CN103916083B - 具有优化宽带频率覆盖均匀性的压控振荡器 - Google Patents

Abstract

本发明提供具有优化宽带频率覆盖均匀性的压控振荡器，包括负阻放大器、差分电感、频率调节器，差分电感与频率调节器并联连接；其特征在于：第一负阻放大器的第一输出端与第二负阻放大器的第一输出端同时连接差分电感的一端，第一负阻放大器的第二输出端与第二负阻放大器的第二输出端同时连接差分电感的另一端；同时，该压控振荡器还设置有多组电容开关模块；其中，第一组电容开关模块由一个电容开关单元构成，第二组电容开关模块由二个电容开关单元并联构成，第三组电容开关模块由四个电容开关单元并联构成，依次类推，第n组电容开关模块由2^n‑1个电容开关单元并联构成，n≥2的自然数；本发明解决了VCO段与段之间振荡频率差值的均匀性问题。

Description

具有优化宽带频率覆盖均匀性的压控振荡器

技术领域

本发明涉及压控振荡器，尤其涉及一种具有优化宽带频率覆盖均匀性的LC型压控振荡器。

技术背景

随着现代通信系统的发展，提出了各种新型的通信标准，单芯片需要集成更多的通信协议，不同的通信协议占用的频带也不同，这意味着为射频芯片提供本振的频率合成模块的锁相环需要更宽的频率覆盖范围，随着频率覆盖范围的进一步加宽，对于频率覆盖均匀性的要求越来越高。

经典的模拟锁相环模块包括：鉴频鉴相器(PFD)、环路滤波器(LPF)、分频器(DIV)、压控振荡器(VCO)。在锁相环系统中为了得到宽的频率覆盖范围，往往要通过在振荡器中加入更多的开关来改变谐振腔电容的容值来实现，形成多个窄频带，各个窄频带两两相互叠加，构成整个宽频带的覆盖。如果某一窄频带相对前一窄频带不是均匀的增加，会导致此窄频带与前一频带不会有叠加，出现漏频现象，如图4所示为传统结构的LC型VCO频率覆盖曲线，可以很明显的看出中间第8段曲线和第9段曲线的间隔过大导致漏频现象的出现。这是由于在COMS工艺中开关的寄生电容恶化了振荡器频率覆盖的均匀性，虽然此漏频现象可以通过提高VCO增益来解决，但提高VCO增益会恶化锁相环的相位噪声性能。并且随着谐振腔两端加入的开关越来越多，版图布局中，谐振两端的差分走线长度也不断加长，差分走线的寄生电容大大增加，对于高频宽带振荡器设计的难度进一步增加。

传统宽频率覆盖范围LC型VCO电路结构如图1所示，NMOS管M11、M12的栅极和漏极交叉互联构成负阻对管，并与差分电感L并联，电容C11、变容二极管D11、变容二极管D12、电容C12依次串联再与差分电感L并联，C11、D11的公共端通过电阻R11与地相接，C12、D12的公共端通过电阻R12与地相接，变容二极管D11与变容二极管D12的公共端为LC振荡器的频率调谐端。5组电容开关依次挂在tank线的两端，各组的电容容值成倍数增加，开关的尺寸也成倍数增加，通过二进制码cs<1>～cs<5>来控制接入谐振器的电容个数来改变振荡器的频率。在理想模型情况下，二进制加权结构的开关电容要求电容成倍数的增加，才能保证组合出来的电容值成线性的变化，实际模型中，开关是存在寄生电容的，开关的寄生电容和开关两端串接的电容共同组成了开关电容的总电容，因此必须保证每组开关的寄生电容和开关两端串接电容的总电容成倍数增加，才能由二进制加权算法组合出成线性增长的容值，这样宽带频率的覆盖才能更加均匀。传统情况下，为了改善宽带频率覆盖均匀性，一般会通过调整开关管的尺寸来改变开关管的寄生电容或直接改变开关两端的串接电容大小来使得5组开关电容容值按2ⁿ来成倍增加。

