CN104184415A - 压控振荡器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种压控振荡器，包括双极型压控振荡器单元和输出缓冲器单元。双极型压控振荡器单元具有差分结构，包括LC谐振电路模块和负阻电路模块。LC谐振电路模块用于产生所需振荡频率的第一振荡信号。负阻电路模块包括一对第一双极型晶体管组成。输出缓冲单元包括两个第二双极型晶体管，两个第二双极型晶体管的基极分别连接一个LC谐振电路模块的第一输出端口，两个第二双极型晶体管的发射极作为压控振荡器的两个第二输出端口并输出第二振荡信号的差分对。本发明能提高振荡信号的功率，能在不改变振荡信号的振荡频率条件下降低电路的相位噪声，能实现在射频探针台上对振荡信号的射频参数进行在线测试。

Description

压控振荡器

技术领域

本发明涉及一种半导体集成电路，特别是涉及一种压控振荡器。

背景技术

振荡器是将直流电源能量转换成交流能量的电路。为了在没有外部输入信号的情况下能够产生自我维持的输出振荡信号即射频信号，振荡器本身必须有正反馈和足够的增益以克服反馈路径上的损耗，同时还需要有选频网络。

许多应用需要振荡器的频率是控制电压的函数，并且是可调的，压控振荡器就满足了这一要求，如图1所示，是现有压控振荡器的电路结构图；现有压控振荡器包括：

LC谐振电路模块，用于产生所需振荡频率的振荡信号，由电感L101、L102，电容C101、C102、C103和C104，电阻R101和R102。电感L101和L102为对称设置，电感L101和L102的第一端都连接电源电压VDD，电感L101和L102的第二端分别输出差分的振荡信号Voutn和VoutP。

负阻电路模块，用于对LC谐振电路的能量损耗进行补偿，包括NPN晶体管MN101和MN102，NPN晶体管MN101和MN102的集电极分别连接电感L101和L102的第二端，NPN晶体管MN101和MN102的发射极都连接电流源Ibias。电容C101和C102为对称设置，电容C101连接于电感L101的第二端和NPN晶体管MN102的基极之间，电容C102连接于电感L102的第二端和NPN晶体管MN101的基极之间，电容C101和C102能够分别为所述NPN晶体管MN102和MN101提供一正反馈信号。

电阻R101和R102为对称设置，电阻R101和R102串联于NPN晶体管MN101和MN102的基极之间，电阻R101和R102的连接位置处设置有偏置电压Vb，电阻R101和R102为所述NPN晶体管MN102和MN101提供一偏置电压。

电感C103和C104为对称设置，电感C103连接于NPN晶体管MN101的基极和地之间，电感C104连接于NPN晶体管MN102的基极和地之间，电感C103和C104用于进行滤波。

衡量一个压控振荡器的性能主要包含了以下几个方面的参数指标：中心频率（center frequency），调谐范围（tuning range），调谐线性度（tuning linearity），输出幅度（output amplitude），相位噪声（phase noise），电源和共模抑制比（supplyand common-mode rejection），功耗（power dissipation）等，为了准确测试出以上的射频参数，通常会将其设计成在射频探针台上在线测试，但是由于频率较高的振荡器的输出幅度较小，有时无法测试出振荡信号。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种压控振荡器，能够提高电路输出的振荡信号的功率，能在不改变电路输出的振荡信号的振荡频率条件下降低电路的相位噪声，能够实现在射频探针台上对电路输出的振荡信号的射频参数进行在线测试。

