具有低闪烁噪声的压控振荡器及电路

摘要

一种压控振荡器，包括电流源、第一电流镜MOS管、第二电流镜MOS管、第一MOS管、第二MOS管、第三MOS管、第四MOS管和LC谐振回路，所述第一MOS管和所述第二MOS管构成一个差分负阻电路，所述第三MOS管和所述第四MOS管构成另一个差分负阻电路，两个差分负阻电路和所述LC谐振回路并联，所述第一电流镜MOS管的源极通过第一电阻接电源，所述第二电流镜MOS管的源极通过第二电阻接电源，所述第三MOS管的源极通过第三电阻接地，所述第四MOS管的源极通过第四电阻接地。通过在主要提供1/f噪声的MOS管的源极串联电阻，降低了压控振荡器的低频相位噪声。

说明书

技术领域

本发明属于模拟电路设计领域，特别涉及一种具有低闪烁噪声的压控振荡器及电路。

背景技术

压控振荡器（VCO）用于产生振荡信号，在频率综合器等电路中具有广泛的应用。负阻型LC VCO利用电感、电容的选频作用确定振荡频率，具有较高振荡频率和较低的相位噪声。

一种使用偏置电流源的、全差分LC VCO电路如图1所示。其中理想电流源IB通过电流镜MBP1和MBP2为振荡电路提供偏置电流。MP1和MP2构成一个差分负阻电路，MN3和MN4构成另一个差分负阻电路，两个负阻电路和LC谐振回路并联。该振荡电路的差分输出节点为Vout1和Vout2。

VCO需要有较小的相位噪声。在图1所示的VCO电路中，其低频相位噪声主要来源于MOS管的闪烁噪声（1/f噪声）。当电路振荡工作时，MBP1管的噪声电流通过电流镜耦合到MBP2管的漏极，MBP2管的噪声电流直接出现在MBP2管的漏极，这些噪声电流在MP1、MP2管的开关作用下被上变频到振荡频率附近，形成低频的相位噪声。MBP1和MBP2管的1/f噪声是振荡器低频相位噪声的主要来源。另一方面，MP1、MP2、MN3、MN4管的1/f噪声电流也通过类似的上变频过程影响振荡器的低频相位噪声。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有低闪烁噪声的压控振荡器。

另一目的在于提供具有该压控振荡器的电路。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种压控振荡器，包括电流源、第一电流镜MOS管、第二电流镜MOS管、第一MOS管、第二MOS管、第三MOS管、第四MOS管和LC谐振回路，所述第一MOS管和所述第二MOS管构成一个差分负阻电路，所述第三MOS管和所述第四MOS管构成另一个差分负阻电路，两个差分负阻电路和所述LC谐振回路并联，所述第一电流镜MOS管的源极通过第一电阻接电源，所述第二电流镜MOS管的源极通过第二电阻接电源，所述第三MOS管的源极通过第三电阻接地，所述第四MOS管的源极通过第四电阻接地。

优选地，所述第三电阻和所述第四电阻阻值相等。

优选地，所述第一电流镜MOS管、第二电流镜MOS管、第一MOS管和第二MOS管为PMOS管，所述第三MOS管和第四MOS管为NMOS管。

一种电路，包括所述的压控振荡器。

本发明有益的技术效果在于：

本发明的压控振荡器通过在主要提供1/f噪声的MOS管的源极串联电阻，降低了这些MOS管的1/f噪声对振荡器低频相位噪声的影响，降低了VCO的低频相位噪声，从而该压控振荡器具有低闪烁噪声。

附图说明

图1是经典VCO的电路原理图；

图2是本发明实施例的具有低闪烁噪声的VCO电路原理图；

图3是单个MOS管输出1/f噪声电流的分析图；

图4是在MOS管源极串联电阻后输出1/f噪声电流的分析图；

图5是图1和图2电路相位噪声的对比。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明提出的具有低闪烁噪声的压控振荡器的实施例作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

参阅图2，在一个实施例里，具有低闪烁噪声的压控振荡器包括电流源IB、第一电流镜MOS管MBP1、第二电流镜MOS管MBP2、第一MOS管MP1、第二MOS管MP2、第三MOS管MN3、第四MOS管MN4和LC谐振回路，其中，所述第一MOS管MP1和所述第二MOS管MP2构成一个差分负阻电路，所述第三MOS管MN3和所述第四MOS管MN4构成另一个差分负阻电路，两个差分负阻电路和所述LC谐振回路并联，所述第一电流镜MOS管MBP1的源极通过第一电阻R1接电源VDD，所述第二电流镜MOS管MBP2的源极通过第二电阻R2接电源VDD，所述第三MOS管MN3的源极通过第三电阻R3接地，所述第四MOS管MN4的源极通过第四电阻R3接地。

