CN100472939C - 压控振荡器 - Google Patents

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Abstract

压控振荡器，包括LC谐振电路(L1、L2，VD1、VD2)，其耦合到一对晶体管(T2、T3)并交叉耦合到一对发射极跟随器晶体管(T0、T4)，每个晶体管具有集电极、发射极和基极，压控振荡器的特征在于：加在发射极跟随器晶体管(T0、T4)的集电极上的电源电压与加在一对晶体管(T2、T3)的集电极上的电源电压不同。

Description

压控振荡器
技术领域
本发明涉及压控振荡器，其包括耦合到一对晶体管并交叉耦合到一对发射极跟随器晶体管的LC谐振电路(tank circuit)，每个晶体管具有集电极、发射极和基极。
本发明还涉及伪随机发生器，其包括上述压控振荡器。
背景技术
压控振荡器(VCO)广泛用于诸如接收机、发射机和收发信机的通信系统中。它们也可用作数字系统的时钟发生器。图4中示出了传统的在先技术的差分LC VCO。其包括一对晶体管Tp1、Tp2，晶体管的发射极耦合到电流源Ie用于偏置。LC谐振电路包括电感Lp1和Lp2，上述电感耦合到一对用可变电容二极管D1和D2实现的压控电容器。电压VT控制二极管D1和D2的电容。该对晶体管Tp1、Tp2彼此交叉耦合(即其中一个晶体管的集电极相互连接到另一个晶体管的基极)。图4中所示的拓扑结构的主要缺点在于，由于两个晶体管的基极和集电极上的DC(直流)偏置相对相同，两个晶体管都操作在饱和状态。通过电压摆动前向偏置基极—集电极二极管从而限制了最大可达摆动。
US-A5847621公开了具有延迟调谐的LC振荡器，其包括一对耦合到LC谐振电路的晶体管。用一对发射极跟随器实现交叉耦合反馈。经由偏压控制的电流发生器来偏置发射极跟随器和一对晶体管。当振荡器耦合到负载阻抗时，使用电压跟随器可更好地缓冲振荡器。已观察到发射极跟随器基极和集电极的偏压基本相同并且晶体管也工作在饱和状态。因此，如前面所示出的，不能够获得最大电压摆动。此外，摆动限制决定了更高的相位噪声。
US-A6150893公开了包括两个支路的压控振荡器，每个支路包括一对晶体管。第一支路是LC振荡支路，在该支路中，每个晶体管的反馈回路中具有电容变换器。已观察到在两个支路中的晶体管的基极和集电极具有不同的偏压，但是附加的电容需要附加的基片面积。
发明内容
为此，本发明的目的在于获得具有改进的输出电压摆动和更低的相位噪声的压控振荡器。
根据本发明，可在前言段落所述的压控振荡器中实现上述发明目的，所述压控振荡器的特征在于加在发射极跟随器晶体管的集电极上的电源电压与加在所述一对晶体管的集电极上的电源电压不同。当考虑NPN双极晶体管时，晶体管集电极的偏压高于基极的偏压。当考虑PNP双极晶体管时，出现互补的情况。可用不同的技术(例如硅、硅-锗等)实现晶体管。由于晶体管不是操作在饱和模式中，输出电压摆动增加。
在本发明的一个实施例中，LC谐振电路经由双极晶体管(将其连接为二极管)耦合到电源电压，用于为发射极跟随器晶体管的集电极和所述一对晶体管的集电极产生不同的电源电压。使用诸如电阻和去耦电容以获得晶体管基极和集电极的不同偏置。但是尤其因为电容的原因而使电路所占用的面积增加。因此，使用连接为二极管的双极晶体管导致实现振荡器的半导体面积获得更有效的使用。
本发明的另一方面提供了伪随机序列发生器，其包括由压控振荡器驱动的第一序列发生器和第二序列发生器。第一序列发生器的第一输出和第二序列发生器的第二输出耦合到复用器。由压控振荡器的输出信号驱动复用器，用于选择第一序列发生器输出的信号或者第二序列发生器输出的信号。复用器在第三输出产生二进制信号，该信号的比特率是在第一输出或第二输出所获得的比特率的两倍。伪随机序列发生器广泛用于数字集成电路的测试中以产生测试向量。电路测试的持续时间最好尽可能短。其中，测试速度由用作时钟的压控振荡器输出信号的周期所决定。只要时钟信号的振幅发生从例如低电平到高电平的转换，普通的序列发生器就产生新的测试向量。
除非另有提到，产生测试向量的速度具有与时钟频率相同的频率。使用耦合到复用器的两个交织序列发生器获得用于产生测试向量的基本双倍速度。在时钟信号的振幅从低电平到高电平的转换中，第一序列发生器产生输出信号，在时钟信号的振幅从高电平到低电平的转换中，第二序列发生器产生输出信号。
在本发明的一个实施例中，每个序列发生器包括触发器的闭合链，每个触发器具有数据输入、时钟输入、预置输入和输出。伪随机序列发生器还包括反馈，该反馈包括XOR门(逻辑异或门)，XOR门的输出耦合到第一个触发器数据输入，一对输入耦合到触发器的一对输出。反馈用于使寄存器能够正确工作在环形模式中。在触发器的输出获得作为二进制信号向量的伪随机发生器的输出。
附图说明
通过以下结合附图对本发明的示例性实施例的描述，本发明的以上和其它特征将变得显而易见，其中：
图1示出按照本发明的压控振荡器，
图2示出按照本发明一个实施例的伪随机序列发生器，
图3示出按照本发明一个实施例的随机发生器中使用的触发器链，并且
图4示出在先技术的压控振荡器。
