專利名稱：一種超低功耗壓控振蕩器電路及其信號處理方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種超低功耗壓控振蕩器電路及其信號處理方法，屬于射頻集成電路領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
隨著半導(dǎo)體工藝特征尺寸的縮小以及復(fù)雜度的提高，集成電路(IC)的實現(xiàn)面臨了很多挑戰(zhàn)速度越來越快、面積不斷增大、噪聲現(xiàn)象更加嚴重等。其中，功耗問題尤為突出，在進入0. 13um、90nm技術(shù)節(jié)電后，單位面積上的功耗密度急劇上升。因此，功耗已經(jīng)成為集成電路中繼傳統(tǒng)兩個要素——速度、面積后的又一個關(guān)鍵要素。移動應(yīng)用市場對射頻集成電路的低功耗有著無止境的需求，使集成電路的低功耗設(shè)計變得日益重要。因為移動設(shè)備基本上都由電池供電，電池使用壽命已成為評估這類產(chǎn)品很重要的一個指標(biāo)。在日益成熟的片上系統(tǒng)(SoC)設(shè)計中，低功耗設(shè)計是許多設(shè)計人員必須面對的問題，其原因在于它們被廣泛應(yīng)用于便攜式和移動性較強的產(chǎn)品中，而這類產(chǎn)品如上面所說往往靠電池供電，所以在從全局來考慮低功耗設(shè)計外，設(shè)計人員還需要從每一個細節(jié)來考慮降低功耗，從而盡可能地延長電池使用時間。傳統(tǒng)的應(yīng)用于射頻集成電路中的壓控振蕩器(VCO)電路結(jié)構(gòu)如圖1所示，為了節(jié)約系統(tǒng)成本，其中的電容、電感元件都在片上實現(xiàn)，這些片上無源元件的Q值決定了 VCO的功率消耗。在目前的工藝水平下，片上電感的Q值只有十幾，直接限制了 VCO的低功耗設(shè)計。 同時，隨著頻率的降低，VCO的正常工作功耗也會相應(yīng)的增加，利用片上電感的VCO如果應(yīng)用在IGHz下的UHF和VHF頻段，其工作電流大概在IOmA左右，對于超低功耗系統(tǒng)設(shè)計來說是不可接受的。在射頻集成電路系統(tǒng)設(shè)計中，為了達到良好的鏡像噪聲抑制效果，一般都采用IQ 正交系統(tǒng)架構(gòu)，此時VCO需要輸出四路正交信號到I和Q兩路混頻器(Mixer)，并且其中每路都會驅(qū)動數(shù)百fF的Mixer輸入負載。傳統(tǒng)的IQ正交信號產(chǎn)生電路有兩種形式第一種是如圖2所示的SCL結(jié)構(gòu)的D觸發(fā)器除二產(chǎn)生四路正交信號，然后再經(jīng)過驅(qū)動器(Buffer) 輸出到Mixer ；第二種是如圖3所示的TSPC除二電路生成四路正交信號，再由Buffer驅(qū)動輸出到Mixer。其中SCL功耗較高，適應(yīng)于高頻應(yīng)用；TSPC結(jié)構(gòu)本身功耗較低，適用于低頻應(yīng)用，但其輸入輸出都需要增加Buffer從而功耗也難于降低。因此，這兩種電路在超低功耗應(yīng)用中受到了較大的限制。在集成電路工藝中，片上電容的絕對值會隨著溫度變化，如果射頻芯片長時間工作，當(dāng)其片內(nèi)溫度出現(xiàn)較大變化時，電容值會隨之變化從而引起VCO的振動頻率變化。傳統(tǒng)的VCO輸出的本振(LO)信號是通過鎖相環(huán)(PLL)環(huán)路鎖定而達到精準的頻率，在PLL環(huán)路中，一直處于工作狀態(tài)的分頻器、電荷泵等電路一般會帶來ImA左右的功耗，但在超低功耗應(yīng)用中，其引入的功耗就顯得過大。

