应用于卫星通讯的X波段与Ku波段Class-C电容电感压控振荡器专利检索-使用工作于非开关状态的有源元件电路直接或经频率变换产生振荡由这样的电路产生噪声专利检索查询-专利查询网

应用于卫星通讯的X波段与Ku波段Class-C电容电感压控振荡器
申请号	CN202311255118.4	申请日	2023-09-26	公开(公告)号	CN117335747A	公开(公告)日	2024-01-02
申请人	华东师范大学;			发明人	朱丹玥; 谢雨欣; 谢妙兴;
摘要	本发明公开了一种应用于卫星通讯的X波段与Ku波段Class‑C电容电感压控振荡器，包括：栅极偏置电路，用于调整振荡器工作在Class‑C模式；电容电感谐振腔，用于形成稳定的振荡波形；交叉耦合负阻电路，用于抵消谐振腔中寄生电阻消耗的能量以保持等幅振荡；开关电容阵列，用于实现宽频带调谐范围；两个MOS管，用于增大交叉耦合管的跨导；两个尾电容，用于容纳寄生电容并滤除高频噪声。其中，根据不同类型的负阻结构可分为N型交叉耦合电容电感压控振荡器结构和P型交叉耦合电容电感压控振荡器结构。本发明提供的Class‑C电容电感压控振荡器克服了起振困难的缺点，并且无需把两个电感做成变压器的耦合形式，避免了CMOS工艺中变压器耦合度低和耦合衰减大的问题。
权利要求	1.一种应用于卫星通讯的X波段与Ku波段Class‑C电容电感压控振荡器，其特征在于，包括：N型交叉耦合电容电感压控振荡器结构和P型交叉耦合电容电感压控振荡器结构；所述N型交叉耦合电容电感压控振荡器结构包括：由可调电阻R1和第一电感L1组成的栅极偏置电路，通过控制交叉耦合对的栅极偏置电压来调整振荡器工作在Class‑C模式；由可变电容C3、可变电容C4、第五电容C5、第六电容C6、第七电容C7和第二电感L2组成的电容电感谐振腔，通过能量的来回转移形成稳定的振荡波形；由第一NMOS管M1和第二NMOS管M2组成的N型交叉耦合负阻电路，用于抵消谐振腔中寄生电阻消耗的能量以保持等幅振荡；开关电容阵列，用于实现宽频带调谐范围；第三PMOS管M3和第四PMOS管M4，用于增大交叉耦合管的跨导；第一电容C1和第二电容C2作为两个尾电容，用于容纳寄生电容并滤除高频噪声；其中，可调电阻R1一端与电源电压VDD连接，另一端与第一电感L1的中心抽头连接；第一电容C1和第二电容C2一端均与电源电压VDD连接，另一端分别与第一电感L1的两端连接；可变电容C3和可变电容C4一端均与输入调谐电压Vctrl连接，另一端分别与第二NMOS管M2的栅极、第一NMOS管M1的栅极连接；开关电容阵列两端分别与第二NMOS管M2的栅极、第一NMOS管M1的栅极连接；第一NMOS管M1的栅极与第二输出端口Vout2连接，第一NMOS管M1的漏极与第一输出端口Vout1连接，第一NMOS管M1的源极与第三PMOS管M3的源极连接；第二NMOS管M2的栅极与第一输出端口Vout1连接，第二NMOS管M2的漏极与第二输出端口Vout2连接，第二NMOS管M2的源极与第四PMOS管M4的源极连接；第五电容C5一端与第二NMOS管M2的栅极连接，另一端与第三PMOS管M3的栅极连接；第六电容C6一端与第一NMOS管M1的栅极连接，另一端与第四PMOS管M4的栅极连接；第七电容C7一端与第三PMOS管M3的栅极连接，另一端与第四PMOS管M4的栅极连接；第二电感L2一端与第三PMOS管M3的栅极连接，另一端与第四PMOS管M4的栅极连接，中心抽头与地连接；第三PMOS管M3的漏极和第四PMOS管M4的漏极均与地连接；所述P型交叉耦合电容电感压控振荡器结构包括：由可调电阻R1和第二电感L2组成的栅极偏置电路，通过控制交叉耦合对的栅极偏置电压来调整振荡器工