CN101227169A - 压控振荡器电路及其操作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种压控振荡器电路及其操作方法。提供一种压控振荡器电路，其中，采用可变电容性负反馈以向用于毫米波应用的VOC电路提供增加的调谐范围和输出幅度。

Description

压控振荡器电路及其操作方法

技术领域

本发明总的来说涉及用于实现毫米波应用的VCO(压控振荡器)电路的电路和方法。更具体地说，本发明涉及用于使用可变电容性负反馈(capacitive degeneration)来构建LC压控振荡器从而为毫米波应用提供增大的调谐范围的电路和方法。

背景技术

通常，VCO(压控振荡器)是输出具有响应于输入控制电压而变化的频率的AC信号的振荡器电路。VCO是用于数据传送和恢复处理的在包括雷达和通信系统的各种应用(例如，有线或无线应用)中采用的基本部件。作为示例，VCO用于PLL(锁相环)电路、DLL(延迟锁定环)电路或注频锁定振荡器。VCO还用于诸如频率变换、数据调制、时钟分配和时钟/数据恢复的应用。

图1示意性示出传统的压控振荡器电路。更具体地说，图1是传统VCO电路(10)的示意图，所述VCO电路(10)包括振荡器核(11)、储能电路(12)和电流源(13)。VCO(10)包括基于储能电路(12)中的电感器L和电容器C的并联谐振的LC VCO布局。电感器L被示为集总元件，电容器C被示为可变电容器(14)(例如，变容二极管)。可变电容器(14)具有可通过施加调谐电压Vtunel而变化的电容，为了在指定的调谐范围内调谐VCO(10)。振荡器核(11)包括一对不具有射极负反馈网络的交叉耦合的晶体管Q(例如，双极结型晶体管)。电流源(13)向交叉耦合的晶体管Q提供偏置电流。

如本领域所公知的，可将交叉耦合的LC VCO电路(10)的第一阶振荡频率确定为：

$f_{\mathrm{osc}}=\frac{1}{\sqrt{\mathrm{LC}\left(V_{\mathrm{tunc}}\right)}}---\left(1\right)$

其中，LC乘积是VCO储能器(12)的谐振频率。振荡器核(11)提供“负电阻”，需要所述“负电阻”来补偿储能电路(12)的损耗，以便保持振荡。储能电路(12)包括并联寄生电阻R_P，其代表储能电感器L和电容器C的电阻损耗(例如，变容二极管损耗)。为了产生振荡，由交叉耦合的晶体管Q提供的负电阻(-1/g_m)(在绝对值上)必须大于储能电路(12)的并联寄生电阻R_P：

R_P-(1/g_m)≤0(2)

通常，期望将VCO设计为具有较宽的调谐范围，同时最小化相位噪声。然而，当设计VCO时，一般需要在调谐范围与相位噪声之间进行折中考虑。例如，对于不具有射极负反馈的图1的VCO电路(10)，VCO的最大可达到振荡频率和调谐范围受到限制。更具体地说，可通过增加储能(12)电路的电容C来增加VCO电路(10)的调谐范围。然而，电容C的增加将导致储能电路(12)的损耗增加。可通过增加VCO电路(10)的增益来抵消损耗的增加，但是增益的增加对放大输入到VCO的信号的噪声方面产生有害影响，导致增加相位噪声。

或者，可通过减少LC储能电路的电感负载L来增加具有图1所示的传统结构的VCO的调谐范围。然而，减少电感负载L将降低储能器的品质，从而增加相位噪声。此外，减少电感负载L导致在振荡器节点减少电压摆动，这会阻止VCO振荡。

其它传统的LC VCO电路布局实现所谓的固定电容射极负反馈，以便提供增加的振荡频率和调谐范围。作为示例，图2示意性示出实现固定电容射极负反馈的传统LC VCO电路布局。图2示出LC VCO电路(20)，其包括：振荡器核(21)、储能电路(22)和电流源(23)。储能电路(22)和电流源(23)在功能上类似于以上参照图1所讨论的储能电路和电流源。

