本发明属于压控振荡器，具体涉及一种带低功耗校准环路的毫米波正交压控振荡器。
背景技术：
1、在现代高速无线通信系统中，为了支持更复杂的正交幅度调制技术，要求频率源具有更低的相位噪声和更高的相位精度。因此，对低相位噪声下高相位精度的频率源有巨大的需求。近年来，为了产生正交信号，已经有多种技术被提出。多相位环形振荡器、多相位滤波器和除二分频器等均能产生正交信号。但是，上述提到的方案存在面积、相位噪声、正交相位精度和功耗之间的取舍。例如，多相位环形振荡器的相位噪声较差且谐振频率较低，不适用于毫米波频段；多相位滤波器的相位精度较差，需要额外的校准电路，且需要增加缓冲器导致消耗额外的功率；除二分频器需要振荡器的工作频率是期望工作频率的二倍，在毫米波频段，该方案恶化了相位噪声且功耗较大。
2、相较而言，使用正交压控振荡器产生低相位噪声的毫米波正交本振信号具有诸多优势：首先，直接通过正交压控振荡器产生毫米波正交本振信号，无需额外的分频器和缓冲器，功耗较低。其次，正交压控振荡器可以工作在毫米波频带下，并有较好的相位噪声性能。最后，正交压控振荡器能够打破相位噪声、功耗和相位精度之间的取舍。
3、迄今为止，已经有多种正交压控振荡器结构被提出，主要可以分为带环路校准和没有校准的两类。对于没有环路校准的正交压控振荡器：较早提出的parallel-coupledqvco使用耦合晶体管和谐振腔并联，存在谐振点偏离导致谐振腔q值恶化的问题，相位噪声性能较差。series-coupled qvco中，将耦合晶体管嵌入谐振腔中，令耦合晶体管与谐振腔串联，实现了较高的电流效率，相位噪声优于parallel-coupled qvco。但是，该方案的调谐范围小，工作频率低，且消耗了额外的电压余度，不适用于低电源电压条件。super-harmonic coupling qvco采用变压器代替了耦合晶体管，消除了晶体管带来的噪声，相位噪声性能优于parallel-coupled qvco，但是其面积较大。xiang yi等人在文献“a 57.9-to-68.3ghz 24.6mw frequency synthesizer with in-phase injection-coupled qvcoin 65nm cmos technology”中使用二极管连接的耦合晶体管网络代替传统晶体管耦合网络，实现了同相注入耦合，避免了谐振腔q值的恶化，相位噪声性能较好。但是，该结构缺少相位校准环路，输出正交相位精度不够精准。tianzuo xi等人在文献“low-phase-noise54-ghz transformer-coupled quadrature vco and 76-/90-ghz vcos in 65-nm cmos”中使用带有额外相移功能的变压器耦合网络代替传统晶体管耦合网络，在环路中引入耦合电容实现同相注入，实现了较好的相位噪声性能，但是其面积和功耗较大，且缺少相位校准环路，正交相位精度较差。luya zhang等人在文献“a 37.5–45ghz superharmonic-coupledqvco with tunable phase accuracy in 28nm cmos”中基于super-harmonic couplingqvco的架构，对耦合方式进一步改进，在耦合网络中引入相位噪声和相位精度可调模块，便于实际应用，但是该方案缺少相位校准环路，相位误差较大，且功耗和面积较大。romanedumont等人在文献“a 5g 65-nm pd-soi cmos 23.2-to-28.8ghz low-jitterquadrature-coupled injection-locked digitally-controlled oscillator”中提出注入锁定正交压控振荡器的方案，使相位噪声仅在输入信号的基础上增加20log(n)，其中n为倍频因子，提升了相位噪声性能，但是该方案缺少相位校准环路，相位误差依旧较大。