作在Class‑C模式；由第一电感L1、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、可变电容C4和可变电容C5组成的电容电感谐振腔，通过能量的来回转移形成稳定的振荡波形；由第三PMOS管M3和第四PMOS管M4组成的P型交叉耦合负阻电路，用于抵消谐振腔中寄生电阻消耗的能量以保持等幅振荡；开关电容阵列，用于实现宽频带调谐范围；第一NMOS管M1和第二NMOS管M2，用于增大交叉耦合管的跨导；第六电容C6和第七电容C7作为两个尾电容，用于容纳寄生电容并滤除高频噪声；其中，第一NMOS管M1的漏极和第二NMOS管M2的漏极均与电源电压VDD连接；第一电感L1一端与第一NMOS管M1的栅极连接，另一端与第二NMOS管M2的栅极连接，中心抽头与电源电压VDD连接；第一电容C1一端与第一NMOS管M1的栅极连接，另一端与第二NMOS管M2的栅极连接；第二电容C2一端与第二NMOS管M2的栅极连接，另一端与第三PMOS管M3的栅极连接；第三电容C3一端与第一NMOS管M1的栅极连接，另一端与第四PMOS管M4的栅极连接；第三PMOS管M3的栅极与第二输出端口Vout2连接，第三NMOS管M3的漏极与第一输出端口Vout1连接，第三NMOS管M3的源极与第一NMOS管M1的源极连接；第四PMOS管M4的栅极与第一输出端口Vout1连接，第四NMOS管M4的漏极与第二输出端口Vout2连接，第四NMOS管M4的源极与第二NMOS管M2的源极连接；可变电容C4和可变电容C5一端均与输入调谐电压Vctrl连接，另一端分别与第四PMOS管M4的栅极、第三PMOS管M3的栅极连接；开关电容阵列两端分别与第四PMOS管M4的栅极、第三PMOS管M3的栅极连接；第六电容C6和第七电容C7一端均与地连接，另一端分别与第二电感L2的两端连接；可调电阻R1一端与地连接，另一端与第二电感L2的中心抽头连接。
说明书全文	应用于卫星通讯的X波段与Ku波段Class‑C电容电感压控振荡器技术领域 [0001] 本发明涉及集成电路领域，具体涉及一种应用于卫星通讯的X波段与Ku波段Class‑C电容电感压控振荡器。背景技术 [0002] 在现代通信系统中，卫星通讯发挥着越来越重要的作用，其中X波段与Ku波段的相关技术开发地较早，因此被广泛使用。压控振荡器是射频收发机的关键组成部分，为收发系统提供本振时钟信号，因此对其性能要求非常严格。在低电源电压条件下，Class‑C压控振荡器比其他结构的压控振荡器具有更好的相位噪声性能。 [0003] 传统的Class‑C压控振荡器具有以下缺点：1、受PVT特性和较低栅极偏压的影响，电路不易鲁棒起振；2、基于变压器的Class‑C压控振荡器需要把两个电感做成变压器的耦合形式，但是在CMOS工艺中耦合度低且耦合衰减大。发明内容 [0004] 针对上述问题，本发明的目的是提供一种应用于卫星通讯的X波段与Ku波段Class‑C电容电感压控振荡器，该压控振荡器克服了传统Class‑C压控振荡器的缺点，所以容易起振，并且不需要把两个电感做成变压器的耦合形式，具有实用性。 [0005] 实现本发明目的的具体技术方案是： [0006] 一种应用于卫星通讯的X波段与Ku波段Class‑C电容电感压控振荡器，包括：N型交叉耦合电容电感压控振荡器结构和P型交叉耦合电容电感压控振荡器结构； [0007] 