發(fā)明內(nèi)容
3
針對上述問題，本發(fā)明的目的是提供一種超低功耗壓控振蕩器電路及其信號處理方法，本發(fā)明適用于超低功耗無線通訊領(lǐng)域。本發(fā)明的技術(shù)方案為一種超低功耗壓控振蕩器信號處理方法，其步驟為1)將交叉耦合有源模塊與一電流源連接，以產(chǎn)生一負阻，用于補償LC-tank電路中的電感電阻和電容電阻；其中LC-tank電路中的電感為一片外電感；2)將所述LC-tank電路的差分振蕩信號經(jīng)一 RC正交信號產(chǎn)生模塊中的RC網(wǎng)絡(luò)， 輸出四路正交信號。進一步的，所述片外電感的兩端分別經(jīng)一邦線與所述LC-tank電路的兩差分輸出端連接。進一步的，所述LC-tank電路包括一溫度補償電路。進一步的，所述RC網(wǎng)絡(luò)為一兩級RC網(wǎng)絡(luò)；其中RC網(wǎng)絡(luò)的電容值不變，第一級電阻值是R= 1/(ω。0中電阻值R的1.2倍，第二級電阻值是R= 1/( 。C)中電阻值R的0.8 倍；《。為頻點、C為RC網(wǎng)絡(luò)電容。一種超低功耗壓控振蕩器電路，其特征在于包括交叉耦合有源模塊、LC-tank電路、RC正交信號產(chǎn)生電路；所述交叉耦合有源模塊的兩差分輸出端分別與所述RC正交信號產(chǎn)生電路的兩輸入端連接；且所述交叉耦合有源模塊的兩差分輸出端分別與所述LC-tank 電路的兩差分輸出端連接；所述LC-tank電路中的電感為一片外電感，所述片外電感的兩端分別與所述LC-tank電路的兩差分輸出端連接。進一步的，所述片外電感的兩端分別經(jīng)一邦線與所述LC-tank電路的兩差分輸出端連接。進一步的，所述LC-tank電路包括一溫度補償電路；所述溫度補償電路的差分輸出端分別與所述LC-tank電路的兩差分輸出端連接。進一步的，所述溫度補償電路包括一溫補電壓產(chǎn)生模塊和一溫補電路陣列；所述溫補電路陣列包括N個數(shù)字控制溫補電路和一個固定溫補電路，第η個所述數(shù)字控制溫補電路的兩輸出端分別與所述LC-tank電路電容陣列的第η位電容單元的兩輸出端連接，且第η個所述數(shù)字控制溫補電路的數(shù)字控制端與所述LC-tank電路電容陣列的第η位電容單元的數(shù)字控制端連接；所述固定溫補電路的兩輸出端分別與所述LC-tank電路的兩差分輸出端連接；N個所述數(shù)字控制溫補電路的溫補電壓輸入端以及所述固定溫補電路的溫補電壓輸入端分別與所述溫補電壓產(chǎn)生模塊的溫補電壓輸出端連接；其中，η = 1. ... N，N為所述LC-tank電路中N位電容陣列的位數(shù)。進一步的，所述交叉耦合有源模塊為一 NMOS和一 PMOS交叉對管結(jié)構(gòu)。進一步的，所述RC網(wǎng)絡(luò)為一兩級RC網(wǎng)絡(luò)；其中RC網(wǎng)絡(luò)的電容值不變，第一級電阻值是R= 1/(ω。0中電阻值R的1.2倍，第二級電阻值是R= 1/( 。C)中電阻值R的0.8 倍；《。為頻點、C為RC網(wǎng)絡(luò)電容。針對全片上集成VCO電感Q較低的問題，本方法采用高Q值的邦線電感和片外電感，邦線電感的Q值一般在幾十甚至百量級，但其電感值會有一定的工藝偏差。選擇在應(yīng)用頻率范圍內(nèi)Q值在50以上的片外電感可以極大的降低VCO的功耗，而且一般廠家會提供一系列的應(yīng)用頻率和Q值較接近的片外電感供選擇，可以在這一系列電感中挑選合適的片外電感值來補償邦線電感的偏差和片上電容工藝角的變化。