[发明专利]一种低闪烁噪声的毫米波压控振荡器

说明书

本发明属于毫米波通信技术领域，涉及毫米波压控振荡器，具体为一种低闪烁噪声的毫米波压控振荡器，用以克服现有低闪烁噪声的压控振荡器并不适用于毫米波频段的问题。本发明利用传统噪声循环压控振荡器结构中的PMOS管潜在的混频器工作模式会产生谐波电流的特点，添加一个工作在三次谐波处的带通选频滤波器，将传统噪声循环压控振荡器结构中固有的三次混频输出电流转换成电压，得到了低闪烁噪声的毫米波电压输出，打破了传统结构仅适用于低频的缺陷；并且，本发明提出的结构直接利用三次谐波电流进行复用，无需添加额外的电路，大大节省整体功耗，且结构简单。

技术领域

本发明属于毫米波通信技术领域，涉及毫米波压控振荡器，具体为一种低闪烁噪声的毫米波压控振荡器。

背景技术

随着通信技术的更新发展，毫米波通信技术开始成为研究热点。压控振荡器(VCO)作为毫米波通信技术中的关键电路模块，其设计存在许多的挑战：(1)相位噪声性能的恶化，这主要是由于工作频率升高到毫米波频段之后，无源器件的品质因数(Q值)显著的下降导致；(2)互补金属氧化物半导体(CMOS)器件本身固有的闪烁噪声严重的影响毫米波VCO的近端相位噪声，即闪烁噪声性能差。

对于一个好的VCO设计，相位噪声性能是设计者首要关心的；近些年来，许多低闪烁噪声的结构被提出。其中，一种称之为“噪声循环”的结构可以同时降低远端相位噪声和近端相位噪声(闪烁噪声)，其电路原理图如图1所示：电感L₁和变容管C_v构成低频LC并联谐振网络、其谐振频率决定了VCO的输出信号频率，NMOS管M₁、M₂构成交叉耦合对、抵消LC并联谐振的损耗，电容C₁和C₂为隔直电容，电阻R₁和R₂为偏置电阻，PMOS管M₃、M₄构成动态偏置的电流源；M₃、M₄管栅极的瞬态电压为直流偏置电压和VCO输出电压的叠加，当f₀₊的瞬态幅度达到最大时、M₃偏置电流最小而M₄偏置电流最大；与此类似，当输出f₀₊瞬态幅度达到最小时、M₃偏置电流最大而M₄偏置电流最小。这种结构可以实现相比传统NMOS电流源偏置结构能实现更好的闪烁噪声性能主要原因有两方面：(1)PMOS管本身的闪烁噪声要比NMOS小；(2)如图2所示显示了NMOS管和PMOS管作为电流偏置的噪声通路；对于NMOS管工作为一个恒流源，因此小信号模型为一个大电阻r₀，MOS管的噪声电流I_n只能通过晶体管的漏极注入到谐振腔中(如图2(a)所示)，从而产生相位噪声；而对于PMOS管偏置，其漏极接地等效为一个小电阻，阻值为1/g_m,其中g_m为跨导，噪声电流将分为两部分如图2(b)所示，一部分会流入谐振腔，但是大部分还是通过1/g_m这一低阻回路流入到地，不会产生相位噪声，由于闪烁噪声也将流入地中，因此闪烁噪声性能将得到很大改善。然而由于PMOS寄生电容的存在，对于闪烁噪声的抑制能力对于高频振荡器将不适用；如图3所示，分别显示了低频和高频的相噪状况；对于远端二者的差值基本一致，而在低频段频率越低二者的差值变得更大，说明对于高频振荡器闪烁噪声性能恶化，即该低闪烁噪声的结构仅适用于10GHz以下的低频VCO，而在毫米波频段并不适用。

发明内容

本发明的目的在于针对现有低闪烁噪声的压控振荡器并不适用于毫米波频段的问题，提供一种低闪烁噪声的毫米波压控振荡器；利用传统结构中的PMOS管潜在的混频器工作模式会产生谐波电流的特点，将次电流进行转化得到谐波电压输出，从而实现了低闪烁噪声的高频毫米波信号输出。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：