一种基于模式切换共模和差模电感的双核宽调谐毫米波压控振荡器

1.本发明属于集成电路技术领域，涉及一种基于模式切换共模和差模电感的双核宽调谐毫米波压控振荡器。


背景技术：

2.软件定义无线电频率综合器，无线基础设施系统和测试设备要求压控振荡器(vco)在覆盖宽频率调谐范围的同时满足严格的相位噪声性能。令人遗憾的是，在毫米波频段扩宽vco的频率调谐范围同时保持低相位噪声是不切实际的，这是由于小的可变电容调节比率和大量的寄生电容存在。可选择的是，通过切换变压器谐振腔工作在低频或高频模式来定频并结合可变电容来扩宽vco的频率调谐范围已经被报道。然而，该宽调谐vco的高低频工作模式存在大于10ghz的频率代沟，限制了它的应用。因为在毫米波频段电感的q值较高，通过调节电感值来增大vco的频率调谐范围且保持低相位噪声成为可能。目前已有相关工作通过调节电感值来扩宽vco的工作范围，但是它们存在各种各样的问题，如模式选择开关直接与电感并联，由于有电流流过开关，显著降低谐振腔的q值，严重恶化宽调谐vco的相位噪声性能。此外，有相关宽带vco的相位噪声在全工作范围内变化较大，归咎于不同模式之间损耗不一样导致谐振腔的q值变化较大。到目前为止，较高效扩宽vco的频率调节范围的方法是利用共振模式切换，在理想情况下因为没有电流流过模式切换开关，故没有降低谐振腔的q值。基于此，有人提出在毫米波频段通过模式切换电感的中心抽头感值来定频以扩宽vco的频率调谐范围，减轻调谐范围和相位噪声之间的取舍。但是为了保证共模电流重回短路径以减小去耦电感的影响，尽管该vco有两个工作模式，它的调谐范围也只有16.5％。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提出了一种基于模式切换共模和差模电感的双核宽调谐毫米波压控振荡器，在较小的面积下使共模和差模的感值差异较大，扩宽调谐范围的同时降低相位噪声且始终确保共模电流重回短路径。
4.本发明通过以下技术方案实现：
5.一种基于模式切换共模和差模电感的双核宽调谐毫米波压控振荡器，包括第一负阻放大器、第二负阻放大器、第一多线圈耦合谐振腔、第二多线圈耦合谐振腔和模式切换模块；所述模式切换模块用于使第一多线圈耦合谐振腔和第二多线圈耦合谐振腔在共模模式和差模模式之间切换；
6.第一多线圈变压器耦合谐振腔包括第一漏端电感l
d1
、第三漏电电感l
d3
、第一源端电感l
s1
、第三源端电感l
s3
、第五头部源端电感l
s5
、第二栅端电感l
g2
、第四栅端电感l
g4
、第一头部栅端电感l
g5
和第一头部漏端电感l
d5
；第一漏端电感l
d1
的一端、第一源端电感l
s1
的一端和第二栅端电感l
g2
的一端均与第一负阻放大器相连接；第三漏电电感l
d3
的一端、第三源端
电感l
s3
的一端和第四栅端电感l
g4
的一端均与第二负阻放大器相连接；第一源端电感l
s1
的另一端与第三源端电感l
s3
的另一端均与第五头部源端电感l
s5
的一端相连接；第五头部源端电感l
s5
的另一端与地相连接；第二栅端电感l
g2
的另一端和第四栅端电感l
g4
的另一端均与第一头部栅端电感l
g5
的一端相连接，第一头部栅端电感l
g5
的另一端连接第一偏置电压输入端v
b1
；第一漏端电感l
d1
的另一端与第三漏端电感l
d3
的另一端均与第一头部漏端电感l
d5
的一端相连接，第一头部漏端电感l
d5
的另一端连接电源电压v
dd
；
7.第二多线圈耦合变压器谐振腔包括第二漏端电感l
d2
、第四漏电电感l
d4
、第二源端电感l
s2
、第四源端电感l
s4
、第六头部源端电感l
s6
、第一栅端电感l
g1
、第三栅端电感l
g3
、第二头部栅端电感l
g6
和第二头部漏端电感l
d6
；第一栅端电感l
g1
的一端、第二漏端电感l
d2
的一端和第二源端电感l
s2
的一端均与第一负阻放大器相连接；第三栅端电感l
g3
另一端、第四漏端电感l
d4
的一端和第四源端电感l
s4
的一端均与第二负阻放大器相连接；第一栅端电感l
g1
的另一端和第三栅端电感l
g3
的另一端均与第二头部栅端电感l
g6
的一端相连接，第二头部栅端电感l
g6
的另一端连接第二偏置电压输入端v
b2
；第二漏端电感l
d2
的另一端与第四漏端电感l
d4
的另一端均与第二头部漏端电感l
d6
的一端相连接，第二头部漏端电感l
d6
的另一端连接电源电压v
dd
；第二源端电感l
s2
的另一端与第四源端电感l
s4
的另一端均与第六头部源端电感l
s6
的一端相连接；第五头部源端电感l
s5
的另一端和第六头部源端电感l
s6
的另一端均与地相连接。
8.优选的，第一漏端电感l
d1
分别与第二栅端电感l
g2
和第一源端电感l
s1
同相耦合，第一源端电感l
s1
与第二栅端电感l
g2
同相耦合，第三漏端电感l
d3
分别与第四栅端电感l
g4
和第三源端电感l
s3
同相耦合，第三源端电感l
s3
与第四栅端电感l
g4
同相耦合，第一头部栅端电感l
g5
与第一头部漏端电感l
d5
同相耦合；第二漏端电感l
