本發(fā)明涉及無線通訊電子系統(tǒng)，尤其涉及一種基于尾電容調(diào)諧結(jié)構(gòu)的高調(diào)頻分辨率數(shù)控振蕩器。

背景技術(shù)：

鎖相環(huán)是無線通信系統(tǒng)射頻集成電路中的重要模塊之一，隨著工藝的進步，射頻電路走向數(shù)字化的趨勢和需求也日漸顯著，傳統(tǒng)鎖相環(huán)正在逐漸被全數(shù)字鎖相環(huán)所取代。由于數(shù)控振蕩器對全數(shù)字鎖相環(huán)的相位噪聲以及分辨率有重要影響，因此在全數(shù)字鎖相環(huán)的設(shè)計中，數(shù)控振蕩器是重中之重。盡管工藝不斷進步，設(shè)計一個高調(diào)頻分辨率的數(shù)控振蕩器仍是一個挑戰(zhàn)。

設(shè)計2.4GHz頻段數(shù)控振蕩器，以傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)為例，如圖1，假設(shè)LC陣列中采用3nH的電感，通過計算可知，電容值改變1fF會產(chǎn)生約800KHz的輸出頻率偏移。如果要實現(xiàn)高調(diào)頻分辨率(10KHz量級)的數(shù)控振蕩器，則需要aF量級的電容差。這種數(shù)量級的電容對于寄生電容非常敏感，同時版圖匹配也存在困難。而CMOS工藝中變?nèi)莨茈娙莶钪狄话阍趂F級別，這也遠不能滿足設(shè)計需要。實現(xiàn)高調(diào)頻分辨率的常用方法是引入ΣΔ調(diào)制器，但這種方法需要消耗更多的面積及功耗。

在參考文獻【1】(Fanori L,Liscidini A,Castello R,“Capacitive degeneration in LC-tank oscillator for DCO fine-frequency tuning，”IEEE J.Solid-State Circuits,vol.45，pp.2737-2745，Dec.2010.)中，設(shè)計出調(diào)頻分辨率達到150Hz的高分辨率數(shù)控振蕩器，如圖2，該結(jié)構(gòu)將細調(diào)電容陣列放到提供負阻的差分對管下方，得到縮減的等效電容差，從而實現(xiàn)更高的調(diào)頻分辨率。但數(shù)控振蕩器工作在不同頻率時，同樣的電容得到不同的等效電容量，也就會有不同的頻率偏移，即細調(diào)的調(diào)諧范圍不確定。由于細調(diào)范圍需要覆蓋粗調(diào)分辨率，這增大了細調(diào)的設(shè)計難度。文章中的設(shè)計增加了額外的電路模塊實現(xiàn)并穩(wěn)定性能。

因此要設(shè)計一種不需要額外模塊的數(shù)控振蕩器，同時實現(xiàn)低相位噪聲與高調(diào)頻分辨率的性能。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種基于尾電容調(diào)諧結(jié)構(gòu)的高調(diào)頻分辨率數(shù)控振蕩器，可以同時實現(xiàn)高調(diào)頻分辨率與低相位噪聲的性能

本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的：

一種基于尾電容調(diào)諧結(jié)構(gòu)的高調(diào)頻分辨率數(shù)控振蕩器，包括：LC陣列、負阻差分對、尾電容細調(diào)陣列與尾電流源；

所述LC陣列與負阻差分對相連，負阻差分對分別與尾電容細調(diào)陣列及尾電流源相連；負阻差分對提供負阻，保證振蕩器起振；LC陣列用于確定大致的振蕩頻率；尾電流源用于為LC數(shù)控振蕩器提供偏置電流；

所述尾電容細調(diào)陣列包括：固定電容C_fixed、細調(diào)電容陣列C_fine，以及尾電流源管M3的寄生電容C_par；將固定電容C_fixed值設(shè)為預(yù)定數(shù)值，使尾電流源及負阻差分對的噪聲電流通過尾電容形成到地通路，細調(diào)電容陣列與尾電流源并聯(lián)，細調(diào)電容陣列中的實際電容差值在LC陣列處的等效電容差的縮減量超出閾值，從而實現(xiàn)高調(diào)頻分辨率。

所述LC陣列包括：依次并聯(lián)連接的電感L、電容C_tank及電感L的寄生等效并聯(lián)電阻是Rp；

其中，電容C_tank包括：并聯(lián)連接的固定電容與粗調(diào)電容陣列，二者與電感L并聯(lián)確定振蕩頻率；粗調(diào)電容陣列含六組電容值按二進制權(quán)重分布的電容對，由六位控制信號通過反相器控制開關(guān)，從而控制電容的接入與否進而粗調(diào)振蕩頻率。

