阅读说明：本技术 一种混合b/c类低噪声压控振荡器 (mixed B/C type low-noise voltage-controlled oscillator ) 是由 姚若河 刘爽 王立姣 于 2019-08-05 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种混合B/C类低噪声压控振荡器,包括：自开关电流源电路,在初始工作时,自开关电流源电路中的电流源处于开启的状态,为压控振荡器提供起振电流；尾电流整形压控振荡器电路,该电路的尾电流源电流随着电路振荡增大,其电流被比例镜像到自开关电流源电路,并最终关断起振电流；所述尾电流整形压控振荡电路包括尾电流整形电路,用于提供近似脉冲的尾电流,将谐振电路产生的振荡信号反馈到尾电流源使尾电流波形与输出电压波形同步。本发明将谐振电路产生的振荡信号反馈到尾电流源使尾电流波形与输出电压波形同步,提供近似脉冲的尾电流,使在对噪声电流敏感度低的时刻注入更多电流减小相位噪声。(the invention discloses a mixed B/C low-noise voltage-controlled oscillator, which comprises: the self-switching current source circuit is used for providing oscillation starting current for the voltage-controlled oscillator when a current source in the self-switching current source circuit is in a starting state during initial work; the tail current shaping voltage-controlled oscillator circuit is characterized in that the tail current source current of the circuit increases along with the oscillation of the circuit, the current of the tail current source current is proportionally mirrored to a self-switching current source circuit, and the oscillation starting current is finally turned off; the tail current shaping voltage-controlled oscillation circuit comprises a tail current shaping circuit, wherein the tail current shaping circuit is used for providing tail current similar to pulse, and an oscillation signal generated by the resonance circuit is fed back to a tail current source to enable the tail current waveform to be synchronous with the output voltage waveform. The invention feeds back the oscillation signal generated by the resonant circuit to the tail current source to synchronize the tail current waveform with the output voltage waveform, provides the tail current similar to the pulse, and injects more current at the moment with low sensitivity to the noise current to reduce the phase noise.)

一种混合B/C类低噪声压控振荡器

技术领域

本发明涉及集成电路领域，特别涉及一种混合B/C类低噪声压控振荡器。

背景技术

压控振荡器是射频收发器的主要组成部分，其性能直接影响信号发射和接收的准确性，而相位噪声是决定压控振荡器性能的关键参数。随着电路的工作频率越来越高以及器件尺寸的越来越小，相对应的振荡器的噪声性能越来越差。在一个收发系统中，当振荡器输出信号存在相位噪声，频谱将会呈现裙带状，不再是理想的冲击函数，干扰信号将会随信号被下变频到低频带，对想要的通道信号产生干扰。因此，对于通信质量要求比较严格的系统，低噪声压控振荡器设计显得格外的必要。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种混合B/C类低噪声压控振荡器，此压控振荡器将谐振电路产生的振荡信号反馈到尾电流源使尾电流波形与输出电压波形同步，提供近似脉冲的尾电流，使在对噪声电流敏感度低的时刻注入更多电流减小相位噪声。

本发明的第一个目的通过以下的技术方案实现：

一种混合B/C类低噪声压控振荡器，包括：

自开关电流源电路，在初始工作时，自开关电流源电路中的电流源处于开启的状态，为压控振荡器提供起振电流；

尾电流整形压控振荡器电路，该电路的尾电流源电流随着电路振荡增大，其电流被比例镜像到自开关电流源电路，并最终关断起振电流；

所述尾电流整形压控振荡电路包括：

谐振电路，为电感电容式谐振电路，决定谐振频率；

交叉耦合晶体管对，用于提供负阻，以抵消由谐振腔产生的阻抗；

尾电流整形电路，用于提供近似脉冲的尾电流，将谐振电路产生的振荡信号反馈到尾电流源使尾电流波形与输出电压波形同步；从而在对相位噪声敏感度低的时候注入更多电流，减少噪声向输出相位噪声转化；

