專利名稱：一種優(yōu)化壓控振蕩器相位噪聲的方法及壓控振蕩器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于噪聲頻譜混疊機制的優(yōu)化壓控振蕩器相位噪聲的方法 及壓控振蕩器。
背景技術(shù)：
壓控振蕩器是無線通信系統(tǒng)中的核心模塊之一，通常應用于鎖相環(huán)系統(tǒng)中， 給收發(fā)機提供穩(wěn)定的本地載波信號，相位噪聲是衡量壓控振蕩器性能的關(guān)鍵指 標。無線通信的迅猛發(fā)展，使得通信中的可用信道數(shù)不斷增加，這對壓控振蕩 器相位噪聲的性能提出了更高的要求。
壓控振蕩器包括LC諧振腔、負阻補償電路、偏置電路。改善壓控振蕩器相 位噪聲的方法主要包括提高LC諧振腔電感的品質(zhì)因子，在偏置電路部分增加
噪聲濾波網(wǎng)絡。LC諧振腔的電感一般采用標準CMOS工藝實現(xiàn)的片上螺旋電 感，由于片上電感存在各種非理想因素，從工藝角度來說，制作高品質(zhì)因子的 片上螺旋電感具有相當?shù)碾y度。而噪聲濾波網(wǎng)絡需要額外的電感、電容，增加 了電路的集成難度，增加了寄生參數(shù)對電路性能的影響。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有改善壓控振蕩器相位噪聲的方法存在的工藝實現(xiàn)難度，集成難 度，寄生效應增加的局限性，本發(fā)明提供一種改善壓控振蕩器相位噪聲的方法， 該方法在不改變壓控振蕩器電路元器件的前提下，通過改變負阻補償電路MOS 晶體管參數(shù)的取值，改善壓控振蕩器的相位噪聲。
本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案 一種優(yōu)化壓控振蕩器相位噪聲的 方法按gm -l設計壓控振蕩器的負阻補償電路MOS晶體管尺寸。
本發(fā)明還提供了一種低相位噪聲的壓控振蕩器，包括LC諧振腔、負阻補償
電路、偏置電路，其關(guān)鍵是負阻補償電路中的MOS晶體管尺寸滿足以下條件
4gq。
上述i 表示LC諧振腔的寄生電阻；gm表示壓控振蕩器電路在平衡狀態(tài)下
時，負阻補償電路MOS晶體管的有效跨導。
本發(fā)明根據(jù)壓控振蕩器電路內(nèi)部噪聲轉(zhuǎn)化為相位噪聲的頻譜混疊機制，對 負阻補償電路MOS晶體管的參數(shù)取值模型進行優(yōu)化處理，即壓控振蕩器按照
gm 二i設計負阻補償電路MOS晶體管尺寸。
本發(fā)明提出的壓控振蕩器電路內(nèi)部通過頻譜混疊機制轉(zhuǎn)化為相位噪聲的噪
聲包括三個部分負阻補償電路MOS晶體管柵極噪聲，其噪聲頻譜混疊的基本 模型為
|<formula>formula see original document page 4</formula><formula>formula see original document page 4</formula>其中AV)是頻率為(n化，Aw)處的負阻補償電路MOS晶體管柵極噪聲電壓諧波 分量，G(/)表示壓控振蕩器負阻補償電路的等效跨導，C。為一參數(shù)常量，g。,表
示負阻補償電路MOS晶體管柵極噪聲的頻譜混疊因子。
負阻補償電路MOS晶體管漏極噪聲，其噪聲頻譜混疊的基本模型為
<formula>formula see original document page 4</formula><formula>formula see original document page 4</formula> 其中/,(n)是頻率為^化,-A一處的負阻補償電路MOS晶體管漏極噪聲電流諧波
分量，i 。(0表示壓控振蕩器負阻補償電路的等效阻抗，^為一參數(shù)常量，r。,表
示負阻補償電路MOS晶體管漏極噪聲的頻譜混疊因子。