d2
分别与第一栅端电感l
g1
和第二源端电感l
s2
同相耦合，第二源端电感l
s2
与第一栅端电感l
g1
同相耦合，第四漏端电感l
d4
分别与第三栅端电感l
g3
和第四源端电感l
s4
同相耦合，第四源端电感l
s4
与第三栅端电感l
g3
同相耦合，第二头部栅端电感l
g6
与第二头部漏端电感l
d6
同相耦合。
9.优选的，第一头部栅端电感l
g5
、第一头部漏端电感l
d5
、第二头部栅端电感l
g6
和第二头部漏端电感l
d6
四者尺寸相同。
10.优选的，所述第一负阻放大器包括第一nmos管m1、第二nmos管m2、第一栅端电容c
g1
、第二栅端电容c
g2
、第一漏端电容c
d1
、第二漏端电容c
d2
、第一输出端v
out1
、第二输出端v
out2
、第一偏置电压输入端v
b1
、第一频率调节电压输入端v
c1
和第二频率调节电压输入端v
c2
；
11.第一nmos管m1的栅端与第一栅端电感l
g1
的一端和第一栅端电容c
g1
的一端相连接，第一nmos管m1的漏端与第一漏端电感l
d1
的一端、第一漏端电容c
d1
的一端和第一输出端v
out1
相连接，第一nmos管m1的源端与第一源端电感l
s1
的一端相连接；第二nmos管m2的栅端与第二栅端电感l
g2
的一端和第二栅端电容c
g2
的一端相连接，第二nmos管m2的漏端与第二漏端电感l
d2
的一端、第二漏端电容c
d2
的一端和第二输出端v
out2
相连接，第二nmos管m2的源端与第二源端电感l
s2
的一端相连接；第一栅端电容c
g1
的另一端与第二栅端电容c
g2
的另一端均与第一频率调节电压输入端v
c1
相连接；第一漏端电容c
d1
的另一端与第二漏端电容c
d2
的另一端均与第二频率调节电压输入端v
c2
相连接。
12.优选的，第二负阻放大器包括第三nmos管m3、第四nmos管m4、第三栅端电容c
g3
、第
四栅端电容c
g4
、第三漏端电容c
d3
、第四漏端电容c
d4
、第三输出端v
out3
、第四输出端v
out4
、第二偏置电压输入端v
b2
、第三频率调节电压输入端v
c3
和第四频率调节电压输入端v
c4
；
13.第三nmos管m3的栅端与第三栅端电感l
g3
的另一端和第三栅端电容c
g3
的一端相连接，第三nmos管m3的漏端与第三漏端电感l
d3
的另一端、第三漏端电容c
d3
的一端和第三输出端v
out3
相连接，第三nmos管m3的源端与第三源端电感l
s3
的另一端相连接；第四nmos管m4的栅端与第四栅端电感l
g4
的另一端和第四栅端电容c
g4
的一端相连接，第四nmos管m4的漏端与第四漏端电感l
d4
的另一端、第四漏端电容c
d4
的一端和第四输出端v
out4
相连接，第四nmos管m4的源端与第四源端电感l
s4
的另一端相连接；第三栅端电容c
g3
的另一端与第四栅端电容c
g4
的另一端均与第三频率调节电压输入端v
c3
相连接；第三漏端电容c
d3
的另一端与第四漏端电容c
d4
的另一端均与第四频率调节电压输入端v
c4
相连接。
14.优选的，所述模式切换模块包括第一模式切换单元g
mc1
、第二模式切换单元g
mc2
、第三模式切换单元g
mc3
和第四模式切换单元g
mc4
；第一模式切换单元g
mc1
包括第一端口i1、第二端口i2、第三端口o1和第四端口o2；第二模式切换单元g
mc2
包括第五端口i3、第六端口i4、第七端口o3和第八端口o4；第三模式切换单元g
mc3
包括第九端口i5、第十端口i6、第十一端口o5和第十二端口o6；第四模式切换单元g
mc4
包括第十三端口i7、第十四端口i8、第十五端口o7和第十六端口o8；
15.第一负阻放大器包括第一nmos管m1、第二nmos管m2、第一输出端v
out1
、第二输出端v
out2
；第一nmos管m1的漏端与第一输出端v
out1
相连接，第二nmos管m2的漏端与第二输出端v
out2
相连接；第二负阻放大器包括第三nmos管m3、第四nmos管m4、第三输出端v
out3
、第四输出端v
out4
；第三nmos管m3的漏端与第三输出端v
out3
相连接，第四nmos管m4的漏端与第四输出端v
out4
相连接；
16.第一端口i1、第七端口o3、第九端口i5和第十五端口o7均与第一输出端v
out1
相连接；第二端口i2、第八端口o4、第十端口i6和第十六端口o8均与第二输出端v
out2
相连接；第三端口o1、第五端口i3、第十二端口o6和第十四端口i8均与第三输出端v
out3
相连接；第四端口o2、第六端口i4、第十一端口o5和第十三端口i7均与第四输出端v
out4
相连接。
17.进一步的，所述第一模式切换单元g
mc1
还包括第五nmos管m5、第六nmos管m6、第七nmos管m7和第一使能输入端en1；
