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1、(10)申请公布号 CN 103888080 A (43)申请公布日 2014.06.25 CN 103888080 A (21)申请号 201410127619.9 (22)申请日 2014.03.31 H03B 5/18(2006.01) (71)申请人 黄果池 地址 363000 福建省漳州市芗城区石亭镇北 斗村 356 号 (72)发明人 黄果池 (74)专利代理机构 福州智理专利代理有限公司 35208 代理人 丁秀丽 (54) 发明名称 push-push 微波压控振荡器集成电路 (57) 摘要 本发明提供一种 push-push 微波压控振荡器 集成电路。它包括半导体材料衬底和 。
2、push-push 压控振荡器， push-push 压控振荡器由两个单端 压控振荡器连接组成 ； 单端压控振荡器包括有源 放大器模块、 偏置电流源模块和 LC 谐振腔模块 ； push-push 压控振荡器的两个单端压控振荡器 中， 有源放大器模块与偏置电流源模块之间还分 别连接宽带高频阻抗网络模块 ； push-push 压控 振荡器的两个 LC 振荡槽模块相互连接且电感连 接处通过宽带高频阻抗网络模块接地。本技术有 利于减小由于偏置电流源模块的有限高频输出阻 抗对有源放大器模块的增益造成的不利影响， 有 益于提高振荡器的振幅及输出信号的幅值并可降 低相位噪声。 (51)Int.Cl. 权。
3、利要求书 1 页 说明书 5 页 附图 3 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书1页 说明书5页 附图3页 (10)申请公布号 CN 103888080 A CN 103888080 A 1/1 页 2 1. 一种 push-push 微波压控振荡器集成电路， 它包括半导体材料衬底、 置于半导体材 料衬底上的 push-push 压控振荡器， push-push 压控振荡器由两个单端压控振荡器通过输 出节点进行交流信号提取并相加组成 ； 单端压控振荡器由以下模块连接形成 : 带输出节点的有源放大器模块、 偏置电流源模 块和 LC 谐振腔模块 ； 带输出节点。
4、的有源放大器模块 ： 与 LC 谐振腔模块连接并为 LC 谐振腔模块提供振荡所 需的能量 ； LC 谐振腔模块 ： 振荡器发生振荡的电路模块， 决定着振荡器的振荡频率以及相位噪声 性能 ； 偏置电流源模块 ： 与有源放大器模块连接， 为有源放大器模块提供直流电流偏置 ； 其特征在于 ： push-push 压控振荡器的两个单端压控振荡器中， 有源放大器模块与偏 置电流源模块之间还分别连接有提高偏置电流源模块的高频输出阻抗、 进而增强整个振荡 器的环路增益的宽带高频阻抗网络模块 T1a、 T1b； push-push 压控振荡器的两个 LC 谐振腔模 块相互连接且电感连接处通过宽带高频阻抗网络模。
5、块 T0接地使得两个单端压控振荡器工 作在差分模式下 ； 高频阻抗网络的输入阻抗可以表示为 ： Rn为非理想情况下第 n 个 LC 振荡网络的等效并联电阻值。 2. 根据权利要求 1 所述的 push-push 微波压控振荡器集成电路， 其特征在于 ： 所述宽 带高频阻抗网络模块均为由若干个 LC 振荡网络串联而成， 且每个宽带高频阻抗网络模块 中每个 LC 网络的振荡频率不同， 使得在覆盖目标频率的一段通频带内形成高交流阻抗。 权 利 要 求 书 CN 103888080 A 2 1/5 页 3 push-push 微波压控振荡器集成电路 技术领域 0001 本发明涉及一种半导体微波 pus。
6、h-push 压控振荡器集成电路， 该振荡器采用一种 宽带高频阻抗网络来提高偏置电流源模块的高频输出阻抗用以增强振荡器的环路增益 , 进而有效地增大振荡器振幅和降低振荡器的相位噪声 ； 同时采用高频阻抗网络来促使整个 压控振荡器工作在差分模式下以便提取振荡器的二次谐波。 背景技术 0002 在微波互补金属氧化物半导体 （CMOS） /锗硅 （SiGe） BiCMOS无线前端收发系统中, 压控振荡器 （VCO， voltage-controlled oscillator） 扮演着一个为收发机系统提供本振信 号的重要角色,其相位噪声性能影响着无线收发系统的信噪比(SNR),误差向量幅度(EVM) 。