壓控振蕩器偏置電路的噪聲，其噪聲頻譜混疊的基本模型為
<formula>formula see original document page 4</formula><formula>formula see original document page 4</formula>
其中"是頻率為("化-Aw)處偏置電路的噪聲電流諧波分量，i ,(O表示負阻補 償電路中MOS晶體管差分對之一的等效阻抗，4為一參數(shù)常量，^表示偏置
電路噪聲的頻譜混疊因子。
本發(fā)明基于噪聲頻譜混疊機制，對負阻補償電路MOS晶體管的參數(shù)取值進 行優(yōu)化處理包括以下內(nèi)容1)在TSMC0.18nmCMOS工藝條件下，保證壓控 振蕩器在某一偏置條件下，在某一振蕩頻率處正常工作；2)改變負阻補償電路
MOS晶體管的尺寸，觀察G(O、 i 。W、 ^W三個仿真波形的變化趨勢；3)按 步驟2)的仿真結(jié)果，當G(O、 i 。(0、 i ,W仿真波形的幅值達到最小時，噪聲
的頻譜混疊因子取最小值，壓控振蕩器的相位噪聲取得最小值，此時負阻補償 電路MOS晶體管尺寸的取值即為最佳值；4)根據(jù)實驗中取得的負阻補償電路
MOS晶體管尺寸的最佳取值，求取負阻補償電路MOS晶體管的有效跨導^同
LC諧振腔寄生電阻i 之間的比值關(guān)系。
本發(fā)明也可以在上述步驟2)之前，保持壓控振蕩器的偏置條件不變，改變 其振蕩頻率，然后進行后面的步驟3)和4)。
本發(fā)明也可以在上述步驟2)之前，保持壓控振蕩器的振蕩頻率不變，改變 其偏置條件，然后進行后面的步驟3)和4)。
本發(fā)明的有益效果是，在不改變電路元器件的前提下，保證壓控振蕩器在任 意偏置條件，任意振蕩頻率處取得相位噪聲的最低值。


下面結(jié)合附圖，對本發(fā)明做出詳細描述。
圖1是PMOS拓撲結(jié)構(gòu)的壓控振蕩器電路圖2是在保證壓控振蕩器正常工作的前提下，負阻補償電路MOS晶體管柵 寬分別取最大值和最小值時，PMOS拓撲結(jié)構(gòu)壓控振蕩器內(nèi)部噪聲轉(zhuǎn)換為相
位噪聲的頻譜混疊機制的仿真結(jié)果；
圖3是與圖2相對應的壓控振蕩器輸出信號的頻譜特性； 圖4是在相同的偏置條件和振蕩頻率下，NMOS拓撲結(jié)構(gòu)、PMOS拓撲結(jié) 構(gòu)、全差分拓撲結(jié)構(gòu)壓控振蕩器輸出信號的頻譜特性。 圖中l(wèi)一偏置電路，2 —負阻補償電路，3 —LC諧振腔。
具體實施例方式
本發(fā)明壓控振蕩器(參見圖l)，包括LC諧振腔(3)、負阻補償電路(2)、偏 置電路(l),負阻補償電路中的MOS晶體管尺寸滿足以下條件gB)=l， i 表
示LC諧振腔的寄生電阻；^表示壓控振蕩器電路在平衡狀態(tài)下時，負阻補償
電路MOS晶體管的有效跨導。
如圖1所示，以PMOS拓撲結(jié)構(gòu)的壓控振蕩器為例進行說明，假定壓控振 蕩器釆用TSMC0.18nmCMOS工藝實現(xiàn)，工作電壓VDD = 1.8(V)，偏置電流 Ibias=3(mA)，負阻補償電路MOS晶體管M,、 1\12采用RF PMOS管，電感采用 TSMC工藝庫提供的對稱螺旋電感，/:-30(nH)，可變電容CW和Cw釆用TSMC 工藝庫中提供的MOS可變電容。當負阻補償電路PMOS晶體管的柵寬的取值 為K=64X8(nm)(工藝限定范圍的最大值)，采用SpectreRF仿真工具，得到 壓控振蕩器內(nèi)部噪聲轉(zhuǎn)化為相位噪聲的頻譜混疊因子仿真結(jié)果，圖2(a)可見；當 負阻補償電路PMOS晶體管的柵寬的取值『p=6X8(fim)(保證壓控振蕩器振蕩 的最小值)，采用SpectreRF仿真工具，得到壓控振蕩器內(nèi)部噪聲轉(zhuǎn)化為相位噪 聲的頻譜混疊因子仿真結(jié)果，圖2(b)可見。
