CN106877819A - 基于复合型谐振器的压控振荡器 - Google Patents

基于复合型谐振器的压控振荡器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了基于复合型谐振器的压控振荡器，包括复合型谐振器和负阻振荡电路，其中，复合型谐振器包括第一LC串联谐振支路、第二LC串联谐振支路及第三LC串联谐振支路，第一LC串联谐振支路与第二LC串联谐振支路形成并联结构，该并联结构一端接地，另一端与第三LC串联谐振支路连接，第三LC串联谐振支路另一端与负阻振荡电路连接。第一LC串联谐振支路的谐振频率低于第二LC串联谐振支路的谐振频率。本发明应用时能降低相位噪声，且能避免相位噪声随调谐频率的升高而变差。

Description

基于复合型谐振器的压控振荡器
技术领域
本发明涉及射频技术，具体是基于复合型谐振器的压控振荡器。
背景技术
压控振荡器是射频微波器件中的关键部件之一，其通常包括负阻振荡电路和谐振器，其中，谐振器包括电感及与电感串联的电容，电感相对连接电容端的另一端与负阻振荡电路连接，电容相对连接电感端的另一端接地。现有压控振荡器应用时，由于谐振器的品质因数(Q值，即为谐振器的中心频率与谐振器带宽的比值)随调谐频率的升高而降低，其相位噪声也往往随着调谐频率的升高而恶化，如何使得压控振荡器获得高的输出调谐频率同时保持低的相位噪声，这成为目前人们普遍关注的问题，然而，现有没有相应的器件，也未见相关的报道。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种相位噪声不随调谐频率的升高而变差的基于复合型谐振器的压控振荡器。
本发明解决上述问题主要通过以下技术方案实现：基于复合型谐振器的压控振荡器，包括复合型谐振器和负阻振荡电路，所述复合型谐振器包括第一LC串联谐振支路、第二LC串联谐振支路及第三LC串联谐振支路，所述第一LC串联谐振支路与第二LC串联谐振支路形成并联结构，该并联结构一端接地，另一端与第三LC串联谐振支路连接，所述第三LC串联谐振支路另一端与负阻振荡电路连接；所述第一LC串联谐振支路的谐振频率低于第二LC串联谐振支路的谐振频率。本发明应用时，产生相对较低调谐频率信号时该信号主要沿第一LC串联谐振支路流通，当调谐信号频率升高的情况下，越来越多的信号分量会沿第二LC串联谐振支路流通。
为了增加本发明的频率调谐范围，进一步的，所述第一LC串联谐振支路采用多级LC串联谐振单元级联的结构，每一级LC串联谐振单元由一个电容和一个固定电感串联构成。所述第二LC串联谐振支路采用多级LC串联谐振单元级联的结构，每一级LC串联谐振单元由一个电容和一个固定电感串联构成。第一LC串联谐振支路和/或第二LC串联谐振支路采用多级LC串联谐振单元级联结构的优点在于：高频信号电压可以分布在每一级串联谐振单元上，有效降低每一级谐振单元上的高频信号电压。当LC串联谐振单元采用到非线性可变电容时，可以有效减轻非线性可变电容对压控振荡器信号的非线性调制作用，从而防止相位噪声恶化。
进一步的，所述第一LC串联谐振支路和第二LC串联谐振支路中的电容采用固定电容、变容二极管构成的可变电容、背对背式的变容二极管构成的可变电容、开关控制构成的开关电容、以及由一个固定电容与一个可变电容并联形成的可变电容中的任意一种。
进一步的，所述第一LC串联谐振支路中的电容采用变容二极管构成的可变电容，所述第二LC串联谐振支路中的电容采用固定电容。固定电容和变容二极管构成的可变电容两者的品质因数(Q值)都会随着频率的升高而降低，因此基于传统LC谐振器的压控振荡器的相位噪声往往随着调谐频率的升高而恶化。又因固定电容的品质因数远远优于变容二极管构成的可变电容的品质因数，为了提供必要的调谐带宽，第一条串联谐振支路上的电容采用变容二极管构成的可变电容，第二LC串联谐振支路中的电容采用固定电容，第一条串联谐振支路的谐振频率相对第二条串联谐振支路的谐振频率更低，因此在产生较低调谐频率时，复合型谐振器总体Q值由第一条串联谐振支路主导，在产生较高调谐频率时，第二条串联谐振支路对复合型谐振器总体Q值的贡献增加。第二LC串联谐振支路中的电容采用固定电容，就有效的降低了谐振器整体Q值随调谐频率升高而恶化的情况，从而能有效解决了压控振荡器相位噪声随调谐频率升高而恶化这一技术难点。
