CN1669222A - 有宽调谐范围和低相位噪声的lc振荡器 - Google Patents

Abstract

公开了一种包括有源振荡器电路(610)、电感和电容电路的压控振荡器(600)。选择性地连接或断开电容电路以控制压控振荡器(600)的频率。特别地，电容电路中的电感和电容形成向有源振荡器电路(610)提供反馈的LC电路。为了避免损坏电容电路中的开关，电容电路进一步包括电阻(622)。该电阻可以按照多种不同的方法来配置以至于压控振荡器(600)可以有高可靠性、宽调谐范围和稳定的相位噪声性能。

Description

有宽调谐范围和低相位噪声的LC振荡器

技术领域

本发明大体上涉及无线通信领域，特别地，涉及锁相环路的压控振荡器。

背景技术

锁相环(PLL)在例如无线通信***和其它产品领域中有着广泛的应用。在许多应用中，PLL有非常严格的性能要求。在一个典型的无线***中，可以有不止一个PLL电路110、120。例如，使用超外差结构的接收机的典型方框图100如图1所示。那些熟悉技术的人很容易识别各种方框及其功能，因而在此将不会进一步描述该方框图的详细内容。

用于无线通信***中的PLL为调制和解调过程提供了高稳定的载波信号。该载波信号应当有充分的频谱纯度(通常表现为PLL中的压控振荡器(VCO)的相位噪声特性)并且在所需频带内支持所要求的信道间隔。例如，韩国的蜂窝式电话标准包括在约900MHz和1700MHz处用于码分多址(CDMA)数字服务的IS-95标准。欧洲的蜂窝式电话标准包括工作在900MHz频带内的全球移动通信***(GSM)和在1800MHz范围内的国防通信***(DCS)。尽管所占用的频带是相似的，PLL所要求的信道间隔根据特定标准而不尽相同。例如，IS-95标准要求1.25MHz的信道间隔并且信道栅为10KHz。另一方面，GSM和DCS标准要求在指定的频带中有200KHz的信道间隔。由于无线通信收发机中的PLL高精确地产生适当的甚高频(VHF)信号，PLL可以使用高稳定的压控温度补偿晶体振荡器(VCTXO)作为基准时钟。

图2表示一个通常用于无线通信设备中的PLL的普通方框图。如图所示，PLL包括一个基准分频器202、一个反馈分频器210、一个压控振荡器(VCO)208、一个相位频率检测器(PFD)204、一个电荷泵电路(未画出)和一个环路滤波器(LF)206。PFD204比较分频基准时钟信号和VCO208的分频输出的相位。根据相位误差的大小和极性，电荷泵电路在其输出端产生UP或DOWN信号，其中脉冲的宽度与检测到的相位误差成比例。电荷泵电路产生与误差信号相等的电荷数量。净电荷在LF206上累积，作为VCO208的控制信号。LF206的简单形式是一个电阻和一个电容的一个串行组合(例如，一个一阶滤波器)。然而，在现代PLL设计中，可以使用高阶环路滤波器以在相位噪声和杂散响应中获得更好的性能。将来自LF206的合成电压连接到VCO208的频率控制终端。由于负反馈回路，图2的PLL获得了稳定的输出频率。当环路滤波器206电压的净电荷变为零时，将存在输出频率稳定的状态。在该点，VCO208的频率和相位一般不会变化。在这一锁定状态，VCO208的频率可简单地表示为：

$f_{\mathrm{vco}}=\frac{L}{N}{f}_{\mathrm{REF}----\left(1\right)}$

其中f_vco＝VCO频率，L＝反馈分频器，N＝基准分频器，f_ref＝基准频率。在上面的等式(1)中，反馈分频器的系数可以是整数，在某些应用中也可以包含分数部分。