18.第五nmos管m5的栅端与第一使能输入端en1相连接，第五nmos管m5的漏端与第六nmos管m6的源端和第七nmos管m7的源端相连接，第五nmos管m5的源端与地相连接；第六nmos管m6的栅端与第一端口i1相连接，第六nmos管m6的漏端与第三端口o1相连接；第七nmos管m7的栅端与第二端口i2相连接，第七nmos管m7的漏端与第四端口o2相连接。
19.进一步的，所述第二模式切换单元g
mc2
还包括第八nmos管m8、第九nmos管m9、第十nmos管m
10
和第二使能输入端en2；
20.第八nmos管m8的栅端与第二使能输入端en2相连接，第八nmos管m8的漏端与第九nmos管m9的源端和第十nmos管m
10
的源端相连接，第八nmos管m8的源端与地相连接；第九nmos管m9的栅端与第五端口i3相连接，第九nmos管m9的漏端与第七端口o3相连接；第十nmos管m
10
的栅端与第六端口i4相连接，第十nmos管m
10
的漏端与第八端口o4相连接。
21.进一步的，所述第三模式切换单元g
mc3
还包括第十一nmos管m
11
、第十二nmos管m
12
、第十三nmos管m
13
和第三使能输入端en3；
22.第十一nmos管m
11
的栅端与第三使能输入端en3相连接，第十一nmos管m
11
的漏端与第十二nmos管m
12
的源端和第十三nmos管m
13
的源端相连接，第十一nmos管m
11
的源端与地相连接；第十二nmos管m
12
的栅端与第九端口i5相连接，第十二nmos管m
12
的漏端与第十一端口o5相连接；第十三nmos管m
13
的栅端与第十端口i6相连接，第十三nmos管m
13
的漏端与第十二端口o6相连接。
23.进一步的，所述第四模式切换单元g
mc4
还包括第十四nmos管m
14
、第十五nmos管m
15
、第十六nmos管m
16
和第四使能输入端en4；
24.第十四nmos管m
14
的栅端与第四使能输入端en4相连接，第十四nmos管m
14
的漏端与第十五nmos管m
15
的源端和第十六nmos管m
16
的源端相连接，第十四nmos管m
14
的源端与地相连接；第十五nmos管m
15
的栅端与第十三端口i7相连接，第十五nmos管m
15
的漏端与第十五端口o7相连接；第十六nmos管m
16
的栅端与第十四端口i8相连接，第十六nmos管m
16
的漏端与第十六端口o8相连接。
25.与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
26.本发明所述的基于模式切换共模和差模电感的双核宽调谐毫米波压控振荡器，在第一头部栅端电感l
g5
、第二头部栅端电感l
g6
的基础上，增加了第一头部漏端电感l
d5
、第五头部源端电感l
s5
、第二头部漏端电感l
d6
、第六头部源端电感l
s6
，从而在小面积下实现较大的共模和差模感值差异，通过模式切换共模和差模电感值来定频以扩宽双核vco的频率调谐范围并保持低相位噪声。本发明通过调节头部栅端电感、头部漏端电感和两者之间的耦合系数可灵活地改变等效共模电感，有效控制共模的最高频和差模的最低频之间的频率代沟。本发明中电源电压v
dd
与l
s5
、l
s6
的接地端距离近，在增大共模电感的同时能确保共模电流重回短路径。此外，由于电源电压和偏置电压分离，有利于减小vco的振荡频率随电源电压的波动。
27.进一步的，本发明所述的基于模式切换共模和差模电感的双核宽调谐毫米波压控振荡器所提出的对称中心抽头变压器帮助减小来自其它有电感器件的电路之间的磁场耦合。
28.进一步的，本发明中，第一负阻放大器包括第一栅端电容c
g1
、第二栅端电容c
g2
、第一漏端电容c
d1
、第二漏端电容c
d2
，第二负阻放大器包括第三栅端电容c
g3
、第四栅端电容c
g4
、第三漏端电容c
d3
、第四漏端电容c
d4
，即调频电容阵列数量相较于传统one-port架构的vco增大一倍，进一步帮助扩大该双核vco的频率调谐范围。此外，本发明通过mos管栅端的电压反向耦合到源端，进一步增大栅端到源端的反馈电压v
gs
，降低跨导晶体管的注入噪声以提高该双核宽调谐vco的噪声性能且使该vco更适合在低电源电压系统中工作。
29.进一步的，本发明所述的基于模式切换共模和差模电感的双核宽调谐毫米波压控振荡器所需的模式切换模块仅放在漏端以减小寄生电容的影响，栅端和源端的信号相位将随着磁耦合方向发生改变。此外，该模式切换模块为需要的模式提供能量而不需要的模式则消耗能量，帮助避免模式歧义且不恶化所需模式的谐振腔的q值。
附图说明
30.图1为本发明所设计的宽调谐毫米波压控振荡器的核心原理图；
31.图2为本发明所设计的宽调谐毫米波压控振荡器的模式切换模块的原理图。
具体实施方式
32.为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明进行描述，这些描述只是进一步解释本发明的特征和优点，并非用于限制本发明的权利要求。
33.需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
34.参考图1，本发明所提出的一种基于模式切换共模和差模电感的双核宽调谐毫米波压控振荡器，包括第一负阻放大器g
