CN105897263B - 一种宽带压控振荡器及频率合成器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种宽带压控振荡器及频率合成器。该宽带压控振荡器包括：电流源模块(1)、谐振模块(2)和峰值检测模块(3)；所述电流源模块(1)连接至所述谐振模块(2)，用于为所述谐振模块(2)提供可调电流源；所述谐振模块(2)用于产生谐振并输出谐振频率；峰值检测模块(3)分别连接至所述谐振模块(2)和所述电流源模块(1)，用于检测所述谐振模块(2)的峰值电压并反馈至所述电流源模块(1)以调节所述电流源模块(1)的输出电流，进而调整所述谐振模块(2)的峰值电压。该宽带压控振荡器输出频带宽且噪声小，使用该宽带压控振荡器的频率合成器输出频带宽、面积小且功耗低。
Description
技术领域
本发明涉及频率合成器技术领域，尤其涉及一种宽带压控振荡器及频率合成器。
背景技术
在无线通信领域，为了满足用户日益增长的语音、视频和数据浏览等通信需求，需要设计出一款能兼容多种协议的芯片。目前，市面上虽然出现了一些支持多协议的通信芯片，但那些都只是简单地将符合各通信协议的射频芯片堆叠在一个PCB(印制电路板)上面，属于简单的板级集成，具有面积大、成本高的缺陷。
在通信系统中，一个很重要的模块就是频率合成器(FS)。为了使一块芯片能兼容多种协议，就需要一个宽带频率合成器。在现有技术中，主要通过以下三种方式来实现宽带频率合成器。
方式一：在频率合成器中使用多个锁相环(PLL)，每个锁相环覆盖一定频率范围。这一技术方案的缺陷就是面积和功耗大，每增加一个锁相环，面积和功耗就将增加一倍。
方式二：在频率合成器中使用多个压控振荡器(VCO)，每个压控振荡器覆盖一定频率范围。这一技术方案的缺陷是面积和功耗大，而且需要对多个压控振荡器进行隔离，否则耦合效应非常严重。
方式三：在频率合成器中同时使用压控振荡器和混频器。这一技术方案的缺陷是频谱的杂散和谐波非常大，严重恶化输出的频谱的纯度。另外，由于使用混频器，需要再使用至少一个电感，这样就大大增加了面积。
因此，现有技术中的宽带频率合成器存在面积大、功耗高的技术缺陷。
发明内容
针对现有技术中宽带频率合成器面积大、功耗高的缺陷，本发明提供一种可显著减少频率合成器的面积和功耗的宽带压控振荡器及面积小、功耗低的宽带频率合成器。
本发明就上述技术问题而提出的技术方案如下：
一方面，提供了一种宽带压控振荡器，包括：电流源模块、谐振模块和峰值检测模块；
所述电流源模块连接至所述谐振模块，用于为所述谐振模块提供可调电流源；所述谐振模块，用于产生谐振并输出谐振频率；峰值检测模块，分别连接至所述谐振模块和所述电流源模块，用于检测所述谐振模块的峰值电压并反馈至所述电流源模块以调节所述电流源模块的输出电流，进而调整所述谐振模块的峰值电压。
优选地，所述峰值检测模块包括第一PMOS管和第二PMOS管；所述第一PMOS管的栅极连接至所述第二PMOS管的漏极，形成第一检测端；所述第一PMOS管的漏极连接至所述第二PMOS管的栅极，形成第二检测端；所述第一检测端和所述第二检测端分别连接至所述谐振模块的两端；所述第一PMOS管和所述第二PMOS管的源极分别连接至所述电流源模块的两端。
优选地，所述谐振模块包括：负阻电路，电容单元和与所述电容单元并联连接的电感；所述第一检测端和所述第二检测端分别连接至所述电感的两端。
优选地，所述电感的形状为具有一缝隙的圆形，所述缝隙的宽度为所述电感的两端的距离。
优选地，所述电感包括两个并联的线圈，所述两个并联的线圈的形状均为具有一缝隙的圆形。
优选地，所述电容单元包括开关电容阵列和模拟调谐电容，所述开关电容阵列与所述模拟调谐电容并联；
所述开关电容阵列包括n条并列支路，每条支路包括两个电容和一个开关，开关串联在两个电容之间，两个电容未连接开关的一端分别连接至所述第一检测端和所述第二检测端；所述模拟调谐电容包括两个可变电容，所述两个可变电容背靠背对接，对接端连接至外部调谐电压。
优选地，所述电流源模块包括电源、模拟电流源和开关电流源阵列，所述模拟电流源和开关电流源阵列并联；