所述尾电流整形电路具体包括：

第三NMOS管M3，M3的栅极与自开关电流源电路相连，M3的漏极与交叉耦合晶体管对相连，M3的源极与地相连；

第四NMOS管M4，M4的栅极与自开关电流源电路相连，M4的漏极与交叉耦合晶体管对相连，M4的源极与地相连；

第一电阻R1，R1的一端接M3的栅极，另一端接偏置电压V_b；

第二电阻R2，R2的一端接M4的栅极，另一端接V_b；

第三电容C3，C3的一端接输出端口V_outa，另一端接第三NMOS管M3的栅极；

第四电容C4，C4的一端接输出端口V_outb，另一端接第四NMOS管M4的栅极。

优选的，所述偏置电压V_b低于M3和M4的阈值电压，以减小电流导通角，进而减小噪声调制函数的占空比。

所述自开关电流源电路包括：

动态开关电路，用于通过镜像尾电流整形压控振荡器电路中尾电流源的电流，获得动态偏置电压；

起振电流源电路，用于根据动态偏置电压的高低决定起振电流源的开关；

所述动态开关电路具体包括：

第五PMOS管M5，M5的栅极与其漏极相连，M5的漏极与起振电流源电路相连，M5的源极与电源电压相连；

第七NMOS管M7，M7的栅极与M4的栅极相连，M7的漏极与起振电流源电路相连，M7的源极与地相连；

第八NMOS管M8，M8的栅极与M3的栅极相连，M8的漏极与起振电流源电路相连，M8的源极与地相连；

第五电容C5，C5的一端接M7和M8的漏极，另一端接地；采用自开关电流源电路实现工作模式的转换，具有快速稳定振荡的特点，并且在稳定振荡后关断起振电流源，减少自开关尾电流源电路中的噪声贡献。

更进一步的，所述起振电流源电路具体包括：

第六NMOS管M6，M6的栅极与M7和M8的漏极相连，M6的漏极与交叉耦合晶体管对相连，M6的源极与地相连。

更进一步的，所述M5的电流大小与M7、M8的电流比较，并通过C5充放电提供动态电压以此来控制M6的开关。

优选的，所述谐振电路具体包括：

第一电容C1，C1一端接调谐电压V_tune，另一端接第一输出端口V_outa；

第二电容C2，C2一端接调谐电压V_tune，另一端接第二输出端口V_outb；

第一电感L1，L1的一端接电源电压，另一端接C1；

第二电感L2，L2的一端接电源电压，另一端接C2。

更进一步的，所述C1、C2为可变电容，当输入调谐电压V_tune改变时，C1、C2随之变化，因而改变振荡频率；V_outa、V_outb分别接谐振电路两端，是振荡器的输出。