m1
、第二负阻放大器g
m2
、第一多线圈耦合谐振腔z1、第二多线圈耦合谐振腔z2和模式切换模块g
mc
；输出为第一输出端v
out1
、第二输出端v
out2
、第三输出端v
out3
和第四输出端v
out4
；输入为第一偏置电压输入端v
b1
、第二偏置电压输入端v
b2
、第一频率调节电压输入端v
c1
、第二频率调节电压输入端v
c2
、第三频率调节电压输入端v
c3
和第四频率调节电压输入端v
c4
、第一使能输入端en1、第二使能输入端en2、第三使能输入端en3、第四使能输入端en4。
35.所述第一负阻放大器g
m1
包括第一nmos管m1、第二nmos管m2、第一栅端电容c
g1
、第二栅端电容c
g2
、第一漏端电容c
d1
、第二漏端电容c
d2
、第一输出端v
out1
、第二输出端v
out2
、第一偏置电压输入端v
b1
、第一频率调节电压输入端v
c1
、第二频率调节电压输入端v
c2
；第二负阻放大器g
m2
包括第三nmos管m3、第四nmos管m4、第三栅端电容c
g3
、第四栅端电容c
g4
、第三漏端电容c
d3
、第四漏端电容c
d4
、第三输出端v
out3
、第四输出端v
out4
、第二偏置电压输入端v
b2
、第三频率调节电压输入端v
c3
、第四频率调节电压输入端v
c4
；第一多线圈变压器耦合谐振腔z1包括第一漏端电感l
d1
、第三漏电电感l
d3
、第一源端电感l
s1
、第三源端电感l
s3
、第五头部源端电感l
s5
、第二栅端电感l
g2
、第四栅端电感l
g4
、第一头部栅端电感l
g5
、第一头部漏端电感l
d5
；第二多线圈耦合变压器谐振腔z2包括第二漏端电感l
d2
、第四漏电电感l
d4
、第二源端电感l
s2
、第四源端电感l
s4
、第六头部源端电感l
s6
、第一栅端电感l
g1
、第三栅端电感l
g3
、第二头部栅端电感l
g6
、第二头部漏端电感l
d6
。
36.第一偏置电压输入端v
b1
外接第一偏置电压，第二偏置电压输入端v
b2
外接第二偏置电压，第一频率调节电压输入端v
c1
外接第一频率调节电压，负责调节第一栅端电容c
g1
和第二栅端电容c
g2
的大小，第二频率调节电压输入端v
c2
外接第二频率调节电压，负责调节第一漏端电容c
d1
和第二漏端电容c
d2
的大小，第三频率调节电压输入端v
c3
外接第三频率调节电压，负责调节第三栅端电容c
g3
和第四栅端电容c
g4
的大小，第四频率调节电压输入端v
c4
外接第四频率调节电压，负责调节第三漏端电容c
d3
和第四漏端电容c
d4
的大小。第一nmos管m1的栅端与第一栅端电感l
g1
的一端和第一栅端电容c
g1
的一端相连接，第一nmos管m1的漏端与第一漏端电感l
d1
的一端、第一漏端电容c
d1
的一端和第一输出端v
out1
相连接，第一nmos管m1的源端与第一源端电感l
s1
的一端相连接；第二nmos管m2的栅端与第二栅端电感l
g2
的一端和第二栅端电容c
g2
的一端相连接，第二nmos管m2的漏端与第二漏端电感l
d2
的一端、第二漏端电容c
d2
的一端和第二输出端v
out2
相连接，第二nmos管m2的源端与第二源端电感l
s2
的一端相
连接；第三nmos管m3的栅端与第三栅端电感l
g3
的一端和第三栅端电容c
g3
的一端相连接，第三nmos管m3的漏端与第三漏端电感l
d3
的一端、第三漏端电容c
d3
的一端和第三输出端v
out3
相连接，第三nmos管m3的源端与第三源端电感l
s3
的一端相连接；第四nmos管m4的栅端与第四栅端电感l
g4
的一端和第四栅端电容c
g4
的一端相连接，第四nmos管m4的漏端与第四漏端电感l
d4
的一端、第四漏端电容c
d4
的一端和第四输出端v
out4
相连接，第四nmos管m4的源端与第四源端电感l
s4
的一端相连接；第一栅端电感l
g1
的另一端和第三栅端电感l
g3
的另一端均与第二头部栅端电感l
g6
的一端相连接，第二头部栅端电感l
g6
的另一端与第二偏置电压输入端v
b2
相连接；第二栅端电感l
g2
的另一端和第四栅端电感l
g4
的另一端均与第一头部栅端电感l
g5
的一端相连接，第一头部栅端电感l
g5
的另一端与第一偏置电压输入端v
b1
相连接；第一漏端电感l
d1
的另一端与第三漏端电感l
d3
的另一端均与第一头部漏端电感l
d5
的一端相连接，第一头部漏端电感l
d5
的另一端与电源电压v
dd
相连接；第二漏端电感l
d2
的另一端与第四漏端电感l
d4
的另一端均与第二头部漏端电感l
d6
的一端相连接，第二头部漏端电感l
d6
的另一端与电源电压v
dd
相连接；第一源端电感l
s1
的另一端与第三源端电感l
s3
的另一端均与第五头部源端电感l
s5
的一端相连接；第二源端电感l
s2
的另一端与第四源端电感l
s4
的另一端均与第六头部源端电感l
s6
的一端相连接；第五头部源端电感l
s5
的另一端和第六头部源端电感l
s6
