专利名称：一种可优化vco相位噪声性能的新型开关结构的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种高性能射频锁相环芯片设计，尤其涉及一种可优化VCO相位噪声性能的新型开关结构，属于半导体集成电路技术领域。
背景技术：
锁相环作为时钟频率合成模块或者射频芯片中的本振频率合成模块，在各种芯片产品中有着广泛的应用。随着电子产业的发展以及各种新的通信标准的提出，人们对单芯片集成更多通信协议的要求越来越高，不同通信协议占用频带的不同意味着锁相环在保证良好相位噪声性能的同时需要有更宽的频率覆盖范围。经典的模拟锁相环电路模块包括:鉴频鉴相器(PFD)、模拟环路滤波器(LPF)、压控振荡器(VC0)、分频器等；与模拟锁相环不同，数字锁相环采用TDC替代鉴频鉴相器，数字滤波器替代模拟滤波器，数控振荡器(DCO)替代压控振荡器(VCO)。VCO或者是DC0，作为锁相环的主要组成部分，其相位噪声性能直接影响整个锁相环的相位噪声性能。在锁相环系统设计中为了保证合理的振荡器增益，宽频率覆盖范围的锁相环往往通过在振荡器中加入更多的开关改变谐振腔的电容值实现，如图7所示。但是CMOS工艺中开关的非理想特性会严重恶化振荡器的相位噪声性能。传统宽频率覆盖范围VCO电路中开关电路结构如图1所示。开关由三个MOS开关管MO、Ml、M2组成，理想情况下，当控制电压SW为高时开关理想导通，电容CO、Cl接入谐振腔两端，增大谐振腔电容值，VCO振荡在低频段；当控制电压SW为低时开关理想关断，电容CO、Cl脱离谐振腔，VCO振荡在高频段。然而，实际MOS管开关导通与关断情况下的等效电路如图2所示，导通情况下开关寄生电阻Rds严重影响电容CO和Cl的谐振腔Q值，导致低频段相位噪声恶化。为了减小开关导通对谐振腔Q值的影响，需要加大开关尺寸；关断情况下开关寄生非线性电容Cdg/Cdb(Csg/Csb)接入谐振腔中，高频的VCO输出信号几乎全部通过电容CO、Cl进入到非线性电容的两端，使得谐振腔中的电容随着振荡幅度的变化不断变化，恶化了 VCO的相位噪声性能。特别是当VCO工作在最高频率时，所有开关电路的开关都断开，整个开关电路在谐振腔中表现为一个非常大的非线性电容，会严重影响压控振荡器的相位噪声性能。可以通过减小开关尺寸来降低非线性电容的影响，但小尺寸开关又会严重影响VCO低频段的相位噪声性能。可见传统的开关结构不能兼顾高低频段相位噪声性能，特别是在VCO频率覆盖范围很高的情况下。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种新型的CMOS开关结构，在不影响宽频率覆盖范围VCO低频段相位噪声性能的同时优化其高频段相位噪声性倉泛。为解决上述技术问题，本发明提供一种可优化VCO相位噪声性能的新型开关结构，包括三个栅极共连并与控制电压SW连接的第一 MOS开关管、第二 MOS开关管、第三MOS开关管；所述第二 MOS开关管、第三MOS开关管的源极接地,漏极分别与第一 MOS开关管的源极和漏极连接，其特征是，还包括两个MOS电容管，两个MOS电容管的栅极分别连接到所述第一MOS开关管的源极和漏极；两个MOS电容管的源极共连至地；两个MOS电容管的漏极均接地。由上述各元件连接构成的开关结构作为一开关支路，多个所述开关支路并联构成开关阵列。所述开关阵列采用二进制数字控制位或者任何其它数字编码方式进行控制。本发明所达到的有益效果:
本发明在传统VCO开关电路结构基础上，加入非线性电容补偿电路，很好的补偿了在开关断开时的开关非线性寄生电容对VCO相位噪声的影响。通过分析该改进的开关电路结构，以及仿真验证，可以看到该改进结构在开关全部断开时对压控振荡器的相位噪声性能有良好的改善，并且在开关全部导通时对电路几乎没有影响。在现今的压控振荡器的设计中，随着频率的升高，频率覆盖范围的加宽，本发明将会大大提高VCO的高频段相位噪声性倉泛。
图1是传统VCO开关结构；
图2是传统VCO开关等效电路；
图3是本发明的新型VCO开关结构；
图4是本发明的新型VCO开关电路的电路模型；
图5是本发明的新型VCO开关电路半边电路模型；
图6是开关断开时CdOl与Cg3的电容曲线；
图7是采用传统开关阵列结构的VCO ；
图8采用新型开关阵列结构的VCO ；
图9开关全部导通时采用传统和新型开关结构的VCO相位噪声曲线；
图10开关全部断开时采用传统和新型开关结构的VCO相位噪声曲线。