在为特定应用设计PLL电路时有许多因素。共同的因素是电路区域、成本和功耗。性能特性例如锁定时间和相位噪声依赖于使用PLL的***。根据***要求，设计参数例如分频因子、环路带宽和电路设计将受到影响。例如，在GSM应用中，要求有200KHz的信道间隔、13MHz的基准频率以及几毫秒的锁定时间。因此，可以使用整数N频率合成器和常规的环路带宽以满足要求。然而，在通用分组无线业务(GPRS)应用中，不能使用普通的整数N频率合成器，因为要求锁定时间少于150μs。在这种情况下，通常使用分数N合成器或者基于sigma-delta的合成器。

在其它应用中，PLL中所要求的频率分辨率为10KHz，即使信道间隔为1.25MHz。这是有原因的。首先，在IS-95应用中最普通的基准频率是19.2MHz，这不是1.25MHz的倍数。其次，当PLL用于超外差收发机时，所要求的频率分辨率依赖于中频(IF)信号的选择。在接收模式时普通IF频率是85.38MHz，在本振中频率分辨率应当为10KHz。第三，与旧标准例如高级移动电话服务(AMPS)的兼容性要求在产生本振(LO)信号时有10KHz的频率分辨率。

相关技术PLL的性能受VCO208性能的限制，并且VCO208的重要特性包括相位噪声性能。剩余元件例如PFD204和分频器202和210也有利于PLL输出的整体噪声性能。相位噪声通常定义为距离载波1Hz特定偏移频率处的载波功率与旁带功率之比。相位噪声的单位是dBc/Hz。VCO208是敏感设备，其相位噪声性能特性可能在很大程度上受到环境条件例如电源变化、温度和噪声的影响。表示VCO208敏感度的因子是它的增益，通常表示为K_vco(MHz/V)。对于低噪声的PLL应用，VCO208可以有相对较低的增益，从而有较低的敏感度。通过最小化从AM到FM的调制，VCO208的低增益减少了外部噪声的影响。

由于在移动电话应用中相位噪声的要求是非常严格的，所以允许使用的VCO的类型是有限的，通常使用的是LC振荡器。LC振荡器由一个谐振回路和一些有源设备组成以补偿振荡回路中的能量损失。由于该振荡回路是一种带通滤波器，所以LC振荡器的相位噪声性能优于其它类型的振荡器。LC振荡器的额定频率按照如下表示：

$f_{\mathrm{vco}}=\frac{1}{2\mathrm{\π}\sqrt{\mathrm{LC}}}----\left(2\right)$

在等式2中，f_vco＝VCO的额定频率，L＝电感，C＝电容。有两种控制VCO频率的可能。然而，由于不易做成可变电感，所以可变电容可用于控制VCO的频率。

通常使用一个分立的振荡回路、一些无源元件和有源设备来设计VCO。但该方法会造成较大的电路区域和较高的成本。近来有一种将那些功能模块集成为单片形式的趋势。在设计完全集成LC振荡器中最困难的因素是要保证在处理中和环境变化时稳定的操作。在最坏的情况下，在硅片上生长的电容或电感的变化超过10％。参见等式(2)，可以看出在此情况下操作频率变化的百分比也是10％。因此，VCO的总操作范围应当包括这一频率转换以及所需的频率范围。然而，宽调谐范围与为获得低相位噪声特性的小增益设计目标是有冲突的。

上述低相位噪声和宽调谐范围之间的平衡由各种分立的调谐方法来解决。图3表示依照相关技术的VCO的原理图。LC谐振电路310控制振荡器300的频率。LC电路310包括电容312、电感314、变容二极管316和320以及开关318。在操作中，当PLL中未实现锁定时，选择性地切换变容二极管316以控制VCO的频率。当VCO的操作频率超过所需频率时，闭合更多开关以减小VCO的操作频率，反之亦然。在图3的相关技术电路中，由于变容二极管316和320的电容，电容312的大小并不重要。

相关技术VCO的LC电路有各种缺点。例如，参见图3，在开关318断开状态中没有DC电流路径。因此，对应二极管316的浮动终端的偏置电压是未知的并且对于泄漏非常敏感。当这种浮动终端的初始偏置条件太高或太低时，将会极大地影响设备的可靠性。