4、带环路校准的正交压控振荡器能明显减小正交信号的相位误差，使得输出信号的相位更加精准。valentina della torre等人在文献“a 20mw 3.24mm2 fully integratedgps radio for location based services”中提出了一种采用混频器提取相位误差和采用锁相环进行环路校准的方案，减小了正交信号的相位误差，但校准环路的功耗较大。vikiszortyka等人在文献“a 42mw 200fs-jitter 60ghz sub-sampling pll in 40nm cmos”中的正交压控振荡器，基于super-harmonic coupling qvco架构，增加混频器提取相位误差，并引入sar逻辑以及vdac等数字模块进行环路校准，实现了较低的相位误差，但该方案的面积和功耗较大。相似地，agata iesurum等人在文献“analysis and design of coupledpll-based cmos quadrature vcos”中提出了一种采用混频器进行鉴相，差分双环路进行环路校准的方案，减小正交信号的相位误差的同时，校准环路的响应速度较快，但该方案的面积和功耗依旧较大。
5、综上所述，目前没有校准环路的正交压控振荡器存在正交相位精度较差的问题。然而，带环路校准的正交压控振荡器存在面积较大，功耗较高等问题，无法满足毫米波高阶调制系统的应用。
技术实现思路
1、本发明的目的在于克服毫米波正交压控振荡器存在的相位精度较差、相位噪声较差、面积较大和功耗较高等问题，提出了一种带低功耗校准环路的毫米波正交压控振荡器。
2、为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
3、一种带低功耗校准环路的毫米波正交压控振荡器，包括正交压控振荡器、同频采样开关、低通滤波器和电压电流转换模块；
4、正交压控振荡器的输入端连接输入信号，正交压控振荡器的采样端及输入信号的正极分别与同频采样开关的输入端连接，同频采样开关的输出端与低通滤波器的输入端连接，低通滤波器的输出端与电压电流转换模块的输入端连接，电压电流转换模块的输出端与正交压控振荡器的控制端连接，正交压控振荡器的输出端输出正交信号；
5、正交压控振荡器由两个压控振荡器和一个耦合网络组成，压控振荡器的谐振腔包括交叉耦合管、二极管连接式晶体管和电感变压器，交叉耦合管的栅极和源极通过电感变压器耦合，交叉耦合管的漏极与二极管连接式晶体管相连，耦合网络与交叉耦合管的源极连接。
6、进一步地，两个压控振荡器包括第一压控振荡器和第二压控振荡器，第一压控振荡器的谐振腔包括第一交叉耦合管、第一二极管连接式晶体管和第一电感变压器；第一交叉耦合管的漏极与第一二极管连接式晶体管的漏极连接，第一交叉耦合管的源极与第一电感变压器连接；
7、第二压控振荡器的谐振腔包括第二交叉耦合管、第二二极管连接式晶体管和第二电感变压器；第二交叉耦合管的漏极与第二二极管连接式晶体管的漏极连接，第二交叉耦合管的源极与第二电感变压器连接；
8、耦合网络由四个二极管连接式晶体管组成，四个二极管连接式晶体管的栅极和漏极相连。
9、进一步地，第一电感变压器包括第一电感l1和第二电感l2，第一交叉耦合管包括第三晶体管m3和第四晶体管m4，第三晶体管m3和第四晶体管m4的栅极分别连接第一电感l1的两端，第三晶体管m3和第四晶体管m4的源极分别连接第二电感l2的两端；第二电感l2的两端分别连接第四电容c4的两端，第一二极管连接式晶体管的栅极漏极相连，第一二极管连接式晶体管包括第一晶体管m1和第二晶体管m2，第一晶体管m1的漏极与第三晶体管m3的漏极连接，第二晶体管m2的漏极与第四晶体管m4的漏极连接。