虽然开关管的尺寸也是按照2ⁿ来成倍增加，但是由于版图布局和开关管寄生电容的原因，很难做到开关管和串接电容的总等效电容容值也按照2ⁿ来成倍增加，传统的做法很难保证宽带VCO频率覆盖的均匀性。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供具有优化宽带频率覆盖均匀性的压控振荡器，通过采用相同电容开关单元和特定电容开关单元布局方式，实现了开关电容总容值的线性递增，同时减小了后端布局产生的寄生电容。

本发明的技术方案是，具有优化宽带频率覆盖均匀性的压控振荡器，包括负阻放大器、差分电感、频率调节器，差分电感与频率调节器并联连接；其特点是：第一负阻放大器的第一输出端与第二负阻放大器的第一输出端同时连接差分电感的一端，第一负阻放大器的第二输出端与第二负阻放大器的第二输出端同时连接差分电感的另一端；同时，该压控振荡器还设置有多组电容开关模块；其中，第一组电容开关模块由一个电容开关单元构成，第二组电容开关模块由二个电容开关单元并联构成，第三组电容开关模块由四个电容开关单元并联构成，依次类推，第n组电容开关模块由2^n-1个电容开关单元并联构成，n≥2的自然数；并且，构成第一组电容开关模块的电容开关单元的两接入端分别连接在第一负阻放大器的第二输出端和第二负阻放大器的第一输出端；在第二组至第n组电容开关模块中，任一组电容开关模块的电容开关单元，有m只电容开关单元的两接入端分别连接在第二负阻放大器的两端，p只电容开关单元的两接入端分别连接在第二负阻放大器的两端，q只电容开关单元的两接入端分别连接在第一负阻放大器的第二输出端和第二负阻放大器的第一输出端，其中，m+p+q＝2^n-1，m＝p，m、p、q均为≥0的自然数。

本发明通过设置二个负阻放大器，并采用相同电容开关单元，且电容开关单元均衡布置在第一、第二负阻放大器两端和/或第一负阻放大器的第二输出端与第二负阻放大器的第一输出端之间，在后端布局中，走线长度更短，有效地减小了后端布局产生的寄生电容，实现了开关电容总容值的线性递增；随着电容开关单元的接入到谐振腔中的个数线性增加，接入到谐振腔中的总电容的容值也线性增加，其频率也线性的增大，有效解决了宽带分段VCO段与段之间振荡频率差值的均匀性问题。

根据本发明所述的具有优化宽带频率覆盖均匀性的压控振荡器的优选方案，所述电容开关单元包括第一、第二电容和电子开关；第一、第二电容通过电子开关串联；控制码输入电子开关的控制端，第一、第二电容的容量相等。

根据本发明所述的具有优化宽带频率覆盖均匀性的压控振荡器的优选方案，电子开关包括反相器和NMOS管；控制码输入反相器的输入端，反相器的输出端输出信号到NMOS管的栅极，NMOS管的源极和漏极分别连接第一电容与第二电容。

根据本发明所述的具有优化宽带频率覆盖均匀性的压控振荡器的优选方案，该压控振荡器共设置有五组电容开关模块；构成第一组电容开关模块的电容开关单元的两接入端分别连接第一负阻放大器的第二输出端与第二负阻放大器的第一输出端；构成第二组电容开关模块的二个电容开关单元并联连接且电容开关单元的两接入端分别连接第一负阻放大器的第二输出端和第二负阻放大器的第一输出端；构成第三组电容开关模块的四个电容开关单元并联连接且电容开关单元的两接入端分别连接第一负阻放大器的第二输出端和第二负阻放大器的第一输出端；构成第四组电容开关模块的八个电容开关单元中，有二个电容开关单元并联连接且电容开关单元的两接入端分别连接第一负阻放大器的第二输出端和第二负阻放大器的第一输出端，另有三个电容开关单元并联连接且电容开关单元的两接入端分别连接第一负阻放大器的两端，还有三个电容开关单元并联连接且电容开关单元的两接入端分别连接第二负阻放大器的两端；构成第五组电容开关模块的十六个电容开关单元中，有八个电容开关单元并联连接且电容开关单元的两接入端分别连接第一负阻放大器两端，还有八个电容开关单元并联连接且电容开关单元的两接入端分别连接在第二负阻放大器两端。