图4、5A和5B表示了在另一差分实施例中相似的相关技术VCO，其中使用等值的电容代替了每个变容二极管。如图4所示，闭合除了SW(1)和SWB(1)之外的所有开关，从而我们关注于浮动节点NSC(1)和NSCB(1)的状态。其中假定浮动终端的初始偏置电压与振荡器的普通模式电压相等，浮动终端的波形与振荡器输出的波形差不多相同，并且在性能上没有或者几乎没有降低。

然而，图5A表示在刚刚断开开关SW(1)后就在连接到NSC(1)的电容板上保存一些正电荷，而将一些负电荷保存到电容SCB(1)的另一板上的情况。由于在断开状态没有DC电流路径，所以在NSC(1)节点和OUT节点之间有正偏移电压。其中当偏移电压过量时，开关可能被损坏，VCO的可靠性可能降低。

图5B表示另一不希望出现的情形。当使用NMOS开关来控制可切换电容时，会正向偏置漏极结点。由于这种寄生连结的质量因子非常差，在此情况下相位噪声性能将会严重地降低。

如对技术熟悉的人所知的，还存在其它问题和缺点。美国专利第6,137,372和5,739,730号中提出了相关技术***的例子。

在此引用上述参考文献作为额外或可选细节、特征和/或技术背景的适当讲解。

发明内容

如在此提出和宽泛描述的，提供了克服上述现有技术缺陷的设备和方法。因此，本发明实施例提供了一种***，包括：至少一个可操作连接到一个振荡器的调节电路，其中该调节电路包括：一个电阻；一个电抗元件；以及一个第一开关，其中所述第一开关与电抗元件串联并且连接或者断开电抗元件和振荡器输出，并且其中所述电阻向电抗元件提供偏置电压以便当第一开关断开时电抗元件有偏置电压。

而且，本发明实施例提供了一种装置，包括：一个有源振荡器，其中该有源振荡器包括第一输出节点和第二输出节点；一个电感，其中该电感连接第一输出节点和第二输出节点；以及至少一个连接到第一输出节点或第二输出节点的电容电路，每个电容电路包括：一个电容；一个电阻；以及一个第一开关，其中当所述第一开关断开时所述电阻向所述电容提供一个偏置电压，并且所述第一开关与所述电容串联并连接或断开所述电容与振荡器的输出。

此外，本发明实施例提供了一种用于调谐振荡器电路的方法，该方法包括：通过电阻向电抗元件提供一个偏置电压以便当第一开关断开时所述电抗元件有偏置电压；并且使用所述第一开关连接或断开所述电抗元件和所述振荡器，从而调节振荡器的频率。

在下文的描述中将提出本发明的其它优势、目的和特征，这对于掌握基本技术知识的人来说将会是显而易见的。

附图说明

下面将参照附图来详细描述本发明，其中相同的附图标记表示相同的元件，附图包括：

图1是依照相关技术的超外差接收机的方框图；

图2是相关技术锁向环的方框图；

图3是相关技术压控振荡器的原理图；

图4是依照操作的第一模式，相关技术压控振荡器的操作示意图；

图5A是依照操作的第二模式，相关技术压控振荡器的操作示意图；

图5B是依照操作的第三模式，相关技术压控振荡器的操作示意图；

图6是依照本发明实施例的压控振荡器的示意图；

图7是依照本发明实施例的压控振荡器的原理图；

图8是依照本发明实施例的压控振荡器的原理图；以及

图9是依照本发明实施例的压控振荡器的原理图。

具体实施方式

图6是表示本发明的一个实施例的方框图。振荡器电路600包括一个振荡器610和至少一个可操作连接到振荡器610的调节电路620。该调节电路包括一个偏置电阻622、一个电抗元件624(例如一个电容)和一个第一开关626。该第一开关626选择性地连接或断开电抗元件624和振荡器电路600。偏置电阻622向电抗元件624提供偏置电压V_A以便当第一开关626断开时，电抗元件624有偏置电压。

