CN102412784B - 射级跟随器及采用该射级跟随器的压控振荡器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种射极跟随器及采用该射级跟随器的压控振荡器。该射级跟随器包括：第一异质结双极晶体管，其基极连接于压控振荡器的输出端，其集电极连接于电源，其发射极作为射级跟随器的输出端；电容，连接于第一异质结双极晶体管的基极和发射极之间；电流源，其电流流入端与第一异质结双极晶体管的发射极相连接，其电流流出端与地相连。本发明通过在异质结双极晶体管的基极和发射极之间增加电容，可以减小射极跟随器输出波形的失真程度和非线性。

Description

射级跟随器及采用该射级跟随器的压控振荡器

技术领域

本发明涉及电子行业集成电路领域，尤其涉及一种射极跟随器及采用该射级跟随器的压控振荡器。

背景技术

压控振荡器（VCO）是射频模拟集成电路中非常重要的一个功能模块，用于提供稳定的本地载波信号，对应用系统的性能有很大的影响，实现具有高集成度、高性能、低功耗和低成本的压控振荡器一直是研究的重点和热点。

在设计压控振荡器时，确定电路拓扑结构、选择器件工艺类型都是比较关键的步骤。器件工艺类型对其性能影响也较大，例如晶体管的低频噪声对其相位噪声有影响，这些低频噪声包括闪烁噪声、热噪声等。

在设计压控振荡器时，为了便于完成芯片测试，需要给压控振荡器添加输出级。输出级将压控振荡器的信号功率传输给测试设备，并起到缓冲隔离的作用。为了简化输出级的设计，并有效的进行芯片测试，压控振荡器的输出级可采用射极跟随器。图1为现有技术射极跟随器的电路图。如图1所示，Q₁、Q₂、Q₃组成电流镜，把电流源的电流I_ref镜像到Q₃，Q₂的作用是减少电流镜的误差。当晶体管Q₃、Q₄工作于正向工作区时，

V_o=V_i-V_BE

如果晶体管Q₄的基极-发射级电压V_BE保持常数，输出电压将随输入电压的变化而变化，输入电压与输出电压之间保持一个固定电平的位移。但是，由于晶体管的Early效应，射极跟随器给电路引入了较大的非线性。

对于压控振荡器的电路拓扑结构，通常选用交叉耦合差分负阻结构。图2为现有技术带有射极跟随器的交叉耦合差分振荡器的电路图。对于图2所示的交叉耦合差分振荡器，振荡器的振荡频率主要取决于谐振回路。晶体管Q₁、Q₂组成交叉耦合差分对，提供负阻，补偿谐振回路损耗的能量。V_B通过大电阻为晶体管Q₁、Q₂的基极提供偏置电压。晶体管Q₃和Q₄、Q₅和Q₆组成射极跟随器，构成压控振荡器的输出级。V_bias通过晶体管Q₃、Q₅为Q₄、Q₆提供工作电流。

振荡器的一个重要性能参数是相位噪声，为了优化相位噪声性能，通常会增大振荡器输出波形的振幅，即增加A点电压V_A和B点电压V_B的振幅有利于提供相位噪声性能。采用射极跟随器作为振荡器的输出器，增大振荡器输出波形的振幅容易产生如下问题：

（1）当A点电压V_A和B点电压V_B的振幅较大时，晶体管Q₄、Q₆有可能进入截止区，导致射极跟随器的输出V_o1、V_o2产生截止失真，给电路引入很高的非线性，恶化振荡器的相位噪声性能。

（2）当A点电压V_A和B点电压V_B变化时，射极跟随器的输出V_o1、V_o2会随之变化，即晶体管Q₃、Q₅的集电极电压发生变化，由于Early效应的影响，导致晶体管Q₃、Q₅的集电极电流发生变化。如果A点电压V_A和B点电压V_B的振幅较大，则射极跟随器的输出V_o1、V_o2的振幅也较大，进而使得晶体管Q₃、Q₅的集电极电流的变化也较大，这会给射极跟随器引入很高的非线性，使射极跟随器产生谐波失真，恶化振荡器的相位噪声性能。

