CN107276538B - 射频压控振荡器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种射频压控振荡器，包括自适应偏置电路、振荡电路和LC谐振回路，振荡电路连接自适应偏置电路和LC谐振回路。自适应偏置电路输出偏置电压至振荡电路；振荡电路根据偏置电压以B类状态启动LC谐振回路开始振荡且振荡幅度逐渐增大；振荡电路在偏置电压的幅值小于第一阈值电压时进入C类状态，以及在偏置电压的幅值小于第二阈值电压时振荡幅度停止增大。通过自适应偏置电路输出偏置电压使振荡电路以B类状态启动LC谐振回路开始振荡，随着振荡幅度的增大，又使振荡电路进入C类状态进行振荡，起振容易且电流利用率高。在第一晶体管、第二晶体管的输出端与地之间增加补偿电阻，以保持负反馈的稳定性，提供宽工作范围内的稳定性。

Description

射频压控振荡器

技术领域

本发明涉及射频振荡控制技术领域，特别是涉及一种射频压控振荡器。

背景技术

随着智能终端的普及，作为标配的Wi-Fi与蓝牙这两种射频无线连接技术已经被广泛使用。由于受电池技术的限制，对射频芯片的低功耗要求是无止境的。压控振荡器(Voltage—Contro1 Oscillator,VCO)是射频芯片的关键电路模块，对其相位噪声指标的要求非常苛刻。

通常的射频VCO为B类，具有中心抽头的电感与两个可变电容构成LC谐振回路，通过改变可变电容的电容量从而控制LC谐振回路的谐振频率为所倡要的值；两个晶体管作为振荡管交叉耦合连接成振荡单元，为LC谐振回路提供能量以维持振荡；利用电流源提供参考电流，通过由晶体管构成的电流镜为振荡单元提供偏置电流。B类VCO具有起振容易且可靠的优点，但缺点也很明显：振荡管的导通角为180度，电流利用率低，功耗非常高。为满足低功耗的要求，业界提出C类射频压控振荡器，C类射频压控振荡器的振荡管的导通角小，电流利用率高，但存在起振困难的缺点。因此，如何提供一种起振容易且电流利用率高的射频压控振荡器是亟待解决的问题。

发明内容

基于此，有必要针对上述问题，提供一种起振容易且电流利用率高的射频压控振荡器。

一种射频压控振荡器，包括自适应偏置电路、振荡电路和LC谐振回路，所述振荡电路连接所述自适应偏置电路和所述LC谐振回路，

所述自适应偏置电路用于输出偏置电压至所述振荡电路；

所述振荡电路用于根据所述偏置电压以B类状态驱动所述LC谐振回路开始振荡且振荡幅度逐渐增大；所述振荡电路在所述偏置电压的幅值小于预设的第一阀值电压时进入C类状态，以及在所述偏置电压的幅值小于预设的第二阀值电压时振荡幅度停止增大；所述第一阀值电压大于所述第二阀值电压；

所述自适应偏置电路包括电流源、第一晶体管、第二晶体管、补偿电阻和滤波电容，所述电流源连接所述第一晶体管的输入端、所述第二晶体管的输入端和所述振荡电路，所述电流源与所述振荡电路的公共端通过所述滤波电容接地；所述第一晶体管的控制端和所述第二晶体管的控制端均连接所述振荡电路，所述第一晶体管的输出端和所述第二晶体管的输出端均通过所述补偿电阻接地。

上述射频压控振荡器，自适应偏置电路输出偏置电压至振荡电路，振荡电路根据偏置电压以B类状态启动LC谐振回路开始振荡且振荡幅度逐渐增大。振荡电路在偏置电压的幅值小于预设的第一阀值电压时进入C类状态，以及在偏置电压的幅值小于预设的第二阀值电压时振荡幅度停止增大。电流源输出的电流通过第一晶体管和第二晶体管产生的偏置电压给振荡电路，在第一晶体管、第二晶体管的输出端与地之间增加补偿电阻，以保持负反馈的稳定性，提供宽工作范围内的稳定性。通过自适应偏置电路输出偏置电压使振荡电路以B类状态驱动LC谐振回路开始振荡，随着振荡幅度的增大，又使振荡电路进入C类状态进行振荡，起振容易且电流利用率高。