所述模拟电流源包括第三PMOS管和第四PMOS管；所述电源分别连接至所述第三PMOS管的源极，第四PMOS管的源极和开关电流源阵列的一端；所述第三PMOS管的漏极，第四PMOS管的漏极和所述开关电流源阵列的另一端相连接，进而连接至所述谐振模块；所述第三PMOS管的栅极连接至所述第一PMOS管的源极，所述第四PMOS管的栅极连接至所述第二PMOS管的源极；
所述开关电流源阵列包括n条并列支路，每条支路包括一个直流源和一个开关，直流源与开关串联；每条支路的一端连接至所述电源，另一端连接至所述第三PMOS管的漏极和第四PMOS管的漏极，进而连接至所述谐振模块。
优选地，所述n条并列支路中，从第一条到第n条支路，直流源的电流值以第一条支路的电流源的电流值为基数，按2的倍数增长，直至第n条支路的电流源的电流值为第一支路的电流源的电流值的2n-1倍。
优选地，所述负阻电路包括第五PMOS管，第六PMOS管，第一NMOS管和第二NMOS管；
所述第五PMOS管的源极连接至所述第三PMOS管的漏极；所述第五PMOS管的栅极分别连接至所述第六PMOS管的漏极、所述第一NMOS管的栅极和所述第二NMOS管的漏极，形成所述谐振模块的第一输出端；第五PMOS管的漏极分别连接至所述第六PMOS管的栅极、第一NMOS管的漏极和所述第二NMOS管的栅极，形成所述谐振模块的第二输出端；
所述第一检测端与所述第一输出端相连，所述第二检测端与所述第二输出端相连；所述电容单元和所述电感并联在所述第一输出端和第二输出端之间；
所述第一NMOS管的源极和所述第二NMOS管的源极接地。
另一方面，还提供了一种宽带频率合成器，包括：鉴频鉴相器、电荷泵、滤波器、小数分频器和上述宽带压控振荡器。
实施本发明实施例，具有如下有益效果：通过峰值检测模块检测谐振模块的峰值电压并反馈至电流源模块，使得峰值检测模块与电流源模块形成负反馈，可有效调整谐振模块的幅值，进而降低相位噪声。这样，在确保谐振模块输出宽频的同时，可有效降低压控振荡器的噪声。再者，通过将谐振模块的电感的结构设计成圆形，使得电感的介质损耗最小，进一步降低了相位噪声，保证了谐振模块的宽频带输出。另外，电流源模块还包括开关电流源阵列，可通过外部控制信号控制开关电流源阵列的开启与关闭，使得电流源的电流随着频率的变化而变化，这样就可避免压控振荡器工作在电压受限区，有效控制压控振荡器的功耗和相位噪声。使用该宽带压控振荡器的宽带频率合成器，只需要使用一个压控振荡器，具有输出频带宽、面积小、功耗低且噪声小的特点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明提供的宽带压控振荡器结构方框图；
图2是本发明提供的宽带压控振荡器电路结构示意图；
图3是图2中所示的电容单元结构示意图；
图4是图2中所示的电感结构示意图；
图5是图2所示的电感的测试结果图；
图6是图2中所示的开关电流阵列结构示意图；
图7是本发明提供的频率合成器结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一 宽带压控振荡器
本实施例提供了一种宽带压控振荡器，参见图1～6，该宽带压控振荡器包括：电流源模块1、谐振模块2和峰值检测模块3。
电流源模块1，连接至谐振模块2，用于为所述谐振模块2提供可调电流源。谐振模块2，用于产生谐振并输出谐振频率。峰值检测模块3，分别连接至谐振模块2和电流源模块1，用于检测谐振模块2的峰值电压并反馈至电流源模块1以调节所述电流源模块1的输出电流，进而调整所述谐振模块2的峰值电压。
在本实施例中，宽带压控振荡器的工作原理如下：
谐振模块2为RLC或LC振荡电路，用于产生振荡频率。电流源模块1用于为谐振模块2提供电流源。峰值检测模块3与电流源模块1构成负反馈回路，当峰值检测模块3检测到谐振模块2的峰值电压偏大或偏小时，将检测结果反馈到电流源模块1，进而相应地减小或增大电流源模块1的电流值，从而达到调节谐振模块2的峰值电压的目的。因此，宽带压控振荡器的相位噪声可得到有效调整。
进一步地，如图2所示，峰值检测模块3包括第一PMOS管PM1和第二PMOS管PM2。第一PMOS管PM1的栅极连接至第二PMOS管PM2的漏极，形成第一检测端D1。第一PMOS管PM1的漏极连接至第二PMOS管PM2的栅极，形成第二检测端D2。第一检测端D1和第二检测端D2分别连接至谐振模块2的两端。第一PMOS管PM1和第二PMOS管PM2的源极分别连接至电流源模块1的两端。应理解，本实施例虽然只给出了峰值检测模块3的一个具体实施例，但是本领域技术人员在本实施例的教导下，还可以变换出很多其他的实施例来，比如将PMOS管改成NMOS管并相应改变连接方式。
