CN117614391A - 具有自动幅度控制功能的压控振荡器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种具有自动幅度控制功能的压控振荡器，结合压控振荡模块、幅度检测模块、比较模块、幅度控制模块及基准模块设计压控振荡器，幅度检测模块、比较模块、幅度控制模块、基准模块与压控振荡模块形成负反馈环路，当压控振荡模块输出的振荡信号的幅度发生变化时，基于基准模块输出的基准电压的负反馈调节，能有效消除振荡信号的幅度变化，使得振荡信号的幅度稳定在目标区间内；通过自动调节压控振荡模块的振荡幅度，使压控振荡模块工作在不同的振荡频率时，振荡幅度基本保持一致，保证压控振荡模块内部双极型晶体管始终工作在合适工作区域，减小了双极型晶体管因工作区域不当带来的噪声贡献，优化了压控振荡模块的相位噪声特性。

Description

具有自动幅度控制功能的压控振荡器

技术领域

本发明涉及压控振荡技术领域，特别是涉及一种具有自动幅度控制功能的压控振荡器。

背景技术

锁相环作为频率合成器和时钟产生电路中的关键单元，广泛应用于模拟、数字及射频芯片中。压控振荡器作为锁相环中的关键单元，直接决定了锁相环的输出频率，并且由于锁相环的远端相位噪声主要由压控振荡器决定，所以对压控振荡器的相位噪声要求也愈加严格。

压控振荡器可以分为环形振荡器及LC型压控振荡器，其中LC型压控振荡器工作频率高、相位噪声低，具有广泛的应用。LC型压控振荡器核心部份通常由负阻有源器件和电感、电容、电阻等无源器件构成，电感、电容、电阻等无源器件构成谐振回路，通过反馈形成振荡，负阻有源器件则用来补偿谐振回路振荡的能量损失，从而产生持续稳定的振荡信号。压控振荡器作为锁相环的核心，起着提供本振频率的作用，其振荡频率与其控制电压成正比，为扩大其频率可调范围，还通常增加电容阵列。

提升LC型压控振荡器的相位噪声通常需要增大振荡幅度及减小有源器件自身的固有噪声。但是，传统的LC型压控振荡器通常将双极器件的集电极及基极极交叉耦合以构成反馈，形成负阻有源器件。由于LC型压控振荡器的振荡信号摆幅与工作频率相关，这使得压控振荡器在覆盖宽带振荡频率时，振荡幅度随振荡频率变化而变化。而双极型器件的噪声通常与其工作区紧密相关，如果振荡幅度随振荡频率不同发生较大变化，则会导致双极型器件在某些振荡频率下，出现噪声贡献急剧增加的情况，恶化振荡器的相位噪声性能。

因此，在振荡器的振荡频率变化时，需要校正振荡器的振荡幅度，使其稳定在较小的区间内，以优化振荡器的相位噪声，同时该过程需要自动快速完成，以适应快速跳频的应用需求。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种LC型压控振荡器技术方案，引入精确自动幅度控制电路，通过反馈实时校正振荡器的振荡幅度，使振荡器的振荡频率发生变化时，振荡幅度始终稳定在较小的区间范围内，从而保证LC型压控振荡器的双极型负阻器件始终工作在低噪声区域，实现优化宽带压控振荡器的相位噪声特性的目的。

为实现上述目的及其它相关目的，本发明提供的技术方案如下。

一种具有自动幅度控制功能的压控振荡器，包括：

压控振荡模块，产生振荡信号；

幅度检测模块，与所述压控振荡模块连接，检测所述振荡信号的幅度，得到幅度检测电压；

比较模块，与所述幅度检测模块连接，将所述幅度检测电压分别与第一窗口电压及第二窗口电压进行比较，得到比较码；

幅度控制模块，与所述比较模块连接，对所述比较码进行判断计数，得到幅度控制码；

基准模块，与所述幅度控制模块连接，根据所述幅度控制码产生基准电压，所述基准电压反馈到所述压控振荡模块，作为所述压控振荡模块中负阻器件的偏置电压；

其中，所述压控振荡模块、所述幅度检测模块、所述比较模块、所述幅度控制模块及所述基准模块形成负反馈环路，当所述振荡信号的幅度发生变化时，基于所述基准电压的负反馈调节，消除所述振荡信号的幅度变化，以使所述振荡信号的幅度稳定在目标区间内。

可选地，所述压控振荡模块包括第一NPN三极管、第二NPN三极管、第一电感、第二电感、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第五电阻、第一电容、第二电容、第一压控可变电容及第二压控可变电容，

所述第一电感的中间抽头接电源电压，所述第一电感的第一端接所述第一NPN三极管的集电极，所述第一电感的第二端接所述第二NPN三极管的集电极，所述第一电感的第一端及所述第一电感的第二端端配合作为所述压控振荡模块的第一差分输出端，

所述第一电容的第一端接所述第一NPN三极管的集电极，所述第一电容的第二端接所述第一压控可变电容的第一端，所述第一压控可变电容的第二端接调节电压，所述第一压控可变电容的第二端还接所述第二压控可变电容的第一端，所述第二压控可变电容的第二端接所述第二电容的第一端，所述第二电容的第二端接所述第二NPN三极管的集电极，所述第一电阻的第一端接所述第一电容的第二端，所述第一电阻的第二端接调谐电压，所述第一电阻的第二端还接所述第二电阻的第一端，所述第二电阻的第二端接所述第二电容的第一端，

所述第二电感的中间抽头接所述基准电压，所述第二电感的第一端接所述第一NPN三极管的基极，所述第二电感的第二端接所述第二NPN三极管的基极，所述第一NPN三极管的发射极经依次串接的所述第三电阻及所述第五电阻后接地，所述第二NPN三极管的发射极经串接的所述第四电阻后接所述第三电阻与所述第五电阻的公共端。

可选地，所述压控振荡模块还包括开关电容阵列、第三电容、第四电容、第五电容、第六电容、第七电容、第八电容及第九电容，

所述开关电容阵列的第一端接所述第一NPN三极管的集电极，所述开关电容阵列的第二端接所述第二NPN三极管的集电极，

所述第三电容的第一端接所述第一NPN三极管的集电极，所述第四电容的第二端接所述第二NPN三极管的集电极，所述第三电容的第二端及所述第四电容的第一端配合作为所述压控振荡模块的第二差分输出端，