具体实施方式
图1示出按照本发明的压控振荡器。所述压控振荡器包括LC谐振电路L1、L2、VD1、VD2，耦合到一对晶体管T2、T3并交叉耦合到一对发射极跟随器晶体管T0、T4。每个晶体管具有集电极、发射极和基极。加在发射极跟随器晶体管T0、T4的集电极的电源电压与加在发射极跟随器晶体管T0、T4的基极的电源电压基本不同。电感L1、L2的电感和电容VD1、VD2的电容决定压控振荡器的振荡频率。电容VD1和VD2是变容二极管。因此，它们是通过调谐电压Vt可控制的。将电容C用作去耦电容，其电容基本大于变容二极管的最大电容，电容C对压控振荡器的振荡频率有相对小的影响。电阻R用于偏置变容二极管。晶体管T2和T3的集电极分别交叉耦合到晶体管T4和T0的基极。晶体管T4和T0连接为发射极跟随器，经由电流发生器T1和T5偏置该发射极跟随器，通过偏压VB控制电流发生器。已观察到晶体管T0和T4的集电极连接到电源电压Vcc，晶体管T0和T4的基极连接到基本更低的电压，该电压大约为VCC-VBE(其中VBE是双极晶体管T7的基极-发射极电压。这里应该指出的是可忽略电感L1，L2的电阻，这是由于该电感应该具有尽可能更高的品质因数以降低谐振电路中的损耗。当Vcc等于3伏(V)时，输出振荡电压等于1.2V，而图4中所示的在先技术压控振荡器的输出摆动大约等于0.5V。图1中所示的压控振荡器的相应的相位噪声大约是-108dBc/Hz，而在先技术振荡器的相位余量是-95dBc/Hz。还观察到发射极跟随器晶体管缓冲压控振荡器，用于使负载对于振荡器所产生的信号的振幅和频率的影响最小化。使用NPN双极晶体管实现图1所示的电路，但是本领域的技术人员可使用PNP双极晶体管相对容易地实现所述电路。此外，可以用不同的技术(诸如硅、硅-锗等)实现晶体管。由于晶体管不是操作在饱和模式中，输出电压摆动增加。还观察到可使用诸如电阻和具有相对高电容量的去耦电容获得晶体管的基极和集电极的不同偏置。但是尤其因为电容的原因而使电路所占用的面积增加。因此，使用连接为二极管的双极晶体管导致实现振荡器的半导体面积获得更有效的使用。
图2示出伪随机序列发生器(PRSG)。PRSG包括由图1中所示的压控振荡器驱动的第一序列发生器R1和第二序列发生器R2。第一序列发生器R1的第一输出O1和第二序列发生器R2的第二输出O2耦合到由压控振荡器的输出信号I所驱动的复用器M。信号I选择第一序列发生器R1输出的信号或第二序列发生器R2输出的信号。复用器M在第三输出O3上产生二进制信号，该信号的比特率基本上是仅仅使用序列发生器R1、R2的其中一个所获得的比特率的两倍。下文中将序列定义为一连串二进制数据(比特)。仅仅在信号I从低的值向高的值转换时，第一序列发生器在第一输出O1上产生输出比特。因此，在信号I的每个周期内，在第一输出O1上产生比特。类似地，在信号I每次从高电平向低电平转换时，在第二输出O2上产生比特。当信号I具有高电平时，复用器M将信号从其输入I1传送到其输出O3，当信号I具有低电平时，复用器M将信号从其输入I2传送到输出O3。在信号I从低的值转换到高的值之后，将第一输入I1中出现的比特传送到输出O3。在信号I从高电平转换到低电平之后，将来自输入I2的信号传送到输出O3。因此，在信号I的每半个周期，在输出O3产生比特。如果我们把输出O1或输出O2上的比特率记为BR，那么记为2BR的输出O3上的比特率基本上是2*BR。该特征是非常吸引人的，这是因为使用相对低频率的时钟信号I就获得了输出O3上的比特率。
图3示出按照本发明一个实施例的伪随机发生器中使用的触发器FF1，...，FFn链。该触发器链表示连接成环的可预置移位寄存器，用于产生数字信号的伪随机向量。图1中所示的压控振荡器的输出信号I驱动伪随机序列发生器。伪随机发生器包括N个触发器组成的链，每个触发器具有数据输入D1、...、Dn-1、Dn、时钟输入C1、...、Cn-1、Cn、预置输入P1、...、Pn-1、Pn以及输出Q1、...，、Qn-1、Qn。为了简化起见，我们认为触发器FF1是触发器链中的第一个并且触发器FFn是触发器链中的最后一个。伪随机序列发生器还包括反馈，该反馈包括XOR门，XOR门的输出耦合到第一个触发器FF1的数据输入D1，而一对输入耦合到最后一个和倒数第二个触发器的一对输出Qn，、Qn-1。首先在二进制状态中使用经由预置输入P1、...、Pn-1、Pn输入的二进制信号预置触发器。因此，二进制值Pi位于输出Qi。信号I的每个正边沿决定二进制值从输出Qi到输出Qi+1的传送。为了使触发器链闭合，提供了反馈，该反馈包括位于输出Qn-1和Qn之间的XOR门。
已观察到信号I可以是单端信号(即图1中In或Ip)或差分信号。相应地，触发器也可以是单端触发器或差分触发器。
应该注意的是，本发明的保护范围并不限于这里所描述的实施例。权利要求中的标号也并不限制本发明的保护范围。动词“包括”并不排除在权利要求中提到的以外的部分。元件之前的词“一个”并不排除多个这种元件的存在。可以通过专用硬件的形式或编程用处理器的形式实现组成部分本发明的装置。本发明存在于每个新的特征或特征组合中。

