CN104796139A - 一种快速频率稳定压控振荡器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种快速频率稳定压控振荡器，包括并联连接的VCO电路模块和可变电容阵列，VCO电路模块和可变电容阵列的并联连接接点分别连接压控振荡器的正、负极输出端VOUT+、VOUT-，VCO电路模块分别与前级电荷泵的信号输出端以及电源电压VDD相连接，可变电容阵列还与调控其运行状态的数字DWA调制模块以及滤波电容相连接。上述技术方案中，通过对压控振荡器中的可变电容阵列使用数据权重平均技术，降低由于工艺、温度和电压变化导致的阵列器件失配噪声，提高频带选择准确度，降低频率微调所需的时钟周期，较之传统无数字校正算法的VCO，具有更短的频率稳定时间。

Description

一种快速频率稳定压控振荡器

技术领域

本发明涉及锁相环型频率合成器领域，具体涉及一种快速频率稳定压控振荡器。

背景技术

已有的锁相环型频率合成器中，压控振荡器(VCO)的频率稳定是通过两步完成的：频带选择和环路微调。频带选择是根据数字基带控制信号的值，通过调节可变电容阵列来实现的，其主要完成频率的粗调功能；在频带选定之后，锁相环根据压控振荡器的前级电荷泵提供的电压信号进行频率的微调，最终完成整个频率合成器的频率锁定。然而，由于工艺、温度和电压的变化，频带选择所采用的可变电容阵列中的电容器件会与理想值之间产生误差，或者说阵列器件存在匹配误差。这个误差会导致选择的频带偏离理想频带，需要频率微调部分来补偿，从而需要更多的微调循环周期，延长了频率合成器的锁定时间。

发明内容

本发明的目的就是提供一种快速频率稳定压控振荡器，其可提高VCO频带选择准确度，降低频率锁定所需的时钟周期，减小频率合成器的频率锁定时间，使得VCO的输出信号频率可以快速稳定。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案进行实施：

一种快速频率稳定压控振荡器，其特征在于：包括并联连接的VCO电路模块和可变电容阵列，VCO电路模块和可变电容阵列的并联连接接点分别连接压控振荡器的正、负极输出端VOUT+、VOUT-，VCO电路模块分别与前级电荷泵的信号输出端以及电源电压VDD相连接，可变电容阵列还与调控其运行状态的数字DWA调制模块以及滤波电容相连接。

上述技术方案中，通过对压控振荡器中的可变电容阵列使用数据权重平均(DWA)技术，降低由于工艺、温度和电压变化导致的阵列器件失配噪声，提高频带选择准确度，降低频率微调所需的时钟周期，较之传统无数字校正算法的VCO，具有更短的频率稳定时间。另外，数据权重平均模块采用全数字电路实现，具有极低的功耗和芯片面积，非常适合宽频带压控振荡器的应用场合。

附图说明

图1为本发明的原理框图；

图2为VCO电路模块的电路原理图；

图3为可变电容阵列的电路原理图；

图4为数字DWA调制模块的结构原理图；

图5为数字DWA调制模块的电路原理图；

图6为可变电容阵列的选择示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本发明进行具体说明。应当理解，以下文字仅仅用以描述本发明的一种或几种具体的实施方式，并不对本发明具体请求的保护范围进行严格限定。

本发明采取的技术方案如图1所示，一种快速频率稳定压控振荡器，包括并联连接的VCO电路模块40和可变电容阵列20，VCO电路模块40和可变电容阵列20的并联连接接点分别连接压控振荡器的正、负极输出端VOUT+、VOUT-，VCO电路模块40分别与前级电荷泵的信号输出端以及电源电压VDD相连接，可变电容阵列20还与调控其运行状态的数字DWA调制模块10以及滤波电容30相连接。VOUT+为压控振荡器正极输出端，VOUT-为压控振荡器的负极输出端，VCP为来自于前级电荷泵的输出信号，VCO电路模块40和可变电容阵列20并联连接，并联连接点分别连接正、负极输出端VOUT+、VOUT-，数字DWA调制模块10为可变电容阵列20提供数字控制信号，在该控制信号的控制下，压控振荡器的振荡频率可以更加快速的稳定。