如下面将要详细讨论的，可以以多种配置向电抗元件提供偏置电压V_A。例如，可以在偏置电阻622和偏置电压V_A之间放置偏置开关628。当第一开关626与电抗元件624断开时，偏置开关628选择性地连接偏置电阻622和偏置电压。当第一开关626连接电抗元件624和振荡器电路600时，偏置开关628选择性地断开偏置电阻622和偏置电压V_A。作为替代地，可以按需定制偏置电阻622(例如高电阻值)，以便能够稳定地将偏置电压V_A连接到偏置电阻并且当第一开关626闭合时偏置电压V_A基本上不改变调节电路的操作特性。

偏置电压V_A可以接地、接电源电压或者振荡器输出的公共模式电压。而且，偏置电压V_A可以是可变的并且可在从地电压到电源电压之间的范围内选择。此外，开关626和628可以是半导体开关设备，例如晶体管和类似物。

如图6所示，调节电路620是谐振电路630的一部分。那些对技术熟悉的人将会理解谐振电路630可以包括另外的元件例如电感、电容和电阻。当第一开关626断开或闭合时，分别从谐振电路630移除或增加电抗元件624。相应地，第一开关626可以更改谐振电路630的特性，从而更改VCO的频率。而且，可以向谐振电路630增加附加调节电路以扩大控制的范围。并且那些对技术熟悉的人将会理解图6的调节电路可用于单个终端或不同类型的振荡器，因为扩大的调谐范围和改善的相位噪声性能对两种振荡器都是有利的。

图7是表示依照本发明实施例的压控振荡器的原理图。如图7所示，电路最好包括有源振荡器电路702。图7所示的电路是有输出节点OUT706和OUTB708的差分实施例。最好将电感704连接到输出节点OUT706和OUTB708。两个或更多有与开关718串联的电容722的电路也连接到OUT706。电容722连接到输出节点706和开关718。开关718最好是一个晶体管开关，其连接到基准电压，这可以是如图7所示的地电压。此外，电路最好包括一串联的电阻和开关，例如一个与晶体管开关714串联的显式电阻710。显式电阻710的一端连接到电容722和晶体管开关718的公共节点，晶体管开关714连接在电阻710的另一端和偏置电压V_A之间。最好在输出节点OUTB708处也有相似的元件和连接。例如，最好将电容722与晶体管开关720串联，电容722的另一端连接到输出节点OUTB708。而且，晶体管开关720的另一端接地。而且，最好有一个与晶体管开关716串联的显式电阻712，以至于电阻712连接到电容722和晶体管开关720的公共节点，晶体管开关716的另一端连接到偏置电压V_A。那些对技术熟悉的人将会意识到电容722可以有相同或者不同的值。同样，相关电阻和开关也可以根据每个应用的特殊设计要求而确定为相同或不同的值。

现在描述图7所示的电路操作。最好按照断开状态时的最佳相位噪声性能来确定或最优化电阻710和712的值。由于电阻值通常很高(例如，超过几千欧)，所以无需晶体管开关714和716的低导通电阻。因此，晶体管开关714和716的尺寸可以非常小。此外，晶体管开关714和716的附加寄生电容也很小。而且，由于电阻710和712被设计为包括断开状态时的大部分电阻，晶体管开关714和716的特性变化不明显。偏置电压V_A确定断开状态的公共电压，并且可以有从地电压到电源电压之间的任何值。因此，偏置电压V_A可以由简单的偏压源(例如电阻分压器)产生。V_A也可以是地电压或电源电压本身。

