CN105281760A - 一种基于偶次非线性幅度反馈的压控振荡器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于偶次非线性幅度反馈的压控振荡器，包括振荡电路与反馈电路；为了工作在低电压下，振荡电路去除了电流源，利用NMOS交叉耦合晶体管提供负阻来补偿LC谐振回路损耗的能量；反馈电路利用偶次非线性原理实时检测振荡幅度，输出电压经过滤波后作为偏置电压接到晶体管的栅极，以减小交叉耦合晶体管的电流并控制振幅。本发明的结构，反馈电路功耗小，并有效减小了晶体管的栅压，也减小了流过晶体管的电流，能显著降低振荡电路的功耗；除此之外，晶体管跨导的减小能减小闪烁噪声，改善相位噪声；本发明适用于低电压低功耗应用场合的压控振荡器。

Description

一种基于偶次非线性幅度反馈的压控振荡器

技术领域

本发明涉及一种基于偶次非线性幅度反馈的压控振荡器，属于锁相环技术。

背景技术

压控振荡器是锁相环中的重要组成部分，直接影响着射频收发机中的载波频率，其性能指标会直接影响整个射频收发机的性能参数。在低电源电压下，射频电路的设计受到了极大的挑战，为了保证晶体管工作在饱和区，电源和地之间串联的晶体管的数目受到了严格的限制。因此，在低电源电压下的压控振荡器通常没有电流源，但是这会导致振荡电路中的电流完全由晶体管的宽长比决定，功耗也会随之增大。所以需要控制振荡电路的电流不随着晶体管宽长比的增大而无限增大。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种基于偶次非线性幅度反馈的压控振荡器，能在低电压状态下工作，反馈电路利用偶次非线性原理实时检测振荡幅度，反馈回晶体管的栅极来控制输出振幅，并能减小流过晶体管的电流，显著降低功耗；栅压的减小带来晶体管跨导的减小，能减小闪烁噪声，改善振荡器的相位噪声。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种基于偶次非线性幅度反馈的压控振荡器，包括振荡电路与反馈电路，振荡电路用于产生稳定的振荡信号，反馈电路用于检测振荡信号的振荡幅度；为了使得压控振荡器能够更好地工作在低压状态，所述振荡电路中不采用电流源，利用NMOS交叉耦合结构提供负阻来补偿LC谐振回路损耗的能量；所述反馈电路利用偶次非线性原理实时地检测振荡信号的振动幅度，并将输出的偏置电压反馈给振荡电路中晶体管的栅极以减小电流同时控制幅度。

本发明的压控振荡器，反馈电路功耗小，并减小了晶体管的栅压，也减小了流过晶体管的电流，显著降低了振荡电路的功耗；除此之外，晶体管栅压的减小带来跨导的减小，最终减小闪烁噪声(1/f噪声)，改善了压控振荡器的相位噪声。

MOS晶体管的栅氧化层和硅衬底的界面处是硅单晶的边界，因而出现许多“悬挂”键。当电荷载流子运动到这个界面时，有一些被随机地俘获，随后又被这些能态释放，结果在漏电流中产生“闪烁”噪声。其噪声谱密度与频率成反比，例如，与悬挂键相关的俘获-释放现象在低频下更常发生，因此闪烁噪声也叫1/f噪声。

具体的，所述振荡电路包括差分电感L、电容C、第一变容管Cv1、第二变容管Cv2、第一NMOS管NM1、第二NMOS管NM2、第一电容C1、第二电容C2、第一电阻R1和第二电阻R2，电感L和电容C构成LC谐振回路，第一NMOS管NM1、第二NMOS管NM2、第一电容C1和第二电容C2构成NMOS交叉耦合结构；具体结构如下：

