60GHz鎖相環(huán)低相噪自注入型電壓控制振蕩器及無線收發(fā)機的制作方法
【技術領域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及集成電路設計領域，具體涉及一種用于低電壓下60 GHz鎖相環(huán)的低相噪自注入鎖定型電壓控制CMOS LC振蕩器。
【背景技術】
[0002]隨著現(xiàn)代無線通信技術的蓬勃發(fā)展，我們對數(shù)據傳輸速率的要求越來越高。在無線通信頻段，60 GHz頻段具有載波頻率高和可用帶寬大這兩個特點。在60GHz頻段上，人們可以很輕松地將傳輸速率提升至lGbps-lOGbps，滿足業(yè)界對傳輸速率的要求。這也推動了低成本、低功耗的60 GHz CMOS無線收發(fā)機的研究開發(fā)。在60 GHz收發(fā)機中，60 GHz鎖相環(huán)是一個必不可少的模塊。鎖相環(huán)的性能影響著整個收發(fā)機的性能，而60 GHz電壓控制振蕩器是鎖相環(huán)中的核心模塊，它們決定了鎖相環(huán)的一些重要特性，例如調諧范圍、相位噪聲等。
[0003]對于60 GHz CMOS電壓控制振蕩器電路的設計來說，降低輸出頻率的相位噪聲是其主要的設計挑戰(zhàn)之一。MOS管的各種非理想效應、電感和電容等無源器件在振蕩器工作時的損耗等都是引起電壓控制振蕩器輸出頻率抖動的因素，產生相位噪聲。
[0004]傳統(tǒng)的頻率較低的電壓控制振蕩器電路，例如在2.4GHz頻段的電壓控制振蕩器，通常采用環(huán)形振蕩器結構。這種結構面積小，但是相位噪聲差。在對相位噪聲要求高的應用環(huán)境中，人們通常采用基于LC振蕩器的電壓控制振蕩器電路，這種結構芯片面積大，不過輸出相位噪聲低。在LC振蕩器中，電感、電容、變容管器件的品質因素對相位噪聲的影響很大。
[0005]隨著頻率從2.4 GHz提升至60 GHz，基于LC結構的振蕩器相位噪聲惡化很明顯。原因如下:在基于傳統(tǒng)LC結構的60 GHz電壓控制振蕩器中，寄生電容占諧振腔的總電容的主要部分，電容品質因素不高；襯底通過電容耦合的移位電流以及通過電磁感應出的感應電流也會增加，襯底損耗增加；趨膚效應、鄰近效應也會隨著頻率提升導致導線損耗增加；變容管、電容品質因素與頻率成反比，頻率從2.4 GHz變?yōu)?0 GHz，變容管品質因素從137.8變?yōu)?.58。這些因素共同導致傳統(tǒng)LC結構的電壓控制振蕩器電路在頻率上升至60GHz時，輸出頻率的相位噪聲變差。而且隨著微電子技術向納米尺寸的發(fā)展，集成電路的設計要求也越來越向低電壓(1.0V以內)、低功耗靠攏，在低電壓下，電壓控制振蕩器的相位噪聲進一步增加。
[0006]為了減小60GHz電壓控制振蕩器電路的相位噪聲，一種常用的辦法是采用適用于射頻的SOI或者鍺硅工藝。這些工藝寄生電容小、襯底損耗小，器件工作速度快，電壓控制振蕩器的輸出相位噪聲能獲得較好的改善，但是這些工藝價格昂貴，而且難以與收發(fā)機后端的基于CMOS工藝的基帶數(shù)字處理芯片集成。
[0007]綜上所述，在工作頻率為60 GHz時，傳統(tǒng)的基于LC結構的CMOS電壓控制振蕩器電路難以在低電壓下獲得較低的相位噪聲。

【發(fā)明內容】

[0008]為了克服現(xiàn)有技術的不足，本發(fā)明提供了一種60 GHz鎖相環(huán)低相噪自注入型電壓控制振蕩器及無線收發(fā)機。
[0009]一種60 GHz鎖相環(huán)的低相噪自注入鎖定型電壓控制振蕩器，
通過采用多個相同的LC振蕩器核心，并使振蕩信號注入到相應的諧振腔中，通過注入鎖定原理，諧振腔電路鎖定在同一工作頻率點，輸出波形相位也同步，此時通過波形疊加，輸出波形中本振頻率功率加強，而噪聲通過LC諧振腔的濾波作用基本未增加。
[0010]所述的電壓控制振蕩器，包括LC諧振腔電路，負阻對電路，自注入鎖定電路，輸出緩沖電路，
所述的LC諧振腔電路包括電感L2、L3和變容管C2、C3、C6、C7 ;其中L2兩端分別與C2和C3的正極相連，中間抽頭端與電源電壓VDD相連；C2負極與C3負極相連，C2負極與輸入控制電壓VC相連山3兩端分別與C6和C7的正極相連，中間抽頭端與電源電壓相連；C6負極與C7負極相連，C6負極與輸入控制電壓VTUNE相連，VTUNE是由環(huán)路濾波器產生的電壓信號;