所述負阻差分對為NMOS差分互耦對，包括：兩個NMOS管M1與M2，其分別并聯(lián)在LC陣列兩端。

LC陣列中的粗調(diào)電容陣列與尾電容細調(diào)陣列中的細調(diào)電容陣列均采用相同的調(diào)頻電容單元結(jié)構(gòu)；

調(diào)頻電容單元包括電容對、開關(guān)和反相器；其中，電容對采用兩個等值電容Ca與Cb串聯(lián)的方式，等效電容為單個電容值的一半；開關(guān)包括NMOS管M5、M6與M7，M5串聯(lián)到電容對Ca與Cb之間，M6、M7的漏端分別接M5的源、漏端，M6、M7的源端接地，M5、M6與M7的柵端短接到一起接反相后的控制信號；當(dāng)控制信號為高電平時，M5、M6與M7柵端為低電平，開關(guān)斷開，電容對不接入陣列中；當(dāng)控制信號為低電平時，M5、M6、M7柵端為高電位，MOS管都工作在線性區(qū)，開關(guān)導(dǎo)通，電容對接入陣列，頻率下調(diào)。

當(dāng)負阻差分對全部工作在飽和區(qū)，尾電流源管M3的噪聲電流分別經(jīng)過差分對管M1、M2注入到LC陣列中，在差分輸出端可以相互抵消，因此在這個階段尾電流源管的噪聲貢獻小于門限值，但負阻差分對的噪聲電流會注入LC陣列中產(chǎn)生相位噪聲，因此在平衡點附近，尾電容細調(diào)陣列的存在并不能影響噪聲性能；

當(dāng)負阻差分對中一個MOS管導(dǎo)通而另一個MOS管截止，假設(shè)M2管導(dǎo)通，則M2與M3形成共源共柵結(jié)構(gòu)，M2管的噪聲貢獻小于門限值，引入尾電容C_tail，C_tail對M2以及M3的噪聲電流形成到地的低阻通路，這一定程度上會增加M2的噪聲貢獻，但是減小了M3的噪聲貢獻。

由上述本發(fā)明提供的技術(shù)方案可以看出，不需要額外的定制模塊，能夠提高調(diào)頻分辨率的同時，降低相位噪聲。并且在設(shè)計過程中，尾電容的選取需要考慮分辨率以及相位噪聲進行折中，選擇相應(yīng)的最優(yōu)點即可。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實施例的技術(shù)方案，下面將對實施例描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實施例，對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他附圖。

圖1為本發(fā)明背景技術(shù)提供的傳統(tǒng)數(shù)控振蕩器電路圖；

圖2為本發(fā)明背景技術(shù)提供的參考文獻【1】中數(shù)控振蕩器的電路圖；

圖3為本發(fā)明實施例提供的一種基于尾電容調(diào)諧結(jié)構(gòu)的高調(diào)頻分辨率數(shù)控振蕩器的電路圖；

圖4為本發(fā)明實施例提供的調(diào)頻電容單元電路圖；

圖5為本發(fā)明實施例提供的尾電容等效分析示意圖。

具體實施方式

下面結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明的保護范圍。

本發(fā)明實施例提供一種基于尾電容調(diào)諧結(jié)構(gòu)的高調(diào)頻分辨率數(shù)控振蕩器，如圖3所示，其主要包括：LC陣列1、負阻差分對2、尾電容細調(diào)陣列3與尾電流源4；

所述LC陣列1與負阻差分對2相連，負阻差分對2分別與尾電容細調(diào)陣列3及尾電流源4相連；負阻差分對2提供負阻，保證振蕩器起振；LC陣列1用于確定大致的振蕩頻率；尾電流源4用于為LC數(shù)控振蕩器提供偏置電流；

所述尾電容細調(diào)陣列3包括：固定電容C_fixed、細調(diào)電容陣列C_fine，以及尾電流源管M3的寄生電容C_par；將固定電容C_fixed值設(shè)為預(yù)定數(shù)值，使尾電流源管及負阻差分對的噪聲電流通過尾電容形成到地通路，降低相位噪聲，固定電容Cfixed的選擇需要考慮寄生電容的影響。細調(diào)電容陣列與尾電流源并聯(lián)，細調(diào)電容陣列中的實際電容差值在LC陣列處的等效電容差大大縮減(即縮減量超出閾值)，從而實現(xiàn)高調(diào)頻分辨率。

示例性的，細調(diào)電容陣列可以包括8*16個開關(guān)控制的等值電容對，由24個二進制控制信號通過反相器控制開關(guān)，從而控制電容的接入與否進而細調(diào)振蕩頻率。細調(diào)頻范圍為2MHz，能夠完全覆蓋粗調(diào)分辨率1.5MHz并留有一定余量，細調(diào)分辨率達到15KHz。尾電流源4為數(shù)控振蕩器提供偏置電流，包括電流鏡M3、M4以及濾波網(wǎng)絡(luò)RC，由于電流鏡中M4的尺寸較小，閃爍噪聲較大，因此加入RC濾波網(wǎng)絡(luò)濾除一定的閃爍噪聲。