振荡器核(21)包括一对交叉耦合的晶体管Q(例如，双极结型晶体管)，通过连接到交叉耦合的晶体管Q的射极的固定电容器Ce和电阻器Re提供射极负反馈。通过使用固定电容性负反馈，振荡频率接近：

$f_{\mathrm{osc}}=\frac{1}{\sqrt{L(C\left(V_{\mathrm{tune}}\right)-C_e)}}---\left(3\right)$

与图1的传统VCO电路(10)相比，图2的传统VCO结构允许增加的振荡频率。以下的等式描述固定电容性负反馈对交叉耦合的振荡器核(21)的影响。在图2中，Z_IN表示振荡器核(21)的负阻抗，其中，Z_IN＝R_EE+jX_EE，其中，R_EE和X_EE分别表示转换的负阻抗的实部和虚部。为了激励振荡，R_EE必须为负。因此，在X_EE＝0的情况下方式振荡频率。以下等式阐述保持振荡的条件：

$R>R_{\mathrm{EE}}+\frac{{X_{\mathrm{EE}}}^2}{R_{\mathrm{EE}}}---\left(4\right)$

$X_{\mathrm{EE}}=\frac{({R_{\mathrm{EE}}}^2+{X_{\mathrm{EE}}}^2)(1-{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{osc}}}^2\mathrm{LC})}{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{osc}}L}---\left(5\right)$

此外，对于具有固定电容射极负反馈的VCO(20)，应用以下的等式：

$R_{\mathrm{EE}}=\frac{1}{g_m}---\left(6\right)$

$X_{\mathrm{EE}}=(\mathrm{\ω}{L}_E-\frac{1}{\mathrm{\ω}{C}_E})---\left(7\right)$

诸如Zhan等人在“Analysis of Emitter Degenerated LCOscillators Using Bipolar Technologies”，Proceeding of IEEEInternational Symposium on Circuits and Systems，Bangkok，Thailand，2003年5月25-28的文章中所描述的，其中，L_E＝C_πr_b/g_m，C_π表示基极-射极电容，r_b表示基极电阻，其中，g_m表示电导。

发明内容

通过采用固定电容性负反馈，可增LC VCO的调谐范围和振荡频率，并需要较少的功率来保持振荡。然而，尽管具有这种优点，但是具有固定电容性负反馈的VCO的性能会在不同的偏置条件下有所下降，这是由于LC储能器的寄生电阻R_P在所述变化的偏置条件下发生改变(增大或减小)。例如，在图2的传统VCO结构中，根据储能电路(22)中变容二极管的类型以及Vtune的极性，偏置条件的改变会增加LC储能器(22)的寄生电阻R_P(在储能器中吸收更多能量)，这会抑制振荡。

总体说来，本发明的示例性实施例包括压控振荡器电路，其采用可变电容性负反馈，以向用于毫米波应用的VCO提供增加的调谐范围和输出幅度。本发明的示例性实施例所包括的方法采用可变电容性负反馈来调谐/控制VCO增益以及振荡器核的有源装置的寄生行为，从而在振荡器位于毫米波工作频率的整个带宽上提供增加的调谐范围和输出功率。

例如，在一示例性实施例中，压控振荡器电路包括：谐振电路以及耦合到谐振电路的振荡器核。谐振电路具有受第一控制电压控制的谐振频率，以设置VCO的振荡频率。振荡器核提供负阻抗，其补偿谐振电路的损耗并保持VCO的振荡，其中，振荡器核实现可变电容性负反馈以基于第二控制电压来调整由振荡器核提供的负阻抗的量。

通过以下对结合附图给出的示例性实施例的详细描述，本发明的这些和其它示例性实施例、特征和优点将被描述或变得清楚。

附图说明

图1示意性示出不具有射极负反馈的传统压控振荡器。

图2示意性示出具有固定电容性负反馈的传统压控振荡器。

图3示意性示出根据本发明示例性实施例的具有可变电容性负反馈的压控振荡器。

图4示意性示出根据本发明另一示例性实施例的具有可变电容性负反馈的压控振荡器。

具体实施方式

图3示意性示出根据本发明示例性实施例的具有可变电容性负反馈的压控振荡器。具体说来，图3示出LC VCO电路(30)，其通常包括：振荡器核(31)、谐振电路(32)和电流源(33)。振荡器核(31)包括反馈电路，用于补偿谐振电路(32)的损耗。如图3所示，可使用一对交叉耦合的晶体管Q(例如，双极结型晶体管或其它类型的晶体管，这取决于应用)来实现反馈电路。可使用已知电路布局来实现谐振电路(32)和电流源(33)。

