CN100407569C - 可减小增益波动的压控振荡器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可减小增益波动的压控振荡器，包括LC谐振回路、用于提供负电导的有源器件，该压控振荡器的电压控制端接电压变换的电路。本发明通过使用电压变换电路，使实际能够控制压控振荡器的电压范围可变，从而使实际的调频范围可变，这样，就能控制压控振荡器的增益。

Description

可减小增益波动的压控振荡器

技术领域

本发明涉及一种压控振荡器，尤其涉及一种增益波动小的压控振荡器。

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系统以及数字电视、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。其中C_v是变容管的电容，C_c是耦合电容。两个变容管电容和两个耦合电容串联之后得到总的电容C。V是变容管的控制电压，L是电感。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。可以通过改变控制电压V的值来获得不同的LC谐振回路电容值，这一过程由变容管来完成。总电容值C是控制电压V的函数，C和V的值一一对应，即C＝C(V)。当控制电压V改变时，相应的总电容C也改变。由于 $f_{\mathrm{out}}=1/\sqrt{2\mathrm{\π}\·L\·C},$ 所以输出信号的振荡频率也被改变。

除了上述通过调节变容管的电容值来改变频率的方法以外，还有另外一种调频的方法：使用数字控制的开关电容电路。如图2所示，数字控制的开关电容电路通过数字控制位A₂A₁A₀来接通或者断开开关，从而决定电容C₂，C₁和C₀是否被接入到LC谐振回路。当A₂A₁A₀具有不同的数字电平时，开关电容阵列中的电容将以不同的组合方式被接入到振荡器的LC谐振回路中，从而使总的等效电容值C被改变。这一方法实现的是输出信号频率的不连续调节，称为粗调。该结构结合前述通过变容管调频的方法，就得到如图3中实线所示的调频曲线，其中横坐标是变容管的控制电压V，纵坐标是输出信号的振荡频率f_out。图中的虚线对应于不使用开关电容电路的情况。从图3可以看出，合理的选择开关电容阵列中的电容值，可以使实线和虚线两者具有相同的频率调节范围，即f_min～f_max。不同之处在于，如果不使用开关电容电路，则实现的是一条从f_min到f_max的连续调频曲线(虚线)，而使用开关电容电路的话，得到的是一组调频曲线(实线)，相邻曲线之间在纵坐标方向必须要相互重叠一部分，如图3所示，以覆盖从f_min到f_max中的每个频率值。每一条曲线都与开关电容阵列数字控制位的值相对应，以图3为例，从“000”一直到“111”，共八条调频曲线。当使用开关电容电路之后，数字控制的开关实现了输出信号频率的粗调，而变容管的控制电压V保留了对频率微调的功能。

图2的结构使用开关电容以后，实际的压控振荡器频率由下式决定：

$f_{\mathrm{out}}=1/\sqrt{2\mathrm{\π}\·L\·(C_{\mathrm{switch}}+C_{\mathrm{var}})}$

其中，C_switch是接通的开关电容的总和(即C₂，C₁及C₀或其组合后的总电容)，C_var近似等于两个变容管的电容和两个耦合电容串联后的值，即 $C_{\mathrm{var}}\≈\frac{C_v\·C_c}{2\·(C_v+C_c)}.$ 图3中靠近上部的实线对应的C_switch较小，靠近下部的实线对应的C_switch较大。每一条实线所对应的调频范围都是由C_v的变化来实现的。使用开关电容时，实际的调频曲线与图3有所差别，如图4所示。两者的区别在于靠近上部的曲线斜率较大，线间距较大；而靠近下部的曲线斜率较小，线间距较小。曲线的斜率是压控振荡器的重要指标之一：K_VCO，即压控振荡器的增益(单位为Hz/V，对应于单位电压变化所引起的频率变化)。因此，图4中不同曲线对应的K_VCO发生显著变化。其原因在于：对于靠近上部的曲线，由于C_switch较小，C_v的变化所引起的总电容的相对变化量较大；对于靠近下部的曲线，由于C_switch较大，C_v的变化所引起的总电容的相对变化量较小。