发明内容

（一）要解决的技术问题

为解决上述的一个或多个问题，本发明提供了一种射极跟随器及采用该射级跟随器的压控振荡器，以降低射极跟随器输出电压的非线性，提高了压控振荡器的相位噪声性能。

（二）技术方案

根据本发明的一个方面，提供了一种射级跟随器。该射极跟随器包括：第一异质结双极晶体管，其基极连接于压控振荡器的输出端，其集电极连接于电源，其发射极作为射级跟随器的输出端；电容，连接于第一异质结双极晶体管的基极和发射极之间；电流源，其电流流入端与第一异质结双极晶体管的发射极相连接，其电流流出端与地相连。

根据本发明的另一个方面，还提供了一种压控振荡器。该压控振荡器包括：压控振荡器本体，为交叉耦合差分振荡器；第一输出级装置，为上述的射级跟随器，其第一异质结双极晶体管的基极连接与交叉耦合差分振荡器的第一差分输出端；第二输出级装置，为上述的射级跟随器，其第一异质结双极晶体管的基极连接与交叉耦合差分振荡器的第二差分输出端。

（三）有益效果

本发明一种射极跟随器及采用该射级跟随器的压控振荡器具有以下有益效果：通过在异质结双极晶体管的基极和发射极之间增加电容，可以减小射极跟随器输出波形的失真程度和非线性，提高输出波形的对称性，抑制输出波形的谐波失真，使压控振荡器的相位噪声性能得到优化。

附图说明

图1为现有技术射极跟随器的电路图；

图2为现有技术带有射极跟随器的交叉耦合差分振荡器的电路图；

图3为现有技术异质结双极晶体管的电路符号；

图4为现有技术NPN型异质结双极晶体管管工作于放大区的大信号等效模型；

图5为现有技术NPN型异质结双极晶体管管的理想特性曲线；

图6为现有技术NPN型异质结双极晶体管管的典型特性曲线；

图7为本发明实施例压控振荡器的电路图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于所述值。

为便于理解本发明，首先对本发明中的异质结双极晶体管（HBT）的工作过程进行说明。

本发明中压控振荡器及其输出级装置采用异质结双极晶体管（HBT）。HBT的性能比较好，具有高截止频率、低基极电阻以及高电流增益等特性，广泛应用于射频电路中。图3为现有技术异质结双极晶体管的电路符号。对HBT的分析可参照普通双极晶体管（BJT）的理论。HBT类型一般可分为NPN管和PNP管，在进行压控振荡器及其输出级装置的设计中，选用NPN管。根据晶体管中PN结的偏置情况，晶体管常见的工作区域有饱和区、放大区以及截止区。在实际的模拟集成电路应用中，晶体管一般工作于放大区。NPN管工作于放大区的条件是发射结正向偏置，集电结反向偏置。

图4为现有技术NPN型异质结双极晶体管管工作于放大区的大信号等效模型。如图4所示，工作于放大区的NPN管相当于一个电流控制电流源，集电极电流会放大注入到基极的电流，即

$I_C={\mathrm{\βI}}_B=I_S{e}^{\frac{V_{\mathrm{BE}}}{V_T}}---\left(1\right)$

上式中，I_C是集电极电流，I_B是基极电流，β是晶体管的电流放大倍数，I_S是集电极反向饱和电流，V_BE是基极-发射极电压，V_T是热电压。

在用NPN晶体管进行电路设计时，常用NPN管的特性曲线来表征来表征集电极电流I_C、基极-发射极电压V_BE、集电极-发射极电压V_CE之间的关系。图5为现有技术NPN型异质结双极晶体管管的理想特性曲线。如图5所示，NPN管工作于放大区时，集电极电流I_C与基极-发射极电压V_BE成指数关系，与集电极-发射极电压V_CE无关，这在公式（1）和图5中均有体现。

公式（1）假设了NPN管的基区宽度不受集电结反偏电压的影响，实际上集电结的耗尽层会随着集电结反偏电压的变化而变化，这就是基区宽度调制效应，也叫做Early效应。Early效应影响着NPN管的特性曲线。图6为现有技术NPN型异质结双极晶体管管的典型特性曲线。如图6所示，对于不同的V_BE，NPN管的特性曲线的反向延长线与横轴相交于同一点，这一点所示电压的绝对值就是晶体管的Early电压V_A。考虑Early效应，NPN管的集电极电流为：