应理解，在本发明中，“第一”、“第二”和“第三”等等术语只是为了将相同的器件的名称区别开来，并不是用来表示元器件的先后顺序，更不是用来限制本发明。
进一步地，如图1、2和6所示，电流源模块1包括电源VDD、模拟电流源和开关电流源阵列11。模拟电流源和开关电流源阵列11并联。
具体地，模拟电流源包括第三PMOS管PM3和第四PMOS管PM4。电源VDD分别连接至第三PMOS管PM3的源极，第四PMOS管PM4的源极以及开关电流源阵列11的一端，从而为它们提供工作电压。第三PMOS管PM3的漏极，第四PMOS管PM4的漏极和开关电流源阵列11的另一端相连接，进而连接至谐振模块2，从而为谐振模块2提供工作电流。第三PMOS管PM3的栅极连接至第一PMOS管PM1的源极，第四PMOS管PM4的栅极连接至第二PMOS管PM2的源极，从而接收来自峰值检测模块3的反馈信号。
峰值检测模块3与电流源1的反馈回路工作原理为：第一和第二PMOS管PM1和PM2将检测到的峰值电压输出到第三和第四PMOS管PM3和PM4的栅极，当峰值电压偏大时，第三和第四PMOS管PM3和PM4的栅源电压(VGS)减小，输出电流降低，进而使谐振模块3的输出摆幅减小。当峰值电压偏小时，第三和第四PMOS管PM3和PM4的栅源电压(VGS)增大，输出电流升高，进而使谐振模块2的输出摆幅增大。
具体地，如图6所示，开关电流源阵列11包括n条并列支路，每条支路包括一个直流源和一个开关，直流源与开关串联。每条支路的一端连接至电源VDD，另一端连接至第三PMOS管PM3的漏极和第四PMOS管PM4的漏极，进而连接至谐振模块2。可通过外部控制信号控制开关电流源阵列的开启与关闭，使得电流源的电流随着频率的变化而变化，这样就可避免压控振荡器工作在电压受限区，有效控制压控振荡器的功耗和相位噪声。如果不设置开关电流源阵列，那么电流源的电流将不会随着频率的变化而变化。在整个频率范围内，幅度变化很大，那么电路就可能工作在电压受限区。电压受限区的相位噪声性能是随着摆幅增大而变差的。同时，电压受限区还会消耗一些不必要的功耗，加大整体电路的功耗。
在开关电流源阵列11的n条并列支路中，从第一条到第n条支路，直流源的电流值以第一条支路的电流源的电流值I1为基数，按2的倍数增长，直至第n条支路的电流源的电流值In为第一支路的电流源的电流值I1的2n-1倍。如图5所示，本实施例采用了一个由5位二进制开关控制的电流源阵列。第一至第五个直流源的电流分别为I、2I、4I、8I和16I。
进一步地，如图2所示，谐振模块2包括负阻电路21、电容单元22和与电容单元22并联连接的电感L1。第一检测端D1和第二检测端D2分别连接至电感L1的两端。
进一步地，如图4所示，电感L1的形状为具有一缝隙231的圆形，缝隙231的宽度为电感L1的两端的距离。该电感L1的结构是经过优化设计的，从而进一确保压控振荡器的相位噪声很低。圆形结构相比于其他形状，如方形、六边形、八边形，具有最小的介质损耗。另外，该电感L1包括两个并联的同心圆线圈232和233，这两个并联的线圈的形状均为具有一缝隙231的圆形。通过这种结构，不但可以保持圆形电感的低介质损耗，而且可以以更小的面积获得更大的电感值。因此，在本实施例的教导下，本领域技术人员可以根据实际需要，改变同心圆线圈的数量，从而最大程度地提高单位面积的电感量。此形状的电感具有非常好的性能，如图5所示，质量因子在频率到达2.8GHz时达到峰值24.4。而且当频率在2.5～5GHz频段时，质量因子保持在20.7～24.4之间。如此高质量因子的电感非常有利于压控振荡器在输出宽频带的同时获得低的相位噪声。
进一步地，如图3所示，电容单元22包括开关电容阵列221和模拟调谐电容222。开关电容阵列221与模拟调谐电容222并联。
具体地，如图2和3所示，开关电容阵列221包括n条并列支路，每条支路包括两个电容和一个开关，开关串联在两个电容之间，两个电容未连接开关的一端分别连接至第一检测端D1和第二检测端D2。