針對傳統(tǒng)的四路正交產(chǎn)生電路需要較大功耗的問題，本方法采用了如圖4所示的 RC正交產(chǎn)生電路，VCO產(chǎn)生的差分信號經(jīng)過兩級RC網(wǎng)絡(luò)后輸出同頻率的四路正交信號，此電路應(yīng)用于超低功耗的最大優(yōu)點在于將四路正交信號的輸出負載電容吸收進VCO的電容網(wǎng)絡(luò)，在不需要驅(qū)動Buffer的情況下就可保證輸出的四路正交信號具有一定的擺幅。在超低功耗應(yīng)用中，一般驅(qū)動Buffer的功耗會大于VCO振蕩電路的功耗，因此，省去驅(qū)動Buffer 的功耗是具有重要意義的。在傳統(tǒng)的PLL電路中，VCO消耗了其中的大部分功耗，但在超低功耗應(yīng)用中，上述兩種方法的應(yīng)用可以將VCO的功耗降低到ImA以下，此時PLL中其他電路的功耗所占比例就顯得過大。系統(tǒng)總功耗的降低受到限制。本發(fā)明在VCO層面進行了溫度補償，在不增加功耗的情況下，使VCO振動頻率隨溫度的變化減小到一定的精度范圍內(nèi)。如此可以為PLL 系統(tǒng)層面的低功耗設(shè)計提供更多的解決方案，如(I)PLL每次開啟時鎖定一次，其他時間環(huán)路關(guān)斷而只有VCO工作；(2)分頻率和電荷泵等電路分時工作以節(jié)約功耗。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(1)電路結(jié)構(gòu)簡單，本發(fā)明是在傳統(tǒng)的交叉對管結(jié)構(gòu)VCO的基礎(chǔ)上做的創(chuàng)新改進， 電路原理清晰明了，溫度補償電路的結(jié)構(gòu)也較為簡單；(2)應(yīng)用頻率范圍寬，選擇不同的片外電感和片上電容值可以使其應(yīng)用在幾百 MHz到幾GHz之間，此方案對于幾百MHz到IGHz頻段的超低功耗的設(shè)計尤其具有優(yōu)勢；(3)實現(xiàn)超低功耗、減小了芯片面積，片外電感和RC正交產(chǎn)生電路的采用極大的降低了功耗，即使對于功耗相對較大的幾百MHz到IGHz的射頻頻段，此方案實現(xiàn)的VCO也能將功耗降低到0. 5mA以下，同時，片外電感的采用也使芯片面積縮小了一半左右；(4)節(jié)約系統(tǒng)平均功耗、系統(tǒng)可擴展性強，溫補電路的采用方便了系統(tǒng)設(shè)計者設(shè)計出多種方案來節(jié)約PLL中除VCO外其他電路所消耗的平均功耗，以實現(xiàn)系統(tǒng)層面上的超低功耗設(shè)計。


圖1是常規(guī)匪OS和PMOS交叉對管結(jié)構(gòu)VC0。圖2是SCL結(jié)構(gòu)的D觸發(fā)器除二正交信號產(chǎn)生電路。圖3是TSPC結(jié)構(gòu)的除二正交信號產(chǎn)生電路。圖4是兩級的RC正交信號產(chǎn)生電路示例圖。圖5是本發(fā)明VCO的總體結(jié)構(gòu)圖。圖6交叉耦合有源模塊示例電路圖。圖7包含片外電感和溫補電路的LC-tank模塊示例電路圖。圖8電容陣列和溫補電路示例圖。
