CN107809236A - 一种具有温度补偿的电感电容型压控振荡器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有温度补偿的电感电容型压控振荡器，包括尾电流源(1)、交叉耦合对管(2)、电容电感谐振腔(3)、温度补偿变容管电路(4)、低通滤波器(5)、电阻(6)和PTAT电流源(7)。PTAT电流源(7)产生与绝对温度成正比的电流，经过电阻(6)转换成与温度成正比的电压。低通滤波器(5)将该与温度成正比的电压滤波转换成VT2，调谐温度补偿变容管电路(4)中的变容管对，以补偿电感电容型压控振荡器振荡频率由于温度变化导致的频率变化。尾电流源(1)产生的电流为振荡电路提供偏置，交叉耦合对管(2)提供振荡所需的负阻条件，电容电感谐振腔(3)采用了n位数控电容阵列。本发明可以避免温度对宽输出频率范围锁相环性能的影响和可能引起的锁相环失锁现象。
Description
技术领域
本发明涉及压控振荡器技术领域，具体涉及一种具有温度补偿的电感电容型压控振荡器。
背景技术
电感电容型压控振荡器由于可以实现高的相位噪声性能而被广泛的应用在一些需要高性能的时钟产生电路的应用中，比如超高频无线通信系统。为了改善电感电容型压控振荡器的相位噪声性能，通常会采用数控电容阵列，输出多根调谐曲线去覆盖宽的频率调谐范围；分立偏置变容管，提高输出调谐曲线的线性度，增加实际可用的频率调谐范围以进一步改善振荡器的输出相位噪声性能。
自动频率校准电路在锁相环闭环工作前会选取一个最优的子频带，锁相环闭环工作会锁定这条子频带上的某一个频率点。芯片温度的改变会导致预先选定好的最优子频带的频率发生变化，进而导致锁相环锁定的频率点偏离该子带的中心点，甚至目标频率不在该子带上。因此温度引起的频率变化会恶化锁相环性能，可能引起锁相环失锁。与此同时，芯片温度的变化也会影响压控振荡器的振荡频率，通常情况下，振荡频率会随着温度的增加而减小。
分立调谐目前被广泛的应用在宽带低相位噪声的压控振荡器的设计中，但是分立调谐使得每条调谐曲线的频率变化范围变得很小，这就使得温度变化对振荡频率造成不可忽视的影响，引入具有温度补偿的电感电容型压控振荡器可以有效减小振荡频率随温度的变化量，应用在锁相环路中可以改善环路性能。
本发明提出了一种具有温度补偿的电感电容型压控振荡器，该振荡器通过将PTAT电流源产生的与绝对温度成正比的输出电流经过电阻转化为与绝对温度成正比的输出电压，然后使用通过低通滤波电路滤波后的该电压调谐温度补偿变容管对，该调谐电压对电感电容型压控振荡器振荡频率的影响与振荡电路本身随温度的变化趋势相反，可以相互抵消、抑制温度的影响对电感电容型压控振荡器振荡频率的影响。
发明内容
为了解决采用分立调谐方式的电感电容型压控振荡器由于温度变化导致的频率变化，避免锁相环性能的恶化和失锁。本发明提供了具有温度补偿的电感电容型压控振荡器。它具有结构简单、补偿效果好等特点。
本发明采用的技术方案为：一种具有温度补偿的电感电容型压控振荡器，包括：
尾电流源，提供振荡所需偏置电流；
交叉耦合对管，提供电感电容型压控振荡器振荡所需的负阻条件；
电容电感谐振腔，由电感L0、由n个开关控制的电容阵列和用于锁相环中的变容管调谐电路组成，可以产生多条频率调谐曲线，实现在覆盖宽的频率调谐范围的同时降低电感电容型压控振荡器的电压-频率增益KVCO，有效改善振荡器的相位噪声性能；
温度补偿变容管电路用来补偿因温度变化引起的频率变化对电路振荡频率的影响；
PTAT电流源由T1-Tm这m个数控位控制，产生一个与绝对温度成正比的输出电流；
电阻R1构成的电流电压转换电路，将PTAT电流源的输出电流转换为与绝对温度成正比的输出电压，引入由第三电阻R2和第二电容C1组成的低通滤波器，滤除PTAT电流源和电阻在振荡电路工作过程中产生的高频噪声，最后用该电压调谐温度补偿变容管电路中的温度补偿变容管对，以补偿电感电容型压控振荡器振荡频率随温度变化导致的频率变化；
