CN104300967A - 一种频率不随温度变化的压控振荡器电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种频率不随温度变化的压控振荡器电路，该电路包含：第一交叉耦合管，与第一交叉耦合管的两输出端并联连接的LC振荡电路，与LC振荡电路并联连接的第二交叉耦合管，镜像电流源电路，设置在第一交叉耦合管与镜像电流源电路的输出端之间的分压电阻，与镜像电流源电路的输出端连接的滤波电容。通过在LC振荡电路设有一对可变电容，并在镜像电流源电路输入具有斜率的负温度系数电流，使得本发明在不增加电路复杂度及电路功耗且实现高性能的前提下，避免第一交叉耦合管、第二交叉耦合管的工作状态发生变化从而导致VCO电路信号输出端的振荡频率发生变化，最终能够有效解决或者抵消温度变化所引起的频率漂移。

Description

一种频率不随温度变化的压控振荡器电路

技术领域

本发明涉及导航通讯领域中的控制电路，具体涉及一种频率不随温度变化的压控振荡器电路。 

背景技术

锁相环频率合成器在现阶段的无线通信、多模导航等射频收发芯片系统架构中不可或缺的部分。而压控振荡器（Voltage Controlled Oscillator，简称VCO）是锁相环频率合成器的核心部件，频率合成器的输出频率就是由压控振荡器产生的，频率合成器的其他部件都是为压控振荡器服务的。而现代无线射频通信对相位噪声的苛刻要求，为了满足这一要求一般都得采用LC振荡器。LC振荡器有相位噪声好 ，频率稳定度高、电源电压影响小等的优点。但是随着工艺特征尺寸的不断缩小，电源电压也不断减小，加上现代无线通信对压控振荡器有更宽的频率可调范围及更低相位噪声的苛刻要求，温度变化所引起的频率漂移对于整个射频收发芯片更加严重。 

发明内容

本发明的目的在于提供一种频率不随温度变化的压控振荡器电路，通过设置第一交叉耦合管、LC振荡电路、第二交叉耦合管、镜像电流源电路等，特别是在LC振荡电路设有一对可变电容，并在镜像电流源电路输入具有斜率的负温度系数电流，使得本发明在不增加电路复杂度及电路功耗且实现高性能的前提下，避免第一交叉耦合管、第二交叉耦合管的工作状态发生变化从而导致VCO电路信号输出端的振荡频率发生变化，最终能够有效解决或者抵消温度变化所引起的频率漂移。

为了达到上述目的，本发明通过以下技术方案实现：

一种频率不随温度变化的压控振荡器电路，其特点是，该电路包含：

第一交叉耦合管，其输入端连接外部电源；

LC振荡电路，两输出端分别与所述第一交叉耦合管的两输出端并联连接；

第二交叉耦合管，两输入端分别与所述LC振荡电路两输出端并联连接；

镜像电流源电路，所述镜像电流源电路的输入端输入具有斜率的负温度系数电流；所述镜像电流源电路与所述LC振荡电路连接；

分压电阻，所述分压电阻的一端与所述第一交叉耦合管的输入端连接，该分压电阻的另一端与所述镜像电流源电路的输出端连接；

滤波电容，所述滤波电容的一端与所述镜像电流源电路的输出端连接，该滤波电容的另一端接地。

优选地，所述第一交叉耦合管包含：第一PMOS管、第二PMOS管交叉耦合连接； 

所述第一PMOS管的栅极与所述第二PMOS管的漏极连接，该第二PMOS管的栅极与该第一PMOS管的漏极连接；

该第一PMOS管的漏极、第二PMOS管的漏极分别为该第一交叉耦合管的输出端；

所述第一PMOS管的源极、第二PMOS管的源极分别接外部电源。

优选地，所述第二交叉耦合管包含：第一NMOS管、第二NMOS管交叉耦合连接；

该第一NMOS管的栅极与该第二NMOS管的漏极连接，该第二NMOS管的栅极与该第一NMOS管的漏极连接；

该第一NMOS管的漏极、第二NMOS管的漏极分别为所述第二交叉耦合管的输入端；

所述第一NMOS管的源极、第二NMOS管的源极分别接地。

优选地，所述镜像电流源电路包含：第一NMOS管、第二NMOS管；

所述第一NMOS管的源极、第二NMOS管的源极分别接地，该第一NMOS管的栅极与第二NMOS管的栅极连接；

该第一NMOS管的漏极为所述镜像电流源电路的输入端，该第二NMOS管的漏极为所述镜像电流源电路的输出端；具有斜率的负温度系数电流信号分别输入至该第一NMOS管的栅极、第二NMOS管的栅极。

优选地，所述LC振荡电路包含：

压控振荡电路信号输入端，

一对可变电容，分别对称连接设置所述压控振荡电路信号输入端两侧；

一对固定电容总成，分别对称连接设置在所述一对可变电容两侧，形成电容串联电路；

所述电容串联电路的两端分别为压控振荡电路信号输出端；

电感，所述电感两端分别与所述电容串联电路两输出端连接。

优选地，所述镜像电流源电路的输出端分别连接在所述固定电容总成与所述可变电容之间。

优选地，每个所述固定电容总成包含多个固定电容，两个所述固定电容总成的总电容值相等。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