所述第五电容的第一端接所述第一NPN三极管的集电极，所述第五电容的第二端接所述第二NPN三极管的基极，所述第六电容的第一端接所述第一NPN三极管的基极，所述第六电容的第二端接所述第二NPN三极管的集电极，

所述第七电容的第一端接所述第一NPN三极管的集电极，所述第七电容的第二端接所述第一NPN三极管的发射极，所述第八电容的第一端接所述第二NPN三极管的集电极，所述第八电容的第二端接所述第二NPN三极管的发射极，

所述第九电容与所述第五电阻并联。

可选地，所述幅度检测模块包括第三NPN三极管、第四NPN三极管、第一NMOS管、第二NMOS管、第六电阻、第七电阻、第十电容、第十一电容及第十二电容，

所述第三NPN三极管的集电极接电源电压，所述第三NPN三极管的基极经串接的所述第六电阻后接工作电压，所述第三NPN三极管的发射极接所述第二NMOS管的漏极，所述第四NPN三极管的集电极接所述电源电压，所述第四NPN三极管的基极经串接的所述第七电阻后接所述工作电压，所述第四NPN三极管的发射极接所述第二NMOS管的漏极，

所述第二NMOS管的栅极接所述第一NMOS管的栅极，所述第二NMOS管的源极及衬底分别接地，所述第一NMOS管的漏极接偏置电流，所述第一NMOS管的栅极接所述第一NMOS管的漏极，所述第一NMOS管的源极及衬底分别接地，

所述第十电容的第二端接所述第三NPN三极管的基极，所述第十一电容的第一端接所述第四NPN三极管的基极，所述第十电容的第一端与所述第十一电容的第二端配合作为所述幅度检测模块的差分输入端，用于接收所述振荡信号，

所述第十二电容的第一端接所述第二NMOS管的漏极，所述第十二电容的第二端接所述第二NMOS管的源极，所述第十二电容的第一端作为所述幅度检测模块的输出端，用于输出所述幅度检测电压。

可选地，所述比较模块包括两个电压比较器，第一个所述电压比较器的同相输入端接所述幅度检测电压，第一个所述电压比较器的反相输入端接所述第一窗口电压，第二个所述电压比较器的同相输入端接所述幅度检测电压，第二个所述电压比较器的反相输入端接所述第二窗口电压，所述第一窗口电压大于所述第二窗口电压，第一个所述电压比较器的输出端输出所述比较码的低位，第二个所述电压比较器的输出端输出所述比较码的高位，得到两位的所述比较码。

可选地，所述电压比较器包括第一PMOS管、第二PMOS管、第三PMOS管、第三NMOS管、第四NMOS管、第五NMOS管、第六NMOS管及反相器，

所述第一PMOS管的源极及衬底分别接电源电压，所述第一PMOS管的栅极接所述第一PMOS管的漏极，所述第一PMOS管的漏极接所述第三NMOS管的漏极，所述第三NMOS管的衬底接地，所述第二PMOS管的源极及衬底分别接所述电源电压，所述第二PMOS管的栅极接所述第一PMOS管的栅极，所述第二PMOS管的漏极接所述第四NMOS管的漏极，所述第四NMOS管的衬底接地，所述第四NMOS管的源极接所述第三NMOS管的源极，所述第四NMOS管的源极还接所述第五NMOS管的漏极，所述第五NMOS管的栅极接NMOS偏置电压，所述第五NMOS管的源极及衬底分别接地，所述第三NMOS管的栅极作为所述电压比较器的同相输入端，所述第四NMOS管的栅极作为所述电压比较器的反相输入端，

所述第三PMOS管的源极及衬底分别接所述电源电压，所述第三PMOS管的栅极接所述第二PMOS管的漏极，所述第三PMOS管的漏极接所述第六NMOS管的漏极，所述第六NMOS管的栅极接所述第五NMOS管的栅极，所述第六NMOS管的源极及衬底分别接地，

所述反相器的输入端接所述第三PMOS管的漏极，所述反相器的输出端作为所述电压比较器的输出端。

可选地，所述幅度控制模块接时钟信号、使能信号及所述比较码，在所述时钟信号及所述使能信号的控制下，对所述比较码进行判断计数，得到所述幅度控制码：

当所述使能信号为逻辑低电平时，所述幅度控制模块停止工作，所述幅度控制码固定为默认值；

当所述使能信号为逻辑高电平时，所述幅度控制模块正常工作并每隔所述时钟信号的一个时钟周期进行一次判断计数，若所述比较码为00，则所述幅度控制码的二进制值加1；若所述比较码为11，则所述幅度控制码的二进制值减1；若所述比较码为10，则结束判断，所述幅度控制码固定为当前的二进制值。

可选地，所述幅度控制码为六位二进制码，所述默认值为100000。

可选地，所述基准模块包括第五NPN三极管、第一传输门、第二传输门、第三传输门、第四传输门、第五传输门、第六传输门、第八电阻、第九电阻、第十电阻、第十一电阻、第十二电阻、第十三电阻、第十四电阻及第十五电阻，

所述第八电阻的第一端接参考电流源，所述第八电阻的第二端经依次串接的所述第九电阻、所述第十电阻、所述第十一电阻、所述第十二电阻、所述第十三电阻、所述第十四电阻及所述第十五电阻后接所述第五NPN三极管的集电极，所述第五NPN三极管的基极接所述第五NPN三极管的集电极，所述第五NPN三极管的发射极接地，

所述第一传输门与所述第十电阻并联，所述第一传输门的控制端接所述幅度控制码的第一位，所述第二传输门与所述第十一电阻并联，所述第二传输门的控制端接所述幅度控制码的第二位，所述第三传输门与所述第十二电阻并联，所述第三传输门的控制端接所述幅度控制码的第三位，所述第四传输门与所述第十三电阻并联，所述第四传输门的控制端接所述幅度控制码的第四位，所述第五传输门与所述第十四电阻并联，所述第五传输门的控制端接所述幅度控制码的第五位，所述第六传输门与所述第十五电阻并联，所述第六传输门的控制端接所述幅度控制码的第六位，