为解决上述技术问题，本发明提供的压控振荡器包括：双极型压控振荡器单元和输出缓冲器单元。

所述双极型压控振荡器单元具有差分结构，包括LC谐振电路模块和负阻电路模块。

所述LC谐振电路模块用于产生所需振荡频率的第一振荡信号，所述LC谐振电路模块包括两个第一输出端口用于输出所述第一振荡信号的差分对。

所述负阻电路模块包括一对第一双极型晶体管，两个所述第一双极型晶体管的集电极分别和一个所述第一输出端口相连接，两个所述第一双极型晶体管的基极分别连接一反馈信号，各所述第一双极型晶体管的基极的反馈信号和集电极连接的第一振荡信号的相位相反，两个所述第一双极型晶体管的发射极连接第一电流源，所述负阻电路模块用于对所述LC谐振电路的能量损耗进行补偿。

所述输出缓冲单元包括两个第二双极型晶体管，两个所述第二双极型晶体管的基极分别连接一个所述第一输出端口，两个所述第二双极型晶体管的发射极作为所述压控振荡器的两个第二输出端口，所述第二输出端口输出第二振荡信号的差分对，所述第二振荡信号为所述第一振荡信号的缓冲信号，所述第二振荡信号和所述第一振荡信号的振荡频率相同；所述第二双极型晶体管分别和一个第二电流源连接。

进一步的改进是，所述LC谐振电路包括：第一电感、第一电容、第二电容、第三电容、第四电容、第一电阻和第二电阻。

所述第一电容和所述第二电容为相同的可变电容且相串联，所述第一电容和所述第二电容都和控制电压连接，所述控制电压控制所述第一电容和所述第二电容的大小并调节所述振动频率大小。

由所述第一电容和所述第二电容连接形成的串联结构和所述第一电感相并联，所述第一电感的两端作为两个所述第一输出端口。

所述第一双极型晶体管都为NPN晶体管，所述第三电容连接于一个所述第一双极型晶体管的集电极和另一个第一双极型晶体管的基极之间，所述第四电容连接于另一个所述第一双极型晶体管的集电极和一个第一双极型晶体管的基极之间，所述第三电容和所述第四电容的电容值大小相同。

所述第一电阻和所述第二电阻串联于两个所述第一双极型晶体管的基极之间，所述第一电阻和所述第二电阻的电阻值大小相同。

进一步的改进是，所述输出缓冲单元的两个第二双极型晶体管都为NPN晶体管。

本发明压控振荡器采用了双极型压控振荡器单元和输出缓冲器单元，输出缓冲器单元能够使电路的驱动能力提高，从而能够实现电路的信号放大，驱动能力的提高使得电路能够提高推动片外的测试负载的能力，能够实现在射频探针台上对电路输出的振荡信号的射频参数进行在线测试；本发明能够提高电路输出的振荡信号的功率，能在不改变电路输出的振荡信号的振荡频率条件下降低电路的相位噪声并提高电路性能。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：

图1是现有压控振荡器的电路结构图；

图2是本发明实施例压控振荡器的电路结构图。

具体实施方式

如图2所示，是本发明实施例压控振荡器的电路结构图。本发明实施例压控振荡器包括：双极型压控振荡器单元1和输出缓冲器单元2a和2b。双极型压控振荡器单元1为全差分结构，能够输出一对第一振荡信号的差分对；输出缓冲器单元2a和输出缓冲器单元2b为对称设置，能够分别对第一振荡信号的差分对进行缓冲后输出。

所述双极型压控振荡器单元1包括LC谐振电路模块和负阻电路模块。

所述LC谐振电路模块用于产生所需振荡频率的第一振荡信号，所述LC谐振电路模块包括两个第一输出端口用于输出所述第一振荡信号的差分对。

所述负阻电路模块包括一对第一双极型晶体管MN1和MN2，第一双极型晶体管MN1和MN2为相同的结构且对称设置。两个所述第一双极型晶体管MN1和MN2的集电极分别和一个所述第一输出端口相连接，两个所述第一双极型晶体管MN1和MN2的基极分别连接一反馈信号，各所述第一双极型晶体管MN1和MN2的基极的反馈信号和集电极连接的第一振荡信号的相位相反，两个所述第一双极型晶体管MN1和MN2的发射极连接第一电流源，所述负阻电路模块用于对所述LC谐振电路的能量损耗进行补偿。所述第一电流源由第五NPN晶体管MN5组成，所述第五NPN晶体管MN5的集电极和第一双极型晶体管MN1和MN2的发射极相连，所述第五NPN晶体管MN5的发射极接地GND，所述第五NPN晶体管MN5的基极接偏置电压Vbias。