本發(fā)明實施例中，所述LC陣列包括：依次并聯(lián)連接的電感L、電容C_tank及電感L的寄生等效并聯(lián)電阻Rp；其中，電容C_tank包括：并聯(lián)連接的固定電容與粗調(diào)電容陣列，二者與電感L并聯(lián)確定振蕩頻率；粗調(diào)電容陣列含六組電容值按二進制權(quán)重分布的電容對，由六位控制信號通過反相器控制開關(guān)，從而控制電容的接入與否進而粗調(diào)振蕩頻率。示例性的，粗調(diào)范圍為0.54GHz，粗調(diào)分辨率為1.5MHz。

本發(fā)明實施例中，所述負阻差分對為NMOS差分互耦對，包括：兩個NMOS管M1與M2，其分別并聯(lián)在LC陣列兩端。示例性的，NMOS差分互耦對提供負阻-2/g_m，差分負阻對M1、M2的尺寸選擇考慮其跨導(dǎo)滿足取值約為2.5～3的條件，在不消耗過多功耗的同時保證數(shù)控振蕩器能夠起振。

本發(fā)明實施例中，LC陣列中的粗調(diào)電容陣列與尾電容細調(diào)陣列中的細調(diào)電容陣列均采用相同的調(diào)頻電容單元結(jié)構(gòu)；

如圖4所示，調(diào)頻電容單元包括電容對、開關(guān)和反相器；其中，電容對采用兩個等值電容Ca與Cb串聯(lián)的方式，等效電容為單個電容值的一半；開關(guān)包括NMOS管M5、M6與M7，M5串聯(lián)到電容對Ca與Cb之間，M6、M7的漏端分別接M5的源、漏端，M6、M7的源端接地，M5、M6與M7的柵端短接到一起接反相后的控制信號；當(dāng)控制信號為高電平時，M5、M6與M7柵端為低電平，開關(guān)斷開，電容對不接入陣列中；當(dāng)控制信號為低電平時，M5、M6、M7柵端為高電位，MOS管都工作在線性區(qū)，開關(guān)導(dǎo)通，電容對接入陣列，頻率下調(diào)。

為了便于理解，下面介紹本發(fā)明上述方案的技術(shù)原理。

首先分析基于尾電容的細調(diào)結(jié)構(gòu)對調(diào)頻分辨率的作用。尾電容C_tail為：

C_tail＝C_par+C_fixed+C_fine

尾電容C_tail在LC陣列處的等效電容為C_eq。尾電容C_tail的變化值ΔC_tail等效到LC陣列中為ΔC_eq，如圖5。根據(jù)負阻差分對的工作狀態(tài)分成三個階段分析：

(1)在平衡點附近，差分負阻對M1、M2全部導(dǎo)通，從LC陣列處得到的等效電容C_eq為

其中C_gs是負阻差分對NMOS管的柵源寄生電容。尾電容的變化值ΔC_tail基本對ΔC_eq無貢獻，即在M1、M2全部導(dǎo)通階段，ΔCeq1約為零。

(2)當(dāng)輸出電壓幅度增大，負阻差分對中一個MOS管截止而另一個MOS管工作在飽和區(qū)，等效電容為

ΔC_eq2≈-ΔC_tail/2

(3)當(dāng)輸出電壓幅度繼續(xù)增大，工作在飽和區(qū)的MOS管進入線性區(qū)，另一個管子仍截止。等效電容差為

ΔC_eq3≈ΔC_tail/2

ΔC_eq是ΔC_eq1,ΔC_eq2,ΔC_eq3的周期平均值，顯然ΔC_eq＜＜ΔC_tail，電容變化引起的頻率偏移可以表示為：

因此基于尾電容的細調(diào)結(jié)構(gòu)能夠以常規(guī)電容值的電容陣列得到很小的等效電容差值，從而實現(xiàn)高調(diào)頻分辨率。

下面分析尾電容對降低相位噪聲的作用。

當(dāng)負阻差分對全部工作在飽和區(qū)，尾電流源管M3的噪聲電流分別經(jīng)過差分對管M1、M2注入到LC陣列中，在差分輸出端可以相互抵消，因此在這個階段尾電流源的噪聲貢獻小于門限值，但負阻差分對的噪聲電流會注入LC陣列中產(chǎn)生相位噪聲，因此在平衡點附近，尾電容細調(diào)陣列的存在并不能影響噪聲性能；

當(dāng)負阻差分對中一個MOS管導(dǎo)通而另一個MOS管截止，假設(shè)M2管導(dǎo)通，則M2與尾電流源管M3形成共源共柵結(jié)構(gòu)，M2管的噪聲貢獻小于門限值，引入尾電容C_tail，C_tail對M2以及M3的噪聲電流形成到地的低阻通路，這一定程度上會增加M2的噪聲貢獻，但是減小了M3的噪聲貢獻。

同時，尾電容一定程度上能夠增大數(shù)控振蕩器的輸出幅度而不消耗額外的功耗，這也會降低相位噪聲。

以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實施方式，但本發(fā)明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明披露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護范圍應(yīng)該以權(quán)利要求書的保護范圍為準。