專利名稱：一種超低電壓的cmos電感電容諧振腔壓控振蕩器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
一種超低電壓的CMOS電感電容諧振腔壓控振蕩器屬于鎖相環(huán)集成電路設(shè)計(jì)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
手持移動(dòng)設(shè)備通常需要盡可能長(zhǎng)的工作時(shí)間以避免充電或者更換電池。對(duì)于應(yīng)用于在射頻無(wú)線接收機(jī)的鎖相環(huán)頻率合成器而言，其中有兩個(gè)模塊需要工作很高的頻率下面，一個(gè)是預(yù)分頻器，另外一個(gè)壓控振蕩器，它們也是最耗電的模塊。當(dāng)保持相同的電路性能而不需要增加電路的偏置電流的時(shí)候，降低電路的工作電壓是節(jié)省功耗的好方法。但是，低電壓工作同時(shí)也會(huì)限制信號(hào)的幅度，這反過(guò)來(lái)會(huì)影響電路的信噪比從而會(huì)降低電路的性能。特別對(duì)于在各種無(wú)線或有線的通信系統(tǒng)中，為了得到更低的相位噪聲，壓控振蕩器往往需要增加功耗。作為一個(gè)需要較大功耗的模塊，壓控振蕩器需要獲得較小的相位噪聲而同時(shí)又希望它可以工作在最小的功耗?，F(xiàn)有的低電壓低功耗的壓控振蕩器通常會(huì)采用特殊的工藝或者外部的高品質(zhì)因數(shù)的器件，在本發(fā)明中，我們應(yīng)用中芯國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的射頻及混合信號(hào)工藝，僅僅通過(guò)將N型MOS晶體管的襯底連接到電源正電壓端從而降低晶體管的閾值來(lái)實(shí)現(xiàn)低電壓的壓控振蕩器的設(shè)計(jì)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種超低電壓的CMOS電感電容壓控振蕩器。
本發(fā)明的特征在于該壓控振蕩器是通過(guò)把N型MOS管的襯底連接到電源的正電壓端從而降低晶體管的閾值來(lái)實(shí)現(xiàn)低電壓壓控振蕩器的，該壓控振蕩器含有電感L1和電感L2，兩者相互串接，串接后接電源正電壓；MOS管M3和MOS管M4，兩者反向串接，串接后接電壓控制信號(hào)輸入端，反向串接的后另外兩端是和所述串接后的電感L1、L2的兩端分別相連，同時(shí)所述串接后兩端分別由寄生的電容C1和電容C2，所述的MOS管M3和MOS管M4在這里作為壓控可變電容使用；NMOS管M1和NMOS管M2，各自得襯底接電源正電壓端，所述的M1管和M2管的漏極各自分別反向串接的后所述M3管和M4管的另外兩個(gè)端點(diǎn)相連，所述M1管的柵極和M2管的漏極相連，所述M2管的柵極和M1管的漏極相連；電容Cs和電感Ls，兩者相互并接，一個(gè)并接點(diǎn)同時(shí)與所述的M1管和M2管的漏極相連，而另外一個(gè)并接點(diǎn)接地。
實(shí)驗(yàn)證明本發(fā)明的性能優(yōu)于圖2所示的傳統(tǒng)的噪聲性能較好的低電壓電感電容諧振腔壓控振蕩器，見(jiàn)表1表.1性能比較



圖1傳統(tǒng)的電感電容諧振腔壓控振蕩器。
圖2傳統(tǒng)的噪聲性能較好的低電壓壓控振蕩器。
圖3本發(fā)明推薦的低電壓電感電容諧振腔壓控振蕩器。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明是通過(guò)將N型MOS晶體管的襯底連接到電源正電壓端從而降低晶體管得閾值來(lái)實(shí)現(xiàn)低電壓的壓控振蕩器的，見(jiàn)圖3，即是在圖2所示的振蕩器上改進(jìn)的。