进一步的，所述负阻振荡电路包括第一NPN三极管、第四电容、第五电容、第三电阻及第五电感，所述第四电容两端分别与第一NPN三极管基极和发射极连接，第一NPN三极管集电极外接电源，所述第三电阻两端分别与第一NPN三极管发射极和第五电感连接，所述第五电感相对连接第三电阻端的另一端接地，所述第五电容一端连接在第四电容与第一NPN三极管发射极之间的线路上，其另一端接地；所述第三LC串联谐振支路连接负阻振荡电路的一端与第一NPN三极管的基极连接。本发明的负阻振荡电路为有源增益器件(第一NPN三极管)和两个电容(第四电容和第五电容)构成的分压器，第四电容两端的电压提供反馈，第五电感为第一NPN三极管的负反馈电感。
本发明的复合型谐振器在工作频率范围内整体呈电感特性，等效为Ltot，Ltot和串联组合的第四电容与第五电容构成的并联谐振电路决定了本发明的的频率。最终的振荡频率f0约为复合型谐振器产生的等效电感(Ltot)与两个电容器第四电容、第五电容组合的谐振频率，其计算公式为：
本发明应用时，通过对第四电容与第五电容的取值可以灵活的控制电路电压反馈的大小及负阻大小。
进一步的，所述负阻振荡电路还包括第一电阻、第二电阻及第四电感，所述第四电感一端连接在第三LC串联谐振支路与第一NPN三极管基极之间的线路上，其另一端与第一电阻连接，所述第一电阻相对连接第四电感端的另一端外接电源；所述第二电阻一端连接在第一电阻与第四电感之间的线路上，其另一端接地。其中，第一电阻和第二电阻为直流偏置电阻，为第一NPN三极管提供正常工作的直流偏置，第四电感为谐振电路同直流偏置之间的隔离电感，在射频条件下视为隔离，在直流条件下视为导通。
进一步的，所述负阻振荡电路还包括第六电容，所述第六电容一端连接在第一NPN三极管集电极与电源之间的线路上，其另一端接地。其中，第六电容作为去耦合电容，用于滤出外接电压源引入的噪声。
压控振荡器，采用两个上述的压控振荡器构成推挽式压控振荡器结构，该推挽式压控振荡器结构的输出端连接一缓冲放大器或倍频器。本发明的推挽式压控振荡器结构包括两个完全相同的单端压控振荡器，具有结构上的对称性，缓冲放大器或倍频器的输出端为推挽式压控振荡器结构射频信号的输出。由于具有平衡结构，谐振器的对称中心线位置具有对奇次谐波的抑制作用，可视为奇次谐波(包含基波)的虚拟地。该对称中心线位置上同时含有丰富的二次谐波分量，可用作二次倍频信号的输出点。
压控振荡器，采用两个上述的压控振荡器构成差动式压控振荡器结构。
综上所述，本发明具有以下有益效果：(1)本发明整体结构简单，使用元器件少，便于实现，成本低，其应用时在产生相对较低调谐频率信号的情况下，调谐信号主要沿第一LC串联谐振支路流通，在产生相对较高调谐频率信号的情况下，更多的调谐信号分量会沿Q值相对于第一LC串联谐振支路更高的第二LC串联谐振支路流通，如此，能避免相位噪声随调谐频率的升高而变差。
(2)本发明应用时可采用两个完全相同的单端压控振荡器构成推挽式压控振荡器结构，可以将相位噪声系数性能和最高工作频率提高一倍，如此，使本发明应用时能进一步降低相位噪声。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1为本发明一个具体实施例中压控振荡器的电路图；
图2为本发明另一个具体实施例中压控振荡器的电路图；
图3为采用图1中单端压控振荡器构成的推挽式压控振荡器。
附图中标记所对应的零部件名称：L1、第一电感，L2、第二电感，L3、第三电感，L4、第四电感，L5、第五电感，C1、第一电容，C2、第二电容，C3、第三电容，C4、第四电容，C5、第五电容，C6、第六电容，R1、第一电阻，R2、第二电阻，R3、第三电阻，Q1、第一NPN三极管，A1、缓冲放大器。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例1：