的另一端均与地相连接；第一栅端电容c
g1
的另一端与第二栅端电容c
g2
的另一端均与第一频率调节电压输入端v
c1
相连接；第三栅端电容c
g3
的另一端与第四栅端电容c
g4
的另一端均与第三频率调节电压输入端v
c3
相连接；第一漏端电容c
d1
的另一端与第二漏端电容c
d2
的另一端均与第二频率调节电压输入端v
c2
相连接；第三漏端电容c
d3
的另一端与第四漏端电容c
d4
的另一端均与第四频率调节电压输入端v
c4
相连接。
37.第一漏端电感l
d1
分别与第二栅端电感l
g2
和第一源端电感l
s1
同相耦合，耦合系数分别为k
gd1
和k
ds1
；第一源端电感l
s1
与第二栅端电感l
g2
同相耦合，耦合系数为k
gs1
；第三漏端电感l
d3
分别与第四栅端电感l
g4
和第三源端电感l
s3
同相耦合，耦合系数分别为k
gd3
和k
ds3
；第三源端电感l
s3
与第四栅端电感l
g4
同相耦合，耦合系数为k
gs3
；第一头部栅端电感l
g5
与第一头部漏端电感l
d5
同相耦合，耦合系数为k
gd5
。
38.第二漏端电感l
d2
分别与第一栅端电感l
g1
和第二源端电感l
s2
同相耦合，耦合系数分别为k
gd2
和k
ds2
；第二源端电感l
s2
与第一栅端电感l
g1
同相耦合，耦合系数为k
gs2
；第四漏端电感l
d4
分别与第三栅端电感l
g3
和第四源端电感l
s4
同相耦合，耦合系数分别为k
gd4
和k
ds4
；第四源端电感l
s4
与第三栅端电感l
g3
同相耦合，耦合系数为k
gs4
；第二头部栅端电感l
g6
与第二头部漏端电感l
d6
同相耦合，耦合系数为k
gd6
。
39.第一头部栅端电感l
g5
、第一头部漏端电感l
d5
、第二头部栅端电感l
g6
和第二头部漏端电感l
d6
四者尺寸相同，这种对称中心抽头变压器帮助减小来自其它有电感器件的电路之间的磁场耦合。
40.参考图2，所述的模式切换模块g
mc
包括第一模式切换单元g
mc1
、第二模式切换单元g
mc2
、第三模式切换单元g
mc3
、第四模式切换单元g
mc4
、第一模式切换输出端d1、第二模式切换输出端d2、第三模式切换输出端d3、第四模式切换输出端d4、第一使能输入端en1、第二使能输入端en2、第三使能输入端en3、第四使能输入端en4。
41.所述的第一模式切换单元g
mc1
包括第五nmos管m5、第六nmos管m6、第七nmos管m7、第一使能输入端en1、第一端口i1、第二端口i2、第三端口o1、第四端口o2；第二模式切换单元g
mc2
包括第八nmos管m8、第九nmos管m9、第十nmos管m
10
、第二使能输入端en2、第五端口i3、第六端口i4、第七端口o3、第八端口o4；第三模式切换单元g
mc3
包括第十一nmos管m
11
、第十二nmos管m
12
、第十三nmos管m
13
、第三使能输入端en3、第九端口i5、第十端口i6、第十一端口o5、第十二端口o6；第四模式切换单元g
mc4
包括第十四nmos管m
14
、第十五nmos管m
15
、第十六nmos管m
16
、第四使能输入端en4、第十三端口i7、第十四端口i8、第十五端口o7、第十六端口o8。
42.第一使能输入端en1外接第一使能电压，负责控制第一模式切换单元g
mc1
是否工作，第二使能输入端en2外接第二使能电压，负责控制第二模式切换单元g
mc2
是否工作，第三使能输入端en3外接第三使能电压，负责控制第三模式切换单元g
mc3
是否工作，第四使能输入端en4外接第一使能电压，负责控制第四模式切换单元g
mc4
是否工作。第一模式切换单元g
mc1
的第五nmos管m5的栅端与第一使能输入端en1相连接，第五nmos管m5的漏端与第六nmos管m6的源端和第七nmos管m7的源端相连接，第五nmos管m5的源端与地相连接；第六nmos管m6的栅端与第一端口i1相连接，第六nmos管m6的漏端与第三端口o1相连接；第七nmos管m7的栅端与第二端口i2相连接，第七nmos管m7的漏端与第四端口o2相连接。第二模式切换单元g
mc2
的第八nmos管m8的栅端与第二使能输入端en2相连接，第八nmos管m8的漏端与第九nmos管m9的源端和第十nmos管m
10
的源端相连接，第八nmos管m8的源端与地相连接；第九nmos管m9的栅端与第五端口i3相连接，第九nmos管m9的漏端与第七端口o3相连接；第十nmos管m
10
的栅端与第六端口i4相连接，第十nmos管m
10
的漏端与第八端口o4相连接。第三模式切换单元g
mc3
的第十一nmos管m
11
的栅端与第三使能输入端en3相连接，第十一nmos管m
11
的漏端与第十二nmos管m
12
的源端和第十三nmos管m
13
的源端相连接，第十一nmos管m
11
的源端与地相连接；第十二nmos管m
12
的栅端与第九端口i5相连接，第十二nmos管m
12
的漏端与第十一端口o5相连接；第十三nmos管m
13
的栅端与第十端口i6相连接，第十三nmos管m
13