附图说明

图1为一实施例中射频压控振荡器的结构图；

图2为一实施例中射频压控振荡器的原理图；

图3为一实施例中自适应偏置电压与振荡幅度的变化过程示意图。

具体实施方式

在一个实施例中，一种射频压控振荡器，如图1所示，包括自适应偏置电路110、振荡电路120和LC谐振回路130，振荡电路120连接自适应偏置电路110和LC谐振回路130。自适应偏置电路110用于输出偏置电压至振荡电路120。振荡电路120用于根据偏置电压以B类状态驱动LC谐振回路130开始振荡，随着LC谐振回路130的振荡幅度逐渐增大，振荡电路120在偏置电压的幅值小于预设的第一阀值电压时进入C类状态，以及在偏置电压的幅值小于预设的第二阀值电压时振荡幅度停止增大；第一阀值电压大于第二阀值电压。

第一阀值电压和第二阀值电压的具体取值并不唯一，可通过对振荡电路120内部电子元器件的选取调整阀值电压。具体地，自适应偏置电路110输出偏置电压至振荡电路120，并控制偏置电压的幅值随着振荡电路120的振荡幅度增大而减小，直至振荡电路120的振荡幅度停止增大。振荡电路120根据偏置电压以B类状态驱动LC谐振回路130开始振荡且振荡幅度逐渐增大。通过自适应偏置电路110输出偏置电压使振荡电路120以B类状态启动LC谐振回路130开始振荡，并在振荡电路120跟随LC谐振回路130振荡后减小偏置电压的幅值，使振荡电路120进入C类状态进行振荡。

如图2所示，自适应偏置电路110包括电流源lref、第一晶体管MN3、第二晶体管MN4、补偿电阻Rz和滤波电容Cf。

电流源lref连接第一晶体管MN3的输入端、第二晶体管MN4的输入端和振荡电路120。具体地，电流源lref的输入端可连接电源端VDD，输出端连接第一晶体管MN3、第二晶体管MN4和振荡电路120，电流源lref由输入端接入电源并由输出端输出电流。电流源lref与振荡电路120的公共端通过滤波电容Cf接地，第一晶体管MN3的控制端和第二晶体管MN4的控制端均连接振荡电路120，第一晶体管MN3的输出端和第二晶体管MN4的输出端通过补偿电阻Rz接地。

电流源lref输出的电流通过第一晶体管MN3和第二晶体管MN4产生的偏置电压vba给振荡电路120提供足够大的增益，使振荡电路120控制LC谐振回路130开始振荡，这个启动过程是处于B类状态。当振荡幅度逐渐增大，由于第一晶体管MN3和第二晶体管MN4的整流作用，使偏置电压vba开始下降。偏置电压vba下降到第一阀值电压后，振荡电路120进入C类状态。偏置电压vba再进一步下降，使得振荡电路120减小对LC谐振回路130电流的供给，振荡幅度不再增大，偏置电压vba不再减小，振荡电路120与自适应偏置电路110处于平衡状态。在偏置电压vba开始下降时，电容Cf的滤波使得偏置电压vba的下降过程平滑。为保持负反馈的稳定性，在第一晶体管MN3、第二晶体管MN4的输出端与地之间增加补偿电阻Rz，提供宽工作范围内的稳定性。

振荡电路120的结构也并不是唯一的，在一个实施例中，振荡电路120包括第三晶体管MN1、第四晶体管MN2、偏置电阻组件122、第一耦合电容Cbl和第二耦合电容Cb2。

第三晶体管MN1的输入端连接LC谐振回路130，第三晶体管MN1的控制端通过偏置电阻组件122连接第四晶体管MN2的控制端，第四晶体管MN2的输入端连接LC谐振回路130，第三晶体管MN1的输出端和第四晶体管MN2的输出端均接地；偏置电阻组件122与第三晶体管MN1的公共端、偏置电阻组件122与第四晶体管MN2的公共端以及偏置电阻组件122均连接自适应偏置电路110。具体地，偏置电阻组件122连接自适应偏置电路110中的电流源lref，偏置电阻组件122与第三晶体管MN1的公共端连接自适应偏置电路110中第一晶体管MN3的控制端，偏置电阻组件122与第四晶体管MN2的公共端连接自适应偏置电路110中第二晶体管MN4的控制端。

第一耦合电容Cbl一端连接第三晶体管MN1的输入端，另一端连接偏置电阻组件122与第三晶体管MN1的公共端，第二耦合电容Cb2一端连接第四晶体管MN2的输入端，另一端连接偏置电阻组件122与第四晶体管MN2的公共端。第三晶体管MN1和第四晶体管MN2作为振荡管构成交叉耦合。

