CN1082275C - 在高质量振荡器件中采用负fm反馈的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

为增加振荡器的有效Q值以致用低Q值振荡器时能达到所需的Q值，提供了一种装置和方法。在这种装置和方法中，FM噪声在振荡器的输出用FM检波器测量，而FM检波器的输出反馈到振荡器的控制输入上。利用这个负FM反馈，振荡器输出的频率变化通过在振荡器的控制输入加一校正信号得到抑制。抑制量依赖于FM反馈环路的有效Q值与这个环路增益成比例。由于采用负反馈环路校正在振荡器输出所测的FM噪声，振荡器的有效Q值相应于用FM反馈环路的环路增益乘以原来的Q值，因而振荡器的有效Q值得以增加。

Description

在高质量振荡器件中采用负FM反馈的装置和方法
背景
通讯系统向上或向下转换在发射机和/或接受机中的信号。频率综合器中需要纯而稳定的频率参考，在诸如这样的系统和装置中都有振荡器件的应用。本发明旨在改进这些振荡器件的稳定度。本发明的装置和方法还应用于如手表和计算装置这样的系统中，在这些系统中需要有高稳定的时钟信号作为参考。本发明的装置和方法在应用振荡器的任何领域内也都是有用的。
任何在其中定时在某种程度上是重要的系统都有一个本机振荡器，而许多系统亦需要本机产生的准确频率参考。例如，如果没有为转换信息信号到适当的频带上的发射机和接收机中的本机振荡器，无线电传送是不可能的。这些系统的性能高度地依赖于由振荡器提供的频率稳定度。振荡器输出中的相位跳动(相位噪声)限制了参考的准确度，因而限制了整个系统的准确度。振荡器输出中的幅度变化在许多应用中也是重要的，然而这些幅度变化能够用限幅器或自动增益控制很容易地被抑制。
高性能的振荡器的一般结构包括一个放大器，通过谐振机构它的输出反馈到它的输入上。当反馈环路中的频率变化时，这个谐振机构产生一个大的输出变化，而这个输出变化抵制频率变化，所以频率变化被减至最小。当谐振器输出的频率变化大时，校正也变强。谐振器随频率变化用品质因数或Q值表示。一个较高的Q值表明谐振器对频率变化是较灵敏的，因而最后的振荡器输出频率将是较稳定的。为了提供具有纯而稳定的频率输出，低噪声和高Q值为振荡器所需求。为稳定的振荡器而设计的谐振机构的高Q值是很重要的。这因为振荡器的最后输出频谱取决于在环路中产生的噪声和谐振器的Q值。
高Q值谐振器典型上是用压电晶体制成。压电晶体在特殊的频率上提供陡峭的相位改变。陶瓷谐振器也能被应用。它在与其物理尺寸有关的频率或在谐振器呈现电感性质的较低频率上谐振。此外，LC谐振器(同电容器组合的线圈)也能被使用。除了晶体谐振器只能用到相对低的频率这个事实外，所有这些谐振器类型不适于同电子设备集成在一个IC芯片上，结果这些谐振器类型使用分立元件。因此，为改进器件的成本、性能和可靠性，提供芯片上的参考很希望有谐振元件的集成。可是，唯一的可能用于芯片集成的谐振器类型是LC结构。然而，标准的IC工艺规程提供低Q值线圈(高串联电阻)，这就限制LC结构谐振器的Q值，因而不允许集成高Q值振荡器。
一个振荡器可模拟为一个有极其小带宽的噪声滤波器，从而振荡器的输出频谱可按窄带噪声考虑。这个噪声能分成幅度或AM噪声和相位(PM)或频率(FM)噪声。AM噪声可用自动增益控制(AGC)或在反馈环路中的限幅器得到抑制。然而，FM噪声依赖于在反馈环路中的谐振器的校正能力，或者依赖于谐振器的Q值。当在振荡器输出端上的AM噪声被去掉时，只FM噪声残留，振荡器可模仿成在其频率控制输入端上有噪声信号的一个理想振荡器(具有无限大Q值)，在控制输入端上的噪声提供类似于非理想振荡器输出的振荡器输出的FM调制。
图1说明一个典型振荡器的配置，其中放大器10被一个无源的相位反转网络20反馈。振荡器器5在Barkhausen条件满足的频率下开始振荡。在此条件下，环路增益精确地是1，而环路相位是0或2π。振荡器5最好这样设计，即相位条件出现在网络20的相位特性曲线的最陡部分处。更确切地，网络20的Q值按照下式同振荡器的相位导数或群延迟δφ/δf有关：