压控振荡器是锁相环电路中的一个组成部分。压控振荡器增益K_VCO的波动会引起锁相环电路的稳定性问题。为了保证锁相环的稳定性，通常在设计锁相环时就考虑到K_VCO具有3～5倍的变化量。这样做的目的是：即使K_VCO发生显著变化，锁相环仍然可以稳定工作。但这带来的直接后果是锁相环的一些特性不能得到最大限度的发挥，例如锁相环的锁定时间。因此，这一解决办法是以牺牲锁相环的特性为代价的。而一个有效的解决办法就是在设计压控振荡器时减小K_VCO的波动。

发明内容

针对上述现有压控振荡器存在增益K_VCO发生显著波动这一问题和不足，本发明的目的是提供一种可减小增益波动的压控振荡器。

本发明是这样实现的：一种可减小增益波动的压控振荡器，包括LC谐振回路、用于提供负电导的有源器件，该压控振荡器的电压控制端接电压变换的电路，所述电压变换电路用于将在一定范围内变化的电压信号映射到在另一范围内变化的电压信号。

进一步地，所述电压变换的电路为数字位控制的电压变换电路。

进一步地，所述电压变换的电路包括电压源、控制开关和对应的并联有电阻的分压电路，其连接关系为三路所述控制开关分别串联一电阻后再相互并联，三个电阻的公共节点做为电压变换电路的输出端，所述三个电阻的公共节点与电压变换电路的输入端之间串联一电阻，三路所述控制开关的公共节点与地之间串联电压源VDD；输入电压经过电压变换后接到压控振荡器的电压控制端。

本发明通过使用电压变换电路，使实际能够控制压控振荡器的电压范围可变，从而使实际的调频范围可变，这样，就能控制压控振荡器的增益。

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是数字开关电容压控振荡器电路图；

图3是压控振荡器的理想调频曲线示意图；

图4是压控振荡器增益发生波动示意图；

图5是本发明的结构示意图；

图6是电压变换电路的输入输出特性示意图；

图7是电压变换电路的一个示例；

图8是通过电压变换来改变调频曲线的示意图；

图9是使用本发明前后得到的调频曲线示意图。

具体实施方式

如图5所示，本发明是在图2中压控振荡器电路的基础上加以改进而成的。与图2相比，本发明先将压控振荡器的控制电压V₁经过一个电压变换电路，得到实际的控制电压V₂，然后将V₂送到压控振荡器中变容管的控制端。该电压变换电路的功能是：将在一定范围内变化的电压控制信号映射到在另一范围内变化的电压控制信号。这一过程如图6所示，例如，当电压V₁从V_x1到V_x2变化时，V₂则从V_y1到V_y2变化。图7给出了电压变换电路的一个具体实现形式，它由数字控制位A₂A₁A₀同步控制。通过对图7中R₀～R₃的值进行设计，可以确定合适的V₂变化范围。图6给出的是V₁和V₂成线性关系时的情形，而通过设计V₁和V₂之间的对应函数关系，可以使K_VCO的波动进一步的优化。

本发明通过使用电压变换电路，使实际能够控制压控振荡器的电压范围可变，从而使实际的调频范围可变，这样，就能控制压控振荡器的增益。如图8所示，原始控制电压从0到VDD(VDD为电源电压)变化，对应于调频曲线AC；通过电压变换，使实际控制变容管的电压(图5中的V₂)范围从V_x到VDD变化(V_x介于0到VDD之间)，对应于调频曲线BC；BC与原始控制电压(图5中的V₁)之间的对应关系为曲线DC。

图9为使用本发明前后压控振荡器的调频曲线示意图。实线对应的是未使用本发明时的调频曲线，虚线是使用本发明后的调频曲线。通过控制电压的变换，可以很好的使各条调频曲线的K_VCO基本保持不变。

Claims (1)

1.一种可减小增益波动的压控振荡器，包括LC谐振回路、用于提供负电导的有源器件，其特征在于，该压控振荡器的电压控制端接电压变换的电路，所述电压变换的电路用于将在一定范围内变化的电压控制信号映射到在另一范围内变化的电压控制信号；所述电压变换的电路为数字位控制的电压变换电路，其包括电压源、控制开关和对应的并联有电阻的分压电路，其连接关系为三路所述控制开关分别串联一电阻后再相互并联，三个电阻的公共节点做为电压变换电路的输出端，所述三个电阻的公共节点与电压变换电路的输入端之间串联一电阻，三路所述控制开关的公共节点与地之间串联电压源VDD；输入电压经过电压变换后接到压控振荡器的电压控制端。

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