本发明实施例所述LC谐振电路包括：第一电感L1、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第四电容C4、第一电阻R1和第二电阻R2。所述LC谐振电路和所述负阻电路模块一起形成一谐振回路并实现振荡。

所述第一电容C1和所述第二电容C2为相同的可变电容且相串联，所述第一电容C1和所述第二电容C2都和控制电压Vtune连接，所述控制电压Vtune控制所述第一电容C1和所述第二电容C2的大小并调节所述振动频率大小。

由所述第一电容C1和所述第二电容C2连接形成的串联结构和所述第一电感L1相并联，所述第一电感L1的两端作为两个所述第一输出端口。

所述第一双极型晶体管MN1和MN2都为NPN晶体管，所述第三电容C3连接于一个所述第一双极型晶体管MN1的集电极和另一个第一双极型晶体管MN2的基极之间，所述第四电容C4连接于另一个所述第一双极型晶体管MN2的集电极和一个第一双极型晶体管MN1的基极之间，所述第三电容C3和所述第四电容C4的电容值大小相同。所述第三电容C3能够将所述第一双极型晶体管MN1的集电极端输出的第一振荡信号耦合到所述第一双极型晶体管MN2的基极，并使所述第一双极型晶体管MN2形成一正反馈；所述第四电容C4能够将所述第一双极型晶体管MN2的集电极端输出的第一振荡信号耦合到所述第一双极型晶体管MN1的基极，并使所述第一双极型晶体管MN1形成一正反馈。

所述第一电阻R1和所述第二电阻R2串联于两个所述第一双极型晶体管MN1和MN2的基极之间，所述第一电阻R1和所述第二电阻R2的电阻值大小相同。通过在所述第一电阻R1和所述第二电阻R2的连接端加入偏置电压后能够实现所述第一双极型晶体管MN1和MN2的直流偏置。

所述输出缓冲单元包括两个第二双极型晶体管MN3和MN4，第二双极型晶体管MN3和第二双极型晶体管MN4为相同的结构且对称设置，且所述第二双极型晶体管MN3和MN4都为NPN晶体管。两个所述第二双极型晶体管MN3和MN4的基极分别连接一个所述第一输出端口，两个所述第二双极型晶体管MN3和MN4的发射极作为所述压控振荡器的两个第二输出端口，所述第二输出端口输出第二振荡信号的差分对Voutp和Voutn，所述第二振荡信号Voutp和Voutn为所述第一振荡信号的缓冲信号，所述第二振荡信号Voutp和Voutn和所述第一振荡信号的振荡频率相同。所述第二双极型晶体管MN3和MN4的发射极分别和一个第二电流源连接，所述第二双极型晶体管MN3和MN4的集电极分别连接电源电压VDD。两个所述第二电流源分别由第六NPN晶体管MN6和第七NPN晶体管MN7组成，所述第六NPN晶体管MN6的集电极和所述第二双极型晶体管MN3的发射极相连，所述第七NPN晶体管MN7的集电极和所述第二双极型晶体管MN4的发射极相连，所述第六NPN晶体管MN6和所述第七NPN晶体管MN7的发射极接地GND，所述第六NPN晶体管MN6和所述第七NPN晶体管MN7的基极接偏置电压Vbias。

本发明实施例采用双极型压控振荡器单元结构，并采用了全差分的电路结构，以及采用了具有大驱动能力的输出缓冲器，输出缓冲器单元能够使电路的驱动能力提高，从而能够实现电路的信号放大，能够提高电路输出的振荡信号的功率。公式（1）给出了相位噪声的Leeson公式：

