片上CMOS数控互补型低噪声LC振荡器

摘要

本发明属于无线通信系统收发机芯片设计技术领域，其特征在于：采用数字控制的新颖的互补型MOS变容管对来构成数控LC振荡器，从而减小振荡器的相位噪声和杂散，同时提高振荡器的调频精度，相比于已有方法，本发明所提出的方法能够有效的提高片上CMOS振荡器的性能并降低振荡器的功耗，同时有助于降低接收机的制造成本和功耗。

主权项

1.片上CMOS数控互补型低噪声LC振荡器，其特征在于，含有：第1耦合对管(PM1)和(PM2)，第2耦合对管(NM1)和(NM2)以及LC振荡回路，其中：所述第1耦合对管中，(PM1)管和(PM2)管的源极相连后经过一个电流偏置的电流源连接到电源电压(VDD)；所述第2耦合对管中，(NM1)管和(NM2)管的源极相连后接地；在所述第1耦合对管和第2耦合对管之间，(PM1)管的漏极、(PM2)管的栅极、(NM1)管的漏极、(NM2)管的栅极彼此相连后，构成所述片上CMOS数控互补型低噪声LC振荡器的一个输出端(outP)；(PM2)管的漏极、(PM1)管的栅极、(NM2)管的漏极、(NM1)管的栅极彼此相连后，构成所述LC振荡器的另一个输出端(outN)；所述LC振荡回路并联于所述片上CMOS数控互补型低噪声LC振荡器的(outP)、(outN)两个输出端之间，由差分电感和变容控制电路并联构成，其中：所述的变容控制电路由相互之间都并联于所述的(outP)、(outN)两端且各自带有接口电路的金属-绝缘体-金属开关电容阵列、捕捉模式MOS电容阵列、整数部分的锁定模式MOS电容阵列以及分数部分的锁定模式MOS电容阵列组成，所述各个组成部分在各自的数字信号控制下分别改变各自的电容值，从而改变接入LC振荡回路的总电容值，并相应的改变输出振荡频率，其中：所述金属-绝缘体-金属开关电容阵列是一个在所述LC振荡器启动后首先要执行的工艺-电压-温度校准模式中所使用的电路结构，由接口电路和开关电容阵列构成；所述接口电路的输入是一组二进制的工艺-电压-温度校准模式所使用的数字控制信号，用PVT[5:0]表示，由PVT0～PVT5共6个信号组成，该接口电路的输出是一组开关控制信号，用P[5:0]表示，由P0～P5共6个信号组成；所述开关电容阵列是由6个开关电容对并联而成的一组差分开关电容对，每一个开关电容对中的电容采用金属-绝缘体-金属电容，所述电容对的电容值根据所述开关控制信号P[5:0]中各开关控制信号的序号按照6位二进制数的顺序依次排列，所述开关控制信号P[5:0]是通过在每一开关电容对中间串连着的一个MOS开关来对每一开关电容对进行开闭而实施控制的；所述捕捉模式MOS电容阵列工作时振荡器执行捕捉模式，使输出振荡频率处于所要求的频道上；在该捕捉模式以及后面的锁定模式中，均采用了差分PMOS单元变容管对构成所述的捕捉模式MOS电容阵列以及锁定模式MOS电容阵列中的变容管，所述差分PMOS单元变容管对，由两个相同尺寸的PMOS管(M1)、(M2)组成，所述(M1)管、(M2)管的衬底相连后接电源电压(VDD)，(M1)管、(M2)管各自的源极和漏极相连后接数字变容控制信号，而(M1)管的栅极和(M2)管的栅极分别作为差分PMOS单元变容管对的输出连接所述数控LC振荡器的(outP)、(outN)端；所述捕捉模式MOS电容阵列由一个行接口电路、一个列接口电路和一个16×16的MOS电容矩阵构成，该捕捉模式电容阵列有8位锁定模式数字控制信号，用ACQ[7:0]表示，其中的高4位信号ACQ[7:4]通过所述列接口电路产生ACQ[7:4]所对应的温度计码，即列选信号C[15:0]和行选使能信号N[15:0]，而低4位信号ACQ[3:0]通过行接口电路产生ACQ[3:0]所对应的温度计码，即