的漏端与第十二端口o6相连接。第四模式切换单元g
mc4
的第十四nmos管m
14
的栅端与第四使能输入端en4相连接，第十四nmos管m
14
的漏端与第十五nmos管m
15
的源端和第十六nmos管m
16
的源端相连接，第十四nmos管m
14
的源端与地相连接；第十五nmos管m
15
的栅端与第十三端口i7相连接，第十五nmos管m
15
的漏端与第十五端口o7相连接；第十六nmos管m
16
的栅端与第十四端口i8相连接，第十六nmos管m
16
的漏端与第十六端口o8相连接。
43.第一端口i1、第七端口o3、第九端口i5和第十五端口o7均与第一模式切换输出端d1相连接；第二端口i2、第八端口o4、第十端口i6和第十六端口o8均与第二模式切换输出端d2相连接；第三端口o1、第五端口i3、第十二端口o6和第十四端口i8均与第三模式切换输出端d3相连接；第四端口o2、第六端口i4、第十一端口o5和第十三端口i7均与第四模式切换输出端d4相连接。第一模式切换输出端d1、第二模式切换输出端d2、第三模式切换输出端d3、第四模式切换输出端d4分别与第一输出端v
out1
、第二输出端v
out2
、第三输出端v
out3
、第四输出端v
out4
相连接。
44.本发明所涉及的vco由模式切换模块g
mc
决定工作在共模模式还是差模模式。在共模模式下，第一模式切换单元g
mc1
和第二模式切换单元g
mc2
关闭、第三模式切换单元g
mc3
和第四模式切换单元g
mc4
开启，使得第一模式切换输出端v
out1
和第三模式切换输出端v
out3
相位相同，第二模式切换输出端v
out2
和第四模式切换输出端v
out4
相位相同，电流流过第一头部栅端电感l
g5
、第一头部漏端电感l
d5
、第二头部栅端电感l
g6
、第二头部漏端电感l
d6
、第五头部源端电感l
s5
、第六头部源端电感l
s6
，在此情况下，第一头部栅端电感l
g5
、第一头部漏端电感l
d5
、
第二头部栅端电感l
g6
、第二头部漏端电感l
d6
、第五头部源端电感l
s5
、第六头部源端电感l
s6
对振荡回路电感值有贡献，vco工作在低频处。在差模模式下，第一模式切换单元g
mc1
和第二模式切换单元g
mc2
开启、第三模式切换单元g
mc3
和第四模式切换单元g
mc4
关闭，使得第一模式切换输出端v
out1
和第三模式切换输出端v
out3
相位相反，第二模式切换输出端v
out2
和第四模式切换输出端v
out4
相位相反，电流没有流过第一头部栅端电感l
g5
、第一头部漏端电感l
d5
、第二头部栅端电感l
g6
、第二头部漏端电感l
d6
、第五头部源端电感l
s5
、第六头部源端电感l
s6
，故第一头部栅端电感l
g5
、第一头部漏端电感l
d5
、第二头部栅端电感l
g6
、第二头部漏端电感l
d6
、第五头部源端电感l
s5
、第六头部源端电感l
s6
对振荡回路电感值没有贡献，vco工作在高频处。
45.以上所述，仅为本发明说明书描述之实现本发明具体实施例的详细说明与图式，用于例证而非限制，但本发明的特征并不局限于此，本领域技术人员显然理解，本发明的所有范围应以其权利要求的保护范围为准，在不背离所附权利要求书所界定的发明精神和发明范围的前提下，凡根据本发明的精神与其类似变化而实施的其它实例，皆应包含在本发明的保护范畴之中。

技术特征：
1.一种基于模式切换共模和差模电感的双核宽调谐毫米波压控振荡器，其特征在于，包括第一负阻放大器、第二负阻放大器、第一多线圈耦合谐振腔、第二多线圈耦合谐振腔和模式切换模块；所述模式切换模块用于使第一多线圈耦合谐振腔和第二多线圈耦合谐振腔在共模模式和差模模式之间切换；第一多线圈变压器耦合谐振腔包括第一漏端电感l
d1
、第三漏电电感l
d3
、第一源端电感l
s1
、第三源端电感l
s3
、第五头部源端电感l
s5
、第二栅端电感l
g2
、第四栅端电感l
g4
、第一头部栅端电感l
g5
和第一头部漏端电感l
d5
；第一漏端电感l
d1
的一端、第一源端电感l
s1
的一端和第二栅端电感l
g2
的一端均与第一负阻放大器相连接；第三漏电电感l
d3
的一端、第三源端电感l
s3
的一端和第四栅端电感l
g4
的一端均与第二负阻放大器相连接；第一源端电感l
s1
的另一端与第三源端电感l
s3
的另一端均与第五头部源端电感l
s5
的一端相连接；第五头部源端电感l
s5
的另一端与地相连接；第二栅端电感l
g2
的另一端和第四栅端电感l
g4
的另一端均与第一头部栅端电感l
g5
的一端相连接，第一头部栅端电感l
g5
的另一端连接第一偏置电压输入端v
b1
；第一漏端电感l
d1
的另一端与第三漏端电感l
d3
的另一端均与第一头部漏端电感l
d5
的一端相连接，第一头部漏端电感l
d5
的另一端连接电源电压v
dd
；第二多线圈耦合变压器谐振腔包括第二漏端电感l
d2
、第四漏电电感l
d4
、第二源端电感l
s2
、第四源端电感l
s4
、第六头部源端电感l
s6
、第一栅端电感l
g1
、第三栅端电感l
