CN100407570C - 宽频带的压控振荡器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种宽频带的压控振荡器，包括LC谐振回路和用于提供负电导的电路，所述负电导电路的电流可调。本发明采用可变负电导的电路结构。该电路通过开关控制多个负电导有源电路网络的连接或断开，从而改变压控振荡器总的等效负电导，使它在各个频率段能最佳的抵消电路中的电导损耗，达到振荡器的振荡条件，同时使输出信号的相位噪声和幅度达到优化值。

Description

宽频带的压控振荡器

技术领域

本发明涉及一种射频压控振荡器，尤其涉及一种宽频带的压控振荡器。

背景技术

在过去的十多年中，寻呼机、无绳电话、模拟及数字蜂窝电话等个人无线通信***以及数字电视、广播得到了迅猛发展，无线通信成为继PC产业之后最重要的产业。由于集成电路具有体积小、功耗低、成本低的特点，无线通信技术的蓬勃发展促成了射频集成电路的迅速发展。目前，射频集成电路已经成为微电子重要的研究领域之一。设计和研究高性能的关键电路模块成为促进射频集成电路技术进步至关重要的推动力。压控振荡器即是其中关键的电路模块之一。

典型的压控振荡器电路如图1所示，其包括LC谐振回路和有源电路部分。其中C_v1和C_v2是变容管的电容，且C_v1＝C_v2。总电容C是C_v1和C_v2串联后的值，V是变容管的控制电压，L是电感。其它的MOS器件提供维持LC谐振回路持续振荡所需的能量。尾电流源I_Bias提供电路工作所需要的偏置电流。压控振荡器通过调节变容管控制端的电压V来改变整个LC谐振回路的电容值，从而改变输出信号的振荡频率。这一过程可以用以下公式来表述：

$f_{\mathrm{out}}=1/\sqrt{2\mathrm{\π}\·L\·C}---\left(1\right)$

式中的C＝C(V)。即输出信号的频率f_out是电容值C的函数，而电容值C是控制电压V的函数。

在实际应用时，图1中的电感并不是理想的元件。考虑到电感本身的损耗，通常可以用图2所示的简化模型来表示图1中的电感L。其中L_s表示等效的电感值，R_s表示等效的串联电阻。

图1所示的压控振荡器本身是一个正反馈***。要保证电路能够维持持续的振荡，必须满足以下的振荡条件：

$\frac{g_{\mathrm{mn}}+g_{\mathrm{mp}}}{2}\≥\mathrm{\α}\·g_{\tan k}---\left(2\right)$

其中g_mn和g_mp分别是NMOS器件(图1中的MN1和MN2)和PMOS器件(图1中的MP1和MP2)的跨导，α是大于1的常数(通常取1.5～3)。g_mn和g_mp的近似计算公式如下：

$g_{\mathrm{mn}}=\sqrt{2{\mathrm{\μ}}_n\·C_{\mathrm{OX}}\·{\left(\frac{w}{l}\right)}_n\·I_n}---\left(3\right)$

$g_{\mathrm{mp}}=\sqrt{2{\mathrm{\μ}}_p\·C_{\mathrm{OX}}\·{\left(\frac{w}{l}\right)}_p\·I_p}---\left(4\right)$

其中，μ_n，μ_p和C_OX为常数，w和l是MOS器件的尺寸，I_n和I_p分别是流过NMOS器件和PMOS器件的电流。

另外，g_tank是LC谐振回路的等效并联电导，其近似计算公式如下：

$g_{\tan k}\≈\frac{R_s}{{\mathrm{\ω}}^2\·{L_s}^2}---\left(5\right)$

其中R_s和L_s如图2所示，ω为振荡频率，即ω＝2π·f_out。

压控振荡器输出信号的幅度V_swing直接与g_tank有关，一般情况下，满足：V_swing＝I_Bias/g_tank(I_Bias如图1所示)。信号幅度的大小会影响压控振荡器最重要的指标：相位噪声。一般情况下，信号幅度越大，相位噪声越低，输出信号的质量也越高。

g_tank实质上表示的是谐振回路中电导所造成的能量损失，而g_mn和g_mp实质上等效为一个负的电导，抵消掉g_tank所引起的能量损失。振荡器振荡的条件即是确保这一能量损失被抵消的过程，从而维持振荡器的持续振荡。因此，图1所示的压控振荡器又可以表示成图3的形式。

对于宽频带的压控振荡器，ω变化的范围较大，因此在不同的频率点，所对应的g_tank在数值上也发生较大的波动。现有宽频带压控振荡器具有如下缺点：

(1)由于ω变化的范围较大，所以在不同的频率点，压控振荡器的起振条件显著不同，即所需要的g_mn或g_mp有明显差别。(2)由于ω变化的范围较大，在不同的频率点，输出信号的幅度显著不同，因此，相位噪声也发生较大的波动。

发明内容

针对上述现有宽频带射频压控振荡器所存在的问题和不足，本发明的目的是提供一种输出信号的相位噪声和幅度更优化的宽频带的压控振荡器。

本发明是这样实现的：一种宽频带的压控振荡器，包括LC谐振回路和用于提供负电导的电路，所述负电导电路的电流可调。

进一步地，所述可变负电导电路为多个，并由各自开关控制开合，相互并联后作为所述压控振荡器的总负电导电路。

本发明采用可变负电导的电路结构。该电路通过开关控制多个负电导有源电路网络的连接或断开，从而改变压控振荡器总的等效负电导，使它在各个频率段能最佳的抵消电路中的电导损耗，达到振荡器的振荡条件，同时使输出信号的相位噪声和幅度达到优化值。

附图说明

下面结合附图，对本发明做出详细描述。

图1是典型的压控振荡器电路图；

图2是图1中电感的简化等效电路模型示意图；

图3是压控振荡器能量补偿示意图；

图4是本发明的结构示意图；

图5是本发明的另一实施例的结构示例图；。

具体实施方式

如图4所示，本发明是在典型的压控振荡器电路(如图1所示)的基础上加以改进而成的。与图1相比，图4中加入了另一个负电导电路。即总共两个负电导电路网络，分别由各自的开关来控制。当两个负电导电路都被接入时，相当于改变了有源电路中MOS器件的尺寸(即公式(3)和(4)中的w和l)以及整个电路的偏置电流I_Bias(即I_Bias＝I_Bias+I_Bias2)。由公式(3)和(4)可知，本发明实质上是通过改变MOS器件的尺寸或者流过MOS器件的电流来改变g_mn和g_mp的值。当需要的负电导较大时(例如低频段)，可以同时将两个负电导电路网络都接入；当需要的负电导较小时(例如高频段)，只需要接入一个负电导电路网络。每个负电导电路网络的偏置电流和MOS器件尺寸可以独立调整。因此，该方案具有灵活控制负电导的能力，可以针对宽频带压控振荡器在不同频率段的设计要求，相应的使g_mn和g_mp达到最优设计值，同时使压控振荡器输出信号的幅度和相位噪声得到优化。

本发明是优化了压控振荡器设计，使其可针对不同的频率段而具有不同的g_mn和g_mp，从而保证在整个频率范围内的电路性能都达到优化值。

如图5所示，根据需要，本发明的负电导可以由多个有源电路构成。

Claims (1)

1.一种宽频带的压控振荡器，包括LC谐振回路和用于提供负电导的电路，其特征在于，所述负电导电路的电导可变，所述负电导电路的连接关系为：一开关设置在负电导电路和接地端点之间，另一开关设置在负电导电路与电源之间，由上述两个开关控制负电导电路的接通与断开，多个所述负电导电路相互并联后作为压控振荡器的总负电导电路。

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