更进一步的，所述交叉耦合晶体管对具体包括：

第一NMOS管M1，M1的栅极与第二输出端口V_outb相连，M1的漏极与V_outa相连，M1的源极与M2的源极相连；

第二NMOS管M2，M2的栅极与第一输出端口V_outa相连，M2的漏极与V_outb相连，M2的源极与M1的源极相连。

优选的，所述混合B/C类低噪声压控振荡器，包括：

自开关电流源电路，在初始工作时，自开关电流源电路中的电流源处于开启的状态，为压控振荡器提供起振电流；

尾电流整形压控振荡器电路，该电路的尾电流源电流随着电路振荡增大，其电流被比例镜像到自开关电流源电路，并最终关断起振电流；

所述尾电流整形压控振荡器电路包括：

谐振电路，为电感电容式谐振电路，决定谐振频率；

交叉耦合晶体管对，用于提供负阻，以抵消由谐振腔产生的阻抗；

尾电流整形电路，用于提供近似脉冲的尾电流，将谐振电路产生的振荡信号反馈到尾电流源使尾电流波形与输出电压波形同步；

所述谐振电路具体包括：

第一电容C1，C1一端接调谐电压V_tune，另一端接第一输出端口V_outa；

第二电容C2，C2一端接调谐电压V_tune，另一端接第二输出端口V_outb；

第一电感L1，L1的一端接电源电压，另一端接C1；

第二电感L2，L2的一端接电源电压，另一端接C2；

所述C1、C2为可变电容，当输入调谐电压V_tune改变时，C1、C2随之变化，因而改变振荡频率；V_outa、V_outb分别接谐振电路两端，是振荡器的输出；

所述交叉耦合晶体管具体包括：

第一NMOS管M1，M1的栅极与V_outb相连，M1的漏极与V_outa相连，M1的源极与第二NMOS管M2的源极相连；

第二NMOS管M2，M2的栅极与V_outa相连，M2的漏极与V_outb相连，M2的源极与M1的源极相连；

所述尾电流整形电路具体包括：

第三NMOS管M3，M3的栅极与第八NMOS管M8的栅极相连，M3的漏极与M1的源极相连，其源极与地相连；

第四NMOS管M4，M4的栅极与第七NMOS管M7的栅极相连，M4的漏极与M2的源极相连，M4的源极与地相连；

第一电阻R1，R1的一端接,M3的栅极，另一端接偏置电压V_b；

第二电阻R2，R2的一端接M4的栅极，另一端接V_b；

第三电容C3，C3的一端接V_outa，另一端接M3的栅极；

第四电容C4，C4的一端接V_outb，另一端接M4的栅极；

所述偏置电压V_b低于M3和M4的阈值电压；

所述自开关电流源电路包括：

动态开关电路，用于通过镜像尾电流整形压控振荡器中尾电流源的电流，获得一个动态的偏置电压；

起振电流源电路，用于根据动态偏置电压的高低决定起振电流源的开关；

所述动态开关电路具体包括：

第五PMOS管M5，M5的栅极与M5的漏极相连，M5的漏极与第六NMOS管M6的栅极相连，M5的源极与电源电压相连；

第七NMOS管M7，M7的栅极与M4的栅极相连，M7的漏极与M6的栅极相连，其源极与地相连；

第八NMOS管M8，M8的栅极与M3的栅极相连，M8的漏极与M6的栅极相连，M8的源极与地相连；

第五电容C5，C5的一端接M7、M8的漏极，另一端接地；

所述起振电流源电路由第六NMOS管M6构成,M6的栅极M7、M8的漏极相连，M6的漏极与M1、M2的源极相连，M6的源极与地相连；

所述M5的电流大小与M7、M8的电流比较，并通过C5充放电提供动态电压以此来控制M6的开关。

本发明相对于现有技术具有如下的优点和效果：

1、本发明将谐振电路产生的振荡信号反馈到尾电流源使尾电流波形与输出电压波形同步，提供近似脉冲的尾电流，使在对噪声电流敏感度低的时刻注入更多电流减小相位噪声。

2、本发明设置偏置电压V_b低于第三NMOS管M3和第四NMOS管M4的阈值电压，以减小电流导通角与噪声调制函数的占空比，进而减小冲击敏感函数的均方值。

3、本发明采用自开关电流源电路实现工作模式的转换，具有快速稳定振荡的特点，并且在稳定振荡之后关断起振电流源，减少自开关电流源电路中的噪声贡献。

附图说明

图1为本发明一种混合B/C类低噪声压控振荡器的电路结构图。

图2为本发明一种混合B/C类低噪声压控振荡器起振过程的输出电压随时间的变化图。

图3为本发明一种混合B/C类低噪声压控振荡器的相位噪声随频率偏移的变化图。

具体实施方式

本实施例通过提供一种混合B/C类低噪声压控振荡器，解决了现有技术中振荡器输出信号存在比较大相位噪声会对收发机接收信号产生严重干扰，影响电路整体性能的问题。

本实施例中的技术方案为解决上述问题，总体思路如下：

如图1所示，一种混合B/C类低噪声压控振荡器，包括：

自开关电流源电路，在初始工作时，自开关电流源电路中的电流源处于开启的状态，为压控振荡器提供起振电流；

尾电流整形压控振荡器电路，该电路的尾电流源电流随着电路振荡增大，其电流被比例镜像到自开关电流源电路，并最终关断起振电流；

其中，自开关电流源电路提供振荡器起振所需的电流以保证振荡器先是以B类操作快速起振，并在稳定振荡后降低偏置电压关断起振电流；尾电流整形压控振荡器电路在起振电流关断后通过将谐振腔产生的振荡信号反馈到尾电流源使尾电流波形与输出电压波形同步提供近似脉冲的尾电流，从而在对噪声敏感度低的时候注入更多电流，且电流导通角小于180°，此时振荡器类似于C类工作状态，通过尾电流整形压控振荡器电路和自开关电流源电路之间的反馈调节实现两种工作状态，具有低噪声和快速起振的特点。