10、进一步地，第二电感变压器包括第三电感l3和第四电感l4，第二交叉耦合管包括第七晶体管m7和第八晶体管m8，第七晶体管m7和第八晶体管m8的栅极分别连接第三电感l3的两端，第七晶体管m7和第八晶体管m8的源极分别连接第四电感l4的两端；第四电感l4的两端分别连接第八电容c8的两端，第二二极管连接式晶体管的栅极漏极相连，第二二极管连接式晶体管包括第五晶体管m5和第六晶体管m6，第五晶体管m5的漏极与第七晶体管m7的漏极连接，第六晶体管m6的漏极与第八晶体管m8的漏极连接。
11、进一步地，耦合网络包括第九晶体管m9、第十晶体管m10、第十一晶体管m11、第十二晶体管m12；第九晶体管m9的源极与第十二晶体管m12的漏极相连，第十二晶体管m12的源极与第十一晶体管m11的漏极相连，第十一晶体管m11的源极与第十晶体管m10的漏极相连，第十晶体管m10的源极与第九晶体管m9的漏极相连；
12、第十晶体管m10的源极与第九晶体管m9的漏极之间与第一交叉耦合管的第三晶体管m3的源极耦合；第十二晶体管m12的源极与第十一晶体管m11的漏极之间与第一交叉耦合管的第四晶体管m4的源极耦合；第十一晶体管m11的源极与第十晶体管m10的漏极之间与第二交叉耦合管的第七晶体管m7的源极耦合；第九晶体管m9的源极与第十二晶体管m12的漏极之间与第二交叉耦合管的第八晶体管m8的源极耦合。
13、进一步地，电压电流转换模块包括带米勒补偿的两级运算放大器，第一级运算放大器为五管放大器，第二级运算放大器为共源极放大器，同频采样开关由两个采样晶体管构成，低通滤波器采用一阶rc滤波器，电容包括固定电容和可调电容，滤波器的3db带宽为10mhz。
14、一种带低功耗校准环路的毫米波正交压控振荡器的控制方法，利用所述的一种带低功耗校准环路的毫米波正交压控振荡器，包括如下步骤：
15、输入信号输入正交压控振荡器，输入信号的正极信号输入同频采样开关，交叉耦合管的源端信号同相注入耦合，交叉耦合管的漏端信号传输至同频采样开关；
16、同频采样开关提取交叉耦合管的漏端的相位频率误差信号转换为电压差信号传输至低通滤波器；
17、低通滤波器滤除电压差信号的高频信号得到低频电压差信号，将低频电压差信号传输至电压电流转换模块；
18、电压电流转换模块将低频电压差信号转换为电流信号并产生控制信号控制正交压控振荡器相位信号的输出频率，对正交压控振荡器的相位误差进行校准；
19、交叉耦合管的栅端信号输出四相正交信号。
20、进一步地，同频采样开关的打开和关闭通过输入信号的正极信号控制，对交叉耦合管的漏端信号进行周期性采样，同频采样开关通过输入信号的正极信号和交叉耦合管的漏端信号的相位关系进行环路校准。
21、进一步地，电压电流转换模块对环路中的负载电容进行充放电产生控制电压。
22、一种无线通讯系统，利用所述的一种带低功耗校准环路的毫米波正交压控振荡器。
23、与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
24、本发明提出的一种带低功耗校准环路的毫米波正交压控振荡器，压控振荡器的交叉耦合管采用s-g源极和栅极耦合结构减少交叉耦合管工作在三极管区的时间，降低了相位噪声，两个压控振荡器的交叉耦合管分别为两个谐振腔提供能量；二极管连接式晶体管与交叉耦合管的漏极连接，增大漏端输出信号摆幅，在降低相位噪声的同时，有利于后级同频采样开关电路的采样，耦合网络由四个二极管连接式晶体管组成，实现同相注入耦合，避免了谐振腔q值的恶化，降低了电路的相位噪声；本发明中的s-g毫米波正交压控振荡器，交叉耦合管的漏端信号用于采样提取正交相位误差，交叉耦合管的源端信号用于同相注入耦合，交叉耦合管的栅端信号用于输出低噪声的四相正交信号，实现了采样与谐振腔隔离，提高了输出信号的正交相位精度。本发明利用低功耗校准环路技术实现低相位噪声和高输出相位精度等指标的电路设计和实现。
