一种多核压控振荡器及通信收发机

1.本发明实施例涉及毫米波射频集成电路技术领域，具体涉及一种多核压控振荡器及通信收发机。

背景技术：

2.对于通信收发机而言，压控振荡器(voltage-controlled oscillator，vco)是必不可少的电路单元。随着近年来5g通信系统的发展，对于毫米波本地振荡信号的频谱纯度要求越来越严格，这意味着低相位噪声对于目标为高数据率的高阶调制具备着至关重要的地位。同时，5g通信系统还具备着多频带的特性，因此要求毫米波本地振荡信号需要具备有足够宽的调谐范围，以支持这些不同频率的频带。最后，具备同等重要性的还有压控振荡器的功耗和可靠性，低功耗和高可靠性对于整体系统应用有着关键的影响。
3.一方面，为了实现低相位噪声，近年来的研究工作中一种常见的做法是使用多核心的压控振荡器结构。虽然现有的多核心做法通过更多的核心数目降低了相位噪声，但是这会带来极大的功耗，增加芯片的发热量，从而恶化芯片的可靠性与性能。同时，现有的多核心做法经常采用了非标准的电源电压。当使用非标准电源电压的多核心压控振荡器应用到实际系统中时，需要为其额外添加尾电流源管或者低压差稳压器(low dropout regulator，ldo)，以适配实际系统所使用的标准电源电压，避免由于电压过高，压控振荡器出现可靠性问题。然而，这些需要额外添加的电路元器件又会引入额外的功耗和非理想效应，从而降低压控振荡器应用于实际系统时的整体性能。
4.另一方面，为了实现宽调谐范围，近年来的研究工作中一种常见的做法是使用多振荡模式。多个不同的振荡模式具有不同的谐振频率，因此可以拓宽压控振荡器整体的调谐范围。现存的多振荡模式实现方法包括不同核心的导通/关断，或通过更复杂的谐振腔电感走线方式。上述多模式做法存在的问题是，它们都会引入相当程度的寄生效应，这些寄生效应会恶化压控振荡器的整体性能。