自适应偏置电路110中产生的偏置电压vba相比第三晶体管MN1、第四晶体管MN2的阀值电压高的多，足够将第三晶体管MN1、第四晶体管MN2偏置在放大区，提供足够大的增益让LC谐振回路130开始振荡。通过第一耦合电容Cb1、第二耦合电容Cb2的耦合作用，节点vg1、节点vg2跟随LC谐振回路130振荡。当振荡幅度逐渐增大，偏置电压vba下降到小于第三晶体管MN1、第四晶体管MN2的阀值电压的时候，可认为偏置电压vba小于第一阀值电压，振荡电路120进入C类状态。偏置电压vba再进一步下降，使得第三晶体管MN1、第四晶体管MN2的导通角减小，从而减小对LC谐振回路电流的供给，可认为偏置电压vba小于第二阀值电压，振荡幅度不再增大，偏置电压vba不再减小，振荡电路120与自适应偏置电路110处于平衡状态。

偏置电阻组件122的结构并不唯一，可以是多个电阻串联、并联或混联组成。在一个实施例中，继续参照图2，偏置电阻组件122包括第一偏置电阻Rbl和第二偏置电阻Rb2，第一偏置电阻Rbl和第二偏置电阻Rb2串联且公共端连接自适应偏置电路110，具体连接自适应偏置电路110中的电流源lref第一偏置电阻Rbl另一端连接第三晶体管MN1的控制端，第二偏置电阻Rb2另一端连接第四晶体管MN2的控制端。

进一步地，在一个实施例中，振荡电路120还包括振荡调节组件124，第三晶体管MN1的输出端和第四晶体管MN2的输出端均通过振荡调节组件124接地。可通过振荡调节组件124对振荡电路120的振荡电流大小进行调节，以便操作人员选择所倡要的振荡电流，提高了射频压控振荡器的使用便利性。

振荡电路120的结构也不是唯一的，本实施例中，振荡调节组件124包括可变电阻Rs和旁路电容Cp，可变电阻Rs和旁路电容Cp并联后一端连接第三晶体管MN1的输出端和第四晶体管MN2的输出端，另一端接地。通过改变可变电阻Rs的电阻值，可以调节振荡电流大小。旁路电容Cp提供振荡电路120处于C类工作状态时所倡的低阻交流通路。

在一个实施例中，如图2所示，LC谐振回路130包括电感LL第一可变电容Cv1和第二可变电容Cv2，电感L1具有中心抽头，第一可变电容Cv1和第二可变电容Cv2串联后与电感L1并联，且并联后两端均连接振荡电路120；电感L1的中心抽头连接电源端VDD。第一可变电容Cv1、第二可变电容Cv2的电容量由控制脚Vtune的电压决定。

具体地，第一可变电容Cv1与第二可变电容Cv2串联后再与电感L1并联，构成LC并联谐振回路，并联回路的谐振频率由以下公式决定：

vxp与vxn为并联谐振回路的两个节点，节点vxp连接振荡电路120中的第一耦合电容Cbl和第三晶体管MN1，节点vxn连接振荡电路120中的第二耦合电容Cb2和第四晶体管MN2。

为了便于更好地理解上述射频压控振荡器，下面结合图2进行详细的解释说明。

自适应偏置电路110由晶体管MN3、MN4，补偿电阻Rz，滤波电容Cf，参考电流源lref组成。晶体管MN3、MN4的栅极分别与振荡电路120的节点vg1、vg2相连，漏极与节点vba相连，源极与节点vns2相连。补偿电阻Rz连接节点vns2与地。滤波电容Cf连接节点vba与地。参考电流源连接电源VDD与节点vba。

振荡电路120由晶体管MN1、MN2，偏置电阻Rbl、Rb2，耦合电容Cbl、Cb2，串联可变电阻Rs和旁路电容Cp组成。晶体管MN1作为振荡管，其栅极vg1通过耦合电容Cb2与节点vxn相连，其漏极连接到节点vxp，源极连接到节点vns1；晶体管MN2作为振荡管，其栅极vg2通过耦合电容Cbl与节点vxp相连，其漏极连接到节点vxn，源极连接到节点vns1。晶体管MN1、MN2构成交叉耦合。偏置电阻Rbl、Rb2分别与vg1、vg2相连，由自适应偏置电路110的节点vba给晶体管MN1、MN2提供直流偏置。进一步的，可变电阻Rs与旁路电容Cp连接晶体管MN1、MN2的源极节点vns1与地，通过改变可变电阻Rs的电阻值，可以调节振荡电流大小。旁路电容Cp提供振荡电路120处于C类工作状态时所倡的低阻交流通路。

LC谐振回路130由电感L1、可变电容Cv1、可变电容Cv2组成，电感L1的中心抽头接在电源VDD上，可变电容Cv1与Cv2串联后再与电感L1并联，构成LC并联谐振回路，vxp与vxn为并联回路的两个节点。