其中，电容电感谐振腔中变容管调谐电路产生应用于锁相环路中的调谐端口，其中变容管对需要引入偏置电路以有效利用电容变化范围，该变容管对调谐电路由第三电容C2、第四电容C3、第四电阻R3、第五电阻R4、第一变容管Cvar0、第二变容管Cvar1组成，第三电容C2的一端通过第四电阻R3的一端与第一变容管Cvar0的一端相连接，第二变容管Cvar1的一端与第一变容管Cvar0的另一端相连接，该端口与调谐电压VT1连接，该调谐电压的大小与电感电容型振荡器电路的频率变化范围等有关，第二变容管Cvar1的另一端通过第五电阻R4的一端与第四电容C3的一端相连接，第四电阻R3的另一端和第五电阻R4的另一端连接与偏置电压VB1相连接，通常该电压选为VDD/2；温度补偿变容管电路中的变容管对也需要调谐电路，由第五电容C4、第六电容C5、第六电阻R5、第七电阻R6、第三变容管Cvar2、第四变容管Cvar3组成，第五电容C4的一端通过第六电阻R5的一端与第三变容管Cvar2的一端相连接，第四变容管Cvar3的一端与第三变容管Cvar2的另一端相连接，该端口接入由PTAT电流源产生经过电阻转换和低通滤波器滤波的与绝对温度成正比的调谐电压VT2，第四变容管Cvar3的另一端通过第七电阻R6的一端与第六电容C5的一端相连接，第六电阻R5的另一端与第七电阻R6的另一端连接与偏置电压VB2相连接。交叉耦合对管由第一P型场效应管MP0、第二P型场效应管MP1构成的交叉耦合对和由第一N型场效应管MN0、第二N型场效应管MN1构成的交叉耦合对结合形成的互补差分交叉耦合对；其中第一P型场效应管MP0的源端和第二P型场效应管MP1的源端连接与电源电压VDD相连接，第一P型场效应管MP0的漏端与第一N型场效应管MN0的漏端相连接，第一P型场效应管MP0的栅端与第二P型场效应管MP1的漏端相连接，第二P型场效应管MP1的漏端与第一P型场效应管MP0的漏端相连接，第二P型场效应管MP1的栅端与第一P型场效应管MP0的漏端相连接，第一N型场效应管MN0的栅端与第二N型场效应管MN1的漏端相连接，第二N型场效应管MN1的栅端与第一N型场效应管MN1的漏端相连接，第一N型场效应管MN0的源端与第二N型场效应管MN1的源端连接且与地电位相连接。
本发明的原理在于：
在闭环工作前，自动频率校准电路在锁相环闭环工作前会选取一个最优的子频带，目标频率该在子频带的中心位置附近。在固定电流为数控电流源阵列提供偏置的情况下，由于温度的变化，会导致压控振荡器频率的变化，目标频率偏移到选定的最优子频带的两端位置，甚至子频带外。频率的偏移会造成锁相环性能的恶化，甚至造成锁相环失锁。
对于本发明提供的具有温度补偿的电感电容型压控振荡器，电容电感谐振腔采用n位数控电容阵列实现用多条谐振曲线覆盖宽的频率调谐范围；采用互补差分交叉耦合对提供电感电容型压控振荡器振荡所需的负阻条件，交叉耦合对的引入实现了电流复用，降低了功耗，输出全差分的振荡波形有效改善振荡器的相位噪声性能；PTAT电流源可以产生与绝对温度成正比的输出电流，该电流经过电阻转换为与绝对温度成正比的输出电压，之后将该电压经过低通滤波电路滤波后调谐温度补偿变容管电路中的温度补偿变容管对，使得输出振荡频率随温度变化而变化，补偿电感电容型压控振荡器输出频率随温度变化导致的变化；可以有效减小采用分立调谐方式的电感电容型压控振荡器随温度变化振荡频率的变化量，应用在锁相环路中可以有效减小实际频率偏移到最优频带两端或者带外造成的锁相环路性能恶化甚至环路失锁。
本发明与现有技术相比的优点和积极效果为：
1、本发明在可以实现宽带低相位噪声的电感电容型压控振荡器的基础上，引入PTAT电流源产生与绝对温度成正比的输出电流，经过电阻转换为与绝对温度成正比的输出电压，该电压经过低通滤波之后调谐温度补偿变容管对，补偿电感电容型压控振荡器由于温度变化导致的频率变化；
2、本发明提供的具有温度补偿的电感电容型压控振荡器，可有效减小振荡器的振荡频率随温度变化的变化量，应用到锁相环中，不会由于温度变化导致锁相环性能严重恶化和失锁；
3、本发明提供的具有温度补偿的电感电容型压控振荡器使用N型和P型的场效应管，重复利用电流，以较低的功耗保证其正常起振。
附图说明
图1是锁相环频率综合器的示意图；
图2是本发明提出的具有温度补偿的电感电容型压控振荡器结构；
图3是引入温度补偿前电感电容型压控振荡器振荡频率随温度的变化曲线；