所提及的電路結(jié)構(gòu)基于用電感和電容并聯(lián)回路做諧振回路，用晶體管的負(fù)阻作為損耗補(bǔ)償?shù)膲嚎卣袷幤鹘Y(jié)構(gòu)，如圖1。在文獻(xiàn)1(E.Hegazi，H.Sjoland，and A.A.Abidi，″A filteringtechnique to lower LC oscillator phase noise，″IEEE J.Solid-State Circuits，vol.36，no.12，pp.1921-1930，Dec.2001.)中，這種結(jié)構(gòu)作了一些修改以獲得更好的噪聲性能，在文獻(xiàn)1中，作者說(shuō)明了如圖2所示的電路比帶有電流源的電路有更好的相位噪聲性能，因?yàn)檫@種結(jié)構(gòu)沒(méi)有用做電流偏置的晶體管M5，這種晶體管是這一類壓控振蕩器中的主要的噪聲來(lái)源。M3通常會(huì)將電路中高次諧波附近的噪聲折疊到我們關(guān)心的頻率范圍。另外在圖2所示的電路中引入的電感Ls和電容Cs，并且它們諧振在兩倍的工作頻率，這樣就可以減小輸出的共模效因帶來(lái)的二次諧波附近的噪聲。
由于電路的偏置電流由電源電壓決定，這一類的電路屬于“電壓偏置”的電路。由于沒(méi)有一個(gè)偏置電流控制，在電路參數(shù)發(fā)生偏差的時(shí)候可能會(huì)引起很大的電流，但是由于從電源的正端到地之間沒(méi)有級(jí)聯(lián)的晶體管，這樣的電路比較適合低電壓工作，在文獻(xiàn)2(N.Troedssonand H.Sjoland，″An ultra low voltage 2.4GHz CMOS VCO，″in Radio and WirelessConference，2002.RAWCON 2002.IEEE，2002，pp.205-208)等應(yīng)用，這樣的結(jié)構(gòu)仍然得到應(yīng)用。
盡管將電源電壓降的越低，在晶體管保持同樣尺寸的前提下，電路流過(guò)的電流會(huì)越小。但是電壓是不可以無(wú)限制的降低，因?yàn)殡娫措妷罕仨毐ＷC晶體管能夠開(kāi)啟，并且提供足夠大的跨到使得電路的有源器件能夠補(bǔ)償諧振回路的損耗，也就是說(shuō)電路的跨導(dǎo)gm滿足如下條件gm·RL≥1(1)其中RL諧振回路的并聯(lián)等效電阻。我們需要在低電壓下用盡可能少的電流來(lái)達(dá)到更大的gm，根據(jù)晶體管的跨導(dǎo)公式gm=μ·COX·WL·(VGS-VTH)·(1+λ·VDS)...(2)]]>此處，μ為晶體管的溝道的載流子的遷移率，COX為晶體管柵極單位面積上的電容，λ是晶體管的溝道長(zhǎng)度調(diào)制效應(yīng)系數(shù)，W和L分別為晶體管的溝道的寬度和長(zhǎng)度，VGS和VDS分別為柵源電壓和漏源電壓，VTH是晶體管得閾值電壓。我們可以通過(guò)增加晶體管的溝道寬度來(lái)增加晶體管的跨導(dǎo)，但是增加晶體管的尺寸會(huì)同時(shí)增加電路的寄生電容，為了達(dá)到特定的諧振頻率和頻率調(diào)節(jié)范圍，晶體管的尺寸的增加會(huì)有限制。在本發(fā)明中，我們通過(guò)將晶體管的襯底連接到電源的電壓正極，使得晶體管的閾值電壓降低來(lái)VTH來(lái)實(shí)現(xiàn)在特定電壓下增加晶體管的跨導(dǎo)，因?yàn)槲覀冇腥缦碌木w管襯底偏置效應(yīng)公式VTH=VTH0+γ(|2φF+(VS-VB)|-|2φF|)...