技术实现要素：

5.针对现有技术存在的缺陷，本发明实施例提供一种多核压控振荡器，包括多个压控振荡器核心与同步电路。
6.所述压控振荡器核心包括谐振腔和有源部分。所述谐振腔和所述有源部分相互差分连接。在差分连接节点上存在差分振荡信号。
7.所述同步电路连接每个所述压控振荡器核心的所述差分振荡信号，实现各个所述压控振荡器核心的振荡信号同步，并且实现振荡模式的选择。
8.其中，按照直流电流的流向，前一所述压控振荡器核心的所述有源部分的直流电流流出节点连接下一所述压控振荡器核心的所述谐振腔的直流电流流入节点，实现所述压控振荡器核心的堆叠。堆叠的多个所述压控振荡器核心实现电流复用，并且堆叠的多个所述压控振荡器核心的所述谐振腔间相互耦合实现多振荡模式。
9.根据本发明实施例提供的一种多核压控振荡器，所述多个压控振荡器核心连接电源vdd；所述多核压控振荡器的功耗表示为：
10.p＝v
dd
×i11.其中，p表示多核压控振荡器的功耗，i表示流经各个堆叠的所述压控振荡器核心的电流。
12.本发明实施例提供的多核压控振荡器及通信收发机，降低了压控振荡器的相位噪声，降低了压控振荡器的整体功耗，具备多振荡模式以拓展压控振荡器的调谐范围，并且提高了系统可靠性，显著提高了压控振荡器的整体性能。
附图说明
13.为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
14.图1是现有的多核压控振荡器的结构示意图之一；
15.图2是本发明实施例提供的多核压控振荡器的结构示意图之一；
16.图3是现有的多核压控振荡器的结构示意图之二；
17.图4是本发明实施例提供的多核压控振荡器的结构示意图之二。
具体实施方式
18.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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。
19.图1是现有的多核压控振荡器的结构示意图之一。如图1所示的多核压控振荡器各个压控振荡器核心相互独立，具有如下特点：
20.(1)核心数目：该压控振荡器拥有n个核心；
21.(2)振荡模式：该压控振荡器仅拥有一种振荡模式，即n个核心仅有一种振荡极性；同步电路连接每个压控振荡器核心的差分振荡信号，实现各个所述压控振荡器核心的振荡信号同步。该多核压控振荡器仅允许一种振荡模式的存在，即仅允许一种同步的振荡极性。
22.(3)功耗：假设每个压控振荡器核心消耗的电流为i，电源电压为vdd，因此压控振荡器的整体功耗为n
×
vdd
×
i。
23.图2是本发明实施例提供的多核压控振荡器的结构示意图之一。如图2所示，该多核压控振荡器包括多个压控振荡器核心1与同步电路2。所述压控振荡器核心1包括谐振腔10和有源部分20。所述谐振腔10和有源部分20相互差分连接。在差分连接节点上存在差分振荡信号。所述同步电路2连接每个压控振荡器核心1的差分振荡信号，实现各个所述压控振荡器核心1的振荡信号同步，并且实现振荡模式的选择。其中，按照直流电流的流向，前一所述压控振荡器核心1的有源部分20的直流电流流出节点连接下一所述压控振荡器核心1的所述谐振腔10的直流电流流入节点，实现压控振荡器核心1的堆叠。堆叠的多个压控振荡器核心1实现电流复用，并且堆叠的多个压控振荡器核心1的谐振腔10间相互耦合实现多振
荡模式。
24.图2中，#1、#2
……
#3表示序号。
25.本发明实施例提供的多核压控振荡器，通过多个压控振荡器核心1降低了相位噪声。
26.本发明实施例提供的多核压控振荡器，通过压控振荡器核心1的堆叠结构，实现了电流复用，极大地减少了多核心的功耗，同时解决了应用于实际系统中的可靠性问题。并且，通过堆叠可以直接使用标准电源电压vdd，而不需要额外添加尾电流源管或者低压差稳压器ldo。
27.本发明实施例提供的多核压控振荡器，通过各个压控振荡器核心1的谐振腔10间相互耦合(电磁耦合)，实现了多个振荡模式。同步电路2连接每个压控振荡器核心1的差分振荡信号，实现各个所述压控振荡器核心1的振荡信号同步，并且实现振荡模式的选择。
28.如图2所示，本发明实施例提供的多核压控振荡器，通过耦合实现了多模式，并且具备多核堆叠的结构，可以称为基于耦合的多核堆叠压控振荡器，具有如下特点：
29.(1)核心数目：该压控振荡器拥有n个核心(压控振荡器核心)，但是n个核心堆叠起来，实现了电流复用。
30.(2)振荡模式：由于n个核心对应的谐振腔10相互耦合，该磁耦合可以通过同步电路2控制各核心振荡极性，这等价于改变谐振腔整体的电感值，因此该压控振荡器存在多种振荡模式，振荡模式可以通过压控振荡器的同步电路2进行选择。
31.同步电路2连接每个压控振荡器核心1的差分振荡信号，实现各个所述压控振荡器核心1的振荡信号同步。与如图1所示的多核压控振荡器不同之处在于，由于在图2所示的基于耦合的多核堆叠压控振荡器中，各压控振荡器核心1的谐振腔10间存在耦合，因此允许存在多种不同的振荡模式。
32.基于耦合实现的多模式基本没有引入额外的寄生效应，因为在耦合实现的多模式下，所有核心在各模式下均处于工作状态，不涉及到压控振荡器核心1的有源部分20的导通或关闭，并且同步电路2两侧的差分振荡信号极性相同，同步电路2对于差分振荡信号不存在寄生电阻和寄生电容，从而压控振荡器的整体性能不会因多模式受到影响，并且模式选择十分简单，只需要通过同步电路2即可实现。值得注意的是，若不需要采用多模式的工作方式，同步电路2也可以控制压控振荡器以单一振荡模式运行。
33.(3)功耗：假设每个压控振荡器核心消耗的电流为i，电源电压为vdd，由于n个核心通过堆叠实现了电流复用，所以压控振荡器的整体功耗为vdd
×
i，极大地减小了多核心的功耗。
34.本发明实施例提供的多核压控振荡器，通过耦合实现了多模式，并且具备多核堆叠的结构：其中，(1)多模式主要提高压控振荡器的调谐范围(tuning range)；(2)多核主要降低压控振荡器的相位噪声(phase noise)；(3)堆叠将压控振荡器多核的电流实现复用，降低压控振荡器的功耗。从而，整体上压控振荡器可以拥有更加优秀的fom(figure of merit)和fom
t
(figure of merit with tuning range)。其中，fom与fom
t
均为压控振荡器的综合性能评价指标。
35.本发明实施例提供的多核压控振荡器，降低了压控振荡器的相位噪声，降低了压控振荡器的整体功耗，具备多振荡模式以拓展压控振荡器的调谐范围，并且提高了系统可
靠性，显著提高了压控振荡器的整体性能。
36.下面通过一种结构的两核压控振荡器进行举例，说明已有的压控振荡器结构和本发明提供的压控振荡器的结构的区别。
37.图3是现有的多核压控振荡器的结构示意图之二。如图3所示，谐振腔为lc振荡电路，由并联的电感和可调电容构成。压控振荡器核心的有源部分采用交叉耦合管，包括两个场效应管，每个场效应管的栅极和另一个场效应管的漏极交叉连接，每个场效应管的漏极与谐振腔相连。谐振腔的电感的中间抽头连接电源vdd，交叉耦合管的两个场效应管的源极接地。各个压控振荡器核心电路连接方式相同，彼此之间相互独立。如图3所示，该现有多核压控振荡器具有如下特点：
38.(1)核心数目：该压控振荡器拥有两个核心；
39.(2)振荡模式：该压控振荡器仅拥有一种振荡模式；
40.(3)功耗方面，假设每个压控振荡器核心消耗的电流为i，电源电压为v
dd
，因此压控振荡器的整体功耗为2
×vdd
×
i。
41.图4是本发明实施例提供的多核压控振荡器的结构示意图之二。如图4所示，谐振腔为lc振荡电路，由并联的电感和可调电容构成。压控振荡器核心的有源部分采用交叉耦合管，交叉耦合管包括两个场效应管，每个场效应管的栅极和另一个场效应管的漏极交叉连接，每个场效应管的漏极与谐振腔相连。按照电流的流向，压控振荡器核心#2的谐振腔的电感的中间抽头连接电源vdd，压控振荡器核心#2的交叉耦合段的两个场效应管的源极连接第二个压控振荡器核心#1的谐振腔的电感的中间抽头，压控振荡器核心#1的两个场效应管的源极接地。两个压控振荡器核心构成堆叠结构，压控振荡器核心的谐振腔相互耦合。如图4所示，该多核压控振荡器具有如下特点：
42.(1)核心数目：该压控振荡器拥有两个核心，但是两个核心堆叠起来，实现了电流复用；
43.(2)振荡模式：两个核心的谐振腔的电感间存在磁场耦合，因此存在两种振荡模式，振荡模式可以通过同步电路进行选择；
44.(3)功耗：假设每个压控振荡器核心消耗的电流为i，电源电压为vdd，由于两个核心通过堆叠实现了电流复用，所以压控振荡器的整体功耗为vdd
×
i。
45.可以看到，与现有的普通两核压控振荡器相比，基于耦合的两核堆叠压控振荡器不仅拥有着多核降低相位噪声的优点；并且通过耦合实现了多模式振荡，拓宽了调谐范围；同时压控振荡器核心堆叠实现了电流复用，降低了压控振荡器总功耗，并且解决了应用于实际系统中的可靠性问题。
46.另外，还可以由两个晶体管构建交叉耦合管，电路连接方式和采用场效应管构建交叉耦合管的连接方式相似，此处不再赘述。
47.另外，本发明实施例提供一种通信收发机，包括上述任一本发明实施例提供的多核压控振荡器。
48.以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性
的劳动的情况下，即可以理解并实施。
49.通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如rom/ram、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
50.最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