行选信号R[15:0]；所述列选信号C[15:0]、行选使能信号N[15:0]以及行选信号R[15:0]分别送往所述的16×16的MOS电容矩阵的列和行；所述16×16MOS电容矩阵中的MOS电容单元由1个并联于所述(outP)、(outN)两端的差分PMOS单元变容管对及其解码电路组成，该解码电路的逻辑表达式为CtrlA＝C+(N*R)， (1)其中CtrlA是数字变容控制信号，所述解码电路的输出端与所述1个差分PMOS单元变容管对中各PMOS管的源极、漏极相连，该各PMOS管的衬底接电源(VDD)，而栅极分别接(outP)、(outN)两端；所述整数部分的以及分数部分的锁定模式MOS电容阵列均采用互补型MOS变容管对，所述互补型MOS变容管对由第一组差分PMOS变容管对和第二组差分PMOS变容管对组成，第一组PMOS变容管对的尺寸要大于第二组，该互补型MOS变容管对中所有MOS管的衬底相连后接电源电压(VDD)，而在两组中各差分PMOS变容管对两端的栅极分别作为该互补型MOS变容管对的输出连接到所述数控LC振荡器的(outP)、(outN)端，第一组差分PMOS变容管对中MOS管的源极和漏极相连后接数字变容控制信号，第二组差分PMOS变容管对中MOS管的源极和漏极相连后接数字变容控制信号的反相互补信号；所述整数部分的锁定模式MOS电容阵列由一个接口电路和一个互补型MOS变容管对阵列构成，该接口电路的输入为6位锁定模式数字控制信号的整数部分，用Lock_I[5:0]表示，接口电路的输出是各为32位的锁定模式整数部分变容控制信号I[31:0]以及其反相互补信号I_N[31:0]；所述I[31:0]是Lock_I[5:0]的温度计码表示形式，I_N[31:0]是I[31:0]的反相互补信号，两者之间的关系为I_N[31:0]＝I[31:0]， (2)所述I[31:0]用于控制第一组差分PMOS变容管对阵列中的各相互并联的PMOS差分变容管对，I_N[31:0]用于控制第二组差分PMOS变容管对阵列中的各相互并联的差分PMOS变容管对；所述分数部分的锁定模式MOS电容阵列由一个数字∑Δ调制器和另一个互补型MOS变容管对阵列构成；所述数字∑Δ调制器的输入是一组8位的锁定模式数字控制信号的分数部分，用Lock_F[7:0]表示，该数字∑Δ调制器的输出是一串3位的高速率的整数∑Δ调制信号F[2:0]及其反相互补信号F_N[2:0]，两者之间的关系为F_N[2:0]＝F[2:0]， (3)所述F[2:0]以及F_N[2:0]信号分别控制所述的分数部分互补型MOS变容管对阵列中的第一组差分PMOS变容管对阵列(A)和第二组差分PMOS变容管对阵列(B)，使得所述阵列(A)、(B)中各个相互并联的PMOS单元变容管对各自分别在高、低两个电容状态之间高速翻转，从而使所述LC振荡回路输出信号的频率也随之高速地在几个频率之间跳转，这样产生的振荡信号在所设定的时间段内的平均周期就等于锁定模式数字控制信号的分数部分所指定的输出振荡周期，分数部分所对应的输出振荡频率也由此确定；所述F[2:0]与Lock_F[7:0]之间的关系由下述Z域传输函数确定：$F\left(z\right)=\mathrm{lock}\_F\left(z\right)·\frac{z^{-1}(2-{2.5z}^{-1}+z^{-2})}{1-z^{-1}+0.5z^{-2}}+Q\left(z\right)·\frac{{(1-z^{-1})}^3}{1-z^{-1}+{0.5z}^{-2}},\left(4\right)$ 其中Lock_F(z)为输入锁定模式数字控制信号的分数部分的z域表示，F(z)为∑Δ调制器输出控制信号的z域表示，Q(z)为量化器产生的量化噪声的z域表示。