图8是表示依照本发明实施例的压控振荡器(VCO)的原理图。VCO800最好包括有源振荡器电路802。如图8所示的VCO800是有输出节点OUT806和OUTB808的差分实施例。最好将电感804连接到输出节点OUT806和OUTB808之间。最好将包括电容822、表示为显式电阻810的电阻和开关814或类似物(例如晶体管)的串联电路通过电容822的一端和晶体管开关814的一端，也就是该串联电路的相反端，连接到输出节点OUT806。此外，开关818或类似物(例如晶体管)最好连接在接地的基准电压和电容822与电阻810的公共节点之间。在输出节点OUTB808处也可以连接相似的电路。例如，可以将包括电容822、电阻812和晶体管开关816的串联电路通过电容822的一端和晶体管开关816的一端、以串联电路位于其中的方式连接到输出节点OUTB808。最好将晶体管开关820连接在地和电容822与电阻812的公共节点之间。那些对技术熟悉的人将会意识到电容822可以有相同或者不同的值。同样，相关电阻和开关也可以根据每个应用的特殊设计要求而确定为相同或不同的值。

在图8所示的实施例中，在断开状态无需额外的偏置电路。作为替代的，LC振荡器中的有源电路的公共模式电压给未连接到振荡器输出的电容的另一端提供了适当的DC偏压。而且，在VCO800中，晶体管开关814和816的尺寸可以非常小。因此，晶体管开关814和816的附加寄生电容也很不显著。

图9是表示依照本发明实施例的压控振荡器的原理图。如图9所示的VCO900最好包括有源振荡器电路902。图9的VCO900也是有输出节点OUT906和OUTB908的差分配置。最好将电感904连接到输出节点OUT906和OUTB908之间。此外，最好将电容922与开关918(例如晶体管)串联，电容922的另一端连接到输出节点OUT906，晶体管开关918的另一端接地。最好有一个作为电阻910的显式电阻连接在电容922与晶体管开关918的公共节点和偏置电压V_A之间。在OUTB908处最好也连接相似的电路。例如，最好将电容922与晶体管开关920串联，电容922的另一端连接到输出节点OUTB908，晶体管开关920的另一端接地。最好有一个显式电阻912连接在偏置电压V_A和电容922与晶体管开关920的公共节点之间。那些对技术熟悉的人将会意识到电容922可以有相同或者不同的值。同样，相关电阻和开关也可以根据每个应用的特殊设计要求而确定为相同或不同的值。

在图9所示的实施例中，去除了支路开关(例如图8中的开关814和816)，减少或限制了性能损失。这是因为显式电阻910和912的阻抗是经选择的以至于在开关918和920的闭合期间它们不会严重地改变操作特性。那些对技术熟悉的人将会意识到，对于一个给定的振荡器设计(例如电容、频率范围等)，电阻910和912的适当值是根据经验确定的。当断开开关918和920以减小电容时，其未连接到振荡器输出的另一端最好有基本上等于振荡器902的公共模式电压的DC偏压。

上述实施例可以用于相关技术中描述的接收机和PLL电路中。而且，那些对技术熟悉的人将会意识到本发明实施例可以用于任何使用或者可以使用PLL或VCO的设备中。例如，本发明实施例可以包括PLL、接收机、发送机、收发机、无线通信设备、基站或移动台(例如便携式电话、PDA、寻呼机等)。

如上所述，VCO电路的首选实施例及方法有各种优势。首选实施例提供了PLL的扩大的调谐范围。而且，首选实施例减少或消除了与VCO调节电路的接通和断开状态相关的问题。此外，还可以减小晶体管开关的尺寸。

此外，那些对技术熟悉的人将会意识到在前述描述中公开的方法是用于调谐有一个振荡器电路的设备。例如，所述方法包括经由偏置电阻向电抗元件提供偏置电压从而当第一开关断开时电抗元件有偏置电压，使用第一开关连接或断开电抗元件和振荡器电路，以及使用第二开关连接偏置电阻和偏置电压。而且，所述方法可以包括如果第一开关闭合则断开第二开关，如果第一开关断开则闭合第二开关。所述方法可以应用于多种设备例如PLL、接收机、发送机、收发机、无线通信设备、基站和/或移动台。