$I_C=I_S{e}^{\frac{V_{\mathrm{CE}}}{V_T}}(1+\frac{V_{\mathrm{CE}}}{V_A})---\left(2\right)$

可知，晶体管的集电极电流I_C会随着集电极-发射极电压V_CE的变化而产生变化。在晶体管的放大区，对于固定的基极-发射极电压V_BE，当集电极-发射极电压V_CE变化时，集电极电流I_C不再保持不变。

在本发明的一个示例性实施例中，提出了一种射极跟随器。该射极跟随器包括：第一异质结双极晶体管，其基极连接于压控振荡器的输出端，其集电极连接于电源，其发射极连接射极跟随器的输出端；电容，连接于第一异质结双极晶体管的基极和发射极之间；电流源，其电流流入端与第一异质结双极晶体管的发射极相连接，其电流流出端与地相连。

在一般情况下，电流源为第二异质结双极晶体管，该第二异质结双极晶体管的基极连接于预设的偏置电压值，其发射极接地，其集电极与第一异质结双极晶体管的发射极相连接。此外，电流源还可以为由其他工艺类型器件构成，如MOSFET管（Metal-Oxide-Semiconductor Field-EffectTransistor，金属-氧化层-半导体-场效晶体管），其连接结构与采用异质结双极晶体管的电流源结构相同，此处不再详细描述。

本实施例的射极跟随器可以作为输出端应用于交叉耦合差分振荡器的测试结构当中。在本发明的另一个示例性实施例中，还提出了一种压控振荡器。该压控振荡器包括一压控振荡器本体和两个对称的输出级装置。图7为本发明实施例压控振荡器的电路图。以下将结合图7，对本发明压控振荡器进行详细说明。

本实施例中，压控振荡器本体采用交叉耦合差分振荡器。如图7所示，交叉耦合差分振荡器包括：交叉耦合差分对管，提供负阻，补偿谐振回路损耗的能量；第一差分对管的基极通过大电阻连接到偏置电压，并通过一个电容与第二差分对管的集电极相连，第一差分对管的集电极为振荡器的输出点，与射极跟随器相连；第一差分对管的发射极与电流源相连；谐振回路，主要确定了振荡器的振荡频率，其由电感与电容组成，并包含可变电容，可变电容用于调节振荡频率的变化；电流源，为振荡器提供工作电流。电流源由同样由NPN型异质结双极晶体管构成，其集电极与交叉耦合差分对管的发射极相连，发射极接地，基极可结偏置电压。

本实施例中，输出级采用上述实施例的射极跟随器，如图7所示，射极跟随器包括：第一异质结双极晶体管，其基极连接于压控振荡器的输出端，其集电极连接于电源，其发射极作为射级跟随器的输出端；电容，连接于第一异质结双极晶体管的基极和发射极之间；电流源，由异质结双极晶体管构成，其发射极与地相连，基极连接偏置电压，集电极与第一异质结双极晶体管的发射极相连接。

参见图7，本实施例在晶体管Q₄、Q₆的基极和发射极之间加了一个电容C₂。电容C_P是射极跟随器输出端的寄生电容。电容C₂对A点电压V_A和B点电压V_B的波动进行分压采样，以降低射极跟随器输出电压的振荡幅度。若A点电压V_A的变化为ΔV_A，B点电压V_B的变化为ΔV_B，则

${\mathrm{\ΔV}}_{o1}=\frac{C_2}{C_2+C_p}{\mathrm{\ΔV}}_A,$

${\mathrm{\ΔV}}_{o2}=\frac{C_2}{C_2+C_p}{\mathrm{\ΔV}}_B,$

ΔV_o1和ΔV_o2分别表示射极跟随器输出电压的变化量。如果压控振荡器本体的振荡幅度较大，即A点电压V_A的变化ΔV_A和B点电压V_B的变化ΔV_B较大，通过电容C₂与射极跟随器输出端寄生电容C_P的串联分压，射极跟随器输出电压的变化量ΔV_o1和ΔV_o2可得到适当的降低调整。晶体管Q₃、Q₅的集电极电压波动减小，晶体管Q₃、Q₅的集电极电流的变化也随之减小，降低了射极跟随器输出电压的非线性，提高了压控振荡器的相位噪声性能。