Claims (3)

1.一种压控振荡器，包括LC谐振电路(L1、L2，VD1、VD2)，其耦合到一对晶体管(T2、T3)并交叉耦合到一对发射极跟随器晶体管(T0、T4)，每个晶体管具有集电极、发射极和基极，所述压控振荡器的特征在于：加在所述发射极跟随器晶体管(T0、T4)的集电极上的电源电压与加在所述一对晶体管(T2、T3)的集电极上的电源电压不同，所述LC谐振电路(L1、L2、VD1、VD2)经由连接为二极管的双极晶体管(T7)耦合到所述电源电压，用于为所述发射极跟随器晶体管(T0、T4)的集电极和所述一对晶体管(T2、T3)的集电极获得不同的电源电压。
2.一种伪随机序列发生器，其包括由权利要求1所述的压控振荡器驱动的第一序列发生器(R1)和第二序列发生器(R2)，所述第一序列发生器(R1)的第一输出(O1)和所述第二序列发生器(R2)的第二输出(O2)耦合到由所述压控振荡器的输出信号(1)所驱动的复用器(M)，用于选择所述第一序列发生器(R1)输出的信号或所述第二序列发生器(R2)输出的信号，所述复用器(M)在第三输出(O3)上产生二进制信号，所述二进制信号的比特率(2BR)是在所述第一输出(O1)或所述第二输出(O2)获得的比特率的两倍。
3.如权利要求2所述的伪随机序列发生器，其特征在于：每个所述序列发生器(R1、R2)包括触发器(FF1、...、FFn-1、FFn)的闭合链，每个触发器包括数据输入(D1、...、Dn-1、Dn)、时钟输入(C1、...、Cn-1、Cn)、预置输入(P1、...、Pn-1、Pn)以及输出(Q1、...、Qn-1、Qn)，所述伪随机序列发生器还包括反馈，所述反馈包括逻辑异或门，所述逻辑异或门的输出耦合到第一个所述触发器的数据输入(D1)，所述逻辑异或门的一对输入耦合到所述触发器的一对输出(Qn-1、Qn)。
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