供电电源接差分电感L的供电端，差分电感L的正端接电容C的正端，差分电感L的负端接电容C的负端；电容C的正端作为振荡电路的第一输出端，电容C的负端作为振荡电路的第二输出端；第一变容管Cv1的正端接电容C的正端，第一变容管Cv1的负端接第二变容管Cv2的正端，第二变容管Cv2的负端接电容C的负端，输入电压Vctr1同时接第一变容管Cv1负端和第二变容管Cv2的正端；第一NMOS管NM1的漏极接第一变容管Cv1的正端，第一NMOS管NM1的栅极接第二电容C2的负端，第一NMOS管NM1的源极接地；第二NMOS管NM2的漏极接第二变容管Cv2的正端，第二NMOS管NM2的栅极接第一电容C1的负端，第二NMOS管NM2的源极接地；第一电容C1的正端接第一变容管Cv1的正端，第二电容C1的正端接第二变容管Cv2的正端；第一电阻R1的正端接第一NMOS管NM1的栅极，第二电阻R2的正端接第二NMOS管NM2的栅极，第一电阻R1的负端和第二电阻R2的负端互相连接并接入偏置电压。

具体的，所述反馈电路包括第三电容C3、第四电容C4、第五电容C5、第六电容C6、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第三NMOS管NM3、第四NMOS管NM4和第五NMOS管NM5；具体结构如下：

第五电阻R5的正端接供电电源，第五电阻R5的负端输出偏置电压；第五电容C5的正端接第五电阻R5的负端，第五电容C5的负端接地；第三NMOS管NM3的漏极接第五电阻R5的负端，第三NMOS管NM3的源极接地，第三NMOS管NM3的栅极接第三电容C3的负端，第三电容C3的正端接振荡电路的第一输出端；第四NMOS管NM4的漏极接第五电阻R5的负端，第四NMOS管NM4的源极接地，第四NMOS管NM4的栅极接第四电容C4的负端，第四电容C4的正端接振荡电路的第二输出端；第三电阻R3的正端接第三NMOS管NM3的栅极，第三电阻R3的负端接第六电容的C6的正端；第四电阻R4的正端接第四NMOS管NM4的栅极，第四电阻R4的负端接第六电容的C6的正端；第六电容C6的正端接第五NMOS管NM5的栅极，第六电容C6的负端接地；第五NMOS管NM5的漏极接偏置电流源的负端并与自身的栅极相连，第五NMOS管NM5的源极接地；偏置电流源的正端接供电电源。

有益效果：本发明提供的基于偶次非线性幅度反馈的压控振荡器，相比于现有技术，具有如下特点：①振荡电路去除了电流源，从而电源到地之间没有串联的晶体管，电路能更好地工作在低电压状态下，利用NMOS交叉耦合晶体管提供负阻来补偿LC谐振回路损耗的能量；②反馈电路实现了负反馈，利用偶次非线性原理实时地检测振荡幅度，输出电压经滤波后作为晶体管栅极的偏置电压，与峰值检测电路相比，该方法功耗较小；③输出电压经过电容隔直后接入晶体管栅极，因此栅极的直流偏置点降低，流过晶体管的电流减小，振荡幅度也随之减小，能有效控制振荡幅度并显著降低振荡电路的功耗；④晶体管的栅压减小，跨导也随之减小，最终减小噪声闪烁噪声，改善了振荡器的相位噪声。由上述特点可知：本发明是一种适用于低电压低功耗应用场合的压控振荡器，该压控振荡器利用负反馈减小交叉耦合晶体管的栅压，减小电流，控制振荡幅度，能减小振荡电路的功耗；并且振荡电路中电源到地之间没有串联的晶体管，能适用于低电压的应用场合。

附图说明

图1为本发明的低电压基于偶次非线性幅度反馈的压控振荡器电路图；

图2为本发明的低电压基于偶次非线性幅度反馈的压控振荡器的振荡电压波形；

图3为本发明的低电压基于偶次非线性幅度反馈的压控振荡器的电流波形。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1所示为一种基于偶次非线性幅度反馈的压控振荡器，包括振荡电路与反馈电路，振荡电路用于产生稳定的振荡信号，反馈电路用于检测振荡信号的振荡幅度。

振荡电路由LC谐振回路和NMOS交叉耦合结构构成，利用NMOS交叉耦合结构提供负阻来补偿LC谐振回路损耗的能量，能够产生稳定的振荡信号；为了使得压控振荡器能够更好地工作在低压状态，振荡电路没有用电流源提供电流，因此振荡电流由晶体管宽长比决定。