前述实施例和优势仅仅是代表性的，并不能以此限制本发明。如那些对技术熟悉的人将会理解的，本发明也可以应用于其它类型的装置中。更多的替代方案、修改和变化对那些熟悉技术的人来说将会是显而易见的。

Claims (20)

1.一种***，包括：

至少一个可操作连接到一个振荡器的调节电路，其中该调节电路包括：

一个电阻；

一个电抗元件；以及

一个第一开关，其中所述第一开关与电抗元件串联并且连

接或者断开电抗元件和振荡器输出，并且其中所述电阻向电抗元

件提供偏置电压以便当第一开关断开时电抗元件有偏置电压。

2.权利要求1的一个***，其中所述电抗元件是一个电容。

3.权利要求1的一个***，进一步包括：

一个第二开关，其中当第一开关断开电抗元件时所述第二开关连接电阻和偏置电压以及当第一开关连接电抗元件时所述第二开关断开电阻和偏置电压。

4.权利要求1的一个***，其中所述偏置电压至少是由电阻分压器产生的电压、地电压、电源电压和振荡器输出的公共模式电压之一。

5.权利要求4的一个***，其中所述由电阻分压器产生的偏置电压范围在地电压到电源电压之间。

6.权利要求1的一个***，其中所述电阻是按需定制的，从而能够将偏置电压恒定地耦合到电阻以及当第一开关闭合时偏置电压基本上不改变调节电路的操作特性。

7.权利要求1的一个***，其中所述第一开关是一个半导体设备。

8.权利要求3的一个***，其中所述第一开关是一个晶体管，所述第二开关是一个小于第一开关的晶体管。

9.权利要求1的一个***，进一步包括多个调节电路。

10.权利要求9的一个***，其中在每个调节电路中的每个电抗元件是一个电容，并且其中每个电容的电容值是相同的。

11.权利要求1的一个***，其中所述***至少是有源振荡器电路、PLL、接收机、发送机、收发机、无线通信设备、基站和移动台之一。

12.一种装置，包括：

一个有源振荡器，其中该有源振荡器包括一个第一输出节点和一个第二输出节点；

一个电感，其中该电感连接第一输出节点和第二输出节点；以及

至少一个连接到第一输出节点或第二输出节点的电容电路，每个电容电路包括：一个电容；一个电阻；以及一个第一开关，其中当所述第一开关断开时所述电阻向所述电容提供一个偏置电压以及所述第一开关与所述电容串联并连接或断开所述电容与振荡器的输出。

13.权利要求12的一个装置，其中所述电容连接第一开关与第一或第二输出节点，第一开关连接电容和地电压，以及所述电阻在电容和第一开关的公共节点处连接到电容和第一开关。

14.权利要求12的一个装置，其中所述偏置电压至少是由电阻分压器产生的电压、地电压、电源电压和振荡器输出的公共模式电压之一。

15.权利要求12的一个装置，其中至少一个电容电路包括一个第二开关，该第二开关连接和断开电阻与偏置电压。

16.权利要求15的一个装置，其中所述第二开关和电阻是串联的，以及其中所述偏置电压是振荡器输出的公共模式电压。

17.权利要求15的一个装置，其中配置至少一个电容电路从而：

如果第一开关是断开的，则闭合第二开关；以及

如果第一开关是闭合的，则断开第二开关。

18.权利要求12的一个装置，其中所述装置至少是PLL、接收机、发送机、收发机、无线通信设备、基站和移动台之一。

19.一种用于调节振荡器的方法，该方法包括：

经由一个电阻向一个电抗元件提供偏置电压，从而当第一开关断开时电抗元件有偏置电压；以及

使用第一开关连接和断开电抗元件与振荡器，从而调节振荡器的频率。

20.权利要求19的方法，进一步包括：

当第一开关断开电抗元件时，经由一个第二开关连接电阻和偏置电压；以及

当第一开关连接电抗元件时，经由所述第二开关断开电阻和偏置电压。

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