7、等特性。压控振荡器的相位噪声与其 LC （由电感和压控可变电容构成） Tank 的 Q 值成反比。 在工作频率较低的情况下， LC Tank 的Q值基本上由电感Q值决定， 而当工作频率不断升高 时， 尤其是当频率达在 10GHz 以上时， LC 的 Q 值则逐渐变成由压控可变电容的 Q 值来决定， 这是由于电感的 Q 值随着频率的升高而升高， 而压控可变电容的 Q 值随着频率的升高而快 速下降。因此， 在微波集成 VCO 设计中， 往往需要权衡 （trade-off） 相位噪声和频率调谐范 围之间的矛盾。 0003 push-push 压控振荡器作为一种可以缓和相位噪声和频率调谐范围之间的矛盾。
8、的 振荡器结构， 在微波领域的运用越来越广。其主要是由两个单端的压控振荡器通过一定关 系组合在一起， 并让单端振荡器工作在1/2所需频率， 因此可以采用高Q值且较高电容值的 压控可变电容来构成LC Tank。 然而， 为了能够从两个单端的振荡器输出信号中提取所需的 二次谐波信号， 必须让两个组合在一起的单端振荡器无条件地工作在差分模式下， 这个对 push-push 振荡器的基本要求随着振荡器工作频率的不断升高而越来越难实现。 0004 传统的单端压控振荡器集成电路如图 1 所示， 该集成压控振荡器主要由三部分组 成 ： 0005 第一部分为 LC 谐振腔模块 （LC Tank） ， 由 La。
9、和 Cv1组成， La为电感， Cv1为压控可变 电容器 （varactor） 或是变容二极管 （varactor diode） 。L1和 Cv1的值决定了振荡器的振荡 频率 （0 1/（L1Cv1） 1/2） ， 该振荡频率可通过控制 Vc 的电压值来改变。 0006 第二部分为有源放大器模块， 主要由晶体管 （可以是双极型或者 CMOS） ， 电容和电 阻等器件组成。该放大器网络的主要功能是为 LC Tank 提供振荡所需的能量。 0007 第三部分为给有源放大器模块提供电流偏置的偏置电流源模块， 该偏置电路可由 电阻电流源， 有源器件电流源等构成。 0008 由 2 个单端压控振荡器， 。
10、如图 1 所示， 组合在一起就可以构成一个 push-push 压控 振荡器， 如图 2 所示。两个单端振荡器的输出信号分别可从 A 点和 B 点提取出来， 并通过电 容 Ca和 Cb进行相加， 如若两个单端振荡器的振荡信号相差 180 度， 在最终输出点 Vout可获 得二次谐波等偶次谐波。为确保微波 push-push 压控振荡器中两个单端振荡器工作在差分 模式下， 在当今的 CMOS 或者 SiGe 工艺条件下往往需要采用特定技术来实现。传统的技术 说 明 书 CN 103888080 A 3 2/5 页 4 有两种 ： 一种是增强电感La和Lb之间的互感强度， 但这种方法是以牺牲电感的。
11、Q值为前提， 因此会对相位噪声产生一定的影响。另一种技术是把电感 La和 Lb的接地端连在一起并引 到芯片外面外接一个高 Q 值的大电感， 该技术的原理是利用片外电感产生的高阻抗强度来 迫使两个单端的压控振荡器工作在差分模式下， 这种方法可以使片上电感La和Lb的Q值最 优化， 因此不会造成相位噪声的恶化， 但是由于增加了一个片外电感就会增加整个收发机 系统的成本， 也会增加整个收发机系统 PCB 板的面积。 发明内容 0009 本发明的目的在于 ： 提供一种输出信号幅度大、 相位噪声低且可以无条件工作在 差分模式下的 push-push 微波压控振荡器。 0010 本发明的目的是这样实现的 。
12、： 0011 它包括半导体材料衬底、 置于半导体材料衬底上的 push-push 压控振荡器， push-push 压控振荡器由两个单端压控振荡器通过输出节点进行交流信号提取并相加组 成 ； 0012 单端压控振荡器由以下模块连接形成 : 带输出节点的有源放大器模块、 偏置电流 源模块和 LC 谐振腔模块 ； 0013 带输出节点的有源放大器模块 ： 与 LC 谐振腔模块连接并为 LC 谐振腔模块提供振 荡所需的能量 ； 0014 LC 谐振腔模块 ： 振荡器发生振荡的电路模块， 决定着振荡器的振荡频率以及相位 噪声性能 ； 0015 偏置电流源模块 ： 与有源放大器模块连接， 为有源放大器模。