所述反馈电路利用偶次非线性原理实时地检测振荡信号的振动幅度，并将输出的偏置电压反馈给振荡电路中晶体管的栅极以减小电流同时控制幅度；同时由于振荡电流由晶体管宽长比决定，因此利用反馈电路检测振动幅度同时向晶体管反馈偏置电压的方式，能够效减小振荡幅度与电流，降低振荡电路的功耗。

除此之外，晶体管跨导的减小能减小闪烁噪声，最终改善了压控振荡器的相位噪声。

如图1所示，所述振荡电路包括差分电感L、电容C、第一变容管Cv1、第二变容管Cv2、第一NMOS管NM1、第二NMOS管NM2、第一电容C1、第二电容C2、第一电阻R1和第二电阻R2，电感L和电容C构成LC谐振回路，第一NMOS管NM1、第二NMOS管NM2、第一电容C1和第二电容C2构成NMOS交叉耦合结构。

供电电源接差分电感L的供电端，差分电感L的正端接电容C的正端，差分电感L的负端接电容C的负端；电容C的正端作为振荡电路的第一输出端，电容C的负端作为振荡电路的第二输出端；第一变容管Cv1的正端接电容C的正端，第一变容管Cv1的负端接第二变容管Cv2的正端，第二变容管Cv2的负端接电容C的负端，输入电压Vctr1同时接第一变容管Cv1负端和第二变容管Cv2的正端；第一NMOS管NM1的漏极接第一变容管Cv1的正端，第一NMOS管NM1的栅极接第二电容C2的负端，第一NMOS管NM1的源极接地；第二NMOS管NM2的漏极接第二变容管Cv2的正端，第二NMOS管NM2的栅极接第一电容C1的负端，第二NMOS管NM2的源极接地；第一电容C1的正端接第一变容管Cv1的正端，第二电容C1的正端接第二变容管Cv2的正端；第一电阻R1的正端接第一NMOS管NM1的栅极，第二电阻R2的正端接第二NMOS管NM2的栅极，第一电阻R1的负端和第二电阻R2的负端互相连接并接入偏置电压。

如图1所示，所述反馈电路包括第三电容C3、第四电容C4、第五电容C5、第六电容C6、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第三NMOS管NM3、第四NMOS管NM4和第五NMOS管NM5。

第五电阻R5的正端接供电电源，第五电阻R5的负端输出偏置电压；第五电容C5的正端接第五电阻R5的负端，第五电容C5的负端接地；第三NMOS管NM3的漏极接第五电阻R5的负端，第三NMOS管NM3的源极接地，第三NMOS管NM3的栅极接第三电容C3的负端，第三电容C3的正端接振荡电路的第一输出端；第四NMOS管NM4的漏极接第五电阻R5的负端，第四NMOS管NM4的源极接地，第四NMOS管NM4的栅极接第四电容C4的负端，第四电容C4的正端接振荡电路的第二输出端；第三电阻R3的正端接第三NMOS管NM3的栅极，第三电阻R3的负端接第六电容的C6的正端；第四电阻R4的正端接第四NMOS管NM4的栅极，第四电阻R4的负端接第六电容的C6的正端；第六电容C6的正端接第五NMOS管NM5的栅极，第六电容C6的负端接地；第五NMOS管NM5的漏极接偏置电流源的负端并与自身的栅极相连，第五NMOS管NM5的源极接地；偏置电流源的正端接供电电源。

如图2所示，为本实施例的低电压基于偶次非线性幅度反馈的压控振荡器的振荡电压波形，其振荡频率为3.1GHz。从图中可以看出，起振时振幅为1.26V，稳定后振幅为1.22V。

如图3所示，为本实施例的低电压基于偶次非线性幅度反馈的压控振荡器的电流波形，从图中计算出起振时流过单个晶体管的电流为626uA，稳定状态下流过单个晶体管的电流为508uA。