模拟调谐电容222包括两个可变电容Cv，两个可变电容Cv背靠背对接，对接端连接至外部调谐电压Vctr。
进一步地，如图2所示，负阻电路模块21包括：第五PMOS管PM5，第六PMOS管PM6，第一NMOS管NM1和第二NMOS管NM2。
具体地，第五PMOS管PM5的源极连接至第三PMOS管PM3的漏极。第五PMOS管PM5的栅极分别连接至第六PMOS管PM6的漏极、第一NMOS管NM1的栅极和第二NMOS管的漏极，形成谐振模块2的第一输出端T1。第五PMOS管PM5的漏极分别连接至第六PMOS管PM6的栅极、第一NMOS管NM1的漏极和第二NMOS管NM2的栅极，形成谐振模块2的第二输出端T2。
第一检测端D1与第一输出端T1相连，第二检测端D2与第二输出端T2相连。电容单元22和电感L1并联在第一输出端T1和第二输出端T2之间。第一NMOS管NM1的源极和第二NMOS管NM2的源极接地。
在本实施例中，第一和第二NMOS管NM1和NM2与第五和第六PMOS管PM5和PM5构成了负阻对，保证了振荡电路的起振。
实施例二 宽带频率合成器
本实施例提供了一种相宽带频率合成器，如图7所示，该宽带频率合成器包括：鉴频鉴相器100、电荷泵200、滤波器300、小数分频器400以及上述实施例一中的宽带压控振荡器500。鉴频鉴相器100、电荷泵200、滤波器300、宽带压控振荡器500和小数分频器400依次连接形成一个环路。
具体地，如图7所示，XIN用于提供参考时钟信号，该参考时钟信号可来自晶振，也可以来自外部时钟，这样有利于参考时钟信号的便利化和灵活化。环路工作时，鉴频鉴相器100比较输入的参考时钟信号和小数分频器400反馈的分频信号的频率和相位，同时鉴频鉴相器100输出控制信号控制电荷泵200的输出电流。如果参考时钟信号超前小数分频器400反馈的分频信号，那么电荷泵200给滤波器300充电，反之则放电。滤波器300对输出电流进行滤波后得到一个直流控制电压Vctr，来调整宽带压控振荡器500的振荡频率，以调整宽带压控振荡器500输入至鉴频鉴相器100的信号的频率和相位，从而使小数分频器400反馈的分频信号和参考时钟信号同频同相。
本实施例提供的频率合成器，只需要使用一个压控振荡器，只有一个环路，且无需使用混频器，就可以获得非常宽的频带输出。因此，相比于现有技术中使用多个压控振荡器或者多个环路的频率合成器，本发明中的宽带频率合成器具有输出频带宽、面积小、功耗低且噪声小的特点。相比于现有技术中使用混频器的频率合成器，本发明中的宽带频率合成器具有杂散低、面积小的特点。
进一步地，如图7所示，宽带频率合成器还可包括整数分频器600。整数分频器600对宽带压控振荡器500输出的频率进行N分频，N的取值可为2、4、8、16、32、64和128中的任何一个。通过整数分频器600可以将宽带压控振荡器600的宽频带输出变换成其他需要的频带。
进一步地，宽带频率合成器还可包括输出级700，用于将分频器600的输出进行转换，形成I相和Q相输出。
以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程，并依本发明权利要求所作的等同变化，仍属于发明所涵盖的范围。
Claims (8)
1.一种宽带压控振荡器，其特征在于，包括：电流源模块(1)、谐振模块(2)和峰值检测模块(3)；
所述电流源模块(1)连接至所述谐振模块(2)，用于为所述谐振模块(2)提供可调电流源；
所述谐振模块(2)用于产生谐振并输出谐振频率；
峰值检测模块(3)分别连接至所述谐振模块(2)和所述电流源模块(1)，用于检测所述谐振模块(2)的峰值电压并反馈至所述电流源模块(1)以调节所述电流源模块(1)的输出电流，进而调整所述谐振模块(2)的峰值电压；
所述峰值检测模块(3)包括第一PMOS管(PM1)和第二PMOS管(PM2)；所述第一PMOS管(PM1)的栅极连接至所述第二PMOS管(PM2)的漏极，形成第一检测端(D1)；所述第一PMOS管(PM1)的漏极连接至所述第二PMOS管(PM2)的栅极，形成第二检测端(D2)；所述第一检测端(D1)和所述第二检测端(D2)分别连接至所述谐振模块(2)的两端；所述第一PMOS管(PM1)和所述第二PMOS管(PM2)的源极分别连接至所述电流源模块(1)的两端；