本发明提供一种频率不随温度变化的压控振荡器电路，在工作温度升高或降低时，能够分别补偿由于温度升高或降低引起的压控振荡器输出频率的变化，最终使得压控振荡器输出频率保持不变；从而实现在使用中锁相环频率合成器工作正常，使得使用该压控振荡器的通信电路或导航电路不受工作温度的影响。

附图说明

图1为本发明一种频率不随温度变化的压控振荡器电路的电路示意图。

图2为本发明一种频率不随温度变化的压控振荡器电路的实施例示意图之一。

图3为本发明一种频率不随温度变化的压控振荡器电路的实施例示意图之二。

具体实施方式

以下结合附图，通过详细说明一个较佳的具体实施例，对本发明做进一步阐述。

如图1所示，一种频率不随温度变化的压控振荡器电路，该电路包含：第一交叉耦合管10、LC振荡电路20、第二交叉耦合管30、镜像电流源电路40、分压电阻50及滤波电容60。

LC振荡电路20的两输出端与第一交叉耦合管10的两输出端并联连接；第二交叉耦合管30的两输入端分别与LC振荡电路20并联连接；镜像电流源电路40的输入端输入具有斜率的负温度系数电流；分压电阻50的一端与第一交叉耦合管10的电源输入端连接，该分压电阻50的另一端与镜像电流源电路的输出端连接；滤波电容60的一端与镜像电流源电路的输出端连接，该滤波电容60的另一端接地。

LC振荡电路20包含：压控振荡电路信号输入端25、一对固定电容总成21一对可变电容22及电感24。一对可变电容22分别对称连接设置所述压控振荡电路信号输入端25两侧，一对固定电容总成21分别对称连接设置在一对可变电容22两侧，形成电容串联电路23。该电容串联电路23的两端分别为压控振荡电路信号输出端及LC振荡电路20的输出端。

镜像电流源电路40的输出端分别设置在固定电容总成21与可变电容22之间。电感24两端分别与电容串联电路23两输出端、第一交叉耦合管10两输出端、第二交叉耦合管30两输入端并联连接。

如图1所示，本实施例中采用一对固定电容作为固定电容总成21与一对可变电容22串联连接。其中，一对固定电容的典型取值分别为2pF，滤波电容60的典型取值为200pF.一对可变电容22的典型取值分别为0.5pF；电感24为螺旋电感，其典型取值为2nH；分压电阻50典型取值为15KΩ。

第一交叉耦合管10包含：第一PMOS管11、第二PMOS管12交叉耦合连接。第一PMOS管11的栅极与第二PMOS管12的漏极连接，该第二PMOS管12的栅极与该第一PMOS管11的漏极连接。该第一PMOS管11的漏极、第二PMOS管12的漏极分别为该第一交叉耦合管10的输出端。第一PMOS管11、第二PMOS管12的源极分别接电源输入端。

第二交叉耦合管30包含：第一NMOS管31、第二NMOS管32交叉耦合连接。该第一NMOS管31的栅极与该第二NMOS管32的漏极连接，该第二NMOS管32的栅极与该第一NMOS管31的漏极连接。该第一NMOS管31的漏极、第二NMOS管32的漏极分别为第二交叉耦合管30的输入端。第一NMOS管31的源极、第二NMOS管32的源极分别接地。

镜像电流源电路40包含：第一NMOS管41、第二NMOS管42。第一NMOS管41的源极、第二NMOS管42的源极分别接地，该第一NMOS管41的栅极、第二NMOS管42的栅极相互连接；该第一NMOS管41的漏极为镜像电流源电路40的输入端，该第二NMOS管42的漏极为镜像电流源电路40的输出端；具有斜率的负温度系数电流信号分别输入至该第一NMOS管41的栅极、第二NMOS管42的栅极。

本实施例中，第二交叉耦合管30的第一NMOS管31、第二NMOS管32及第一交叉耦合管10的第一PMOS管11、第二PMOS管均采用尺寸为80um/0.18um的MOS器件。镜像电流源电路40的第一NMOS管41、第二NMOS管42均采用尺寸为12um/1um的MOS器件。其中，具有斜率的负温度系数电流信号的典型取值为60uA，其斜率选择控制位为0.18 uA/℃。

本实施例中，具有斜率的负温度系数电流信号流经镜像电流源电路40、分压电阻50转化为负温度系数的电压为900mV，温度变化为2.7mV/℃，该电压经滤波电容60后作为一对可变电容22的最终控制电压。

本发明提供的一种频率不随温度变化的压控振荡器电路，具体工作原理如下：

当工作温度升高时，VCO电路信号输出端的输出频率降低，同时，具有斜率的负温度系数电流信号随着温度的升高，该电流值信号的电流值减小，当分压电阻50阻值不变情况下，镜像电流源电路40的输出端电压值升高，根据下述公式：

                                                 