圖3(a)與圖3(b)分別表示負阻補償電路PMOS晶體管的柵寬的取值為『;^64 X80im)和ff^6X80im)時，壓控振蕩器輸出信號的頻譜特性。根據(jù)圖(2)、 (3) 可見，當負阻補償電路MOS晶體管的柵寬的取值為保證壓控振蕩器振蕩的最小 值時，壓控振蕩器的相位噪聲取得最小值。
同理，當NMOS拓撲結(jié)構(gòu)的壓控振蕩器的偏置電流Ibi^3(mA),振蕩頻率
/t=400(MHz)，負阻補償電路NMOS晶體管柵寬的取值為『 =3X80im)(保證
壓控振蕩器振蕩的最小值)，壓控振蕩器的相位噪聲取得最小值，圖4(a)表示此
時NMOS拓撲結(jié)構(gòu)壓控振蕩器輸出信號的頻譜特性。當PMOS拓撲結(jié)構(gòu)的壓控 振蕩器在相同的偏置條件和振蕩頻率下，當負阻補償電路PMOS晶體管的柵寬 的取值為『^6X80un)(保證壓控振蕩器振蕩的最小值)，壓控振蕩器得到相位 噪聲的最小值，圖4(b)表示此時PMOS拓撲結(jié)構(gòu)壓控振蕩器輸出信號的頻譜特 性。同理，全差分拓撲結(jié)構(gòu)的壓控振蕩器在相同的偏置條件和振蕩頻率下，當 負阻補償電路NMOS晶體管的柵寬為『 =3X80im), PMOS晶體管的柵寬為 W^:6X80un)(保證壓控振蕩器振蕩的最小值)，壓控振蕩器的相位噪聲取得最 小值，圖4(c)表示此時全差分拓撲結(jié)構(gòu)壓控振蕩器輸出信號的頻譜特性。由圖4 可見，當三種拓撲結(jié)構(gòu)的壓控振蕩器的負阻補償電路的MOS晶體管的柵寬取最 小值(保證壓控振蕩器振蕩的最小值)，PMOS拓撲結(jié)構(gòu)的壓控振蕩器的相位噪 聲最優(yōu)。此時，改變PMOS拓撲結(jié)構(gòu)壓控振蕩器的偏置條件，振蕩頻率，得到 任意偏置條件，任意振蕩頻率時，具有最低相位噪聲的壓控振蕩器負阻補償電 路MOS晶體管柵寬的最佳取值模型-
<formula>formula see original document page 7</formula>(10)
公式(10)中的gmp表示壓控振蕩器電路在平衡狀態(tài)下，負阻補償電路PMOS晶體
管的有效跨導，R為圖l所示LC諧振腔的寄生電阻。
權(quán)利要求
1. 一種優(yōu)化壓控振蕩器相位噪聲的方法，其特征是按設計壓控振蕩器的負阻補償電路MOS晶體管尺寸；其中R表示LC諧振腔的寄生電阻；gm表示壓控振蕩器電路在平衡狀態(tài)下時，負阻補償電路MOS晶體管的有效跨導。
2. —種低相位噪聲的壓控振蕩器，包括LC諧振腔(3)、負阻補償電路(2)、偏置 電路(l)，其特征是負阻補償電路中的MOS晶體管尺寸滿足以下條件 gm=|, i 表示LC諧振腔的寄生電阻；g。,表示壓控振蕩器電路在平衡狀態(tài)下時，負阻補償電路MOS晶體管的有效跨導。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于噪聲頻譜混疊機制的優(yōu)化壓控振蕩器相位噪聲的方法及壓控振蕩器。在不改變壓控振蕩器電路元器件的前提下，按g_m＝4/R設計壓控振蕩器的負阻補償電路MOS晶體管尺寸。本發(fā)明還提供了一種低相位噪聲的壓控振蕩器，包括LC諧振腔、負阻補償電路、偏置電路，負阻補償電路中的MOS晶體管尺寸滿足以下條件g_m＝4/R。R為LC諧振腔的寄生電阻；g_m為壓控振蕩器電路在平衡狀態(tài)下時，負阻補償電路MOS晶體管的有效跨導。本發(fā)明的有益效果是，在不改變電路元器件的前提下，保證壓控振蕩器在任意偏置條件，任意振蕩頻率處取得相位噪聲的最低值。
文檔編號H03B5/08GK101388645SQ20081019738
公開日2009年3月18日 申請日期2008年10月24日 優(yōu)先權(quán)日2008年10月24日
發(fā)明者劉經(jīng)南, 江金光, 靜 趙 申請人:武漢大學