开始时刻，电路处于静止状态，节点vxp与vxn约等于电源电压VDD，vg1、vg2的电压与vba相等。电流源lref的电流通过晶体管MN3、MN4产生的偏置电压vba相比晶体管MN1、MN2的阀值电压高的多，足够将晶体管MN1、MN2偏置在放大区，提供足够大的增益，让LC谐振回路开始振荡，这个启动过程是处于B类状态。通过电容Cbl、Cb2的耦合作用，vg1、vg2也跟随vxp、vxn振荡。当振荡幅度逐渐增大，由于晶体管MN3、MN4的整流作用，偏置电压vba开始下降，电容Cf的滤波使得偏置电压vba的下降过程平滑。偏置电压vba下降到小于晶体管MN1、MN2的阀值电压的时候，振荡电路120进入C类状态。偏置电压vba再进一步下降，使得晶体管MN1、MN2的导通角减小，从而减小对LC谐振回路130电流的供给，振荡幅度不再增大，偏置电压vba不再减小，振荡电路120与自适应偏置电路110处于平衡状态。自适应偏置电压vba与vxp振荡幅度的示意过程如图3所示。

上述射频压控振荡器，通过自适应偏置电路110输出偏置电压使振荡电路120以B类状态驱动LC谐振回路130开始振荡，随着振荡幅度的增大，又使振荡电路120进入C类状态进行振荡，起振容易且电流利用率高。在第一晶体管MN3、第二晶体管MN4的输出端与地之间增加补偿电阻，以保持负反馈的稳定性，提供宽工作范围内的稳定性。

Claims (5)

1.一种射频压控振荡器，其特征在于，包括自适应偏置电路、振荡电路和LC谐振回路，所述振荡电路连接所述自适应偏置电路和所述LC谐振回路，

所述振荡电路包括第三晶体管、第四晶体管、偏置电阻组件、第一耦合电容和第二耦合电容，所述第三晶体管的输入端连接所述LC谐振回路，所述第三晶体管的控制端通过所述偏置电阻组件连接所述第四晶体管的控制端，所述第四晶体管的输入端连接所述LC谐振回路，所述第三晶体管的输出端和所述第四晶体管的输出端均接地；

所述第一耦合电容一端连接所述第三晶体管的输入端，另一端连接所述偏置电阻组件与所述第三晶体管的公共端，所述第二耦合电容一端连接所述第四晶体管的输入端，另一端连接所述偏置电阻组件与所述第四晶体管的公共端；

所述自适应偏置电路用于输出偏置电压至所述振荡电路；

所述振荡电路用于根据所述偏置电压以B类状态驱动所述LC谐振回路开始振荡且振荡幅度逐渐增大；所述振荡电路在所述偏置电压的幅值小于预设的第一阀值电压时进入C类状态，以及在所述偏置电压的幅值小于预设的第二阀值电压时振荡幅度停止增大；所述第一阀值电压大于所述第二阀值电压；

所述自适应偏置电路包括电流源、第一晶体管、第二晶体管、补偿电阻和滤波电容，所述电流源连接所述第一晶体管的输入端、所述第二晶体管的输入端和所述振荡电路，所述电流源与所述振荡电路的公共端通过所述滤波电容接地；所述偏置电阻组件与所述第三晶体管的公共端与所述第一晶体管的控制端连接，所述偏置电阻组件与所述第四晶体管的公共端与所述第二晶体管的控制端连接，所述第一晶体管的输出端和所述第二晶体管的输出端连接，且通过同一所述补偿电阻接地。

2.根据权利要求1所述的射频压控振荡器，其特征在于，所述偏置电阻组件包括第一偏置电阻和第二偏置电阻，所述第一偏置电阻和所述第二偏置电阻串联且公共端连接所述自适应偏置电路，所述第一偏置电阻另一端连接所述第三晶体管的控制端，所述第二偏置电阻另一端连接所述第四晶体管的控制端。

3.根据权利要求1所述的射频压控振荡器，其特征在于，所述振荡电路还包括振荡调节组件，所述第三晶体管的输出端和所述第四晶体管的输出端均通过所述振荡调节组件接地。

4.根据权利要求3所述的射频压控振荡器，其特征在于，所述振荡调节组件包括可变电阻和旁路电容，所述可变电阻和所述旁路电容并联后一端连接所述第三晶体管的输出端和所述第四晶体管的输出端，另一端接地。

5.根据权利要求1所述的射频压控振荡器，其特征在于，所述LC谐振回路包括电感、第一可变电容和第二可变电容，所述第一可变电容和所述第二可变电容串联后与所述电感并联，且并联后两端均连接所述振荡电路；所述电感的中心抽头连接电源端。

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