Figure C9619462700061
式中f0是以Hz为单位的谐振频率。
振荡器5的输出频谱可通过将该振荡器5模拟成一个极窄带滤波器来确定，该滤波器滤除在反馈环路中的噪声。在输出端上的噪声功能谱密度Sv因而同在环路中的白噪声密度sn成正比，而同谐振机构的Q2成反比：
Figure C9619462700062
当用一个已知的方式，如加AGC或限幅器，取掉输出频谱中的AM噪声时，只剩下相位噪声，如图2所示，它可模拟为电压控制振荡器(VCO)30的FM调制。如图2所示，非理想(低Q值、有噪声)振荡器可用一个理想(无限大Q值、无噪声)VCO30表示。VCO30在其控制输入端上有一个等效的噪声源，这个噪声源在理想的VCO的输出端上产生同原来的非理想振荡器会表现的相同的噪声谱。对于一个振荡器设计专业技术人员来说会知道，通过调整谐振器中的一个元件就可改变振荡器的频率。图3表示一个含有线圈40和电容50的并联谐振例子。如图3b所示，当用变容二极管或可变电抗二极管55使电容是可调整的时，不影响谐振器机构的Q值就可改变谐振频率
Figure C9619462700071
。其他谐振器机构如串联谐振机构也是可使用的。通过利用窄带FM分析，来自方程式2的频谱可由在VCO30的输入端上的白噪声源产生，这个白噪声源有按下式：
Figure C9619462700072
计算出来的等效噪声电压un。式中KVCO是以Hz/V为单位的VCO30的灵敏度。
当振荡器按一个如图2所示的在其输入端上有噪声源的VCO模拟时，通过在VCO30的输入上加负反馈输出相位噪声可被减小。负反馈的加法是，测量在VCO30输出上的相位和频率扰动，将这些所测的扰动反馈到VCO30的输入上。一个已知的补偿相位扰动的技术是锁相。利用相位锁定环(PLL)将低Q值的VCO的相位锁到一个纯净的参考上，结果低Q值的VCO将提供一个在PLL噪声带宽内同参考一样纯的输出信号。这可被看作一个负PM反馈。
在Shepherd等人的美国专利5,331,293中，揭示了将这种解调输出反馈到直接数字频率综合器的输入上来稳定直接数字频率综合器的输出这一另一已知的技术。这个技术抵消掉相应于由数字综合器部分的运转而引起的非需要调制的跳动。如图1所示，解调器118也产生一个信号，这个信号反馈到时钟上用作补偿。这个补偿发生在直接频率综合器124的时钟上，时钟是一个通过PLL锁定到一个参考频率上的VCO，这个技术为补偿采用了一个复杂的减法方法。
在Carlson的名为通讯系统的270页上介绍了另一种已知的FM补偿技术。在问题7.3-2中，Carson揭示了一个直接FM发生器，它含有同由VCO输出的FM检测导出的一个信号一起反馈的VCO。在这个技术中，借助在环路中加低通滤波器，补偿消除了DC偏移和调制信号的漂移。
因为在许多应用中增加振荡器的有效Q值是所希望的，所以振荡器的谐振机构的设计是重要的。然而，在芯片集成中只有低Q值的谐振器才能被加工。如果有一种增加谐振器的有效Q值的方法，那么在制造低成本、高性能和高可靠性的高Q值振荡器时，低Q值谐振器也能够得到应用。
概述
本发明的目的是提供一种增加振荡器的有效Q值因而抑制振荡器输出上的频率变化的装置和方法。
本发明的另一个目的是利用直接从振荡器件的输出导出的校正信号的负FM反馈环来改进振荡器件的稳定度。
本发明的这些目的是通过提供一种装置和方法来实现的。为增加振荡装置稳定度该装置包含一个用于测量振荡器件的FM噪声输出的FM检波器。方法是按所说的FM检波器测量的所说的FM噪声比例来抑制在振荡器件输出上的频率变化。当对振荡器件用一校正信号输入来抑制在振荡器件输出上测得的FM噪声时，振荡器件的有效Q值被增加，而频率变化被抑制。结果，一个低Q值的振荡器件被提升到有较高的有效Q值用于所需要的应用。