(3)]]>在這里VTHO是晶體管襯底零偏置時(shí)的閾值電壓，φF是物理常數(shù)費(fèi)米電動(dòng)勢(shì)，γ是晶體管襯底調(diào)制效應(yīng)系數(shù)。當(dāng)襯底電壓VB提高時(shí)，晶體管的閾值電壓會(huì)降低，從而在相同的電源電壓下，晶體管的跨到提高了。為了達(dá)到補(bǔ)償諧振回路損耗的跨導(dǎo)值，電源電壓的值也就降低了。通常的電路襯底和源極相連接，我們建議在低電壓工作時(shí)，將襯底連接到電源電壓的可以降低電路的閾值電壓。低電壓工作的VCO如圖3所示。
為了驗(yàn)證將襯底連接到電源電壓正極所帶來(lái)的效應(yīng)，我們用中芯國(guó)際0.18微米的CMOS工藝對(duì)文獻(xiàn)2中提及的電路(如圖2所示)和我們推薦的電路做比較。除了襯底偏置電壓不同以外，兩個(gè)電路的其它參數(shù)均相同，計(jì)算機(jī)模擬電路的結(jié)果如表1所示。從表1我們看到，無(wú)論從電源電壓還是偏置電流看，我們推薦的電路都要由于傳統(tǒng)的電路。電壓降低了13％，而功耗降低了25％。兩者在其它性能方面都相差不多，而且電路的復(fù)雜度不變。
權(quán)利要求
1.一種超低電壓的CMOS電感電容諧振腔壓控振蕩器，其特征在于，該壓控振蕩器是通過(guò)把N型MOS管的襯底連接到電源的正電壓端從而降低晶體管的閾值來(lái)實(shí)現(xiàn)低電壓壓控振蕩器的，該壓控振蕩器含有電感(L1)和電感(L2)，兩者相互串接，串接后接電源正電壓；MOS管(M3)和MOS管(M4)，兩者反向串接，串接后接電壓控制信號(hào)輸入端，反向串接的后另外兩端是和所述串接后的電感(L1)、(L2)的兩端分別相連，同時(shí)所述串接后兩端分別由寄生的電容(C1)和電容(C2)，所述的MOS管(M3)和MOS管(M4)在這里作為壓控可變電容使用；NMOS管(M1)和NMOS管(M2)，各自得襯底接電源正電壓端，所述的(M1)管和(M2)管的漏極各自分別反向串接的后所述(M3)管和(M4)管的另外兩個(gè)端點(diǎn)相連，所述(M1)管的柵極和(M2)管的漏極相連，所述(M2)管的柵極和(M1)管的漏極相連；電容(Cs)和電感(Ls)，兩者相互并接，一個(gè)并接點(diǎn)同時(shí)與所述的(M1)管和(M2)管的漏極相連，而另外一個(gè)并接點(diǎn)接地。
全文摘要
本發(fā)明屬于壓控振蕩器技術(shù)領(lǐng)域，本發(fā)明是在傳統(tǒng)的對(duì)地引入相應(yīng)并接電感、電容后的低電壓電感電容壓控振蕩器基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的，本發(fā)明的特征在于它是通過(guò)把兩個(gè)N型的MOS管的襯底分別連接到電源的正電壓端以降低晶體管的閾值來(lái)實(shí)現(xiàn)超低電壓電感電容壓控振蕩器的，所述相互并接的電感電容的一個(gè)連接點(diǎn)是與所述兩個(gè)N型MOS管的源極相連的。本發(fā)明中晶體管閾值低，從而功耗也小。在SMIC 0.18微米工藝條件下，工作電壓可以低至0.4伏，而平均電流只有2.6毫安。本發(fā)明適用于手持移動(dòng)設(shè)備的鎖相環(huán)頻率合成器中，也適用于其他電感、電容低電壓壓控振蕩器中。
文檔編號(hào)H03L7/099GK1767371SQ20051008699
公開(kāi)日2006年5月3日 申請(qǐng)日期2005年11月25日 優(yōu)先權(quán)日2005年11月25日
發(fā)明者冒小建, 楊華中, 汪蕙 申請(qǐng)人:清華大學(xué)