g3
、第二头部栅端电感l
g6
和第二头部漏端电感l
d6
；第一栅端电感l
g1
的一端、第二漏端电感l
d2
的一端和第二源端电感l
s2
的一端均与第一负阻放大器相连接；第三栅端电感l
g3
另一端、第四漏端电感l
d4
的一端和第四源端电感l
s4
的一端均与第二负阻放大器相连接；第一栅端电感l
g1
的另一端和第三栅端电感l
g3
的另一端均与第二头部栅端电感l
g6
的一端相连接，第二头部栅端电感l
g6
的另一端连接第二偏置电压输入端v
b2
；第二漏端电感l
d2
的另一端与第四漏端电感l
d4
的另一端均与第二头部漏端电感l
d6
的一端相连接，第二头部漏端电感l
d6
的另一端连接电源电压v
dd
；第二源端电感l
s2
的另一端与第四源端电感l
s4
的另一端均与第六头部源端电感l
s6
的一端相连接；第五头部源端电感l
s5
的另一端和第六头部源端电感l
s6
的另一端均与地相连接。2.根据权利要求1所述的基于模式切换共模和差模电感的双核宽调谐毫米波压控振荡器，其特征在于，第一漏端电感l
d1
分别与第二栅端电感l
g2
和第一源端电感l
s1
同相耦合，第一源端电感l
s1
与第二栅端电感l
g2
同相耦合，第三漏端电感l
d3
分别与第四栅端电感l
g4
和第三源端电感l
s3
同相耦合，第三源端电感l
s3
与第四栅端电感l
g4
同相耦合，第一头部栅端电感l
g5
与第一头部漏端电感l
d5
同相耦合；第二漏端电感l
d2
分别与第一栅端电感l
g1
和第二源端电感l
s2
同相耦合，第二源端电感l
s2
与第一栅端电感l
g1
同相耦合，第四漏端电感l
d4
分别与第三栅端电感l
g3
和第四源端电感l
s4
同相耦合，第四源端电感l
s4
与第三栅端电感l
g3
同相耦合，第二头部栅端电感l
g6
与第二头部漏端电感l
d6
同相耦合。3.根据权利要求1所述的基于模式切换共模和差模电感的双核宽调谐毫米波压控振荡器，其特征在于，第一头部栅端电感l
g5
、第一头部漏端电感l
d5
、第二头部栅端电感l
g6
和第二头部漏端电感l
d6
四者尺寸相同。4.根据权利要求1所述的基于模式切换共模和差模电感的双核宽调谐毫米波压控振荡器，其特征在于，所述第一负阻放大器包括第一nmos管m1、第二nmos管m2、第一栅端电容c
g1
、第二栅端电容c
g2
、第一漏端电容c
d1
、第二漏端电容c
d2
、第一输出端v
out1
、第二输出端v
out2
、第
一偏置电压输入端v
b1
、第一频率调节电压输入端v
c1
和第二频率调节电压输入端v
c2
；第一nmos管m1的栅端与第一栅端电感l
g1
的一端和第一栅端电容c
g1
的一端相连接，第一nmos管m1的漏端与第一漏端电感l
d1
的一端、第一漏端电容c
d1
的一端和第一输出端v
out1
相连接，第一nmos管m1的源端与第一源端电感l
s1
的一端相连接；第二nmos管m2的栅端与第二栅端电感l
g2
的一端和第二栅端电容c
g2
的一端相连接，第二nmos管m2的漏端与第二漏端电感l
d2
的一端、第二漏端电容c
d2
的一端和第二输出端v
out2
相连接，第二nmos管m2的源端与第二源端电感l
s2
的一端相连接；第一栅端电容c
g1
的另一端与第二栅端电容c
g2
的另一端均与第一频率调节电压输入端v
c1
相连接；第一漏端电容c
d1
的另一端与第二漏端电容c
d2
的另一端均与第二频率调节电压输入端v
c2
相连接。5.根据权利要求1所述的基于模式切换共模和差模电感的双核宽调谐毫米波压控振荡器，其特征在于，第二负阻放大器包括第三nmos管m3、第四nmos管m4、第三栅端电容c
g3
、第四栅端电容c
g4
、第三漏端电容c
d3
、第四漏端电容c
d4
、第三输出端v
out3
、第四输出端v
out4
、第二偏置电压输入端v
b2
、第三频率调节电压输入端v
c3
和第四频率调节电压输入端v
c4
；第三nmos管m3的栅端与第三栅端电感l
g3
的另一端和第三栅端电容c
g3
的一端相连接，第三nmos管m3的漏端与第三漏端电感l
d3
的另一端、第三漏端电容c
d3
的一端和第三输出端v
out3
相连接，第三nmos管m3的源端与第三源端电感l
s3
的另一端相连接；第四nmos管m4的栅端与第四栅端电感l
g4
的另一端和第四栅端电容c
g4
的一端相连接，第四nmos管m4的漏端与第四漏端电感l
d4
的另一端、第四漏端电容c
d4
的一端和第四输出端v
out4
相连接，第四nmos管m4的源端与第四源端电感l
s4
的另一端相连接；第三栅端电容c
g3
的另一端与第四栅端电容c
g4
的另一端均与第三频率调节电压输入端v
c3
相连接；第三漏端电容c
d3
的另一端与第四漏端电容c
d4
的另一端均与第四频率调节电压输入端v
c4
相连接。6.根据权利要求1所述的基于模式切换共模和差模电感的双核宽调谐毫米波压控振荡器，其特征在于，所述模式切换模块包括第一模式切换单元g
mc1
、第二模式切换单元g
mc2
、第三模式切换单元g