具體實施例方式本發(fā)明所述的超低功耗VCO的具體實施方案如下如圖5所示為本發(fā)明的超低功耗VCO的總體結(jié)構(gòu)框圖，電流源為交叉耦合有源模塊提供電流以在有源模塊的差分輸出端PLUS、MINUS產(chǎn)生負阻，來補償LC-tank中電感和電容寄生電阻的功率消耗，從而產(chǎn)生穩(wěn)定電壓擺幅和頻率的差分振蕩信號。交叉耦合有源模塊的兩個差分輸出信號與LC-tank的兩個差分輸出信號相連接(在兩個模塊中命名都為 PLUS、MINUS)。上述兩個模塊的兩個輸出端再與RC正交信號產(chǎn)生電路的兩個輸入端(VIN_ P、VIN_N)相連接，RC正交信號產(chǎn)生電路將輸入的差分信號通過RC網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)化為四路正交信號(IP、IN、QP、QN)，輸出到下級電路。LC-tank中的Cl、C2、……、Cn為電容陣列的數(shù)字開關(guān)，用于選擇不同的電容值進入LC諧振網(wǎng)絡(luò)，Vcon為細調(diào)信號，連接PLL的反饋模擬控制信號，使VCO振蕩在精確的頻率下。圖6顯示了交叉耦合有源模塊的一種電路示例圖。采用了常規(guī)的NMOS和PMOS交叉對管結(jié)構(gòu)，PLUS和MINUS做為此模塊的差分輸出信號，Vhigh接一高電平端，Vlow接一低電平端。圖7顯示了 LC-tank模塊的一種電路示例圖，電容陣列和溫補電路的兩個輸入信號(VIN_P、VIN_N)和LC-tank的兩個輸出信號(PLUS、MINUS)相連接。片外電感值和邦線電感值的和構(gòu)成了 LC-tank中的L值，邦線電感值的偏差可以通過選擇較近的片外電感值或電容陣列中總電容值的變化進行調(diào)節(jié)。在實現(xiàn)片外電感時，VCO的兩個差分信號需要從芯片邦定到PCB板上，再通過PCB板上的走線與焊接在PCB板上的片外電感連接，需要注意這兩條邦定線要盡量與其他邦定線隔開較遠的距離，同時其在PCB板上的走線也要離包括地線在內(nèi)的其它布線盡量遠，以減小此高頻信號對其它信號的干擾。電容陣列和溫度補償電路如圖8所示，其連接關(guān)系為將所有標(biāo)識一樣名字的信號連接在一起，所有標(biāo)識為VIN_P、VIN_N的端口各自相連接后做為此模塊的兩個差分輸入信號。(1)在N位電容陣列中，數(shù)字控制邏輯Cn通過選通開關(guān)使變?nèi)莨蹸vn分別偏置在飽和區(qū)(Cn =，1’，偏置電壓為Vdd)或深截至區(qū)(Cn =，0’，偏置電壓為&id)，此時變?nèi)莨蹸vn 的電容值為Cmin和Cmax，它們之間的差值就相當(dāng)于一對開關(guān)電容的作用。Cvn的取值略小于2*Cvn-l，這樣Cvl、Cv2、……、Cvn就實現(xiàn)了一定的頻率覆蓋，可以補償各種工藝角帶來的電感、電容值的偏差，可以根據(jù)頻率覆蓋范圍和數(shù)字調(diào)諧的頻率精度來選擇控制位數(shù)η。 電阻Rb是變?nèi)莨艿闹绷髌秒娮琛?2)對于頻率細調(diào)模塊，變?nèi)莨蹸V由PLL的反饋模擬信號Vcon控制，使其偏置在線性工作區(qū)，實現(xiàn)連續(xù)調(diào)諧，使VCO振蕩在精確的頻率上。(3)溫補電壓產(chǎn)生模塊原理如下，Ibias為一不隨溫度變化的基準電流，RT為一阻值隨溫度線性變化的電阻，它們產(chǎn)生的溫補控制電壓VT =也隨溫度線性變化。(4)溫度補償電路包括一溫補電壓產(chǎn)生模塊和一溫補電路陣列；在溫補電路陣列中，溫補控制電壓VT使處于工作狀態(tài)下的溫補變?nèi)莨蹸vfix、CVtl、CVt2、……、Cvtn偏置在線性區(qū)，以補償溫度引起的Cfix、Cvl、Cv2、……、Cvn的電容值變化，使VCO的振蕩頻率具有一定精度的溫度穩(wěn)定特性。