所述第八电阻的第二端作为所述基准模块的输出端，用于输出所述基准电压。

可选地，当所述幅度控制码的第一位为0时，所述第一传输门导通，所述第十电阻被旁路；当所述幅度控制码的第一位为1时，所述第一传输门断开，所述第十电阻没有被旁路；

当所述幅度控制码的第二位为0时，所述第二传输门导通，所述第十一电阻被旁路；当所述幅度控制码的第二位为1时，所述第二传输门断开，所述第十一电阻没有被旁路；

当所述幅度控制码的第三位为0时，所述第三传输门导通，所述第十二电阻被旁路；当所述幅度控制码的第三位为1时，所述第三传输门断开，所述第十二电阻没有被旁路；

当所述幅度控制码的第四位为0时，所述第四传输门导通，所述第十三电阻被旁路；当所述幅度控制码的第四位为1时，所述第四传输门断开，所述第十三电阻没有被旁路；

当所述幅度控制码的第五位为0时，所述第五传输门导通，所述第十四电阻被旁路；当所述幅度控制码的第五位为1时，所述第五传输门断开，所述第十四电阻没有被旁路；

当所述幅度控制码的第六位为0时，所述第六传输门导通，所述第十五电阻被旁路；当所述幅度控制码的第六位为1时，所述第六传输门断开，所述第十五电阻没有被旁路；

以使所述基准电压与所述幅度控制码正相关。

如上所述，本发明的具有自动幅度控制功能的压控振荡器，至少具有以下有益效果：

结合压控振荡模块、幅度检测模块、比较模块、幅度控制模块及基准模块设计压控振荡器，使得压控振荡模块、幅度检测模块、比较模块、幅度控制模块及基准模块形成负反馈环路，当压控振荡模块输出的振荡信号的幅度发生变化时，基于基准模块输出的基准电压的负反馈调节，能有效消除振荡信号的幅度变化，使得振荡信号的幅度稳定在目标区间内，实现对压控振荡模块的输出幅度的控制；通过自动调节压控振荡模块的振荡幅度，使压控振荡模块工作在不同的振荡频率时，振荡幅度基本保持一致，保证压控振荡模块内部的双极型晶体管始终工作在合适的工作区域，减小双极型晶体管因工作区域不当带来的噪声贡献，从而优化压控振荡模块的相位噪声特性。

附图说明

图1显示为本发明中具有自动幅度控制功能的压控振荡器的结构框图。

图2显示为本发明一可选实施例中压控振荡模块的电路图。

图3显示为本发明一可选实施例中幅度检测模块的电路图。

图4显示为本发明一可选实施例中比较模块内电压比较器的电路图。

图5显示为本发明一可选实施例中基准模块的电路图。

图6显示为本发明一可选实施例中具有自动幅度控制功能的压控振荡器压的自动幅度控制过程曲线。

图7显示为本发明一可选实施例中具有自动幅度控制功能的压控振荡器压的相位噪声曲线。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

请参阅图1至图7。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。

具体地，如图1所示，本发明提供一种具有自动幅度控制功能的压控振荡器，其包括：

压控振荡模块，产生振荡信号fvco；

幅度检测模块，与压控振荡模块连接，检测振荡信号fvco的幅度，得到幅度检测电压Vf；

比较模块，与幅度检测模块连接，将幅度检测电压Vf分别与第一窗口电压VH及第二窗口电压VL进行比较，得到比较码Din<1:0>；

幅度控制模块，与比较模块连接，对比较码Din<1:0>进行判断计数，得到幅度控制码DV；

基准模块，与幅度控制模块连接，根据幅度控制码DV产生基准电压Vbias，基准电压Vbias反馈到压控振荡模块，作为压控振荡模块中负阻器件的偏置电压；

其中，压控振荡模块、幅度检测模块、比较模块、幅度控制模块及基准模块形成负反馈环路，当振荡信号fvco的幅度发生变化时，基于基准电压Vbias的负反馈调节，消除振荡信号fvco的幅度变化，以使振荡信号fvco的幅度稳定在目标区间内。

详细地，在本发明的一可选实施例中，如图2所示，压控振荡模块包括第一NPN三极管Q1、第二NPN三极管Q2、第一电感L1、第二电感L2、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第一电容C1、第二电容C2、第一压控可变电容Cvar1及第二压控可变电容Cvar2，

第一电感L1的中间抽头接电源电压VCC，第一电感L1的第一端接第一NPN三极管Q1的集电极，第一电感L1的第二端接第二NPN三极管Q2的集电极，第一电感L1的第一端(即第一差分输出正端tanka)及第一电感L2的第二端端(即第一差分输出负端tankb)配合作为压控振荡模块的第一差分输出端，

第一电容C1的第一端接第一NPN三极管Q1的集电极，第一电容C1的第二端接第一压控可变电容Cvar1的第一端，第一压控可变电容Cvar1的第二端接调节电压Vtemp，第一压控可变电容Cvar1的第二端还接第二压控可变电容Cvar2的第一端，第二压控可变电容Cvar2的第二端接第二电容C2的第一端，第二电容C2的第二端接第二NPN三极管Q2的集电极，第一电阻R1的第一端接第一电容C1的第二端，第一电阻R1的第二端接调谐电压Vtune，第一电阻R1的第二端还接第二电阻R2的第一端，第二电阻R2的第二端接第二电容C2的第一端，

第二电感L2的中间抽头接基准电压Vbias，第二电感L2的第一端接第一NPN三极管Q1的基极，第二电感L2的第二端接第二NPN三极管Q2的基极，第一NPN三极管Q1的发射极经依次串接的第三电阻R3及第五电阻R5后接地GND，第二NPN三极管Q2的发射极经串接的第四电阻R4后接第三电阻R3与第五电阻R5的公共端。