技术特征：

1.一种多核压控振荡器，其特征在于，包括多个压控振荡器核心与同步电路；所述压控振荡器核心包括谐振腔和有源部分；所述谐振腔和所述有源部分相互差分连接，在差分连接节点上存在差分振荡信号；所述同步电路连接每个所述压控振荡器核心的所述差分振荡信号，实现各个所述压控振荡器核心的振荡信号同步，并且实现振荡模式的选择；其中，按照直流电流的流向，前一所述压控振荡器核心的所述有源部分的直流电流流出节点连接下一所述压控振荡器核心的所述谐振腔的直流电流流入节点，实现所述压控振荡器核心的堆叠；堆叠的多个所述压控振荡器核心实现电流复用，并且堆叠的多个所述压控振荡器核心的所述谐振腔间相互耦合实现多振荡模式。2.根据权利要求1所述的多核压控振荡器，其特征在于，所述多个压控振荡器核心连接电源vdd；所述多核压控振荡器的功耗表示为：p＝v
dd
×
i其中，p表示多核压控振荡器的功耗，i表示流经各个堆叠的所述压控振荡器核心的电流。3.一种通信收发机，其特征在于，包括权利要求1或2所述的任一多核压控振荡器。

技术总结

本发明实施例提供了一种多核压控振荡器及通信收发机，所述压控振荡器中将至少两个压控振荡器核心进行堆叠。本发明实施例降低了压控振荡器的相位噪声，降低了压控振荡器的整体功耗，具备多振荡模式以拓展压控振荡器的调谐范围，并且提高了系统可靠性，显著提高了压控振荡器的整体性能。振荡器的整体性能。振荡器的整体性能。