25、进一步地，本发明提出的一种带低功耗校准环路的毫米波正交压控振荡器，采用55nm标准cmos工艺进行电路设计，并进行仿真验证。整个电路工作在1.2v电源电压下，输出频率范围为19-30ghz，整体电路的功耗小于14mw，其中校准环路的功耗小于1mw，输出信号的正交相位误差小于0.5°，芯片的核心面积仅为0.038mm2。此外，该正交压控振荡器在各个工艺角下均能正常工作。
26、进一步地，本发明提出的一种带低功耗校准环路的毫米波正交压控振荡器针对关键性指标进行了优化设计，相较于传统结构具有低相位噪声，高正交相位精度和低功耗等优势，使该带环路校准的毫米波正交压控振荡器能广泛适用于高速无线通信系统中。
1.一种带低功耗校准环路的毫米波正交压控振荡器，其特征在于，包括正交压控振荡器、同频采样开关、低通滤波器和电压电流转换模块；
2.根据权利要求1所述的一种带低功耗校准环路的毫米波正交压控振荡器，其特征在于，两个压控振荡器包括第一压控振荡器和第二压控振荡器，第一压控振荡器的谐振腔包括第一交叉耦合管、第一二极管连接式晶体管和第一电感变压器；第一交叉耦合管的漏极与第一二极管连接式晶体管的漏极连接，第一交叉耦合管的源极与第一电感变压器连接；
3.根据权利要求2所述的一种带低功耗校准环路的毫米波正交压控振荡器，其特征在于，第一电感变压器包括第一电感l1和第二电感l2，第一交叉耦合管包括第三晶体管m3和第四晶体管m4，第三晶体管m3和第四晶体管m4的栅极分别连接第一电感l1的两端，第三晶体管m3和第四晶体管m4的源极分别连接第二电感l2的两端；第二电感l2的两端分别连接第四电容c4的两端，第一二极管连接式晶体管的栅极漏极相连，第一二极管连接式晶体管包括第一晶体管m1和第二晶体管m2，第一晶体管m1的漏极与第三晶体管m3的漏极连接，第二晶体管m2的漏极与第四晶体管m4的漏极连接。
4.根据权利要求3所述的一种带低功耗校准环路的毫米波正交压控振荡器，其特征在于，第二电感变压器包括第三电感l3和第四电感l4，第二交叉耦合管包括第七晶体管m7和第八晶体管m8，第七晶体管m7和第八晶体管m8的栅极分别连接第三电感l3的两端，第七晶体管m7和第八晶体管m8的源极分别连接第四电感l4的两端；第四电感l4的两端分别连接第八电容c8的两端，第二二极管连接式晶体管的栅极漏极相连，第二二极管连接式晶体管包括第五晶体管m5和第六晶体管m6，第五晶体管m5的漏极与第七晶体管m7的漏极连接，第六晶体管m6的漏极与第八晶体管m8的漏极连接。
5.根据权利要求4所述的一种带低功耗校准环路的毫米波正交压控振荡器，其特征在于，耦合网络包括第九晶体管m9、第十晶体管m10、第十一晶体管m11、第十二晶体管m12；第九晶体管m9的源极与第十二晶体管m12的漏极相连，第十二晶体管m12的源极与第十一晶体管m11的漏极相连，第十一晶体管m11的源极与第十晶体管m10的漏极相连，第十晶体管m10的源极与第九晶体管m9的漏极相连；
6.根据权利要求1所述的一种带低功耗校准环路的毫米波正交压控振荡器，其特征在于，电压电流转换模块包括带米勒补偿的两级运算放大器，第一级运算放大器为五管放大器，第二级运算放大器为共源极放大器，同频采样开关由两个采样晶体管构成，低通滤波器采用一阶rc滤波器，电容包括固定电容和可调电容，滤波器的3db带宽为10mhz。
7.一种带低功耗校准环路的毫米波正交压控振荡器的控制方法，利用权利要求1-6任一项中所述的一种带低功耗校准环路的毫米波正交压控振荡器，其特征在于，包括如下步骤：
8.根据权利要求7所述的一种带低功耗校准环路的毫米波正交压控振荡器的控制方法，其特征在于，同频采样开关的打开和关闭通过输入信号的正极信号控制，对交叉耦合管的漏端信号进行周期性采样，同频采样开关通过输入信号的正极信号和交叉耦合管的漏端信号的相位关系进行环路校准。
9.根据权利要求7所述的一种带低功耗校准环路的毫米波正交压控振荡器的控制方法，其特征在于，电压电流转换模块对环路中的负载电容进行充放电产生控制电压。
10.一种无线通讯系统，其特征在于，利用权利要求1-6任一项中所述的一种带低功耗校准环路的毫米波正交压控振荡器。