本发明中，由于镜像电流源电路40的输出端电压值升高，使得变大，则整个LC振荡电路20的电容值减少。

当工作温度降低时，VCO电路信号输出端的输出频率升高，同时，具有斜率的负温度系数电流信号随着温度的降低，该电流值信号的电流值升高，当分压电阻50阻值不变情况下，镜像电流源电路40的输出端电压值下降，根据上式可知，整个LC振荡电路20的电容值增大。

如图2所示，为通用LC振荡电路示意图，电源给电容C充满电，则在电容上存储的能量会在电容C和电感L之间来回交换，有电流在这个回路上流动，以2点为参考点，1点的参考电压为：

 

因此，本发明提供的一种频率不随温度变化的压控振荡器电路，当工作温度升高时，整个LC振荡电路20的电容值减少，则输出频率升高，能够补偿由于工作温度升高而引起的VCO输出频率降低，最终使得VCO的输出频率保持不变0当工作温度升高时，整个LC振荡电路20的电容值增大，则输出频率降低，能够补偿由于工作温度降低而引起的VCO输出频率升高，最终使得VCO的输出频率保持不变。

如图3所示，为本发明根据实施例中数据进行测试的测试结果与采用普通VCO设计电路进行测试的比对。无温度补偿的常规设计VCO在1.5GHz输出频率情况下，频率随温度变化（-40°~85°），输出频率变化大约32MHz；本发明提供的具有温度补偿技术的压控振荡器，在1.5GHz输出频率情况下，输出频率随温度变化（-40°~85°）仅约1.5MHz的频率变化。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。 

Claims (7)

1.一种频率不随温度变化的压控振荡器电路，其特征在于，该电路包含：

第一交叉耦合管（10），其输入端连接外部电源；

LC振荡电路（20），两输出端分别与所述第一交叉耦合管（10）的两输出端并联连接；

第二交叉耦合管（30），两输入端分别与所述LC振荡电路（20）两输出端并联连接；

镜像电流源电路（40），所述镜像电流源电路（40）的输入端输入具有斜率的负温度系数电流；所述镜像电流源电路（40）与所述LC振荡电路（20）连接；

分压电阻（50），所述分压电阻（50）的一端与所述第一交叉耦合管（10）的输入端连接，该分压电阻（50）的另一端与所述镜像电流源电路（40）的输出端连接；

滤波电容（60），所述滤波电容（60）的一端与所述镜像电流源电路（40）的输出端连接，该滤波电容（60）的另一端接地。

2.如权利要求1所述的频率不随温度变化的压控振荡器电路，其特征在于，所述第一交叉耦合管（10）包含：第一PMOS管（11）、第二PMOS管（12）交叉耦合连接； 

所述第一PMOS管（11）的栅极与所述第二PMOS管（12）的漏极连接，该第二PMOS管（12）的栅极与该第一PMOS管（11）的漏极连接；

该第一PMOS管（11）的漏极、第二PMOS管（12）的漏极分别为该第一交叉耦合管（10）的输出端；

所述第一PMOS管（11）的源极、第二PMOS管（12）的源极分别接外部电源。

3.如权利要求1所述的频率不随温度变化的压控振荡器电路，其特征在于，所述第二交叉耦合管（30）包含：第一NMOS管（31）、第二NMOS管（32）交叉耦合连接；

该第一NMOS管（31）的栅极与该第二NMOS管（32）的漏极连接，该第二NMOS管（32）的栅极与该第一NMOS管（31）的漏极连接；

该第一NMOS管（31）的漏极、第二NMOS管（32）的漏极分别为所述第二交叉耦合管（30）的输入端；

所述第一NMOS管（31）的源极、第二NMOS管（32）的源极分别接地。

4.如权利要求1所述的频率不随温度变化的压控振荡器电路，其特征在于，所述镜像电流源电路（40）包含：第一NMOS管（41）、第二NMOS管（42）；

所述第一NMOS管（41）的源极、第二NMOS管（42）的源极分别接地，该第一NMOS管（41）的栅极与第二NMOS管（42）的栅极连接；

该第一NMOS管（41）的漏极为所述镜像电流源电路（40）的输入端，该第二NMOS管（42）的漏极为所述镜像电流源电路（40）的输出端；具有斜率的负温度系数电流信号分别输入至该第一NMOS管（41）的栅极、第二NMOS管（42）的栅极。

5.如权利要求4所述的频率不随温度变化的压控振荡器电路，其特征在于，

所述LC振荡电路（20）包含：

压控振荡电路信号输入端（25），

一对可变电容（22），分别对称连接设置所述压控振荡电路信号输入端（25）两侧；

一对固定电容总成（21），分别对称连接设置在所述一对可变电容（22）两侧，形成电容串联电路（23）；

所述电容串联电路（23）的两端分别为压控振荡电路信号输出端；

   电感（24），所述电感（24）两端分别与所述电容串联电路（23）两输出端连接。

6.如权利要求5所述的频率不随温度变化的压控振荡器电路，其特征在于，所述镜像电流源电路（40）的输出端分别连接在所述固定电容总成（21）与所述可变电容（22）之间。

7.如权利要求5所述的频率不随温度变化的压控振荡器电路，其特征在于，每个所述固定电容总成（21）包含多个固定电容（211），一对所述固定电容总成（21）的总电容值分别相等。