该方案采用31个相同的电容开关单元，随着电容开关单元的接入到谐振腔中的个数线性增加，接入到谐振腔中的总电容的容值也线性增加，其频率也线性的增大，有效解决了宽带分段VCO段与段之间振荡频率差值的均匀性问题。

本发明所述的具有优化宽带频率覆盖均匀性的压控振荡器的有益效果是：本发明通过设置二个负阻放大器，并采用相同电容开关单元电容开关单元均衡布置在第一、第二负阻放大器两端和/或第一负阻放大器的第二输出端与第二负阻放大器的第一输出端之间，减小了后端布局产生的寄生电容，实现了开关电容总容值的线性递增；并且，本发明提出的压控振荡器频率覆盖更加均匀，没有漏频现象的发生，可广泛应用于通信系统中。

附图说明

图1是传统VCO电路结构图

图2是本发明所述的具有优化宽带频率覆盖均匀性的压控振荡器电路原理图。

图3是电容开关单元电路原理图。

图4是传统结构VCO的频率覆盖曲线。

图5是本发明所述的具有优化宽带频率覆盖均匀性的压控振荡器频率覆盖曲线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作详细的说明。

参见图2和图3，具有优化宽带频率覆盖均匀性的压控振荡器，包括负阻放大器、差分电感L、频率调节器，差分电感L与频率调节器并联连接；第一负阻放大器的第一输出端1a与第二负阻放大器的第一输出端2a同时连接差分电感L的一端，第一负阻放大器的第二输出端1b与第二负阻放大器的第二输出端2b同时连接差分电感L的另一端；同时，该压控振荡器还设置有多组电容开关模块；其中，第一组电容开关模块由一个电容开关单元构成，第二组电容开关模块由二个电容开关单元并联构成，第三组电容开关模块由四个电容开关单元并联构成，依次类推，第n组电容开关模块由2^n-1个电容开关单元并联构成，n≥2的自然数；并且，构成第一组电容开关模块的电容开关单元的两接入端tanka、tankb分别连接在第一负阻放大器的第二输出端1b和第二负阻放大器的第一输出端2a；在第二组至第n组电容开关模块中，任一组电容开关模块的电容开关单元，有m只电容开关单元的两接入端tanka、tankb分别连接在第二负阻放大器的两端，p只电容开关单元的两接入端tanka、tankb分别连接在第二负阻放大器的两端，q只电容开关单元的两接入端tanka、tankb分别连接在第一负阻放大器的第二输出端1b和第二负阻放大器的第一输出端2a，其中，m+p+q＝2^n-1，m＝p，m、p、q均为≥0的自然数。

在具体实施例中所述电容开关单元由第一、第二电容C1、C2、电阻R1、R2和电子开关构成；电容C1的一端为电容开关单元的一个接入端tanka，电容C1的另一端通过电子开关连接电容C2的一端，电容C2的另一端为电容开关单元的另一个接入端tankb；电阻R1并联在电子开关的控制端与电容C1的另一端；电阻R2连接在电子开关的控制端与电容C2的一端电子开关的其中另一端；控制码CS输入电子开关的控制端也即电容开关单元的控制端；电容C1、C2的容量相等；其中，电子开关包括反相器INV和NMOS管K；控制码CS输入反相器INV的输入端，反相器INV的输出端输出信号到NMOS管K的栅极，NMOS管K的源极和漏极分别连接第一电容C1与第二电容C2。电阻R1连接在反相器INV的输入端与NMOS管K的源极之间；电阻R2分别连接在反相器INV的输入端与NMOS管K的漏极之间。当输入控制码CS为低电平时，NMOS管K导通，电容接入到谐振腔中；当控制码CS为高电平时，NMOS管K截止，电容从谐振腔中断开。