图4是引入温度补偿后电感电容型压控振荡器振荡频率随温度的变化曲线；
图中附图标记含义为：1为尾电流源，2为交叉耦合对管，3为电容电感谐振腔，4为温度补偿变容管电路，5为低通滤波器，6为电阻R1，7为PTAT电流源。
具体实施方式
以下参照附图详细描述本发明的具体实施方式。
如图2所示，一种具有温度补偿的电感电容型压控振荡器，包括：尾电流源1，提供振荡所需偏置电流；交叉耦合对管2，提供电感电容型压控振荡器振荡所需的负阻条件；电容电感谐振腔3由电感L0、由n个开关控制的电容阵列和用于锁相环中的变容管调谐电路组成，可以产生多条频率调谐曲线，实现在覆盖宽的频率调谐范围的同时降低电感电容型压控振荡器的电压-频率增益KVCO，有效改善振荡器的相位噪声性能；温度补偿变容管电路4用来补偿因温度变化引起的频率变化对电路振荡频率的影响；PTAT电流源7由T1-Tm这m个数控位控制，产生一个与绝对温度成正比的输出电流，由电阻R1 6构成的电流电压转换电路，将PTAT电流源7的输出电流转换为与绝对温度成正比的输出电压，引入由第三电阻R2和第二电容C1组成的低通滤波器5，滤除PTAT电流源7和电阻6在振荡电路工作过程中产生的高频噪声，最后用该电压调谐温度补偿变容管电路4中的温度补偿变容管对，以补偿电感电容型压控振荡器振荡频率随温度变化导致的频率变化；本发明中，电容电感谐振腔3中变容管调谐电路产生应用于锁相环路中的调谐端口，其中变容管对需要引入偏置电路以有效利用电容变化范围，该变容管对调谐电路由第三电容C2、第四电容C3、第四电阻R3、第五电阻R4、第一变容管Cvar0、第二变容管Cvar1组成，第三电容C2的一端通过第四电阻R3的一端与第一变容管Cvar0的一端相连接，第二变容管Cvar1的一端与第一变容管Cvar0的另一端相连接，该端口与调谐电压VT1连接，该调谐电压的大小与电感电容型振荡器电路的频率变化范围等有关，第二变容管Cvar1的另一端通过第五电阻R4的一端与第四电容C3的一端相连接，第四电阻R3的另一端和第五电阻R4的另一端连接与偏置电压VB1相连接，通常该电压选为VDD/2；温度补偿变容管电路4中的变容管对也需要调谐电路，由第五电容C4、第六电容C5、第六电阻R5、第七电阻R6、第三变容管Cvar2、第四变容管Cvar3组成，第五电容C4的一端通过第六电阻R5的一端与第三变容管Cvar2的一端相连接，第四变容管Cvar3的一端与第三变容管Cvar2的另一端相连接，该端口接入由PTAT电流源7产生经过电阻6转换和低通滤波器5滤波的与绝对温度成正比的调谐电压VT2，第四变容管Cvar3的另一端通过第七电阻R6的一端与第六电容C5的一端相连接，第六电阻R5的另一端与第七电阻R6的另一端连接与偏置电压VB2相连接。交叉耦合对管2由第一P型场效应管MP0、第二P型场效应管MP1构成的交叉耦合对和由第一N型场效应管MN0、第二N型场效应管MN1构成的交叉耦合对结合形成的互补差分交叉耦合对；其中第一P型场效应管MP0的源端和第二P型场效应管MP1的源端连接与电源电压VDD相连接，第一P型场效应管MP0的漏端与第一N型场效应管MN0的漏端相连接，第一P型场效应管MP0的栅端与第二P型场效应管MP1的漏端相连接，第二P型场效应管MP1的漏端与第一P型场效应管MP0的漏端相连接，第二P型场效应管MP1的栅端与第一P型场效应管MP0的漏端相连接，第一N型场效应管MN0的栅端与第二N型场效应管MN1的漏端相连接，第二N型场效应管MN1的栅端与第一N型场效应管MN1的漏端相连接，第一N型场效应管MN0的源端与第二N型场效应管MN1的源端连接且与地电位相连接。
图2是本发明提出的具体实现电路的一个实例，PTAT电流源可以产生与绝对温度成正比的电流，经过电阻转换为与绝对温度成正比的电压，该电压经过低通滤波器滤波后调谐温度补偿变容管电路的变容管对，以补偿电感电容型压控振荡器振荡频率由于温度变化造成的频率变化。此电路的仿真是基于180nm CMOS工艺，提供1.8V供电电压，温度变化范围在-20℃～85℃。