详细地，如图2所示，压控振荡模块还包括开关电容阵列、第三电容C3、第四电容C4、第五电容C5、第六电容C6、第七电容C7、第八电容C8及第九电容C9，

开关电容阵列的第一端接第一NPN三极管Q1的集电极，开关电容阵列的第二端接第二NPN三极管Q2的集电极，

第三电容C3的第一端接第一NPN三极管Q1的集电极，第四电容C4的第二端接第二NPN三极管Q2的集电极，第三电容C3的第二端(即第二差分输出正端outp)及第四电容C4的第一端(即第二差分输出负端outn)配合作为压控振荡模块的第二差分输出端，

第五电容C5的第一端接第一NPN三极管Q1的集电极，第五电容C5的第二端接第二NPN三极管Q2的基极，第六电容C6的第一端接第一NPN三极管Q1的基极，第六电容C6的第二端接第二NPN三极管Q2的集电极，

第七电容C7的第一端接第一NPN三极管Q1的集电极，第七电容C7的第二端接第一NPN三极管Q1的发射极，第八电容C8的第一端接第二NPN三极管Q2的集电极，第八电容C8的第二端接第二NPN三极管Q2的发射极，

第九电容C9与第五电阻R5并联。

更详细地，如图2所示，在压控振荡模块中，采用两个双极型晶体管(即第一NPN三极管Q1和第二NPN三极管Q2，作为负阻器件)构成共集电极型谐振腔，两个双极型晶体管的集电极连接到差分谐振电感(即第一电感L1)的两端，两个双极型晶体管的基极分别通过交流耦合电容(即第五电容C5和第六电容C6)接到对面的集电极，再通过差分电感(即第二电感L2)给两个双极型晶体管提供基极偏置电压(即基准电压Vbias)，这样就可以通过调节基准电压Vbias来调节压控振荡模块的振荡幅度，调控第一差分输出端或者第二差分输出端输出的振荡信号fvco的幅度。

其中，本发明中压控振荡模块采用的是两个双极型晶体管交叉耦合的结构，由于双极型晶体管的寄生电容相较于MOS管的寄生电容要小，对于高频压控振荡器来说双极型晶体管更具优势，所以本发明选择双极型晶体管作为负阻器件。

详细地，在本发明的一可选实施例中，如图3所示，幅度检测模块包括第三NPN三极管Q3、第四NPN三极管Q4、第一NMOS管NM1、第二NMOS管NM2、第六电阻R6、第七电阻R7、第十电容C10、第十一电容C11及第十二电容C12，

第三NPN三极管Q3的集电极接电源电压VCC，第三NPN三极管Q3的基极经串接的第六电阻R6后接工作电压Vb，第三NPN三极管Q3的发射极接第二NMOS管NM2的漏极，第四NPN三极管Q4的集电极接电源电压VCC，第四NPN三极管Q4的基极经串接的第七电阻R7后接工作电压Vb，第四NPN三极管Q4的发射极接第二NMOS管NM2的漏极，

第二NMOS管NM2的栅极接第一NMOS管NM1的栅极，第二NMOS管NM2的源极及衬底分别接地GND，第一NMOS管NM1的漏极接偏置电流Ibias，第一NMOS管NM1的栅极接第一NMOS管NM1的漏极，第一NMOS管NM1的源极及衬底分别接地GND，

第十电容C10的第二端接第三NPN三极管Q3的基极，所述第十一电容C11的第一端接第四NPN三极管Q4的基极，第十电容C10的第一端(即差分输入正端inp)与第十一电容C11的第二端(即差分输入负端inn)配合作为幅度检测模块的差分输入端，用于接收振荡信号fvco，

第十二电容C12的第一端接第二NMOS管NM2的漏极，第十二电容C12的第二端接第二NMOS管NM2的源极，第十二电容C12的第一端作为幅度检测模块的输出端，用于输出幅度检测电压Vf。

更详细地，如图3所示，幅度检测模块为差分型射随电路，第三NPN三极管Q3与第四NPN三极管Q4构成差分对，第一NMOS管NM1与第二NMOS管NM2构成电流镜，将偏置电流Ibias镜像复制到差分对的尾管(即第二NMOS管NM2)上，工作电压Vb为差分对管提供工作电压，使其始终工作在放大区，在差分对的射极进行幅度取样输出，通过取差分射频信号的共模点，可以得到随输入信号幅度变化而变化的直流共模电压，即得到随输入信号幅度变化而变化的幅度检测电压Vf。

详细地，如图1所示，比较模块包括两个电压比较器，第一个电压比较器的同相输入端inp接幅度检测电压Vf，第一个电压比较器的反相输入端inn接第一窗口电压VH，第二个电压比较器的同相输入端inp接幅度检测电压Vf，第二个电压比较器的反相输入端inn接第二窗口电压VL，第一窗口电压VH大于第二窗口电压VL，第一个电压比较器的输出端输出比较码的低位Din<0>，第二个电压比较器的输出端输出比较码的高位Din<1>，得到两位的比较码Din<1:0>。

更详细地，如图1所示，当Din<0>为0时，表明幅度检测电压Vf小于第一窗口电压VH，当Din<0>为1时，表明幅度检测电压Vf大于或者等于第一窗口电压VH；当Din<1>为0时，表明幅度检测电压Vf小于第二窗口电压VL，当Din<1>为1时，表明幅度检测电压Vf大于或者等于第二窗口电压VL。

因此，比较码Din<1:0>的二进制码值表征幅度检测电压Vf相对于第一窗口电压VH和第二窗口电压VL的大小：若比较码Din<1:0>为00，则表示幅度检测电压Vf小于第一窗口电压VH及第二窗口电压VL；若比较码Din<1:0>为11，则表示幅度检测电压Vf大于(或者等于)第一窗口电压VH及第二窗口电压VL；若比较码Din<1:0>为10，则表示幅度检测电压Vf大于(或者等于)第二窗口电压VL且小于第一窗口电压VH。

详细地，在本发明的一可选实施例中，如图4所示，电压比较器包括第一PMOS管PM1、第二PMOS管PM2、第三PMOS管PM3、第三NMOS管NM3、第四NMOS管NM4、第五NMOS管NM5、第六NMOS管NM6及反相器INV，