图2为VCO电路模块40的电路原理图，VOUT+和VOUT-为压控振荡器核心电路的正、负极输出端口，VCP为来自于前级电荷泵的输出控制电压信号；电源电压VDD分两路分别连接晶体管M1、M2的源极，晶体管M1的栅极与晶体管M2的漏极短接，并分别连接电感L的一端，可变电容CB的一端，晶体管M4的漏极和晶体管M3的栅极；晶体管M2的栅极连接晶体管M1的漏极，电感L的另一端，可变电容CB的另一端，晶体管M3的漏极以及晶体管M4的栅极；晶体管M3、M4的源极短接，并连接电流源IBIAS的输入端，电流源IBIAS的输出端接入地。

可变电容阵列20由若干并联连接的可变电容单元(具体可设置16个)构成，滤波电容30由若干第三电容(C1、C2、C3……C16)构成，第三电容和可变电容单元的个数相同，可变电容单元包括串联连接的第一可变电容(CV1、CV2……CV16)、第二可变电容(CV17、CV18……CV32)，第一、二可变电容串联连接的接点处分别连接第三电容以及数字DWA调制模块10的信号输出端，第三电容的一端接地。图3为可变电容阵列20的电路原理图，VOUT+和VOUT-分别为压控振荡器的正、负输出端，控制信号S[15]至S[0]为图1中数字DWA调制模块10的输出数字信号，可变电容CV1和CV17、CV2和CV18、CV3和CV19、CV4和CV20、CV5和CV21、CV6和CV22、CV7和CV23、CV8和CV24、CV9和CV25、CV10和CV26、CV11和CV27、CV12和CV28、CV13和CV29、CV14和CV30、CV15和CV31、CV16和CV32分别串联连接，串联之后的各支路再并联连接，并联连接点一端连接VOUT+，另一端连接VOUT-；各串联支路的串联连接点分别连接图1中的滤波电容30的各电容器件C1，C2，C3，C4，C5，C6，C7，C8，C9，C10，C11，C12，C13，C14，C15，C16，这些电容器件的另一端均接入地。

图4所示为数字DWA调制模块10的原理图。INPUT为数字输入信号，由数字基带模块提供，OUTPUT为DWA调制模块输出信号，用来控制可变电容阵列20的选择方式；输入信号进入数字加/减法器中，与来自1位量化器的输出信号进行求差运算，所产生的数字输出信号进入数字积分器中进行累加运算，其输出信号进入1位量化器中，量化后的信号一路连接输出端OUTPUT，另一路信号反馈至数字加/减法器中。

数字DWA调制模块10包括数字加法器11、触发器16、数字比较器12、反相器IVN1、加法器13、多路选择器14、控制信号产生器15以及外部电路提供的恒定数字信号DCONST和时钟信号CLK；数字加法器11的输出端分三路分别与数字比较器12、加法器13、多路选择器14相连接，外部电路提供的恒定数字信号DCONST分别输入至数字比较器12和反相器IVN1，反相器IVN1的输出端与加法器13的输入端相连接，数字比较器12和加法器13的输出端均与多路选择器14的输入端相连接，多路选择器14的输出端分两路分别连接控至信号产生器和触发器16，外部电路提供的时钟信号CLK输入至触发器16，触发器16的输出端分两路分别与数字加法器11和倍乘器17相连接，倍乘器17的输出端与数字加法器11相连接。具体的如图5所示，INPUT为数字信号输入端，输入数字信号记作x(k)，S[15:0]为16位数字输出信号，DCONST为外部电路提供的恒定数字信号，CLK为外部电路提供的时钟信号；本发明中其值为“10000”；输入信号x(k)通过输入端口INPUT进入数字加法器11，与来自倍乘器的输出信号b和触发器16的输出信号p(k-1)进行求加/减运算，数字加法器11的输出信号a分三路分别进入数字比较器12、多路选择器14、加法器13的输入端，外部提供的恒定数字信号DCONST分两路分别进入反相器IVN1的输入端，反相器IVN1的输出信号进入加法器13与信号a进行加法运算，所得结果进入多路选择器14，数字比较器12将信号a与恒定数字信号DCONST进行比较所得比较结果作为多路选择器14的选择信号，当选择信号为数字“0”时，多路选择器14的输出信号p(k)为信号a的值，当选择信号为数字“1”时，多路选择器14的输出信号p(k)为加法器13输入信号的值，信号p(k)分两路分别进入触发器16的D输入端和控制信号产生器15的输入端，外部电路提供的时钟信号CLK连接触发器16的时钟控制端，控制信号产生器15将接收到的信号p(k)转换为16位数字控制信号S[15:0]，分别控制各可变电容单元的运行状态。