谐振电路(32)可包括并联的电感器L和可变电容器C。可变电容器C连接在晶体管Q的集电极端子之间，并共同连接到调谐电压(Vtune1)输入节点N1。在一示例性实施例中，可使用变容二极管(34)来实现可变电容器。变容二极管是针对微波频率设计的PN结半导体，其中，电容随着施加的电压而变化。

此外，振荡器核(31)包括负反馈网络，其包括一对可变电容器C_e(var)，其连接在晶体管Q的射极端子之间，并共同连接到调谐电压(Vtune2)输入节点N2。在一示例性实施例中，可使用变容二极管(35)来实现可变电容器C_e(var)。负反馈网络还包括连接到晶体管Q的射极的电阻器Re。电阻器Re与各个变容二极管(35)并联，用于隔离变容二极管(35)。

在图3的示例性实施例中，谐振电路(32)的可变电容器(例如，变容二极管(34))提供用于响应于施加到节点N1的第一调谐电压Vtune1在给定调谐范围内调谐VCO(30)的振荡频率的机制。此外，可变负反馈电容器C_e(var)(例如，变容二极管(35))提供用于通过响应于施加到节点N2的第二调谐电压Vtune2来变化振荡器核(31)的电容性负反馈从而调谐VCO(30)的机制。如以下进一步详细解释的，可变电容性负反馈在较宽的调谐范围内实现对VCO振荡频率的精细调谐，并且在不同的工作条件下调谐振荡器核(31)的反馈增益，以保持有效的VCO性能。

在本发明的一示例性实施例中，可将公共的调谐电压(例如，Vtune1＝Vtune2)共同施加到两个节点N1和N2。在另一示例性实施例中，可将单独的不同的调谐控制电压(Vtune1≠Vtune2)施加到各个调谐节点N1和N2，从而允许不同的可变调谐电压应用于谐振电路(32)和振荡器核(31)中的负反馈网络，用于精细或粗略的振荡频率调谐。例如，对于适度规格的变容二极管，发射极变容二极管(35)与集电极变容二极管(34)相比，在较小的程度上改变振荡频率。

应认识到，在射极负反馈的振荡器核(31)之内的可变电容性负反馈的实现在各个级别上提供VCO(30)的增强的调谐能力和性能。例如，可变电容器负反馈提供通过变化由负电阻单元(即，振荡器核(31))看到的寄生电容来调谐VCO(30)的振荡频率的附加机制。具体说来，可通过用可变电容C_e(var)来替换固定负反馈电容Ce来修改上面的等式3以产生：

$f_{\mathrm{osc}}=\frac{1}{\sqrt{L(C\left(V_{\mathrm{tune}}\right)-C_{e\left(\mathrm{var}\right)}\left(V_{\mathrm{tune}2}\right))}}---\left(8\right)$

这里，与具有固定电容器负反馈Ce的VCO(例如，图2)的调谐范围相比，应认识到：具有可变电容器负反馈的VCO(例如，图3)的调谐范围可在电路设计中提供取决于C_e(var)(V_tune2)变化的增加的调谐范围，其中，射极负反馈电容的第一阶变化对于振荡频率具有与集电极电容中的变化相同的影响。然而，当两对变容二极管(34)、(35)具有类似的规格时，关于对振荡频率的作用，负反馈电容(例如，变容二极管(35))可在某种程度上少于集电极电容(例如，变容二极管(34))。

还应认识到：可变电容性负反馈提供用于调谐VCO增益的机制。更具体地说，可变电容性负反馈使得交叉耦合对的负电阻(电容性负反馈的作用)能够被调整以便调谐VCO核(31)的振荡幅度，从而考虑集电极连接的(储能)变容二极管(34)的偏置条件的变化，其促使谐振电路(32)的寄生电阻的增加或减少。寄生电阻变化的程度取决于各种因素，诸如采用的变容二极管(34)的类型、变容二极管(34)的极性等。