由上述可知，本实施例的创新之处主要体现在反馈电路的设计上。低电压下的压控振荡器中电源到地之间不能采用叠加的晶体管，因此不能采用电流源提供电流，造成振荡电路中电流完全由晶体管的宽长比决定。所以本发明提出一种利用偶次非线性原理的反馈电路，能够降低晶体管栅压的电路，减小流过晶体管的电流，使得电流不随着晶体管宽长比的增加而无限增加，并能显著降低振荡电路的功耗。除此之外，晶体管栅压的减小导致跨导的减小，这样能减小闪烁噪声，改善压控振荡器的相位噪声。

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，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种基于偶次非线性幅度反馈的压控振荡器，包括振荡电路与反馈电路，振荡电路用于产生稳定的振荡信号，反馈电路用于检测振荡信号的振荡幅度；其特征在于：所述振荡电路中不采用电流源，利用NMOS交叉耦合结构提供负阻来补偿LC谐振回路损耗的能量；所述反馈电路利用偶次非线性原理实时地检测振荡信号的振动幅度，并将输出的偏置电压反馈给振荡电路中晶体管的栅极。

2.根据权利要求1所述的基于偶次非线性幅度反馈的压控振荡器，其特征在于：所述振荡电路包括差分电感L、电容C、第一变容管Cv1、第二变容管Cv2、第一NMOS管NM1、第二NMOS管NM2、第一电容C1、第二电容C2、第一电阻R1和第二电阻R2，电感L和电容C构成LC谐振回路，第一NMOS管NM1、第二NMOS管NM2、第一电容C1和第二电容C2构成NMOS交叉耦合结构；

供电电源接差分电感L的供电端，差分电感L的正端接电容C的正端，差分电感L的负端接电容C的负端；电容C的正端作为振荡电路的第一输出端，电容C的负端作为振荡电路的第二输出端；第一变容管Cv1的正端接电容C的正端，第一变容管Cv1的负端接第二变容管Cv2的正端，第二变容管Cv2的负端接电容C的负端，输入电压Vctr1同时接第一变容管Cv1负端和第二变容管Cv2的正端；第一NMOS管NM1的漏极接第一变容管Cv1的正端，第一NMOS管NM1的栅极接第二电容C2的负端，第一NMOS管NM1的源极接地；第二NMOS管NM2的漏极接第二变容管Cv2的正端，第二NMOS管NM2的栅极接第一电容C1的负端，第二NMOS管NM2的源极接地；第一电容C1的正端接第一变容管Cv1的正端，第二电容C1的正端接第二变容管Cv2的正端；第一电阻R1的正端接第一NMOS管NM1的栅极，第二电阻R2的正端接第二NMOS管NM2的栅极，第一电阻R1的负端和第二电阻R2的负端互相连接并接入偏置电压。

3.根据权利要求1所述的基于偶次非线性幅度反馈的压控振荡器，其特征在于：所述反馈电路包括第三电容C3、第四电容C4、第五电容C5、第六电容C6、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第三NMOS管NM3、第四NMOS管NM4和第五NMOS管NM5；

第五电阻R5的正端接供电电源，第五电阻R5的负端输出偏置电压；第五电容C5的正端接第五电阻R5的负端，第五电容C5的负端接地；第三NMOS管NM3的漏极接第五电阻R5的负端，第三NMOS管NM3的源极接地，第三NMOS管NM3的栅极接第三电容C3的负端，第三电容C3的正端接振荡电路的第一输出端；第四NMOS管NM4的漏极接第五电阻R5的负端，第四NMOS管NM4的源极接地，第四NMOS管NM4的栅极接第四电容C4的负端，第四电容C4的正端接振荡电路的第二输出端；第三电阻R3的正端接第三NMOS管NM3的栅极，第三电阻R3的负端接第六电容的C6的正端；第四电阻R4的正端接第四NMOS管NM4的栅极，第四电阻R4的负端接第六电容的C6的正端；第六电容C6的正端接第五NMOS管NM5的栅极，第六电容C6的负端接地；第五NMOS管NM5的漏极接偏置电流源的负端并与自身的栅极相连，第五NMOS管NM5的源极接地；偏置电流源的正端接供电电源。