本发明的这些目的也可通过提供一个稳定振荡器件的方法来实现。这个方法包括测量振荡器件的FM噪声输出和直接按测量的FM噪声比例来抑制在振荡器件输出上的频率变化这些步骤。通过利用吻合所测的FM噪声的负FM反馈环这种方法增加振荡器件的有效Q值，这样振荡器的有效Q值按负FM反馈环的环路增益的比例增加。
本发明的进一步应用范围从下文给出的详细说明会明了。但是，应理解到当表明发明的优选实施例时，只是按例证给出详细说明和具体例子。这因为对于熟悉详细说明的本专业技术人员来说在本发明的精神和范围内各种改变和改进都会是明显的。
附图的简要说明
从下面给出的详细说明和仅按例证给出的附图中将会充分理解本发明，而这些是不对本发明的限制。附图有：
图1表示一般振荡器的简化模型；
图2表示用噪声控制一个理想VCO模拟一个非理想振荡器。
图3a和3b分别表示并联谐振和可调谐的并联谐振电路。
图4表示用于本发明的一个实施例中的FM反馈振荡器。
图5是表示用于本发明的另一个实施例中的可调谐FM反馈振荡器；和
图6表示有2个控制信号的并联谐振电路。
详细说明
本发明FM关于反馈振荡器的一个实施例将参照图4进行讨论。图4表示FM反馈振荡器的一般概念。FM反馈振荡器包括一个FM检波器100、一个含有理想VCO112的非理想VCO110、一个加法器和噪声信号Un的噪声电压源114。噪声源114是一个虚的或等效的源，它在理想VCO112的输出上产生同非理想VCO110的噪声频谱等同的噪声频谱。FM检波器100的输入联到VCO110的输出上。FM检波器100测量在VCO110的输出上的噪声，而FM检波器100的输出联到VCO110的输入上，将所测的FM噪声反馈到VCO110上。总环路增益必须是负的。这可通过负的VCO增益(即正的VCO输入偏差给出输出频率的减小)或负的FM检波器增益(即正的频率偏差给出负的输出偏差)来完成。结果，在理想VCO112的输入上看到的等效噪声信号从原来的噪声信号Un减少到变小的噪声信号Un.eg。将振荡看作在其输入上有加法器和噪声源114的理想VCO112，通过将负反馈加到理想VCO112的输入上，理想VCO112的输出相位噪声可按下式减少。
Figure C9619462700091
反馈环减小在噪声源114上的噪声到数值Un.eg。式中KFM是以V/Hz为单位的FM检波器100的增益。
因为理想VCO112输入上的等效噪声电压与谐振器Q值成反比(见方程式3)，所以负FM反馈按下式
                                            方程式5
QCJ＝(1+KFM×KVCO)Q
有效地增加了振荡器的Q值。在这个FM反馈环中，为获得一个高有效Q值振荡器环路增益应尽量做得高。FM反馈环的环路增益-KFM×KVCO除了抑制VCO输出的噪声外还抑制FM反馈环中的任何噪声。此外，不能看作如1/f或闪烁噪声这样的窄带过滤噪声的相位噪声，如来自其他电路的串音这样在振荡器输出上注入的其他噪声也能被抑制。对图4的实施例中说明的FM反馈振荡器足够作为一个有固定谐振频率的高Q值振荡器。使FM反馈控制稳定的频率分别由VCO110的电压-频率曲线和FM检波器100的频率-电压曲线的交点决定。但是，在大多数应用中，为校正制造的不准确性或者为在工作期间得到预期的频率偏移或跳越往往要求振荡器要有被电压控制的谐振频率。
图4上所示的振荡器FM反馈工作到直流。因为控制VCO输入的任何变化都被反馈环抑制，所以这个振荡器难以调谐。相应地，图5表示了另一个本发明的实施例，其中提供了一个其谐振频率由电压控制的可调谐振荡器。同图4所示的实施例类似，图5的可调谐FM反馈振荡器包括FM检波器100、包含一个理想VCO112和噪声源114的非理想VCO110、带通滤波器120和加法器及外控制源130。带通滤波器120和加法器及外控制源130联在FM检波器100的输出和非理想VCO110的输入之间。带通滤波器120在较低频率范围起作用阻止环路控制，以便使VCO110能被一个输入到加法器的外部慢变化控制信号Ue和外控制源130控制。