$L\left(\mathrm{\Δ\ω}\right)=10\lg \left\{\frac{2\mathrm{FkT}}{P_{\mathrm{sig}}}\right[1+{\left(\frac{{\mathrm{\ω}}_0}{2\mathrm{Q\Δ\ω}}\right)}^2\left](1+\frac{{\mathrm{\Δ\ω}}_1/f^3}{\left|\mathrm{\Δ\ω}\right|})\right\}---\left(1\right)$

其中F为经验值，由测量确定；Δω₁/f³是与器件噪声特性相关的一个拟合参数；Q为谐振电路的Q值；P_sig为信号功率；ω₀为振荡频率；Δω为频率偏移量。

由公式（1）可知，信号功率P_sig增加后，能够降低相位噪声，所以本发明实施例能在不改变电路输出的振荡信号的振荡频率条件下降低电路的相位噪声并提高电路性能。另外，由于本发明实施例的振荡信号放大后输出幅度较大，故能够实现在射频探针台上对电路输出的振荡信号的射频参数进行在线测试。通过在线测试波形可以看出，本发明实施例能够得到主频工作在2.39GHz的频率，输出功率为8.82dBm。

以上通过具体实施例对本发明进行了详细的说明，但这些并非构成对本发明的限制。在不脱离本发明原理的情况下，本领域的技术人员还可做出许多变形和改进，这些也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种压控振荡器，其特征在于，压控振荡器包括：双极型压控振荡器单元和输出缓冲器单元；

所述双极型压控振荡器单元具有差分结构，包括LC谐振电路模块和负阻电路模块；

所述LC谐振电路模块用于产生所需振荡频率的第一振荡信号，所述LC谐振电路模块包括两个第一输出端口用于输出所述第一振荡信号的差分对；

所述负阻电路模块包括一对第一双极型晶体管，两个所述第一双极型晶体管的集电极分别和一个所述第一输出端口相连接，两个所述第一双极型晶体管的基极分别连接一反馈信号，各所述第一双极型晶体管的基极的反馈信号和集电极连接的第一振荡信号的相位相反，两个所述第一双极型晶体管的发射极连接第一电流源，所述负阻电路模块用于对所述LC谐振电路的能量损耗进行补偿；

所述输出缓冲单元包括两个第二双极型晶体管，两个所述第二双极型晶体管的基极分别连接一个所述第一输出端口，两个所述第二双极型晶体管的发射极作为所述压控振荡器的两个第二输出端口，所述第二输出端口输出第二振荡信号的差分对，所述第二振荡信号为所述第一振荡信号的缓冲信号，所述第二振荡信号和所述第一振荡信号的振荡频率相同；所述第二双极型晶体管分别和一个第二电流源连接。

2.如权利要求1所述压控振荡器，其特征在于：

所述LC谐振电路包括：第一电感、第一电容、第二电容、第三电容、第四电容、第一电阻和第二电阻；

所述第一电容和所述第二电容为相同的可变电容且相串联，所述第一电容和所述第二电容都和控制电压连接，所述控制电压控制所述第一电容和所述第二电容的大小并调节所述振动频率大小；

由所述第一电容和所述第二电容连接形成的串联结构和所述第一电感相并联，所述第一电感的两端作为两个所述第一输出端口；

所述第一双极型晶体管都为NPN晶体管，所述第三电容连接于一个所述第一双极型晶体管的集电极和另一个第一双极型晶体管的基极之间，所述第四电容连接于另一个所述第一双极型晶体管的集电极和一个第一双极型晶体管的基极之间，所述第三电容和所述第四电容的电容值大小相同；

所述第一电阻和所述第二电阻串联于两个所述第一双极型晶体管的基极之间，所述第一电阻和所述第二电阻的电阻值大小相同。

3.如权利要求1所述压控振荡器，其特征在于：所述输出缓冲单元的两个第二双极型晶体管都为NPN晶体管。