如图1所示，基于复合型谐振器的压控振荡器，包括复合型谐振器和负阻振荡电路，其中，复合型谐振器包括第一LC串联谐振支路、第二LC串联谐振支路及第三LC串联谐振支路，第一LC串联谐振支路与第二LC串联谐振支路形成并联结构，该并联结构一端接地，另一端与第三LC串联谐振支路连接，第三LC串联谐振支路相对连接第一LC串联谐振支路与第二LC串联谐振支路形成的并联结构端的另一端与负阻振荡电路连接。本实施例中第一LC串联谐振支路包括串联的第一电感L1和第一电容C1，第二LC串联谐振支路包括串联的第二电感L2和第二电容C2，第三LC串联谐振支路包括串联第三电感L3和第三电容C3，其中，第一电感L1的电感值大于第二电感L2的电感值，第一电容C1的电容值大于第二电容C2的电容值，如此，使得本实施例的第一LC串联谐振支路的谐振频率低于第二LC串联谐振支路的谐振频率。本实施例在具体设置时，第一LC串联谐振支路中的第一电容C1和第二LC串联谐振支路中的第二电容C2采用固定电容、变容二极管构成的可变电容、背对背式的变容二极管构成的可变电容、开关控制构成的开关电容、以及由一个固定电容与一个可变电容并联形成的可变电容中的任意一种。其中，第一电容C1优选采用品质因数较低的变容二极管构成的可变电容，则第一LC串联谐振支路的谐振频率为一个可变谐振频率范围；第二电容C2优选采用品质因数较高的固定电容，则第二LC串联谐振支路的谐振频率为一固定频率，该固定谐振频率应高于第一LC串联谐振支路的整个可变谐振频率范围。如此，能有效的减轻了谐振器的整体品质因数随高调谐频率而恶化的情况。
本实施例可以通过对第三LC串联谐振支路中的第三电感L3、第三电容C3的取值选取来控制压控振荡器的调谐频率，第三电容C3可以是一个固定电容，或由一个固定电容及一个可变电容串联组成，第三电容C3优选采用Q值相对于可变电容更高的固定电容。第三电容C3取值通常大于第一电容C1和第二电容C2的取值，这样相较于第三串联谐振支路，第一串联谐振支路和第二串联谐振支路对于决定压控振荡器的中心频率及频率调谐范围起更主导作用。
本实施例在具体应用时，可采用两个上述的单端压控振荡器构成推挽式压控振荡器结构或差动式压控振荡器结构，其中，本实施例构成推挽式压控振荡器结构时，推挽式压控振荡器结构的输出端连接一缓冲放大器或倍频器。本实施例的单芯片衬底可采用基于砷化镓或基于硅的材料。
实施例2：
为了增加谐振器的频率调谐范围，本实施例在实施例1的基础上做出了如下进一步限定：本实施例的第一LC串联谐振支路和第二LC串联谐振支路均采用多级LC串联谐振单元级联的结构，每一级LC串联谐振单元由一个电容和一个固定电感串联构成。图2所示的第一LC串联谐振支路和第二LC串联谐振支路均采用二级级联结构。
实施例3：
本实施例在实施例1或实施例2的基础上做出了如下进一步限定：本实施例的负阻振荡电路包括第一NPN三极管Q1、第四电容C4、第五电容C5、第六电容C6、第三电阻R3及第五电感L5，其中，第四电容C4两端分别与第一NPN三极管Q1基极和发射极连接，第一NPN三极管Q1集电极外接电源VCC，第三电阻R3两端分别与第一NPN三极管Q1发射极和第五电感L5连接，第五电感L5相对连接第三电阻R3端的另一端接地，第五电容C5一端连接在第四电容C4与第一NPN三极管Q1发射极之间的线路上，其另一端接地，第三LC串联谐振支路连接负阻振荡电路的一端与第一NPN三极管Q1的基极连接。第六电容C6一端连接在第一NPN三极管Q1集电极与电源VCC之间的线路上，其另一端接地。
如图3所示，采用本实施例的单端压控振荡器构成推挽式压控振荡器结构，其输出端连接一缓冲放大器A1，缓冲放大器A1的同相输入端连接于一个单端压控振荡器中第三电阻R3与第五电感L5之间的线路上，缓冲放大器A1的反相输入端连接于另一个单端压控振荡器中第三电阻R3与第五电感L5之间的线路上。其中，推挽式压控振荡器结构中两个第一电容C1之间、两个第二电容C2之间、以及两个第五电容C5之间为抑制奇次谐波的虚拟地，三个虚拟地可相互独立，也可相互连接。
本实施例应用时，差分信号由第三电阻R3与第五电感L5之间接出，经缓冲放大器A1放大后由缓冲放大器A1的输出端输出。本实施例的第三LC串联谐振支路的第三电容C3还可以起到隔离负阻振荡电路中第一NPN三极管Q1的基极偏置电压的作用，防止该直流偏置电压对第一LC串联谐振支路及第二LC串联谐振支路产生影响。