mc3
和第四模式切换单元g
mc4
；第一模式切换单元g
mc1
包括第一端口i1、第二端口i2、第三端口o1和第四端口o2；第二模式切换单元g
mc2
包括第五端口i3、第六端口i4、第七端口o3和第八端口o4；第三模式切换单元g
mc3
包括第九端口i5、第十端口i6、第十一端口o5和第十二端口o6；第四模式切换单元g
mc4
包括第十三端口i7、第十四端口i8、第十五端口o7和第十六端口o8；第一负阻放大器包括第一nmos管m1、第二nmos管m2、第一输出端v
out1
、第二输出端v
out2
；第一nmos管m1的漏端与第一输出端v
out1
相连接，第二nmos管m2的漏端与第二输出端v
out2
相连接；第二负阻放大器包括第三nmos管m3、第四nmos管m4、第三输出端v
out3
、第四输出端v
out4
；第三nmos管m3的漏端与第三输出端v
out3
相连接，第四nmos管m4的漏端与第四输出端v
out4
相连接；第一端口i1、第七端口o3、第九端口i5和第十五端口o7均与第一输出端v
out1
相连接；第二端口i2、第八端口o4、第十端口i6和第十六端口o8均与第二输出端v
out2
相连接；第三端口o1、第五端口i3、第十二端口o6和第十四端口i8均与第三输出端v
out3
相连接；第四端口o2、第六端口i4、第十一端口o5和第十三端口i7均与第四输出端v
out4
相连接。7.根据权利要求6所述的基于模式切换共模和差模电感的双核宽调谐毫米波压控振荡器，其特征在于，所述第一模式切换单元g
mc1
还包括第五nmos管m5、第六nmos管m6、第七nmos
管m7和第一使能输入端en1；第五nmos管m5的栅端与第一使能输入端en1相连接，第五nmos管m5的漏端与第六nmos管m6的源端和第七nmos管m7的源端相连接，第五nmos管m5的源端与地相连接；第六nmos管m6的栅端与第一端口i1相连接，第六nmos管m6的漏端与第三端口o1相连接；第七nmos管m7的栅端与第二端口i2相连接，第七nmos管m7的漏端与第四端口o2相连接。8.根据权利要求6所述的基于模式切换共模和差模电感的双核宽调谐毫米波压控振荡器，其特征在于，所述第二模式切换单元g
mc2
还包括第八nmos管m8、第九nmos管m9、第十nmos管m
10
和第二使能输入端en2；第八nmos管m8的栅端与第二使能输入端en2相连接，第八nmos管m8的漏端与第九nmos管m9的源端和第十nmos管m
10
的源端相连接，第八nmos管m8的源端与地相连接；第九nmos管m9的栅端与第五端口i3相连接，第九nmos管m9的漏端与第七端口o3相连接；第十nmos管m
10
的栅端与第六端口i4相连接，第十nmos管m
10
的漏端与第八端口o4相连接。9.根据权利要求6所述的基于模式切换共模和差模电感的双核宽调谐毫米波压控振荡器，其特征在于，所述第三模式切换单元g
mc3
还包括第十一nmos管m
11
、第十二nmos管m
12
、第十三nmos管m
13
和第三使能输入端en3；第十一nmos管m
11
的栅端与第三使能输入端en3相连接，第十一nmos管m
11
的漏端与第十二nmos管m
12
的源端和第十三nmos管m
13
的源端相连接，第十一nmos管m
11
的源端与地相连接；第十二nmos管m
12
的栅端与第九端口i5相连接，第十二nmos管m
12
的漏端与第十一端口o5相连接；第十三nmos管m
13
的栅端与第十端口i6相连接，第十三nmos管m
13
的漏端与第十二端口o6相连接。10.根据权利要求6所述的基于模式切换共模和差模电感的双核宽调谐毫米波压控振荡器，其特征在于，所述第四模式切换单元g
mc4
还包括第十四nmos管m
14
、第十五nmos管m
15
、第十六nmos管m
16
和第四使能输入端en4；第十四nmos管m
14
的栅端与第四使能输入端en4相连接，第十四nmos管m
14
的漏端与第十五nmos管m
15
的源端和第十六nmos管m
16
的源端相连接，第十四nmos管m
14
的源端与地相连接；第十五nmos管m
15
的栅端与第十三端口i7相连接，第十五nmos管m
15
的漏端与第十五端口o7相连接；第十六nmos管m
16
的栅端与第十四端口i8相连接，第十六nmos管m
16
的漏端与第十六端口o8相连接。

技术总结
本发明提出了一种基于模式切换共模和差模电感的双核宽调谐毫米波压控振荡器，在头部栅端电感的基础上，增加了头部漏端电感、头部源端电感，从而在小面积下实现较大的共模和差模感值差异，通过模式切换共模和差模电感值来定频以扩宽双核VCO的频率调谐范围并保持低相位噪声。本发明通过调节头部栅端电感、头部漏端电感和两者之间的耦合系数可灵活地改变等效共模电感，有效控制共模的最高频和差模的最低频之间的频率代沟。低频之间的频率代沟。低频之间的频率代沟。


技术研发人员：樊超 鹿铭轩 赵亚 黄凌奥 耿莉
受保护的技术使用者：西安交通大学
技术研发日：2023.06.28
技术公布日：2023/9/20