具体实施例方式下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。针对传统开关结构在宽频率覆盖范围的VCO中不能同时兼顾高低频段相位噪声性能的缺陷，本发明给出了一种新的开关结构，可在不影响VCO低频段相位噪声性能的同时优化其高频段相位噪声性能。电路结构如图3所示，MOS开关管M0、M1、M2的栅端共连，并与控制电压SW连接。MOS开关管Ml、M2的源端接地，MOS开关管Ml、M2的漏端分别与MOS开关管MO的源端和漏端连接。同时，MOS开关管MO的源端和漏端用于分别与VCO中的电容CO、Cl相连接。同时，MOS开关管MO的源端和漏端分别连接MOS电容管M3、M4的栅端，MOS电容管M3、M4的源端共连并接地，MOS电容管M3、M4的漏端均接地。本发明的开关结构的电路等效模型如图4所示。CdOl和CsOl分别是从MOS开关管MO漏端看到的MOS开关管M0、M1管的对地电容和从MOS开关管MO源端看到的MOS开关管M0、M2管的对地电容，Cg3、Cg4分别为从MOS电容管M3、M4管栅端看到的对地电容，Rds为MOS开关管MO的源漏电阻。在合理选择开关尺寸的情况下，开关导通时，可以保证源漏电阻Rds是一个非常小的电阻，源漏电阻Rds两端的寄生电容对电路影响可以忽略，所以尽管与传统开关结构相比新的电路结构增加了 MOS电容管M3/M4栅端的寄生电容，但在低频下该寄生电容的影响完全可以忽略。开关断开时，源漏电阻Rds是一个非常大的电阻，高频信号通过电容C0/C1直接加在非线性寄生电容的两端。为了更清楚地说明新型开关结构对电容非线性的补偿作用，开关关断时新型开关电路的半边等效电路模型如图5所示。当MOS开关管MO的漏端有个变化的电压Vd时，这个电压直接加在MOS开关管MO、Ml的漏端以及MOS电容管M3栅端，等效寄生电容Cd01、Cg3将随着电压Vd的变化而变化。将这两个电容随电压Vd的变化分开看:M0S开关管M0、M1栅端接地，CdOl相当于随着有源区漏端电压Vd在变化；而皿)5电容管M3源漏接地，Cg3相当于随着栅端电压Vd在变化，这可以等效为MOS电容管M3栅端接地，Cg3相当于随着有源区源漏端电压(-Vd)在变化。也就是说CdOl、Cg3将随着MOS开关管MO漏端电压Vd的变化成相反的趋势变化。因这个相反的变化趋势，从MOS开关管MO漏端看到的对地寄生电容即CdOl、Cg3并联相加电容将随着MOS开关管MO漏端电压Vd的变化呈现比较缓和的变化，相较于图1中的电路结构，MOS电容管M3的加入很好的补偿了 CdOl随MOS开关管MO漏端电压变化的程度。合理的MOS电容管M3/M4尺寸选择，将能够很好的补偿开关的非线性寄生电容，优化了 VCO在高频段的相位噪声性能。可见，新型开关结构能够较好的兼顾了宽频率覆盖范围VCO的高低频段相位噪声性能。图6是一定尺寸下，开关断开时，CdOl和Cg3随MOS开关管MO漏端电压变化的电容曲线。从图6中我们可以清晰的看到CdOl和Cg3随MOS开关管MO漏端电压Vd的变化整体上成相反的变化趋势，在合理的尺寸选择下，MOS电容管M3/M4将能够很好的补偿传统开关结构的非线性寄生电容随电压的变化程度。图7、图8分别是采用传统开关电路结构的VCO电路和新型开关电路结构的VCO电路。两个VCO电路主体部分一样:顶部电流源偏置，差分PMOS管形成负阻对补偿电路损耗，MOS容抗管实现控制电压对频率的调谐，开关电路部分采用8比特二进制数字控制位进行控制。区别在于开关电路不同，同时固定电容Cfix有所区别，保证两个VCO工作频率一致。对开关全部导通和全部断开时两个VCO进行相位噪声仿真，仿真结果如图9、图10所示。可以看到，新型开关电路在开关全部导通时对VCO的相位噪声几乎没有影响，图9中传统开关结构和新型开关结构的VCO相位噪声曲线几乎重合在一起。在开关全部断开时，采用新型开关结构的VCO的相位噪声明显优于传统开关结构的VC0，图10中实线为新型开关结构的VCO的相位噪声曲线，虚线为传统开关结构的VCO的相位噪声曲线。进一步说明了新型开关结构在不影响宽频率覆盖范围VCO低频段相位噪声性能的同时优化其高频段相位噪声性能。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
权利要求
1.一种可优化VCO相位噪声性能的新型开关结构，包括三个栅极共连并与控制电压连接的第一 MOS开关管、第二 MOS开关管、第三MOS开关管；所述第二 MOS开关管、第三MOS开关管的源极接地，漏极分别与第一 MOS开关管的源极和漏极连接，其特征是，还包括两个MOS电容管，两个MOS电容管的栅极分别连接到所述第一 MOS开关管的源极和漏极；两个MOS电容管的源极共连至地；两个MOS电容管的漏极均接地。
2.根据权利要求1所述的可优化VCO相位噪声性能的新型开关结构，其特征是，由上述各元件连接构成的开关结构作为一开关支路，多个所述开关支路并联构成开关阵列。
全文摘要
本发明公开了一种可优化VCO相位噪声性能的新型开关结构，包括三个栅极共连并与控制电压连接的MOS开关管；第二MOS开关管、第三MOS开关管的源极接地，漏极分别与第一MOS开关管的源极和漏极连接，还包括两个MOS电容管，两个MOS电容管的栅极分别连接到第一MOS开关管的源极和漏极；两个MOS电容管的源极共连至地；两个MOS电容管的漏极均接地。本发明通过加入非线性电容补偿电路，很好的补偿了在开关断开时的开关非线性寄生电容对VCO相位噪声的影响。该改进结构在开关全部断开时对压控振荡器的相位噪声性能有良好的改善，并且在开关全部导通时对电路几乎没有影响，可大大提高VCO的高频段相位噪声性能。
文档编号H03L7/099GK103117744SQ201310040780
公开日2013年5月22日 申请日期2013年2月1日 优先权日2013年2月1日
发明者李国儒, 李云初, 戴惜时 申请人:苏州云芯微电子科技有限公司