实施例4：
本实施例在实施例3的基础上做出了如下进一步限定：本实施例的负阻振荡电路还包括第一电阻R1、第二电阻R2及第四电感L4，其中，第四电感L4一端连接在第三LC串联谐振支路与第一NPN三极管Q1基极之间的线路上，其另一端与第一电阻R1连接，第一电阻R1相对连接第四电感L4端的另一端外接电源VCC。本实施例的第二电阻R2一端连接在第一电阻R1与第四电感L4之间的线路上，其另一端接地。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.基于复合型谐振器的压控振荡器，其特征在于，包括复合型谐振器和负阻振荡电路，所述复合型谐振器包括第一LC串联谐振支路、第二LC串联谐振支路及第三LC串联谐振支路，所述第一LC串联谐振支路与第二LC串联谐振支路形成并联结构，该并联结构一端接地，另一端与第三LC串联谐振支路连接，所述第三LC串联谐振支路另一端与负阻振荡电路连接；所述第一LC串联谐振支路的谐振频率低于第二LC串联谐振支路的谐振频率。
2.根据权利要求1所述的基于复合型谐振器的压控振荡器，其特征在于，所述第一LC串联谐振支路采用多级LC串联谐振单元级联的结构，每一级LC串联谐振单元由一个电容和一个固定电感串联构成。
3.根据权利要求1所述的基于复合型谐振器的压控振荡器，其特征在于，所述第二LC串联谐振支路采用多级LC串联谐振单元级联的结构，每一级LC串联谐振单元由一个电容和一个固定电感串联构成。
4.根据权利要求1所述的基于复合型谐振器的压控振荡器，其特征在于，所述第一LC串联谐振支路和第二LC串联谐振支路中的电容采用固定电容、变容二极管构成的可变电容、背对背式的变容二极管构成的可变电容、开关控制构成的开关电容、以及由一个固定电容与一个可变电容并联形成的可变电容中的任意一种。
5.根据权利要求4所述的基于复合型谐振器的压控振荡器，其特征在于，所述第一LC串联谐振支路中的电容采用变容二极管构成的可变电容，所述第二LC串联谐振支路中的电容采用固定电容。
6.根据权利要求1～5中任意一项所述的基于复合型谐振器的压控振荡器，其特征在于，所述负阻振荡电路包括第一NPN三极管(Q1)、第四电容(C4)、第五电容(C5)、第三电阻(R3)及第五电感(L5)，所述第四电容(C4)两端分别与第一NPN三极管(Q1)基极和发射极连接，第一NPN三极管(Q1)集电极外接电源(VCC)，所述第三电阻(R3)两端分别与第一NPN三极管(Q1)发射极和第五电感(L5)连接，所述第五电感(L5)相对连接第三电阻(R3)端的另一端接地，所述第五电容(C5)一端连接在第四电容(C4)与第一NPN三极管(Q1)发射极之间的线路上，其另一端接地；所述第三LC串联谐振支路连接负阻振荡电路的一端与第一NPN三极管(Q1)的基极连接。
7.根据权利要求6所述的基于复合型谐振器的压控振荡器，其特征在于，所述负阻振荡电路还包括第一电阻(R1)、第二电阻(R2)及第四电感(L4)，所述第四电感(L4)一端连接在第三LC串联谐振支路与第一NPN三极管(Q1)基极之间的线路上，其另一端与第一电阻(R1)连接，所述第一电阻(R1)相对连接第四电感(L4)端的另一端外接电源(VCC)；所述第二电阻(R2)一端连接在第一电阻(R1)与第四电感(L4)之间的线路上，其另一端接地。
8.根据权利要求7所述的基于复合型谐振器的压控振荡器，其特征在于，所述负阻振荡电路还包括第六电容(C6)，所述第六电容(C6)一端连接在第一NPN三极管(Q1)集电极与电源(VCC)之间的线路上，其另一端接地。
9.压控振荡器，其特征在于，采用两个权利要求1～8中任意一项所述的压控振荡器构成推挽式压控振荡器结构，该推挽式压控振荡器结构的输出端连接一缓冲放大器(A1)或倍频器。
10.压控振荡器，其特征在于，采用两个权利要求1～8中任意一项所述的压控振荡器构成差动式压控振荡器结构。
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