根据本发明的示例性实施例，可通过以下方式来应对偏置条件的改变：变化电容性负反馈以增加/减少交叉耦合对的反馈增益，从而适当地调整负电阻。例如，当谐振电路(32)的寄生电阻增加时，可增加核(31)中晶体管Q的交叉耦合对的反馈增益，以保持有效的VCO性能。类似地，当谐振电路的寄生电阻减少时，可适当地减少反馈增益，从而保持有效的VCO性能。

这可由上述等式7来示出，其中，可用可变负反馈电容C_e(var)来替换固定负反馈电容Ce，从而XEE可随着负反馈电容的改变而变化。具体说来，负反馈电容的增加促使XEE增加，这导致反馈增益的增加。另一方面，负反馈电容的减少促使XEE减少，这导致反馈增益的减少。

在这方面，可变电容性负反馈可用于动态调整反馈电路的增益以最小化在给定时间在当前工作条件下所需的负反馈的量。此外，经由可变电容性负反馈动态调整反馈增益的能力有效地实现对振荡器的输出功率的控制，例如，在高损耗条件下增加反馈环路的增益。这与具有固定电容性负反馈的传统VCO设计(见图2)形成对照，其中，选择VCO核的负电阻以保持VCO振荡在期望的工作条件的范围内但是保持静止。在固定电容性负反馈中，在某些偏置条件下，由振荡器核提供的负电阻对于较低的损耗配置并非是必要的，这导致不必要的功率浪费。

还应认识到：可变电容性负反馈提供用于减少VCO相位噪声并由此改善VCO性能的机制。例如，如以上所述，可在高损耗偏置条件下将负反馈变容二极管(35)调谐以增加VCO(30)的输出幅度。根据Leeson的预测，通过下式给出在距离振荡频率ω_OSC的频偏Δω处1/f²区域的相位噪声：

$\mathrm{PNw}\left(\mathrm{\Δ\ω}\right)=\mathrm{kTR}\frac{F}{{V_o}^2}{\left(\frac{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{osc}}}{\mathrm{Q\Δw}}\right)}^2---\left(9\right)$

其中，k是Bolztmanns常数，T是绝对温度，R是VCO储能电阻(寄生电阻Rp)，Vo是振荡幅度，F是噪声因子，Q是储能品质。根据等式9，可通过振荡幅度Vo的增加来抵消寄生电阻R的增加，从而最小化相位噪声。因此，在较高的损耗偏置条件下，可调谐负反馈变容二极管(35)来增加VCO(30)的输出幅度。

此外，在图3的示例性VCO结构中，例如，通过设计上的优点来实现减少的VCO相位噪声，因为负反馈电容器(35)通过它们自身的RC网络以及交叉耦合的负电阻对来进行低通滤波。具体说来，由于振荡器的一部分调谐部件经历RC负反馈和交叉耦合对的噪声滤波作用，而实现改善的相位噪声。应注意，尽管通过射极连接的变容二极管(35)的寄生电阻引入某些热噪声，但是多数噪声由负反馈电阻器Re产生，其按照与固定电容性负反馈相同的方式被过滤，即，将射极连接的变容二极管偏置以提供更大的电容，实际上改善了负反馈网络的过滤能力。

应理解，图3仅仅是具有可变电容器负反馈的VCO的一示例性实施例，本领域的普通技术人员可容易地实现具有其它VCO电路布局的可变电容器负反馈。例如，图4示意性示出根据本发明另一示例性实施例的具有可变电容性负反馈的压控振荡器。具体说来，图4示出LC VCO电路(40)，其通常包括：振荡器核(41)、谐振电路(42)以及尾电流源(43a)和(43b)。核(41)包括一对交叉耦合的晶体管Q(例如，双极结型晶体管或其它类型的晶体管，这取决于应用)以及包括可变电容器(45)的射极负反馈网络。交叉耦合的晶体管Q的射极被连接到独立的尾电流源(43a)和(43b)，其用于隔离负反馈变容二极管(45)。谐振电路(42)包括可变电容器C，其可使用变容二极管来实现，还包括固定电感器部件LC，其可使用传输线(分布的电感器部件)来实现。