所述負阻對電路，包括NMOS器件N2、N3、N4、N5，N2的柵極與N3的漏極相接，N3的柵極與N2的漏極相接，N2與N3的源級接地，N2和N3構成一個負阻對，用于給L2、C2、C3構成的諧振腔提供能量；N4的柵極與N5的漏極相接，N5的柵極與N4的漏極相接，N4與N5的源級接地，N4和N5構成一個負阻對，用于給L3、C6、C7構成的諧振腔提供能量；
所述的自注入鎖定電路，包括電容C4和C5，C4連接C3和C6的正極，C5連接C2和C7的正極；
所述的輸出緩沖電路，包括=NMOS器件NI和N6，電感LI和電容Cl ;其中NI柵極與N2漏極相連，N6柵極與N5漏極相連，N6源極和漏極接地；L5 —端接NI漏極，一端接地；C1正極接NI漏極，負極接Fout，F(xiàn)out是輸出端口。
[0011]所述的電壓控制振蕩器包含兩個相同的工作在60 GHz頻段的LC振蕩器核心，其中L2和L3為中心抽頭的片上螺旋形電感，C2、C3、C4、C5為累積性變容管。
[0012]所述的NMOS器件N1、N2、N3、N4、N5、N6均為采用深N阱工藝，同時經過閾值調整工藝形成的低閾值金屬氧化物半導體MOS晶體管。
[0013]所述的電壓控制振蕩器，所述的電容Cl、C2、C3為金屬MOM電容。
[0014]一種無線收發(fā)機，采用了任一項所述的電壓控制振蕩器。
[0015]與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有如下有益的技術效果:
在負阻對電路中，只采用了 NMOS管，取消了 PMOS管，這樣可以使得諧振腔寄生電容減小，使電壓控制振蕩器頻率能夠在低電壓(1.2V)下工作在60 GHz頻段。通過采用相同的兩個振蕩器核心，并使其振蕩信號相互注入到對方諧振腔中。通過注入鎖定原理，兩個諧振腔電路會鎖定在同一工作頻率點，輸出波形相位也會同步。此時通過波形疊加，輸出波形中本振頻率功率加強，而噪聲通過LC諧振腔的濾波作用并未明顯增加，所以電壓控制CMOS振蕩器輸出的相位噪聲能得到顯著減小，同時降低了電壓控制振蕩器的FOM值。
[0016]本發(fā)明的60 GHz電壓控制CMOS振蕩器電路能夠工作在1.2V低工作電壓下，在Spectre仿真中，輸出相位噪聲比傳統(tǒng)結構降低3.4 dB，F(xiàn)OM降低1.2 dB，適合于對相位噪聲要求比較高的應用環(huán)境。
【附圖說明】
[0017]圖1是傳統(tǒng)的電壓控制振蕩器電路的電路結構示意圖；
圖2是本發(fā)明實施例的一個60 GHz電壓控制振蕩器電路的電路結構示意圖；
圖3是本發(fā)明實施例的電壓控制振蕩器電路與傳統(tǒng)電壓控制振蕩器電路的Spectre模擬仿真結果示意圖。
【具體實施方式】
[0018]以下結合附圖和【具體實施方式】對本發(fā)明做進一步的說明，但是所做示例不作為對本發(fā)明的限制。
[0019]如圖1所示的傳統(tǒng)的電壓控制振蕩器電路結構，控制電壓(VTUNE)控制變容管兩端電壓差，改變變容管的容值，從而改變電壓控制振蕩器的輸出頻率。NMOS管形成負阻對，補充諧振腔振蕩時損失的能量。輸出緩沖電路需要放大輸出信號，同時需要將輸出阻抗與負載進行匹配。此傳統(tǒng)結構可以通過不同的實現(xiàn)方式進行具體設計，負阻對電路中可以同時采用NMOS與PMOS管來減小功耗，諧振腔電路中可以加入電容陣列增加其可調諧范圍，不同的實現(xiàn)方式所得到的振蕩器電路的性能也會存在差異。
[0020]如圖2所示的本發(fā)明中的用于低電壓下60 GHz鎖相環(huán)的低相噪自注入鎖定型電壓控制CMOS LC振蕩器電路結構，包括多個NMOS晶體管、電感、電容和變容管。NMOS晶體管采用的是低閾值帶深N阱結構的η溝道MOS晶體管；電容采用的是射頻金屬MOM電容；變容管采用的是累積性MOS變容管；電感采用的是片上螺旋形金屬電感。圖2所示為采用了兩個相同的LC振蕩器核心，但是對于本領域技術人員來說，根據本實施例的教導，采用更多個相同的LC振蕩器核心也是可以實現(xiàn)的(未示出)。
[0021]用于低電壓下60 GHz鎖相環(huán)的低相噪自注入型電壓控制CMOS LC振蕩器，包括LC諧振腔電路，負阻對電路，自注入鎖定電路，輸出緩沖電路:
所述的LC諧振腔電路，用于振蕩器振蕩時存儲和釋放能量。它同時也是一個帶通濾波器，負責輸出特定的頻率。包括電感1^、1^3和變容管02、03、