所述电流源模块(1)包括电源(VDD)、模拟电流源和开关电流源阵列(11)，所述模拟电流源和开关电流源阵列(11)并联；所述模拟电流源包括第三PMOS管(PM3)和第四PMOS管(PM4)；所述电源(VDD)分别连接至所述第三PMOS管(PM3)的源极，第四PMOS管(PM4)的源极和开关电流源阵列(11)的一端；所述第三PMOS管(PM3)的漏极，第四PMOS管(PM4)的漏极和所述开关电流源阵列(11)的另一端相连接，进而连接至所述谐振模块(2)；所述第三PMOS管(PM3)的栅极连接至所述第一PMOS管(PM1)的源极，所述第四PMOS管(PM4)的栅极连接至所述第二PMOS管(PM2)的源极；
其中，所述谐振模块(2)包括：负阻电路(21)，电容单元(22)和与所述电容单元(22)并联连接的电感(L1)；所述第一检测端(D1)和所述第二检测端(D2)分别连接至所述电感(L1)的两端。
2.根据权利要求1所述的宽带压控振荡器，其特征在于，所述电感(L1)的形状为具有一缝隙(231)的圆形，所述缝隙的宽度为所述电感(L1)的两端的距离。
3.根据权利要求2所述的宽带压控振荡器，其特征在于，所述电感(L1)包括两个并联的线圈(232,233)，所述两个并联的线圈(232,233)的形状均为具有一缝隙(231)的圆形。
4.根据权利要求1所述的宽带压控振荡器，其特征在于，所述电容单元(22)包括开关电容阵列(221)和模拟调谐电容(222)，所述开关电容阵列(221)与所述模拟调谐电容(222)并联；
所述开关电容阵列(221)包括n条并列支路，每条支路包括两个电容和一个开关，开关串联在两个电容之间，两个电容未连接开关的一端分别连接至所述第一检测端(D1)和所述第二检测端(D2)；
所述模拟调谐电容(222)包括两个可变电容(Cv)，所述两个可变电容(Cv)背靠背对接，对接端连接至外部调谐电压(Vctr)。
5.根据权利要求1所述的宽带压控振荡器，其特征在于，所述开关电流源阵列(11)包括n条并列支路，每条支路包括一个直流源和一个开关，直流源与开关串联；每条支路的一端连接至所述电源(VDD)，另一端连接至所述第三PMOS管(PM3)的漏极和第四PMOS管(PM4)的漏极，进而连接至所述谐振模块(2)。
6.根据权利要求5所述的宽带压控振荡器，其特征在于，所述n条并列支路中，从第一条到第n条支路，直流源的电流值以第一条支路的电流源的电流值(I1)为基数，按2的倍数增长，直至第n条支路的电流源的电流值(In)为第一支路的电流源的电流值(I1)的2n-1倍。
7.根据权利要求5所述的宽带压控振荡器，其特征在于，所述负阻电路(21)包括第五PMOS管(PM5)，第六PMOS管(PM6)，第一NMOS管(NM1)和第二NMOS管(NM2)；
所述第五PMOS管(PM5)的源极连接至所述第三PMOS管(PM3)的漏极；所述第五PMOS管(PM5)的栅极分别连接至所述第六PMOS管(PM6)的漏极、所述第一NMOS管(NM1)的栅极和所述第二NMOS管的漏极，形成所述谐振模块(2)的第一输出端(T1)；第五PMOS管(PM5)的漏极分别连接至所述第六PMOS管(PM6)的栅极、第一NMOS管(NM1)的漏极和所述第二NMOS管(NM2)的栅极，形成所述谐振模块(2)的第二输出端(T2)；所述第六PMOS管(PM6)的源极分别连接至所述第五PMOS管(PM5)的源极、第四PMOS管(PM4)的漏极、第三PMOS管(PM3)的漏极、所述开关电流源阵列(11)连接至所述第三PMOS管(PM3)的漏极和第四PMOS管(PM4)的漏极的一端；
所述第一检测端(D1)与所述第一输出端(T1)相连，所述第二检测端(D2)与所述第二输出端(T2)相连；所述电容单元(22)和所述电感(L1)并联在所述第一输出端(T1)和第二输出端(T2)之间；
所述第一NMOS管(NM1)的源极和所述第二NMOS管(NM2)的源极接地。
8.一种宽带频率合成器，包括鉴频鉴相器、电荷泵、滤波器和小数分频器，其特征在于，还包括如权利要求1-7任意一项所述的压控振荡器。
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