所述频率调节器由电容C3、C4、变容二极管D1、D2、电阻R3、R4构成；变容二极管D1与变容二极管D2的公共端为LC振荡器的频率调谐端。

所述第一负阻放大器由NMOS管M1、M2、M5构成，所述第二负阻放大器由NMOS管M3、M4、M6构成。NMOS管M1的栅极与NMOS管M2的漏极相接，作为第一负阻放大器的第二输出端2b；NMOS管M2的栅极与NMOS管M1的漏极相接，第一负阻放大器的第一输出端1a；M1管和M2管的衬底及源极均与NMOS管M5的漏极相接；M5管的源极、衬底与地相接；NMOS管M3的栅极与NMOS管M4的漏极相接，作为第二负阻放大器的第二输出端2b，NMOS管M4的栅极与NMOS管M3的漏极相接，作为第二负阻放大器的第一输出端2a。M3管和M4管的衬底及源极均与NMOS管M6的漏极相接；M6管的源极、衬底也与地相接；M5管的栅极和M6管的栅极相接，该栅极电压由固定偏压提供。

下面，以压控振荡器含有五组电容开关模块对本发明作更详细的说明：

该压控振荡器共有五组电容开关模块；构成第一组电容开关模块的电容开关单元的接入端tanka、tankb分别连接第一负阻放大器的第二输出端1b与第二负阻放大器的第一输出端2a，电容开关单元的控制端CS接收控制码CS〈1〉；构成第二组电容开关模块的二个电容开关单元并联连接且电容开关单元的接入端tanka、tankb分别连接第一负阻放大器的第二输出端和第二负阻放大器的第一输出端2a，构成第二组电容开关模块的二个电容开关单元的控制端CS接收控制码CS〈2〉；构成第三组电容开关模块的四个电容开关单元并联连接且电容开关单元的接入端tanka、tankb分别连接第一负阻放大器的第二输出端1b和第二负阻放大器的第一输出端2a，构成第三组电容开关模块的四个电容开关单元的控制端CS接收控制码CS〈3〉；构成第四组电容开关模块的八个电容开关单元中，有二个电容开关单元并联连接且电容开关单元的接入端tanka、tankb分别连接第一负阻放大器的第二输出端1b和第二负阻放大器的第一输出端2a，另有三个电容开关单元并联连接且电容开关单元的接入端tanka、tankb分别连接第一负阻放大器的两端，还有三个电容开关单元并联连接且电容开关单元的接入端tanka、tankb分别连接第二负阻放大器的两端，构成第四组电容开关模块的八个电容开关单元的控制端CS接收控制码CS〈4〉；构成第五组电容开关模块的十六个电容开关单元中，有八个电容开关单元并联连接且电容开关单元的接入端tanka、tankb分别连接第一负阻放大器两端，还有八个电容开关单元并联连接且电容开关单元的接入端tanka、tankb分别连接在第二负阻放大器两端，构成第五组电容开关模块的十六个电容开关单元的控制端CS接收控制码CS〈3〉。通过二进制码cs<1>～cs<5>来控制接入压控振荡器的电容个数来改变压控振荡器的频率；该压控振荡器的频率覆盖曲线如图5所示，与传统宽带VCO结构的频率覆盖曲线图4对比，本发明提出的压控振荡器频率覆盖更加均匀，没有漏频现象的发生。

当然，当压控振荡器含有五组电容开关模块时，电容开关单元也可以采用其他设置方式，比如：将构成第二组电容开关模块的二个电容开关单元的其中一个电容开关单元的接入端tanka、tankb分别连接第一负阻放大器两端，另一个电容开关单元的接入端tanka、tankb分别连接第二负阻放大器两端；构成第三组电容开关模块的四个电容开关单元中，其中二个电容开关单元的接入端tanka、tankb分别连接第一负阻放大器两端，另二个电容开关单元的接入端tanka、tankb分别连接在第二负阻放大器两端；构成第五组电容开关模块的十六个电容开关单元中，其中八个电容开关单元的接入端tanka、tankb分别连接在第一负阻放大器的第二输出端1b和第二负阻放大器的第一输出端2a，另四个电容开关单元的接入端tanka、tankb分别连接在第一负阻放大器两端，还有四个电容开关单元的接入端tanka、tankb分别连接在第二负阻放大器两端。电容开关单元还有其他设置方式在此不累述。