为使描述简便，以下将第一电流镜MOS管、第二电流镜MOS管、第一PMOS管、第二PMOS管、第三NMOS管和第四NMOS管分别称为MBP1管、MBP2管、MP1管、MP2管、MN3管和MN4管。

优选地，第三电阻和所述第四电阻阻值相等。

优选地，MBP1管、MBP2管、MP1管、MP2管为PMOS管，MN3管和MN4管为NMOS管。

图2的电路在图1电路的基础上，在MBP1管的源极和VDD之间增加电阻R1、在MBP2管的源极和VDD之间增加电阻R2、在MN3管、MN4管的源极和GND之间增加电阻R3，以此降低以上四个MOS管1/f噪声对振荡器低频相位噪声的贡献。另外，MBP1管及电阻R1、MBP2管及电阻R2构成比例电流镜，为振荡电路提供偏置电流。

单个MOS管的噪声计算如图3a和图3b所示。其中图3a是MOS管的原理图，其中VB是直流偏置电压，VDD是电源电压。图3b是对应图3a的小信号等效电路图。在图3b中，g_m1是MOS管的跨导，r_o1是交流输出电阻，i_nf1是1/f噪声电流，i_nf1在MOS管的漏极产生输出噪声电流i_n，out1。根据小信号等效电路图可以得到公式（1）。

i_n，out1=i_nf1（1）

为了降低MOS管的1/f噪声，可以在其源极串联电阻R，如图4a和图4b所示。类似的，图4a是原理图，图4b是对应图4a的小信号等效电路图。通常认为电阻R的1/f噪声可以忽略，因此图4中电路的1/f噪声都是由MOS管的1/f噪声产生的。根据图4b可以得到公式（2）。

$>i_{n,\mathrm{out}2}=\frac{i_{\mathrm{nf}2}}{{1+g}_{m2}R+\frac{R}{r_{o2}}}---\left(2\right)$>

当g_m2R>1时，从公式（2）可得到公式（3）。

$>i_{n,\mathrm{out}2}=\frac{i_{\mathrm{nf}2}}{{1+g}_{m2}R+\frac{R}{r_{o2}}}\approx \frac{i_{\mathrm{nf}2}}{g_{m2}R}---\left(3\right)$>

MOS管的1/f噪声电流可以用公式（4）表示，其中K是和工艺相关的参数，g_m是MOS管的跨导，W、L分别是MOS管的宽和长。

$>i_{\mathrm{nf}}=\sqrt{\frac{{{\mathrm{Kg}}_m}^2}{\mathrm{WL}}}---\left(4\right)$>

把公式（4）带入到公式（1），得到公式（5）；把公式（4）带入到公式（3），得到公式（6）。公式（6）除以公式（5）得到公式（7）。

$>i_{n,\mathrm{out}1}=i_{\mathrm{nf}1}=\sqrt{\frac{{{\mathrm{Kg}}_{m1}}^2}{W_1{L}_1}}---\left(5\right)$>

$>i_{n,\mathrm{out}2}=\frac{i_{\mathrm{nf}2}}{g_{m2}R}=\frac{1}{g_{m2}R}\sqrt{\frac{{{\mathrm{Kg}}_{m2}}^2}{W_2{L}_2}}=\sqrt{\frac{K}{W_2{L}_2{R}^2}}---\left(6\right)$>

$>\frac{i_{n,\mathrm{out}2}}{i_{n,\mathrm{out}1}}=\sqrt{\frac{K}{W_2{L}_2{R}^2}/\frac{{{\mathrm{Kg}}_{m1}}^2}{W_1{L}_1}}=\sqrt{\frac{W_1{L}_1}{W_2{L}_2}\frac{1}{{g_{m1}}^2{R}^2}}---\left(7\right)$>

为了保证振荡器的振幅不变，需要保证图1中VA的直流电压不变，且流过偏置MOS管MBP2管的电流不变。那么当MBP2管的源极和VDD之间串联电阻R后，由于电阻R消耗掉了一些直流电压，MBP2管的栅源电压减小，因此其尺寸必然增加。对应公式（7），意味着增加电阻R后MOS管的面积W₂L₂大于未使用电阻时MOS管的面积W₁L₁。当g_m1R>1时，从（7）可知，串联电阻R后，MOS管输出的1/f噪声电流减小。类似的方法可以应用到电路中需要降低1/f噪声的MOS管上。

图5是图1所示振荡器和图2所示振荡器相位噪声的比较，图中，A表示未加入源极电阻的VCO的相位噪声曲，B表示加入了源极电阻的VCO的相位噪声曲线。由图可见，增加了电阻的振荡器具有更好的相位噪声。

在另一些实施例里，多种使用压控振荡器的电路可以具有如图2所示的压控振荡器。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。