带通滤波器120作为一个高通滤波器工作来实现振荡器的频率控制。带通滤波器120的低端截止频率应在频率控制的最高调制频率上。在这个截止频率以下，环路增益是零，而且不产生任何补偿。在本实施例中，为减少离载频某距离上的相位噪声，VCO110的Q值被增加。接近载频的相位噪声通常不成问题。例如在间接频率综合器的应用中，VCO110被锁到一个参考频率上，这个参考频率在PPL环路带宽以内或接近载频稳定VCO110的输出频率。在PLL带宽以外利用本发明的实施例中说明的FM反馈补偿来稳定频率。为避免在发生合成的PLL带宽以内的FM补偿，FM反馈应含有高通滤波。
除提供可调谐能力的环路带宽的低截止频率外，也需要带通滤波器120在高端频率上起滤波作用。当VCO110的输出达到噪声最低限度时，频谱不能视作纯相位噪声。噪声的AM部分不能用在VCO110的输入上的噪声源表示，因而这个AM噪声不能被补偿。由于FM检波器100的AM灵敏度，这个AM噪声产生FM。虽然FM噪声再被环路补偿，但是最好还是防止这个FM噪声到达VCO110的输入上。因此，带通滤波器120必须要有这样的带通特性，即高频率截止应最好在未补偿的VCO110的输出频谱达到噪声最低限度的频偏上。
可调谐FM反馈振荡器包含一个加法器130，将调制信号加到VCO控制信号上。事实上，在VCO110内可做这个加法，因而VCO110必须要有两个控制输入。图6表示一个具有双重控制的并联谐振电路的本发明实施例。图6的并联谐振电路包括双重控制Ue和Uc以及分别在控制Ue和Uc与地之间联接的两个变容二极管或可变电抗二极管200和210，一个在控制Ue和Uc之间联接的DC隔直电容器220，还有一个同可变电抗二极管200和210并联的电感230。这两个控制电压Ue和Uc(分别为外调谐信号和FM反馈补偿信号)直接控制两个独立的变容二极管或可变电抗二极管200和210。当这个并联谐振用作VCO110中的谐振器时，两个控制电压Ue和Uc独立地控制VCO110的谐振频率。
就本发明的实施例来说，FM检波器100是FM反馈振荡器中非常重要的元件。FM检波器100最好是一个噪声很低的电路。FM检波器的噪声贡献应足以在FM输出信号以下。这个信号是在如方程式3给出的等效噪声电压Un量级。对于FM检波以器100及增益KFM的要求并不是非常高。增益KFM按下式计算：
Figure C9619462700111
式中Kloop是环路增益。如果要求Q值增加到10倍(Kloop＝10)，而譬如说要求一个100MHz/V的VCO增益，则所需的增益KFM＝1μV/Hz。在FM检波器100达不到这增益的情况下，在FM检波器100或带通滤波器后面的低噪声放大器(未表示)提供额外的环路增益，即-Ga×KFM×KVCO，其中Ga＝低噪声放大器的增益。检波器100的线性不是重要的，这因为环路增益中的非线性将只轻微地在频谱衰落中有反映。FM检波器100的工作范围由VCO110的外调制决定。因为在VCO110的输入上被补偿的噪声的信号电平很小，从而瞬时频率偏差相对小，所以由于这个噪声信号引起的瞬时频率偏差被限制到很小的范围。
本发明的实施例是指示利用FM检波器测量在振荡器输出上FM噪声，将FM检波器的输出反馈到振荡器的控制输入上。通过利用FM负反馈，振荡器输出的频率变化由于在振荡器的控制输入端上加校正信号而被抑制。抑制量依赖于负FM反馈环的环路增益。并且抑制量同环路增益成正比，以致振荡的有效Q值同环路增益成正比。通过用负FM反馈校正在振荡器输出上测出的FM噪声，振荡器的有效Q值是谐振机构原来的Q值乘以FM反馈环的环路增益。结果，能使用低Q值的振荡器，并且该振荡器的低Q值能加以提升，使得在任何应用该初始Q值不足的振荡器的场合中其有效Q值增加。
本发明如上说明。显然，同样的东西会以许多方式改变。这样的改变不被视作偏离本发明的精神实质和范围。所有这些对于本专业技术人员是明显的改进被认为包括在下述权利要求的范围之内。

Claims (24)

1.适于增加振荡器件Q值的同时增加振荡器件输出稳定度的装置包括：
用于测量振荡器件FM噪声输出的FM检波器和；