所述N型交叉耦合电容电感压控振荡器结构包括：由可调电阻R1和第一电感L1组成的栅极偏置电路，通过控制交叉耦合对的栅极偏置电压来调整振荡器工作在Class‑C模式；由可变电容C3、可变电容C4、第五电容C5、第六电容C6、第七电容C7和第二电感L2组成的电容电感谐振腔，通过能量的来回转移形成稳定的振荡波形；由第一NMOS管M1和第二NMOS管M2组成的N型交叉耦合负阻电路，用于抵消谐振腔中寄生电阻消耗的能量以保持等幅振荡；开关电容阵列，用于实现宽频带调谐范围；第三PMOS管M3和第四PMOS管M4，用于增大交叉耦合管的跨导；第一电容C1和第二电容C2作为两个尾电容，用于容纳寄生电容并滤除高频噪声；其中，可调电阻R1一端与电源电压VDD连接，另一端与第一电感L1的中心抽头连接；第一电容C1和第二电容C2一端均与电源电压VDD连接，另一端分别与第一电感L1的两端连接；可变电容C3和可变电容C4一端均与输入调谐电压Vctrl连接，另一端分别与第二NMOS管M2的栅极、第一NMOS管M1的栅极连接；开关电容阵列两端分别与第二NMOS管M2的栅极、第一NMOS管M1的栅极连接；第一NMOS管M1的栅极与第二输出端口Vout2连接，第一NMOS管M1的漏极与第一输出端口Vout1连接，第一NMOS管M1的源极与第三PMOS管M3的源极连接；第二NMOS管M2的栅极与第一输出端口Vout1连接，第二NMOS管M2的漏极与第二输出端口Vout2连接，第二NMOS管M2的源极与第四PMOS管M4的源极连接；第五电容C5一端与第二NMOS管M2的栅极连接，另一端与第三PMOS管M3的栅极连接；第六电容C6一端与第一NMOS管M1的栅极连接，另一端与第四PMOS管M4的栅极连接；第七电容C7一端与第三PMOS管M3的栅极连接，另一端与第四PMOS管M4的栅极连接；第二电感L2一端与第三PMOS管M3的栅极连接，另一端与第四PMOS管M4的栅极连接，中心抽头与地连接；第三PMOS管M3的漏极和第四PMOS管M4的漏极均与地连接； [0008] 所述P型交叉耦合电容电感压控振荡器结构包括：由可调电阻R1和第二电感L2组成的栅极偏置电路，通过控制交叉耦合对的栅极偏置电压来调整振荡器工作在Class‑C模式；由第一电感L1、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、可变电容C4和可变电容C5组成的电容电感谐振腔，通过能量的来回转移形成稳定的振荡波形；由第三PMOS管M3和第四PMOS管M4组成的P型交叉耦合负阻电路，用于抵消谐振腔中寄生电阻消耗的能量以保持等幅振荡；开关电容阵列，用于实现宽频带调谐范围；第一NMOS管M1和第二NMOS管M2，用于增大交叉耦合管的跨导；第六电容C6和第七电容C7作为两个尾电容，用于容纳寄生电容并滤除高频噪声；其中，第一NMOS管M1的漏极和第二NMOS管M2的漏极均与电源电压VDD连接；第一电感L1一端与第一NMOS管M1的栅极连接，另一端与第二NMOS管M2的栅极连接，中心抽头与电源电压VDD连接；第一电容C1一端与第一NMOS管M1的栅极连接，另一端与第二NMOS管M2的栅极连接；第二电容C2一端与第二NMOS管M2的栅极连接，另一端与第三PMOS管M3的栅极连接；第三电容C3一端与第一NMOS管M1的栅极连接，另一端与第四PMOS管M4的栅极连接；第三PMOS管M3的栅极与第二输出端口Vout2连接，第三NMOS管M3的漏极与第一输出端口Vout1连接，第三NMOS管M3的源极与第一NMOS管M1的源极连接；第四PMOS管M4的栅极与第一输出端口Vout1连接，第四NMOS管M4的漏极与第二输出端口Vout2连接，第四NMOS管M4的源极与第二NMOS管M2的源极连接；可变电容C4和可变电容C5一端均与输入调谐电压Vctrl连接，另一端分别与第四PMOS管M4的栅极、第三PMOS管M3的栅极连接；开关电容阵列两端分别与第四PMOS管M4的栅极、第三PMOS管M3的栅极连接；第六电容C6和第七电容C7一端均与地连接，另一端分别与第二电感L2的两端连接；可调电阻R1一端与地连接，另一端与第二电感L2的中心抽头连接。 [0009] 本发明的有益效果在于：该种应用于卫星通讯的X波段与Ku波段Class‑C电容电感压控振荡器采用电感和可调电阻组成的偏置电路来控制交叉耦合管栅极额外的偏置，并且增加了两个MOS管用于增大交叉耦合管的跨导，克服了传统Class‑C压控振荡器的栅极偏压较低的缺点，所以容易起振，并且不需要把两个电感做成变压器的耦合形式，避免了在CMOS工艺中耦合度低且耦合衰减大的问题。附图说明 [0010] 图1是本发明实施例N型交叉耦合电容电感压控振荡器结构； [0011] 图2是本发明实施例P型交叉耦合电容电感压控振荡器结构； [0012] 图3是本发明实施例采用N型交叉耦合电容电感压控振荡器结构时的起振波形图； [0013] 图4是本发明实施例采用P型交叉耦合电容电感压控振荡器结构时的起振波形图。具体实施方式 [0014] 下面将结合本发明实施例及附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。 [0015] 如图1所示，一种应用于卫星通讯的X波段与Ku波段Class‑C电容电感压控振荡器结构示意图，具体为N型交叉耦合电容电感压控振荡器结构，包括：由可调电阻R1和第一电感L1组成的栅极偏置电路，通过控制交叉耦合对的栅极偏置电压来调整振荡器工作在Class‑C模式，且更易起振；由可变电容C3、可变电容C4、第五电容C5、第六电容C6、第七电容C7和第二电感L2组成的电容电感谐振腔，通过能量的来回转移形成稳定的振荡波形；由第一NMOS管M1和第二NMOS管M2组成的N型交叉耦合负阻电路，用于抵消谐振腔中寄生电阻消耗的能量以保持等幅振荡；开关电容阵列，用于实现宽频带调谐范围；第三PMOS管M3和第四PMOS管M4，用于增大交叉耦合管的跨导；第一电容C1和第二电容C2作为两个尾电容，用于容纳寄生电容并滤除高频噪声。具体包括：可调电阻R1一端与电源电压VDD连接，另一端与第一电感L1的中心抽头连接；第一电容C1和第二电容C2一端均与电源电压VDD连接，另一端分别与第一电感L1的两端连接；可变电容C3和可变电容C4一端均与输入调谐电压Vctrl连接，另一端分别与第二NMOS管M2的栅极、第一NMOS管M1的栅极连接；开关电容阵列两端分别与第二NMOS管M2的栅极、第一NMOS管M1的栅极连接；第一NMOS管M1的栅极与第二输出端口Vout2连接，第一NMOS管M1的漏极与第一输出端口Vout1连接，第一NMOS管M1的源极与第三PMOS管M3的源极连接；第二NMOS管M2的栅极与第一输出端口Vout1连接，第二NMOS管M2的漏极与第二输出端口Vout2连接，第二NMOS管M2的源极与第四PMOS管M4的源极连接；第五电容C5一端与第二NMOS管M2的栅极连接，另一端与第三PMOS管M3的栅极连接；第六电容C6一端与第一NMOS管M1的栅极连接，另一端与第四PMOS管M4的栅极连接；第七电容C7一端与第三PMOS管M3的栅极连接，另一端与第四PMOS管M4的栅极连接；第二电感L2一端与第三PMOS管M3的栅极连接，另一端与第四PMOS管M4的栅极连接，中心抽头与地连接；第三PMOS管M3的漏极和第四PMOS管M4的漏极均与地连接。 [0016] 如图2所示，一种应用于卫星通讯的X波段与Ku波段Class‑C电容电感压控振荡器结构示意图，具体为P型交叉耦合电容电感压控振荡器结构，包括：由可调电阻R1和第二电感L2组成的栅极偏置电路，通过控制交叉耦合对的栅极偏置电压来调整振荡器工作在Class‑C模式，且更易起振；由第一电感L1、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、可变电容C4和可变电容C5组成的电容电感谐振腔，通过能量的来回转移形成稳定的振荡波形；由第三PMOS管M3和第四PMOS管M4组成的P型交叉耦合负阻电路，用于抵消谐振腔中寄生电阻消耗的能量以保持等幅振荡；开关电容阵列，用于实现宽频带调谐范围；第一NMOS管M1和第二NMOS管M2，用于增大交叉耦合管的跨导；第六电容C6和第七电容C7作为两个尾电容，用于容纳寄生电容并滤除高频噪声。具体包括：第一NMOS管M1的漏极和第二NMOS管M2的漏极均与电源电压VDD连接；第一电感L1一端与第一NMOS管M1的栅极连接，另一端与第二NMOS管M2的栅极连接，中心抽头与电源电压VDD连接；第一电容C1一端与第一NMOS管M1的栅极连接，另一端与第二NMOS管M2的栅极连接；第二电容C2一端与第二NMOS管M2的栅极连接，另一端与第三PMOS管M3的栅极连接；第三电容C3一端与第一NMOS管M1的栅极连接，另一端与第四PMOS管M4的栅极连接；第三PMOS管M3的栅极与第二输出端口Vout2连接，第三NMOS管M3的漏极与第一输出端口Vout1连接，第三NMOS管M3的源极与第一NMOS管M1的源极连接；第四PMOS管M4的栅极与第一输出端口Vout1连接，第四NMOS管M4的漏极与第二输出端口Vout2连接，第四NMOS管M4的源极与第二NMOS管M2的源极连接；可变电容C4和可变电容C5一端均与输入调谐电压Vctrl连接，另一端分别与第四PMOS管M4的栅极、第三PMOS管M3的栅极连接；开关电容阵列两端分别与第四PMOS管M4的栅极、第三PMOS管M3的栅极连接；第六电容C6和第七电容C7一端均与地连接，另一端分别与第二电感L2的两端连接；可调电阻R1一端与地连接，另一端与第二电感L2的中心抽头连接。 [0017] 对于传统的Class‑C压控振荡器，为了保证交叉耦合管工作在饱和区，需要满足： [0018] VD>VG‑Vth [0019] 最严苛的条件是： [0020] VD‑min＝VDD‑Atank [0021] VG‑max＝Vgbias+kAtank [0022] 即有： [0023] [0024] 式中，Vth为交叉耦合管的阈值电压，Atank为谐振腔的单端振幅，Vgbias为交叉耦合管的栅极偏置电压，k为谐振腔到交叉耦合管栅极的交流电压反馈因子，VDD为电源电压，假设k＝1，同时，由于Vgbias>Vth+Vod，其中Vod为交叉耦合管的过驱动电压，所以最大输出振幅如下： [0025] [0026] 可得输出振幅较小，所以传统的Class‑C压控振荡器具有起振困难的问题。 [0027] 在本发明中，采用电感和可调电阻组成的偏置电路来控制交叉耦合管的栅极偏置电压，并且增加两个MOS管用于增大交叉耦合管的跨导，克服了传统Class‑C压控振荡器的缺点，所以容易起振，图3和图4给出了实施例的起振波形图，可见在14ns以内两种结构的Class‑C电容电感压控振荡器均可以稳定输出波形。并且不需要把两个电感做成变压器的耦合形式，避免了在CMOS工艺中耦合度低且耦合衰减大的问题。 [0028] 以上所述为本发明的基本原理、主要特征和优点，但不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以作出各种变化和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明要求保护范围以权利要求为准。

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