当然，压控振荡器也可含有三组、四组、六组、八组等电容开关模块，在此不累述。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限与此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或者替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.具有优化宽带频率覆盖均匀性的压控振荡器，包括负阻放大器、差分电感(L)、频率调节器，差分电感(L)与频率调节器并联连接；其特征在于：第一负阻放大器的第一输出端(1a)与第二负阻放大器的第一输出端(2a)同时连接差分电感(L)的一端，第一负阻放大器的第二输出端(1b)与第二负阻放大器的第二输出端(2b)同时连接差分电感(L)的另一端；同时，该压控振荡器还设置有多组电容开关模块；其中，第一组电容开关模块由一个电容开关单元构成，第二组电容开关模块由二个电容开关单元并联构成，第三组电容开关模块由四个电容开关单元并联构成，依次类推，第n组电容开关模块由2^n-1个电容开关单元并联构成，n≥2的自然数；并且，构成第一组电容开关模块的电容开关单元的两接入端(tanka、tankb)分别连接在第一负阻放大器的第二输出端(1b)和第二负阻放大器的第一输出端(2a)；在第二组至第n组电容开关模块中，任一组电容开关模块的电容开关单元，有m只电容开关单元的两接入端(tanka、tankb)分别连接在第二负阻放大器的两端，p只电容开关单元的两接入端(tanka、tankb)分别连接在第二负阻放大器的两端，q只电容开关单元的两接入端(tanka、tankb)分别连接在第一负阻放大器的第二输出端(1b)和第二负阻放大器的第一输出端(2a)，其中，m+p+q＝2^n-1，m＝p，m、p、q均为≥0的自然数。

2.根据权利要求1所述的具有优化宽带频率覆盖均匀性的压控振荡器，其特征在于：所述电容开关单元包括第一、第二电容(C1、C2)和电子开关；第一、第二电容(C1、C2)通过电子开关串联；外部控制码输入电子开关的控制端，第一、第二电容(C1、C2)的容量相等。

3.根据权利要求2所述的具有优化宽带频率覆盖均匀性的压控振荡器，其特征在于：电子开关包括反相器(INV)和NMOS管(K)；外部控制码输入反相器(INV)的输入端，反相器(INV)的输出端输出信号到NMOS管(K)的栅极，NMOS管(K)的源极和漏极分别连接第一电容(C1)与第二电容(C2)。

4.根据权利要求1、2或3所述的具有优化宽带频率覆盖均匀性的压控振荡器，其特征在于：该压控振荡器共设置有五组电容开关模块；构成第一组电容开关模块的电容开关单元的两接入端分别连接第一负阻放大器的第二输出端(1b)与第二负阻放大器的第一输出端(2a)；构成第二组电容开关模块的二个电容开关单元并联连接且电容开关单元的两接入端分别连接第一负阻放大器的第二输出端(2b)和第二负阻放大器的第一输出端(2a)；构成第三组电容开关模块的四个电容开关单元并联连接且电容开关单元的两接入端分别连接第一负阻放大器的第二输出端(1b)和第二负阻放大器的第一输出端(2a)；构成第四组电容开关模块的八个电容开关单元中，有二个电容开关单元并联连接且电容开关单元的两接入端分别连接第一负阻放大器的第二输出端(1b)和第二负阻放大器的第一输出端(2a)，另有三个电容开关单元并联连接且电容开关单元的两接入端分别连接第一负阻放大器的两端，还有三个电容开关单元并联连接且电容开关单元的两接入端分别连接第二负阻放大器的两端；构成第五组电容开关模块的十六个电容开关单元中，有八个电容开关单元并联连接且电容开关单元的两接入端分别连接第一负阻放大器两端，还有八个电容开关单元并联连接且电容开关单元的两接入端分别连接在第二负阻放大器两端。