所述尾电流整形压控振荡器电路包括：

谐振电路，为电感电容式谐振电路，决定谐振频率；

交叉耦合晶体管对，用于提供负阻，以抵消由谐振腔产生的阻抗；

尾电流整形电路，用于提供近似脉冲的尾电流，将谐振电路产生的振荡信号反馈到尾电流源使尾电流波形与输出电压波形同步；

所述谐振电路具体包括：

第一电容C1，C1一端接调谐电压V_tune，另一端接第一输出端口V_outa；

第二电容C2，C2一端接调谐电压V_tune，另一端接第二输出端口V_outb；

第一电感L1，L1的一端接电源电压，另一端接C1；

第二电感L2，L2的一端接电源电压，另一端接C2；

所述C1、C2为可变电容，当输入调谐电压V_tune改变时，C1、C2随之变化，因而改变振荡频率；V_outa、V_outb分别接谐振电路两端，是振荡器的输出；

所述交叉耦合晶体管具体包括：

第一NMOS管M1，M1的栅极与V_outb相连，M1的漏极与V_outa相连，M1的源极与第二NMOS管M2的源极相连；

第二NMOS管M2，M2的栅极与V_outa相连，M2的漏极与V_outb相连，M2的源极与M1的源极相连；

所述尾电流整形电路具体包括：

第三NMOS管M3，M3的栅极与第八NMOS管M8的栅极相连，M3的漏极与M1的源极相连，其源极与地相连；

第四NMOS管M4，M4的栅极与第七NMOS管M7的栅极相连，M4的漏极与M2的源极相连，M4的源极与地相连；

第一电阻R1，R1的一端接,M3的栅极，另一端接偏置电压V_b；

第二电阻R2，R2的一端接M4的栅极，另一端接V_b；

第三电容C3，C3的一端接V_outa，另一端接M3的栅极；

第四电容C4，C4的一端接V_outb，另一端接M4的栅极；

所述V_b低于M3和M4的阈值电压；

所述自开关电流源电路包括：

动态开关电路，用于通过镜像尾电流整形压控振荡器中尾电流源的电流，获得一个动态的偏置电压；

起振电流源电路，用于根据动态偏置电压的高低决定起振电流源的开关；

所述动态开关电路具体包括：

第五PMOS管M5，M5的栅极与M5的漏极相连，M5的漏极与第六NMOS管M6的栅极相连，M5的源极与电源电压相连；

第七NMOS管M7，M7的栅极与M4的栅极相连，M7的漏极与M6的栅极相连，其源极与地相连；

第八NMOS管M8，M8的栅极与M3的栅极相连，M8的漏极与M6的栅极相连，M8的源极与地相连；

第五电容C5，C5的一端接M7、M8的漏极，另一端接地；

所述起振电流源电路由第六NMOS管M6构成,M6的栅极M7、M8的漏极相连，M6的漏极与M1、M2的源极相连，M6的源极与地相连；

所述M5的电流大小与M7、M8的电流比较，并通过第五电容C5充放电提供动态电压以此来控制M6的开关。

本实施例的原理和性能分析：

Hajimiri的噪声模型提出了冲击敏感函数Г(ω₀t)的概念，Г(ω₀t)越大意味着同样的噪声电流产生更多的相位噪声。因此，在振荡器输出接近零交叉点时(即Г(ω₀t)值最大的时刻)，减小注入谐振腔的电流，则相位噪声减小；且相位噪声与冲击敏感函数的均方值正相关，减小电流导通角有助于减小冲击敏感函数的均方值。

结合上面的理论，本实施例引用了尾电流整形电路，通过C3、C4将输出振荡信号反馈到M3、M4的栅极实现尾电流与电压波形的同步，提供近似脉冲的尾电流，其电流导通角为:

其中V_th为M3、M4的阈值电压，V_m为振荡摆幅。根据公式(1)，降低第三、第四NMOS管M3、M4的栅极偏置电压使其小于阈值电压可以减小电流导通角。

然而降低M3、M4的栅极偏置电压面临对起振过程造成一定影响，为了解决这一问题本实施例设计了自开关电流源电路。

M7、M8分别镜像M3、M4的电流，并且M7、M8的电流之和与M5的电流比较，他们之间的电流差别通过C5转化成M6的栅极电压变化。当V_b低于晶体管阈值电压时，M6的栅极电压比较高，M6为振荡器提供起振电流，类似B类振荡器。随着电路起振，C3、C4将输出振荡信号反馈到M3、M4、M7、M8的栅极，M7、M8电流之和增大，M6的栅极电压随着C5放电降低到阈值电压以下，至此起振电流关断。此时，M3、M4提供电流维持电路稳定振荡，且电流导通角小于180°，类似于C类振荡器。

本实施例使用TSMC 180nm工艺实现,振荡频率为2GHz，电压源为1.8V，偏置电流为5mA。图2给出了实施例起振过程的输出电压,可见在80ns左右就可以稳定输出波形。图3给出了实施例的相位噪声结果,在1KHz处的相位噪声为-59.5dB，1MHz处为-132.7dB，。实施例表明本发明实现了快速的稳定振荡以及良好的噪声性能。

以上所述实施例的描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以权利要求所述为准。