第一PMOS管PM1的源极及衬底分别接电源电压VCC，第一PMOS管PM1的栅极接第一PMOS管PM1的漏极，第一PMOS管PM1的漏极接第三NMOS管NM3的漏极，第三NMOS管NM3的衬底接地，第二PMOS管PM2的源极及衬底分别接电源电压VCC，第二PMOS管PM2的栅极接第一PMOS管PM1的栅极，第二PMOS管PM2的漏极接第四NMOS管NM4的漏极，第四NMOS管NM4的衬底接地GND，第四NMOS管NM4的源极接第三NMOS管NM3的源极，第四NMOS管NM4的源极还接第五NMOS管NM5的漏极，第五NMOS管NM5的栅极接NMOS偏置电压VBN，第五NMOS管NM5的源极及衬底分别接地GND，第三NMOS管NM3的栅极作为电压比较器的同相输入端inp，第四NMOS管NM4的栅极作为电压比较器的反相输入端inn，

第三PMOS管PM3的源极及衬底分别接电源电压VCC，第三PMOS管PM3的栅极接第二PMOS管PM2的漏极，第三PMOS管PM3的漏极接第六NMOS管NM6的漏极，第六NMOS管NM6的栅极接第五NMOS管NM5的栅极，第六NMOS管NM6的源极及衬底分别接地GND，

反相器INV的输入端接第三PMOS管PM3的漏极，反相器INV的输出端作为电压比较器的输出端Vout。

更详细地，如图4所示，在电压比较器中，第一PMOS管PM1、第二PMOS管PM2、第三NMOS管NM3、第四NMOS管NM4及第五NMOS管NM5构成差分型比较放大器，对输入的两个信号进行比较放大，后通过第三PMOS管PM3及第六NMOS管NM6构成的跟随转换输出结构进行输出，最后通过反相器INV进行逻辑整形及反相处理，得到并输出逻辑电平(即0或者1)。

详细地，如图1所示，幅度控制模块接时钟信号Clk、使能信号Rst及比较码Din<1:0>，在时钟信号Clk及使能信号Rst的控制下，对比较码Din<1:0>进行判断计数，得到幅度控制码DV：当使能信号Rst为逻辑低电平时，幅度控制模块停止工作，幅度控制码DV固定为默认值；当使能信号Rst为逻辑高电平时，幅度控制模块正常工作并每隔时钟信号Clk的一个时钟周期进行一次判断计数，若比较码Din<1:0>为00，则幅度控制码DV的二进制值加1；若比较码Din<1:0>为11，则幅度控制码DV的二进制值减1；若比较码Din<1:0>为10，则结束判断，幅度控制码DV固定为当前的二进制值。

更详细地，如图1所示，在本发明的一可选实施例中，幅度控制码DV为六位二进制码，即为DV<5:0>，幅度控制模块停止工作时幅度控制码DV的默认值为100000。

可以理解的是，本发明中幅度控制码DV的具***数及其默认值均可根据实际需求灵活调整，如为另外获取更高的调控精度可适当增加幅度控制码DV的具***数，在此不作限定。

详细地，在本发明的一可选实施例中，如图5所示，基准模块包括第五NPN三极管Q5、第一传输门T1、第二传输门T2、第三传输门T3、第四传输门T4、第五传输门T5、第六传输门T6、第八电阻R8、第九电阻R9、第十电阻R10、第十一电阻R11、第十二电阻R12、第十三电阻R13、第十四电阻R14及第十五电阻R15，

第八电阻R8的第一端接参考电流源，第八电阻R8的第二端经依次串接的第九电阻R9、第十电阻R10、第十一电阻R11、第十二电阻R12、第十三电阻R13、第十四电阻R14及第十五电阻R15后接第五NPN三极管Q5的集电极，第五NPN三极管Q5的基极接第五NPN三极管Q5的集电极，第五NPN三极管Q5的发射极接地GND，

第一传输门T1与第十电阻R10并联，第一传输门T1的控制端接幅度控制码DV的第一位DV<0>，第二传输门T2与第十一电阻R11并联，第二传输门T2的控制端接幅度控制码DB的第二位DV<1>，第三传输门T3与第十二电阻R12并联，第三传输门T3的控制端接幅度控制码DV的第三位DV<2>，第四传输门T4与第十三电阻R13并联，第四传输门T4的控制端接幅度控制码DV的第四位DV<3>，第五传输门T5与第十四电阻R14并联，第五传输门T5的控制端接幅度控制码DV的第五位DV<4>，第六传输门T6与第十五电阻R15并联，第六传输门T6的控制端接幅度控制码DV的第六位DV<5>，

第八电阻R8的第二端作为基准模块的输出端，用于输出基准电压Vbias。

更详细地，如图5所示，基准模块采用串联电阻及双极型晶体管构成的电阻网络构成，参考电流源提供的参考电流Iref流经该电阻网络，通过电阻的电流-电压转换，在该电阻网络的输出节点处可以得到基准电压Vbias；同时，以多个传输门作为电阻网络中部分电阻的旁路开关，通过幅度控制码DV的每一位控制一个传输门的开关状态，当幅度控制码DV的输出位为逻辑低电平时，对应的传输门(作为旁路开关)导通，对应的电阻被旁路，接入电阻值减小，输出的基准电压Vbias减小，当幅度控制码DV的输出位为逻辑高电平时，对应的传输门断开，对应的电阻没有被旁路，接入电阻值增大，输出的基准电压Vbias增大。从而使输出的基准电压Vbias与幅度控制码DV正相关，当幅度控制码DV的二进制值增加时，基准电压Vbias升高，当幅度控制码DV的二进制值减小时，基准电压Vbias降低。

具体地，当幅度控制码DV的第一位DV<0>为0时，第一传输门T1导通，第十电阻R10被旁路；当幅度控制码DV的第一位DV<0>为1时，第一传输门T1断开，第十电阻R10没有被旁路；

当幅度控制码DV的第二位DV<1>为0时，第二传输门T2导通，第十一电阻R11被旁路；当幅度控制码DV的第二位DV<1>为1时，第二传输门T2断开，第十一电阻R11没有被旁路；