图3是引入温度补偿变容管电路前电感电容型压控振荡器振荡频率随温度的变化情况，输出频率变化大约是12.5MHz；图4是引入温度补偿变容管电路后电感电容型压控振荡器振荡频率随温度的变化情况，此时输出频率变化大约是130KHz，可以看到，本发明提出的具有温度补偿的电感电容型压控振荡器可以大幅减小传统的分立调谐电感电容型压控振荡器的输出频率随温度变化的变化量，有效改善将该振荡电路应用在锁相环路中造成的环路性能下降甚至失锁。
本发明未详细公开的部分属于本领域的公知技术。
尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
Claims (1)
1.一种具有温度补偿的电感电容型压控振荡器，其特征在于：该电感电容型压控振荡器包括：
尾电流源(1)，提供振荡所需偏置电流；
交叉耦合对管(2)，提供电感电容型压控振荡器振荡所需的负阻条件；
电容电感谐振腔(3)，由电感L0、由n个开关控制的电容阵列和用于锁相环中的变容管调谐电路组成，可以产生多条频率调谐曲线，实现在覆盖宽的频率调谐范围的同时降低电感电容型压控振荡器的电压-频率增益KVCO，有效改善振荡器的相位噪声性能；
温度补偿变容管电路(4)，用来补偿因温度变化引起的频率变化对电路振荡频率的影响；
PTAT电流源(7)，由T1-Tm这m个数控位控制，产生一个与绝对温度成正比的输出电流；
电阻R1(6)构成的电流电压转换电路，将PTAT电流源(7)的输出电流转换为与绝对温度成正比的输出电压，引入由第三电阻R2和第二电容C1组成的低通滤波器(5)，滤除PTAT电流源(7)和电阻(6)在振荡电路工作过程中产生的高频噪声，最后用该电压调谐温度补偿变容管电路(4)中的温度补偿变容管对，以补偿电感电容型压控振荡器振荡频率随温度变化导致的频率变化；
其中，电容电感谐振腔(3)中变容管调谐电路产生应用于锁相环路中的调谐端口，其中变容管对需要引入偏置电路以有效利用电容变化范围，该变容管对调谐电路由第三电容C2、第四电容C3、第四电阻R3、第五电阻R4、第一变容管Cvar0、第二变容管Cvar1组成，第三电容C2的一端通过第四电阻R3的一端与第一变容管Cvar0的一端相连接，第二变容管Cvar1的一端与第一变容管Cvar0的另一端相连接，该端口与调谐电压VT1连接，该调谐电压的大小与电感电容型振荡器电路的频率变化范围等有关，第二变容管Cvar1的另一端通过第五电阻R4的一端与第四电容C3的一端相连接，第四电阻R3的另一端和第五电阻R4的另一端连接与偏置电压VB1相连接，通常该电压选为VDD/2；温度补偿变容管电路(4)中的变容管对也需要调谐电路，由第五电容C4、第六电容C5、第六电阻R5、第七电阻R6、第三变容管Cvar2、第四变容管Cvar3组成，第五电容C4的一端通过第六电阻R5的一端与第三变容管Cvar2的一端相连接，第四变容管Cvar3的一端与第三变容管Cvar2的另一端相连接，该端口接入由PTAT电流源(7)产生经过电阻(6)转换和低通滤波器(5)滤波的与绝对温度成正比的调谐电压VT2，第四变容管Cvar3的另一端通过第七电阻R6的一端与第六电容C5的一端相连接，第六电阻R5的另一端与第七电阻R6的另一端连接与偏置电压VB2相连接；交叉耦合对管(2)由第一P型场效应管(MP0)、第二P型场效应管(MP1)构成的交叉耦合对和由第一N型场效应管(MN0)、第二N型场效应管(MN1)构成的交叉耦合对结合形成的互补差分交叉耦合对；其中第一P型场效应管(MP0)的源端和第二P型场效应管(MP1)的源端连接与电源电压VDD相连接，第一P型场效应管(MP0)的漏端与第一N型场效应管(MN0)的漏端相连接，第一P型场效应管(MP0)的栅端与第二P型场效应管(MP1)的漏端相连接，第二P型场效应管(MP1)的漏端与第一P型场效应管(MP0)的漏端相连接，第二P型场效应管(MP1)的栅端与第一P型场效应管(MP0)的漏端相连接，第一N型场效应管(MN0)的栅端与第二N型场效应管(MN1)的漏端相连接，第二N型场效应管(MN1)的栅端与第一N型场效应管(MN1)的漏端相连接，第一N型场效应管(MN0)的源端与第二N型场效应管(MN1)的源端连接且与地电位相连接。
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