13、块提供直流电流偏 置 ； 0016 其特征在于 ： push-push 压控振荡器的两个单端压控振荡器中， 有源放大器模块 与偏置电流源模块之间还分别连接有提高偏置电流源模块的高频输出阻抗、 进而增强整个 振荡器的环路增益的宽带高频阻抗网络模块 T1a、 T1b； push-push 压控振荡器的两个 LC 振荡 槽模块相互连接且电感连接处通过宽带高频阻抗网络模块 T0接地使得两个单端压控振荡 器工作在差分模式下 ； 如图 4 所示， 该高频阻抗网络的输入阻抗可以表示为 ： 0017 0018 Rn为非理想情况下第 n 个 LC 振荡网络的等效并联电阻值。选取不同的 LC 值可以 获取如图 5。
14、 所示的阻抗特性， 即该模块在频率 f1至 fn通频带内呈现高阻抗， 但在通频带外 阻抗迅速趋近于零。 0019 所述宽带高频阻抗网络模块均为由若干个 LC 振荡网络串联而成， 且每个宽带高 频阻抗网络模块中每个 LC 网络的振荡频率不同， 使得在覆盖目标频率的一段通频带内形 成高交流阻抗。 0020 本发明的优点在于 ： 采用本发明的结构， 高频阻抗网络 T0在压控振荡器振荡频率 f0处产生高阻抗， 进而促使两个单端压控振荡器无条件工作在差分模式下， 因此可以在输 出节点 Vout出得到 2 倍的 f0信号。高频阻抗网络 T1a和 T1b插入到偏置电流源模块电路和 有源放大器模块之间， 有利。
15、于减小由于偏置电流源模块的有限高频输出阻抗对有源放大器 说 明 书 CN 103888080 A 4 3/5 页 5 模块的增益造成的不利影响， 有益于提高振荡器的振幅及输出信号的幅值并可降低相位噪 声。 附图说明 0021 图 1 ： 单端压控振荡器集成电路结构图 0022 图 2 ： 传统的由两个单端压控振荡器组合而成的 push-push 压控振荡器集成电路 结构图 0023 图 3 ： 本发明所提出的 push-push 压控振荡器集成电路结构图 0024 图 4 ： 由 n 级 LC 振荡网络串联而成的宽带高频阻抗网络电路图 0025 图 5 ： n 阶宽带高频阻抗网络模块输入阻抗与。
16、频率关系图 0026 图6 ： 采用本发明所提出的宽带高频阻抗网络的push-push共集电极Colpitts 压 控振荡器电路 0027 其中 Colpitts: 考毕兹 ,Colpitts 振荡器发明者 0028 La/Lb， L1/L2/Ln ： 电感 ； 0029 Ca/C1a/C2a/C3a/Cb/C1b/C2b/C3b/， C1/C2/Cn ： 电容 ； 0030 Cv1/Cv2 ： 压控可变电容器 ； 0031 R1/R2 ： 电阻 ； 0032 N1a/N1b ： 晶体管 （双极型晶体管或者 CMOS 晶体管） ； 0033 T0/T1a/T1b ： 宽带高频阻抗网络 ； 00。
17、34 A/B/C/D/E/F/M,Vc/Vb1/Vb2/Vout: 电路节点 ； 0035 f1/f2/fn ： 频率 ； 0036 Zin ： 输入阻抗 ； 具体实施方式 ： 0037 它包括半导体材料衬底、 置于半导体材料衬底上的 push-push 压控振荡器， push-push 压控振荡器由两个单端压控振荡器通过输出节点进行交流信号提取并相加组 成 ； 0038 单端压控振荡器由以下模块连接形成 : 带输出节点的有源放大器模块、 偏置电流 源模块和 LC 谐振腔模块 ； 0039 带输出节点的有源放大器模块 ： 与 LC 谐振腔模块连接并为 LC 谐振腔模块提供振 荡所需的能量 ； 。
18、0040 LC 谐振腔模块 ： 振荡器发生振荡的电路模块， 决定着振荡器的振荡频率以及相位 噪声性能 ； 0041 偏置电流源模块 ： 与有源放大器模块连接， 为有源放大器模块提供直流电流偏 置 ； 0042 其特征在于 ： push-push 压控振荡器的两个单端压控振荡器中， 有源放大器模块 与偏置电流源模块之间还分别连接有提高偏置电流源模块的高频输出阻抗、 进而增强整个 振荡器的环路增益的宽带高频阻抗网络模块 T1a、 T1b； push-push 压控振荡器的两个 LC 谐振 腔模块相互连接且电感连接处通过宽带高频阻抗网络模块 T0接地使得两个单端压控振荡 说 明 书 CN 10388。