当幅度控制码DV的第三位DV<2>为0时，第三传输门T3导通，第十二电阻R12被旁路；当幅度控制码DV的第三位DV<2>为1时，第三传输门T3断开，第十二电阻R12没有被旁路；

当幅度控制码DV的第四位DV<3>为0时，第四传输门T4导通，第十三电阻R13被旁路；当幅度控制码DV的第四位DV<3>为1时，第四传输门T4断开，第十三电阻R13没有被旁路；

当幅度控制码DV的第五位DV<4>为0时，第五传输门T5导通，第十四电阻R14被旁路；当幅度控制码DV的第五位DV<4>为1时，第五传输门T5断开，第十四电阻R14没有被旁路；

当幅度控制码DV的第六位DV<5>为0时，第六传输门T6导通，第十五电阻R15被旁路；当幅度控制码DV的第六位DV<5>为1时，第六传输门T6断开，第十五电阻R15没有被旁路。

其中，基准模块内部的电阻个数及传输门个数可以根据幅度控制码DV的实际位数灵活设计，不局限于如图5所示的情况，在此不再赘述。

更详细地，如图1-图5所示的具有自动幅度控制功能的压控振荡器的工作原理如下：

1)、当压控振荡模块输出的振荡信号fvco的幅度变大时，则幅度检测模块输出的幅度检测电压Vf跟着变大，使得幅度检测电压Vf因偏大而超出了第二窗口电压VL与第一窗口电压VH划定的阈值区间，比较模块输出的比较码Din<1:0>为11，幅度控制模块输出的幅度控制码DV减一而变小，进而使得基准模块输出的基准电压Vbias降低，基准电压Vbias反馈到压控振荡模块，使得压控振荡模块的工作电流变小，从而使得输出的振荡信号fvco的幅度减小，如此经过压控振荡模块、幅度检测模块、比较模块、幅度控制模块及基准模块形成的负反馈环路的闭环反馈调节，经过多次循环来抑制消除振荡信号fvco的幅度变大，直到振荡信号fvco的幅度进入目标区间，幅度检测电压Vf跟着进入阈值区间，比较码Din<1:0>为10，幅度控制码DV固定为当前的二进制值，基准电压Vbias也跟着固化；

2)、当压控振荡模块输出的振荡信号fvco的幅度变小时，则幅度检测模块输出的幅度检测电压Vf跟着变小，使得幅度检测电压Vf因偏小而超出了第二窗口电压VL与第一窗口电压VH划定的阈值区间，比较模块输出的比较码Din<1:0>为00，幅度控制模块输出的幅度控制码DV加一而变大，进而使得基准模块输出的基准电压Vbias升高，基准电压Vbias反馈到压控振荡模块，使得压控振荡模块的工作电流变大，从而使得输出的振荡信号fvco的幅度增大，如此经过压控振荡模块、幅度检测模块、比较模块、幅度控制模块及基准模块形成的负反馈环路的闭环反馈调节，经过多次循环来抑制消除振荡信号fvco的幅度变小，直到振荡信号fvco的幅度进入目标区间，幅度检测电压Vf跟着进入阈值区间，比较码Din<1:0>为10，幅度控制码DV固定为当前的二进制值，基准电压Vbias也跟着固化。

如此，幅度检测模块、比较模块、幅度控制模块及基准模块构成自动幅度控制电路，该自动幅度控制电路再与压控振荡模块形成负反馈环路，通过该负反馈环路，实现了基于基准模块输出的基准电压Vbias对压控振荡模块输出的振荡信号fvco的负反馈调节，能有效消除振荡信号fvco的幅度变化，使得振荡信号fvco的幅度稳定在目标区间内，实现对压控振荡模块的输出幅度的控制；通过自动调节压控振荡模块的振荡幅度，使压控振荡模块工作在不同的振荡频率时，振荡幅度基本保持一致，保证压控振荡模块内部的双极型晶体管始终工作在合适的工作区域，减小双极型晶体管因工作区域不当带来的噪声贡献，从而优化了压控振荡模块的相位噪声特性。

在本发明的一可选实施例中，对上述具有自动幅度控制功能的压控振荡器的技术效果进行验证，得到上述具有自动幅度控制功能的压控振荡器压的自动幅度控制过程曲线如图6所示，得到上述具有自动幅度控制功能的压控振荡器分别在7GHz及8GHz振荡频率下的相位噪声曲线如图7所示。

详细地，图6中位于上面的曲线为压控振荡器压的振荡幅度曲线，图6中位于中间的曲线为压控振荡器压的振荡频率曲线，图6中位于下面的曲线为压控振荡器压的基准电压Vbias曲线。从图6可以看出，压控振荡器压的初始振荡频率(即振荡信号fvco的频率)为8GHz，基准电压Vbias为1.25V，当频率由8GHz跳变至7GHz后，振荡幅度(即振荡信号fvco的幅度)变小，此时，幅度检测模块、比较模块、幅度控制模块及基准模块构成的自动幅度控制电路开始工作，并按照固定时钟周期逐步调节基准电压Vbias(即压控振荡模块的偏置电压)，直至基准电压Vbias增大至1.48V，此时振荡幅度增大至目标区间，基准电压Vbias固定，振荡幅度达到了调节效果；当频率由7GHz再度跳变至8.5GHz时，振荡幅度偏大，此时自动幅度控制电路开始工作，并按照固定时钟周期逐步调节基准电压Vbias，直至基准电压Vbias减小至1.06V，此时振荡幅度减小至目标区间，基准电压Vbias固定，振荡幅度达到了调节效果。

详细地，由图7可知，通过自动幅度控制电路对振荡幅度的调节，该压控振荡器分别在7GHz及8GHz振荡频率下的相位噪声均达到了-107dBc/Hz@100KHz，具备宽带低相位噪声性能。

上述实施结果表明：本发明中带有精确自动幅度控制的压控振荡器具有低相位噪声、自动调节振荡幅度及连续宽带频率覆盖等特点，可以应用到在宽频率范围且低相噪的高性能锁相环***中。