借助于一个如下的校正信号在增加Q值同时抑制振荡器件输出频率变化的反馈环，该反馈环由加法器、噪声电压源和电压控制振荡器组成，这个校正信号直接由振荡器件从所说FM噪声输出端而产生，并与用所说FM检波器测出的所说FM噪声成比例。
2.根据权利要求1的装置，其中振荡器件由电压控制振荡器组成。
3.根据权利要求1的装置，其中振荡器件由间接频率综合器组成。
4.根据权利要求1的装置，其中所说校正信号增加振荡器件的Q值到(1+KFM×KVCO)倍，这里的KFM＝所说FM检波器的增益，而KVCO＝受控振荡器件的灵敏度。
5.根据权利要求1的装置，还包含一个低噪声放大器，用所说校正信号增加振荡器件Q值到(1+Ga×KFM×KVCO)倍，这里的Ga＝所说低噪声放大器的增益，KFM＝所说FM检波器的增益，而KVCO＝振荡器件的灵敏度。
6.根据权利要求1的装置，还包括一个带通滤波器，该滤波器联到所说的FM检波器的输出端以便防止所说抑制装置在预定的低频范围施加所说的校正信号。
7.根据权利要求6的装置，还包括为将外部的慢变化控制信号加到振荡器件上的外部控制装置。
8.根据权利要求6的装置，其中所说带通滤波器含有这样的带通特性，在未补偿的振荡器件的输出频谱达到噪声最低限度的频偏上它使高频截止。
9.根据权利要求1的装置，还包含联到所说FM检波器输出的一个低噪声放大器，用以实现增加环路增益，进一步增加振荡器件的有效Q值。
10.根据权利要求1的振荡器件，在其中，通过直接从所说振荡器的输出产生一校正信号并将这个校正信号加到所说的振荡器上，所说的负FM反馈环抑制不希望有的频率变化。
11.根据权利要求1的振荡器件，其中所说负反馈环增加适用于固定谐振频率的所说振荡器的有效Q值。
12.在增加振荡装置有效Q值的同时稳定振荡装置输出的方法，包括如下步骤：
(a)用FM检波器测量来自振荡器件的噪声输出；和
(b)通过直接从所说的由振荡器件的FM噪声输出产生的并同所说步骤(a)上所测的所说FM噪声成比例的校正信号在增加Q值的同时抑制在振荡器件输出上的频率变化。
13.根据权利要求12的方法，其中振荡器件由电压控制振荡器组成。
14.根据权利要求12的方法，其中振荡器件由间接频率综合器组成。
15.根据权利要求12的方法，其中所说校正信号增加振荡装置的有效Q值到(1+KFM×FVCO)倍，这里的KFM＝所说FM检波器的增益，而KVCO＝受控振荡器件的灵敏度。
16.根据权利要求12的方法，其中用在所说FM检波器输出上联接低噪声放大器的情况下，所说校正信号按(1+Ga×KFM×KVCO)倍数增加振荡装置Q值，这里Ga＝所说低噪声放大器的增益，KFM＝所说FM检波器的增益，KVCO＝振荡装置的灵敏度。
17.根据权利要求12的方法，还包括这一步骤，即在所说步骤(b)上通过联到所说FM检波器输出上的一个带通滤波器防止所说校正信号在预定的低频范围被加上。
18.根据权利要求17的方法，还包括将一个外部慢变化控制信号加到振荡装置上这一步骤。
19.根据权利要求17的方法，其中在未补偿振荡器件在输出频谱达到噪声最低限度的频偏上高频截止。
20.根据权利要求12的方法，还包括这一步骤，即通过联到所说FM检波器输出上的一个低噪声放大器增加环路增益，从而进一步增加振荡器件的有效Q值。
21.根据权利要求12的方法，其中所说的步骤(b)用一个FM检波器测量在所说的FM调制信号中的噪声。
22.根据权利要求12的方法，其中，所说的步骤(b)通过直接从所说振荡器的输出产生校正信号并将所说校正信号加到所说振荡器上来抑制不希望有的频率变化。
23.根据权利要求12的方法，其中所说的步骤(b)增加用于固定谐振频率的所说振荡器的有效Q值。
24.根据权利要求12的方法，其中所说振荡器的有效Q值按(1+KFM+KVCO)倍数增加，这里KFM＝所说FM检波器的增益，而KVCO＝受控振荡器件的灵敏度。
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