當(dāng)C1、C2、……、Cn都為’ O’時，溫補變?nèi)莨苤挥蠧yfix工作，其補償固定電容和此時電容陣列狀態(tài)下的總電容溫度變化，當(dāng)數(shù)字控制開關(guān)Cn置’ 1’時，Cvn引入了電容變化量， Cvtn由VT控制處于溫補工作狀態(tài)，來補償Cvn電容值變化量中的溫度漂移，如此每對Cvtn 和Cvn都可以實現(xiàn)獨立的溫度補償，以使整體電容陣列的溫度補償特性不受數(shù)組控制開關(guān) C1、C2、……、Cn狀態(tài)的影響。因此，此溫度補償電路設(shè)計可以應(yīng)用在寬頻帶設(shè)計中。圖4顯示了 RC正交信號產(chǎn)生電路的一種電路示例圖。其兩個差分輸入信號(VIN_ P、VIN_N)連接VCO的差分振蕩信號(PLUS、MINUS)，IP、QP、IN和QN為輸出到Mixer的四路正交信號。如果能夠?qū)崿F(xiàn)精確的R和C值，那么此電路的第一級就可以在ω。= 1/(RC)頻點處實現(xiàn)精確的相位相差90°的四路正交信號。但是實際情況下的電阻R和電容C值都會
6存在一定的偏差，而且片上R、C隨著工藝角、溫度等條件的變化會存在較大的絕對值偏差， 因此我們需要多級校準來實現(xiàn)在各種R、C的變化范圍內(nèi)，此RC網(wǎng)絡(luò)都能產(chǎn)生一定精度范圍內(nèi)的正交信號，并達到一定的寬頻帶應(yīng)用。一般來說，通過合理布局的級數(shù)越多，正交信號的相位誤差越小，適用的頻帶約寬，但輸出正交信號的擺幅和輸入差分信號擺幅的比值也由于電容分壓而減小。根據(jù)Mixer輸入正交信號的擺幅要求，在功耗和正交相位精度的權(quán)衡下，此示例選擇了兩級RC網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)正交信號產(chǎn)生，其中電容值不變，第一級電阻值是R = 1/("0C)中電阻值R的1.2倍，第二級電阻值是R= 1/(ωο0)中電阻值R的0.8倍。
權(quán)利要求
1.一種超低功耗壓控振蕩器信號處理方法，其步驟為1)將交叉耦合有源模塊與一電流源連接，以產(chǎn)生一負阻，用于補償LC-tank電路中的電感電阻和電容電阻；其中LC-tank電路中的電感為一片外電感；2)將所述LC-tank電路的差分振蕩信號經(jīng)一RC正交信號產(chǎn)生模塊中的RC網(wǎng)絡(luò)，輸出四路正交信號。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述片外電感的兩端分別經(jīng)一邦線與所述 LC-tank電路的兩差分輸出端連接。
3.如權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于所述LC-tank電路包括一溫度補償電路。
4.如權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于所述RC網(wǎng)絡(luò)為一兩級RC網(wǎng)絡(luò)；其中RC 網(wǎng)絡(luò)的電容值不變，第一級電阻值是R = 1/ (ω。C)中電阻值R的1. 2倍，第二級電阻值是R =1/( 0C)中電阻值R的0.8倍；ω。為頻點、C為RC網(wǎng)絡(luò)電容。