综上所述，在本发明所提供的具有自动幅度控制功能的压控振荡器中，结合压控振荡模块、幅度检测模块、比较模块、幅度控制模块及基准模块设计压控振荡器，幅度检测模块、比较模块、幅度控制模块及基准模块构成自动幅度控制电路，该自动幅度控制电路再与压控振荡模块形成负反馈环路，当压控振荡模块输出的振荡信号的幅度发生变化时，基于基准模块输出的基准电压的负反馈调节，能有效消除振荡信号的幅度变化，使得振荡信号的幅度稳定在目标区间内，实现对压控振荡模块的输出幅度的控制；同时，通过自动调节压控振荡模块的振荡幅度，使压控振荡模块工作在不同的振荡频率时，振荡幅度基本保持一致，保证压控振荡模块内部的双极型晶体管始终工作在合适的工作区域，减小了双极型晶体管因工作区域不当带来的噪声贡献，从而优化了压控振荡模块的相位噪声特性。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种具有自动幅度控制功能的压控振荡器，其特征在于，包括：

压控振荡模块，产生振荡信号；

幅度检测模块，与所述压控振荡模块连接，检测所述振荡信号的幅度，得到幅度检测电压；

比较模块，与所述幅度检测模块连接，将所述幅度检测电压分别与第一窗口电压及第二窗口电压进行比较，得到比较码；

幅度控制模块，与所述比较模块连接，对所述比较码进行判断计数，得到幅度控制码；

基准模块，与所述幅度控制模块连接，根据所述幅度控制码产生基准电压，所述基准电压反馈到所述压控振荡模块，作为所述压控振荡模块中负阻器件的偏置电压；

其中，所述压控振荡模块、所述幅度检测模块、所述比较模块、所述幅度控制模块及所述基准模块形成负反馈环路，当所述振荡信号的幅度发生变化时，基于所述基准电压的负反馈调节，消除所述振荡信号的幅度变化，以使所述振荡信号的幅度稳定在目标区间内。

2.根据权利要求1所述的具有自动幅度控制功能的压控振荡器，其特征在于，

所述压控振荡模块包括第一NPN三极管、第二NPN三极管、第一电感、第二电感、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第五电阻、第一电容、第二电容、第一压控可变电容及第二压控可变电容，

所述第一电感的中间抽头接电源电压，所述第一电感的第一端接所述第一NPN三极管的集电极，所述第一电感的第二端接所述第二NPN三极管的集电极，所述第一电感的第一端及所述第一电感的第二端端配合作为所述压控振荡模块的第一差分输出端，

所述第一电容的第一端接所述第一NPN三极管的集电极，所述第一电容的第二端接所述第一压控可变电容的第一端，所述第一压控可变电容的第二端接调节电压，所述第一压控可变电容的第二端还接所述第二压控可变电容的第一端，所述第二压控可变电容的第二端接所述第二电容的第一端，所述第二电容的第二端接所述第二NPN三极管的集电极，所述第一电阻的第一端接所述第一电容的第二端，所述第一电阻的第二端接调谐电压，所述第一电阻的第二端还接所述第二电阻的第一端，所述第二电阻的第二端接所述第二电容的第一端，

所述第二电感的中间抽头接所述基准电压，所述第二电感的第一端接所述第一NPN三极管的基极，所述第二电感的第二端接所述第二NPN三极管的基极，所述第一NPN三极管的发射极经依次串接的所述第三电阻及所述第五电阻后接地，所述第二NPN三极管的发射极经串接的所述第四电阻后接所述第三电阻与所述第五电阻的公共端。

3.根据权利要求2所述的具有自动幅度控制功能的压控振荡器，其特征在于，

所述压控振荡模块还包括开关电容阵列、第三电容、第四电容、第五电容、第六电容、第七电容、第八电容及第九电容，

所述开关电容阵列的第一端接所述第一NPN三极管的集电极，所述开关电容阵列的第二端接所述第二NPN三极管的集电极，

所述第三电容的第一端接所述第一NPN三极管的集电极，所述第四电容的第二端接所述第二NPN三极管的集电极，所述第三电容的第二端及所述第四电容的第一端配合作为所述压控振荡模块的第二差分输出端，

所述第五电容的第一端接所述第一NPN三极管的集电极，所述第五电容的第二端接所述第二NPN三极管的基极，所述第六电容的第一端接所述第一NPN三极管的基极，所述第六电容的第二端接所述第二NPN三极管的集电极，

所述第七电容的第一端接所述第一NPN三极管的集电极，所述第七电容的第二端接所述第一NPN三极管的发射极，所述第八电容的第一端接所述第二NPN三极管的集电极，所述第八电容的第二端接所述第二NPN三极管的发射极，

所述第九电容与所述第五电阻并联。

4.根据权利要求1所述的具有自动幅度控制功能的压控振荡器，其特征在于，

所述幅度检测模块包括第三NPN三极管、第四NPN三极管、第一NMOS管、第二NMOS管、第六电阻、第七电阻、第十电容、第十一电容及第十二电容，

所述第三NPN三极管的集电极接电源电压，所述第三NPN三极管的基极经串接的所述第六电阻后接工作电压，所述第三NPN三极管的发射极接所述第二NMOS管的漏极，所述第四NPN三极管的集电极接所述电源电压，所述第四NPN三极管的基极经串接的所述第七电阻后接所述工作电压，所述第四NPN三极管的发射极接所述第二NMOS管的漏极，

所述第二NMOS管的栅极接所述第一NMOS管的栅极，所述第二NMOS管的源极及衬底分别接地，所述第一NMOS管的漏极接偏置电流，所述第一NMOS管的栅极接所述第一NMOS管的漏极，所述第一NMOS管的源极及衬底分别接地，

所述第十电容的第二端接所述第三NPN三极管的基极，所述第十一电容的第一端接所述第四NPN三极管的基极，所述第十电容的第一端与所述第十一电容的第二端配合作为所述幅度检测模块的差分输入端，用于接收所述振荡信号，

所述第十二电容的第一端接所述第二NMOS管的漏极，所述第十二电容的第二端接所述第二NMOS管的源极，所述第十二电容的第一端作为所述幅度检测模块的输出端，用于输出所述幅度检测电压。