19、8080 A 5 4/5 页 6 器工作在差分模式下 ； 0043 高频阻抗网络的输入阻抗可以表示为 ： 0044 0045 Rn为非理想情况下第 n 个 LC 振荡网络的等效并联电阻值。 0046 所述宽带高频阻抗网络模块均为由若干个 LC 振荡网络串联而成， 且每个宽带高 频阻抗网络模块中每个 LC 网络的振荡频率不同， 使得在覆盖目标频率的一段通频带内形 成高交流阻抗， 而在通频带外阻抗则迅速降低至零。 利用宽带高频阻抗网络的这个特点， 可 以促使两个微波单端压控振荡器无条件工作在差分模式下， 进而可以提取其输出信号中的 二次谐波成分 ； 也可以利用该阻抗网络的通带高阻抗特性来提高整个 。
20、push-push 压控振荡 器的环路增益， 进而提高振荡器的振幅和输出信号幅度及降低相位噪声。 0047 下面结合具体实施例对本发明进行说明 ： 0048 图6为由两个单端共集电极科尔皮兹压控振荡器组合而成的push-push压控振荡 器。双极型晶体管 N1a/N1b分别为构成两个共集电极放大器， 其基极节点 Vb1/Vb2分别通过隔 直电容 C1a/C1b连接到 LC Tank（La+Cv1） 或 （Lb+Cv2） 。电容 C2a和 C3a构成共集电极晶体管 N1a 的正反馈电路， C2a的一端连接到 N1a的发射极 A 节点， C2a的另一端连接到 N1a的基极 Vb1节 点 ； C3a。
21、的一端连接到 A 节点， 另一端连接到地 （GND） ； 同理， C2b和 C3b构成共集电极晶体管 N1b的正反馈电路， C2b的一端连接到 N1b的发射极 B 节点， C2b的另一端连接到 N1b的基极 Vb2 节点 ； C3b的一端连接到 B 节点， 另一端连接到 GND。电容 Ca的一端连接到节点 A， 电容 Cb的 一端连接到节点 B， Ca和 Cb的另一端共同连接到输出节点 Vout并从 Vout处提取二次谐波信 号作为输出。一阶高频阻抗网络 T1a一端连接到节点 A， 另一端连接到偏置电流源模块电阻 R1上构成节点C ； 一阶高频阻抗网络T1b一端连接到节点B， 另一端连接到偏置。
22、电流源模块电 阻R2上构成节点D。 高频阻抗网络T1a/T1b的振荡频率设计在压控振荡器可调谐频率的中间 值， 可提高偏置电流源模块的输出阻抗， 增大带正反馈的共集电极放大器的开环增益， 进而 有益于提高振荡器的振幅和降低相位噪声。图 6 左边 LC Tank 中电感 La和压控可变电容 Cv1一端共同连接到隔直电容 C1a的一端构成节点 E， 图 6 右边 LC Tank 中电感 Lb和压控可 变电容 Cv2一端共同连接到隔直电容 C1b的一端构成节点 F ； 压控可变电容 Cv1和 Cv2的另一 端连接到一起构成节点 Vc作为调谐电压输入节点 ； 电感 La和 Lb的另一端共同连接到 3 。
23、阶 高频阻抗网络 T0的一端， 构成节点 M ； 3 阶高频阻抗网络 T0的另一端连接到 GND。3 阶高频 阻抗网络 T0提供通频带内高阻抗值， 迫使节点 M 成为交流地， 从而使两个单端共集电极科 尔皮兹压控振荡器的振荡信号相位相差 180 度。 0049 本发明提出的在偏置电流源模块电阻 R1/R2和晶体管 N1a/N1b的发射极之间插入高 频阻抗网络有益于提高振荡器环路增益的结论， 可以通过小信号分析计算带正反馈的共集 电极放大器的开环增益得到。当不考虑晶体管 N1a和 N1b的基极输入电阻， 基极 - 发射极等 效电阻以及基极 - 集电极寄生电容的影响时， 该共集电极放大器的开环增益。
24、可以表达为 ： 0050 0051 其中 gm为晶体管 N1a/N1b的跨导， C为晶体管 N1a/N1b的基极 - 发射极等效电容， C2 说 明 书 CN 103888080 A 6 5/5 页 7 为 C2a/C2b的电容值， C3为 C3a/C3b的电容值， ZLC为从节点 Vb1/Vb2看入到 LC Tank 的阻抗值， Zcs为偏置电流源模块的输出阻抗值， 即从节点 A/B 看入到偏置电流源模块电阻 R1/R2得到 的阻抗值。 显然， 当加上高频阻抗网络T1a/T1b后阻抗Zcs的值明显大于不加高频阻抗网络时 Zcs的值， 而根据式 （2） 可以看出提高 Zcs的值有利于提高环路增益 Gopl。 说 明 书 CN 103888080 A 7 1/3 页 8 图 1 图 2 说 明 书 附 图 CN 103888080 A 8 2/3 页 9 图 3 图 4 图 5 说 明 书 附 图 CN 103888080 A 9 3/3 页 10 图 6 说 明 书 附 图 CN 103888080 A 10 。