图6为可变电容阵列20的选择示意图，横轴表示可变电容序列，纵坐标表示时刻，p表示指针信号；电容器件的选取为依次循环选取，每时刻选取的电容个数等于数字输入信号x(k)，指针信号p指向下一时刻电容选取的起始位置；假设在第0时刻，数字输入信号x(0)的值为5，则选择的可变电容器件为第1至5个电容，指针信号p指向第6个电容器件，在第1时刻，数字输入信号x(1)的值为11，则选择的可变电容器件为第6至16个电容，指针信号p指向第1个电容器件，在第2时刻，数字输入信号x(2)的值为3，则选择的可变电容器件为第1至3个电容，指针信号p指向第4个电容器件，在第3时刻，数字输入信号x(3)的值为4，则选择的可变电容器件为第4至7个电容，指针信号p指向第8个电容器件，在第4时刻，数字输入信号x(4)的值为9，则选择的可变电容器件为第8至16个电容，指针信号p指向第1个电容器件，在第5时刻，数字输入信号x(5)的值为13，则选择的可变电容器件为第1至13个电容，指针信号p指向第14个电容器件，在第6时刻，数字输入信号x(6)的值为1，则选择的可变电容器件为第14个电容，指针信号p指向第15个电容器件，在第7时刻，数字输入信号x(7)的值为9，则选择的可变电容器件为第15至16个电容，并循环选择第1至第7个电容器件，指针信号p指向第8个电容器件，在第时8刻，数字输入信号x(8)的值为2，则选择的可变电容器件为第8至9个电容，指针信号p指向第10个电容器件，在第9时刻，数字输入信号x(9)的值为7，则选择的可变电容器件为第10至16个电容，指针信号p指向第1个电容器件，在第10时刻，数字输入信号x(10)的值为6，则选择的可变电容器件为第1至6个电容，指针信号p指向第7个电容器件，在第11时刻，数字输入信号x(11)的值为16，则所有电容器件均被选中。

总之，本发明通过对压控振荡器中的可变电容阵列20使用数据权重平均(DWA)技术，降低由于工艺、温度和电压变化导致的阵列器件失配噪声，提高频带选择准确度，降低频率微调所需的时钟周期，较之传统无数字校正算法的VCO，具有更短的频率稳定时间。另外，数据权重平均模块采用全数字电路实现，具有极低的功耗和芯片面积，非常适合宽频带压控振荡器的应用场合。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在获知本发明中记载内容后，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对其作出若干同等变换和替代，这些同等变换和替代也应视为属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种快速频率稳定压控振荡器，其特征在于：包括并联连接的VCO电路模块和可变电容阵列，VCO电路模块和可变电容阵列的并联连接接点分别连接压控振荡器的正、负极输出端VOUT+、VOUT-，VCO电路模块分别与前级电荷泵的信号输出端以及电源电压VDD相连接，可变电容阵列还与调控其运行状态的数字DWA调制模块以及滤波电容相连接。

2.根据权利要求1所述的快速频率稳定压控振荡器，其特征在于：数字DWA调制模块包括数字加法器、触发器、数字比较器、反相器、加法器、多路选择器、控制信号产生器以及外部电路提供的恒定数字信号DCONST和时钟信号CLK；数字加法器的输出端分三路分别与数字比较器、加法器、多路选择器相连接，外部电路提供的恒定数字信号DCONST分别输入至数字比较器和反相器IVN1，反相器IVN1的输出端与加法器的输入端相连接，数字比较器和加法器的输出端均与多路选择器的输入端相连接，多路选择器的输出端分两路分别连接控至信号产生器和触发器，外部电路提供的时钟信号CLK分别输入至触发器，触发器的输出端分两路分别与数字加法器和倍乘器相连接，倍乘器的输出端与数字加法器相连接。

3.根据权利要求1或2所述的快速频率稳定压控振荡器，其特征在于：可变电容阵列由若干并联连接的可变电容单元构成，滤波电容由若干第三电容构成，第三电容和可变电容单元的个数相同，可变电容单元包括串联连接的第一、二可变电容，第一、二可变电容串联连接的接点处分别连接第三电容以及数字DWA调制模块的信号输出端，第三电容的一端接地。