5.根据权利要求1所述的具有自动幅度控制功能的压控振荡器，其特征在于，所述比较模块包括两个电压比较器，第一个所述电压比较器的同相输入端接所述幅度检测电压，第一个所述电压比较器的反相输入端接所述第一窗口电压，第二个所述电压比较器的同相输入端接所述幅度检测电压，第二个所述电压比较器的反相输入端接所述第二窗口电压，所述第一窗口电压大于所述第二窗口电压，第一个所述电压比较器的输出端输出所述比较码的低位，第二个所述电压比较器的输出端输出所述比较码的高位，得到两位的所述比较码。

6.根据权利要求5所述的具有自动幅度控制功能的压控振荡器，其特征在于，

所述电压比较器包括第一PMOS管、第二PMOS管、第三PMOS管、第三NMOS管、第四NMOS管、第五NMOS管、第六NMOS管及反相器，

所述第一PMOS管的源极及衬底分别接电源电压，所述第一PMOS管的栅极接所述第一PMOS管的漏极，所述第一PMOS管的漏极接所述第三NMOS管的漏极，所述第三NMOS管的衬底接地，所述第二PMOS管的源极及衬底分别接所述电源电压，所述第二PMOS管的栅极接所述第一PMOS管的栅极，所述第二PMOS管的漏极接所述第四NMOS管的漏极，所述第四NMOS管的衬底接地，所述第四NMOS管的源极接所述第三NMOS管的源极，所述第四NMOS管的源极还接所述第五NMOS管的漏极，所述第五NMOS管的栅极接NMOS偏置电压，所述第五NMOS管的源极及衬底分别接地，所述第三NMOS管的栅极作为所述电压比较器的同相输入端，所述第四NMOS管的栅极作为所述电压比较器的反相输入端，

所述第三PMOS管的源极及衬底分别接所述电源电压，所述第三PMOS管的栅极接所述第二PMOS管的漏极，所述第三PMOS管的漏极接所述第六NMOS管的漏极，所述第六NMOS管的栅极接所述第五NMOS管的栅极，所述第六NMOS管的源极及衬底分别接地，

所述反相器的输入端接所述第三PMOS管的漏极，所述反相器的输出端作为所述电压比较器的输出端。

7.根据权利要求5所述的具有自动幅度控制功能的压控振荡器，其特征在于，

所述幅度控制模块接时钟信号、使能信号及所述比较码，在所述时钟信号及所述使能信号的控制下，对所述比较码进行判断计数，得到所述幅度控制码：

当所述使能信号为逻辑低电平时，所述幅度控制模块停止工作，所述幅度控制码固定为默认值；

当所述使能信号为逻辑高电平时，所述幅度控制模块正常工作并每隔所述时钟信号的一个时钟周期进行一次判断计数，若所述比较码为00，则所述幅度控制码的二进制值加1；若所述比较码为11，则所述幅度控制码的二进制值减1；若所述比较码为10，则结束判断，所述幅度控制码固定为当前的二进制值。

8.根据权利要求7所述的具有自动幅度控制功能的压控振荡器，其特征在于，所述幅度控制码为六位二进制码，所述默认值为100000。

9.根据权利要求7所述的具有自动幅度控制功能的压控振荡器，其特征在于，

所述基准模块包括第五NPN三极管、第一传输门、第二传输门、第三传输门、第四传输门、第五传输门、第六传输门、第八电阻、第九电阻、第十电阻、第十一电阻、第十二电阻、第十三电阻、第十四电阻及第十五电阻，

所述第八电阻的第一端接参考电流源，所述第八电阻的第二端经依次串接的所述第九电阻、所述第十电阻、所述第十一电阻、所述第十二电阻、所述第十三电阻、所述第十四电阻及所述第十五电阻后接所述第五NPN三极管的集电极，所述第五NPN三极管的基极接所述第五NPN三极管的集电极，所述第五NPN三极管的发射极接地，

所述第一传输门与所述第十电阻并联，所述第一传输门的控制端接所述幅度控制码的第一位，所述第二传输门与所述第十一电阻并联，所述第二传输门的控制端接所述幅度控制码的第二位，所述第三传输门与所述第十二电阻并联，所述第三传输门的控制端接所述幅度控制码的第三位，所述第四传输门与所述第十三电阻并联，所述第四传输门的控制端接所述幅度控制码的第四位，所述第五传输门与所述第十四电阻并联，所述第五传输门的控制端接所述幅度控制码的第五位，所述第六传输门与所述第十五电阻并联，所述第六传输门的控制端接所述幅度控制码的第六位，

所述第八电阻的第二端作为所述基准模块的输出端，用于输出所述基准电压。

10.根据权利要求9所述的具有自动幅度控制功能的压控振荡器，其特征在于，

当所述幅度控制码的第一位为0时，所述第一传输门导通，所述第十电阻被旁路；当所述幅度控制码的第一位为1时，所述第一传输门断开，所述第十电阻没有被旁路；

当所述幅度控制码的第二位为0时，所述第二传输门导通，所述第十一电阻被旁路；当所述幅度控制码的第二位为1时，所述第二传输门断开，所述第十一电阻没有被旁路；

当所述幅度控制码的第三位为0时，所述第三传输门导通，所述第十二电阻被旁路；当所述幅度控制码的第三位为1时，所述第三传输门断开，所述第十二电阻没有被旁路；

当所述幅度控制码的第四位为0时，所述第四传输门导通，所述第十三电阻被旁路；当所述幅度控制码的第四位为1时，所述第四传输门断开，所述第十三电阻没有被旁路；

当所述幅度控制码的第五位为0时，所述第五传输门导通，所述第十四电阻被旁路；当所述幅度控制码的第五位为1时，所述第五传输门断开，所述第十四电阻没有被旁路；

当所述幅度控制码的第六位为0时，所述第六传输门导通，所述第十五电阻被旁路；当所述幅度控制码的第六位为1时，所述第六传输门断开，所述第十五电阻没有被旁路；

以使所述基准电压与所述幅度控制码正相关。