5.一種超低功耗壓控振蕩器電路，其特征在于包括交叉耦合有源模塊、LC-tank電路、 RC正交信號產(chǎn)生電路；所述交叉耦合有源模塊的兩差分輸出端分別與所述RC正交信號產(chǎn)生電路的兩輸入端連接；且所述交叉耦合有源模塊的兩差分輸出端分別與所述LC-tank電路的兩差分輸出端連接；所述LC-tank電路中的電感為一片外電感，所述片外電感的兩端分別與所述LC-tank電路的兩差分輸出端連接。
6.如權(quán)利要求5所述的電路，其特征在于所述片外電感的兩端分別經(jīng)一邦線與所述 LC-tank電路的兩差分輸出端連接。
7.如權(quán)利要求5或6所述的電路，其特征在于所述LC-tank電路包括一溫度補償電路； 所述溫度補償電路的差分輸出端分別與所述LC-tank電路的兩差分輸出端連接。
8.如權(quán)利要求7所述的電路，其特征在于所述溫度補償電路包括一溫補電壓產(chǎn)生模塊和一溫補電路陣列；所述溫補電路陣列包括N個數(shù)字控制溫補電路和一個固定溫補電路， 第η個所述數(shù)字控制溫補電路的兩輸出端分別與所述LC-tank電路電容陣列的第η位電容單元的兩輸出端連接，且第η個所述數(shù)字控制溫補電路的數(shù)字控制端與所述LC-tank電路電容陣列的第η位電容單元的數(shù)字控制端連接；所述固定溫補電路的兩輸出端分別與所述 LC-tank電路的兩差分輸出端連接；N個所述數(shù)字控制溫補電路的溫補電壓輸入端以及所述固定溫補電路的溫補電壓輸入端分別與所述溫補電壓產(chǎn)生模塊的溫補電壓輸出端連接； 其中，η = 1. ... N，N為所述LC-tank電路中N位電容陣列的位數(shù)。
9.如權(quán)利要求5所述的電路，其特征在于所述交叉耦合有源模塊為一NMOS和一 PMOS 交叉對管結(jié)構(gòu)。
10.如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于所述RC網(wǎng)絡(luò)為一兩級RC網(wǎng)絡(luò)；其中RC網(wǎng)絡(luò)的電容值不變，第一級電阻值是R = 1/ (ω。C)中電阻值R的1. 2倍，第二級電阻值是R = 1/(ω。C)中電阻值R的0. 8倍；ω。為頻點、C為RC網(wǎng)絡(luò)電容。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種超低功耗壓控振蕩器電路及其信號處理方法，屬于射頻集成電路領(lǐng)域。本發(fā)明方法為1)利用交叉耦合有源模塊產(chǎn)生一負阻，補償LC-tank電路中的電阻；其中LC-tank電路中的電感為一片外電感；2)將LC-tank電路的差分振蕩信號經(jīng)一RC正交信號產(chǎn)生模塊中的RC網(wǎng)絡(luò)輸出四路正交信號。本發(fā)明電路為交叉耦合有源模塊的兩差分輸出端分別與所述RC正交信號產(chǎn)生電路的兩輸入端和LC-tank電路的兩差分輸出端連接；所述LC-tank電路中的電感為一片外電感，所述片外電感的兩端分別與所述LC-tank電路的兩差分輸出端連接。本發(fā)明可降低芯片功耗、減小芯片面積，同時提高頻率范圍，且電路結(jié)構(gòu)簡單。
文檔編號H03B5/04GK102201785SQ201010131878
公開日2011年9月28日 申請日期2010年3月23日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月23日
發(fā)明者劉軍華, 廖懷林, 效燁輝, 李琛, 石淙寅, 黃如 申請人:北京大學(xué)