尽管已经参照附图描述了示例性实施例，但是应理解：本发明并不受限于这些示例性实施例，在不脱离本发明的范围或精神的情况下，本领域的技术人员可在此进行各种其它的改变和修改。所有这些改变和修改将被包括在由权利要求限定的本发明的范围之内。

Claims (21)

1.一种压控振荡器(VCO)电路，包括：

谐振电路，具有受第一控制电压控制的谐振频率，以设置VCO的振荡频率；以及

耦合到谐振电路的振荡器核，用于提供负阻抗，该负阻抗补偿谐振电路的损耗并保持VCO的振荡，

其中，振荡器核实现可变电容性负反馈以基于第二控制电压来调整由振荡器核提供的负阻抗的量。

2.如权利要求1所述的VCO，其中，谐振电路包括具有可调谐的电容的LC谐振电路，使用第一控制电压来控制所述可调谐电容，从而调整振荡频率。

3.如权利要求1所述的VCO，其中，振荡器核包括晶体管的交叉耦合对。

4.如权利要求2所述的VCO，其中，晶体管是双极结型晶体管。

5.如权利要求1所述的VCO，其中，振荡器核包括具有可调谐电容的负反馈网络，使用第二控制电压来控制所述可调谐电容以调整电容性负反馈。

6.如权利要求5所述的VCO，其中，负反馈网络包括用于提供可调谐电容的变容二极管。

7.如权利要求6所述的VCO，其中，负反馈网络包括与变容二极管并联的电阻器。

8.如权利要求1所述的VCO，还包括：用于偏置晶体管的交叉耦合对的尾电流源。

9.一种压控振荡器(VCO)电路，包括：

LC谐振电路，具有固定值电感以及可调谐电容，通过第一控制电压来控制可调谐电容，以设置VCO的振荡频率；以及

振荡器核，包括双极结型晶体管的交叉耦合对以及射极负反馈电路，所述射极负反馈电路在第二控制电压的控制下提供可变电容性负反馈。

10.如权利要求9所述的VCO，其中，所述射极负反馈网络包括一对负反馈变容二极管，所述一对负反馈变容二极管在双极结型晶体管的射极端子之间串联，并共同连接到被施加有第二控制电压的第二控制节点。

11.如权利要求10所述的VCO，其中，射极负反馈网络还包括与所述一对负反馈变容二极管并联的一对负反馈电阻器。

12.如权利要求10所述的VCO，还包括至少一个尾电流源，用于提供恒定的偏置电流以偏置晶体管。

13.如权利要求10所述的VCO，其中，谐振电路包括一对变容二极管，所述一对变容二极管在双极结型晶体管的集电极端子之间串联，并共同连接到被施加有第一控制电压的第一控制节点。

14.如权利要求13所述的VCO，其中，谐振电路包括印刷传输线，用于提供谐振电路的固定电感。

15.如权利要求1所述的VCO，其中，由第二控制电压来控制电容性负反馈，以调整由振荡器核提供的负阻抗的量。

16.如权利要求1所述的VCO，其中，由第二控制电压来控制电容性负反馈，以调整VCO的振荡频率。

17.如权利要求1所述的VCO，其中，由第二控制电压来控制电容性负反馈以调整振荡器核的增益量。

18.如权利要求1所述的VCO，其中，由第二控制电压来控制电容性负反馈，以减少相位噪声。

19.一种操作VCO(压控振荡器)的方法，包括：

将第一控制电压施加于VCO的第一控制端口，以设置VCO的振荡频率；以及

将第二控制电压施加于VCO的第二控制端口，以控制VCO核的可变电容性负反馈，并调谐由VCO核提供的负阻抗。

20.如权利要求19所述的方法，其中，VCO核的电容性负反馈被调整，以改变VCO核的寄生电容，从而调谐振荡频率。

21.如权利要求19所述的方法，其中，VCO核的电容性负反馈被调整，以调谐负阻抗，从而用于调整VCO核的振荡幅度。

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