如果压控振荡器的振荡频率很高，则电容C₂的阻抗较小，可近似为短路，射极跟随器的输出几乎直接跟随A点电压V_A的变化ΔV_A和B点电压V_B的变化ΔV_B，可更加如实的反映压控振荡器的振荡输出。射极跟随器在提供缓冲隔离作用的同时，射极跟随器输出电压的振荡情况随其输入电压的振荡情况而变化，即ΔV_o1和ΔV_o2分别与A点电压V_A的变化ΔV_A和B点电压V_B的变化ΔV_B保持一致性，射极跟随器的输出波形失真程度减小，输出波形的对称性得到提高，减小了输出波形的非线性，抑制了输出波形的谐波失真，使压控振荡器的相位噪声性能得到优化。

与现有技术相比，本发明一种射极跟随器及采用该射级跟随器的压控振荡器具有以下有益效果：通过在异质结双极晶体管的基极和发射极之间增加电容，可以减小射极跟随器输出波形的失真程度和非线性，提高输出波形的对称性，抑制输出波形的谐波失真，使压控振荡器的相位噪声性能得到优化。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种射级跟随器，其特征在于，包括：

第一异质结双极晶体管，其基极连接于压控振荡器的输出端，其集电极连接于电源，其发射极作为射级跟随器的输出端；

电容，连接于所述第一异质结双极晶体管的基极和发射极之间；

电流源，其电流流入端与所述第一异质结双极晶体管的发射极相连接，其电流流出端与地相连；

其中，通过所述第一异质结双极晶体管的基极和发射极之间的所述电容，以减小射极跟随器输出波形的失真程度和非线性。

2.根据权利要求1所述的射级跟随器，其特征在于，所述电容的电容值C₂满足：

${\mathrm{\ΔV}}_{o1}=\frac{C_2}{C_2+C_p}{\mathrm{\ΔV}}_A,$

其中，ΔV_A为压控振荡器的输出端电压，ΔV_o1为所述射级跟随器的输出端的电压变化量，C_P为所述射级跟随器的输出端的寄生电容。

3.根据权利要求1所述的射级跟随器，其特征在于，所述第一异质结双极晶体管为NPN型异质结双极晶体管。

4.根据权利要求1所述的射级跟随器，其特征在于，所述电流源包括：

第二异质结双极晶体管，其基极连接于预设的偏置电压源，其发射极接地，其集电极与所述第一异质结双极晶体管的发射极相连接。

5.根据权利要求4所述的射级跟随器，其特征在于，所述第二异质结双极晶体管为NPN型异质结双极晶体管。

6.一种压控振荡器，其特征在于，包括：

压控振荡器本体，为交叉耦合差分振荡器；

第一输出级装置，为如权利要求1至5中任一项所述的射级跟随器，其第一异质结双极晶体管的基极连接与所述交叉耦合差分振荡器的第一差分输出端；

第二输出级装置，为如权利要求1至5中任一项所述的射级跟随器，其第一异质结双极晶体管的基极连接与所述交叉耦合差分振荡器的第二差分输出端。

7.根据权利要求6所述的压控振荡器，其特征在于，所述交叉耦合差分振荡器包括：

谐振回路，用于产生预设频率的振荡；

第二电流源，其电流流入端与第一差分对管和第二差分对管的发射极相连；其电流流出端端与地相连；

所述第一差分对管，其基极通过大电阻连接到偏置电压，并通过第二电容与第二差分对管的集电极相连；其集电极与谐振回路的一输出端相连，并通过第一电容连接至所述第二差分对管的基极；其发射极与第二电流源的电流流入端相连；

所述第二差分对管，其基极通过大电阻连接到所述偏置电压，并通过第一电容与所述第一差分对管的集电极相连；其集电极与谐振回路的另一输出端相连，并通过第二电容连接至所述第一差分对管的基极；其发射极与所述第二电流源的电流流入端相连。

Images