控振荡器相比具有更好的线性度，这一特性在设计高精度，高分辨率以及宽带雷达系统中具有非常重要的应用前景。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。