CN108365823B - 一种基于场效应管的大变容比压控变容电路 - Google Patents

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Abstract

本发明属于微波电路领域，具体提供一种基于场效应管的大变容比压控变容电路，包括：压控端口、扼流电感、限制器、N个前级支路、M个后级支路及变容端口，其中，N≥1，M≥1；控制电压接入压控端口，其负极接地、正极依次串联扼流电感与限制器；所述前级支路由前级电容与前级场效应管构成，其中，前级场效应管的源极和漏极相连并接地、栅极与限制器连接，且前级场效应管的栅极串联前级电容后接入变容端口；所述后级支路由后级电容与后级场效应管构成，其中，后级场效应管的栅极与限制器连接、源极接地、漏极串联第二后级电容后接入变容端口。本发明有效实现了大变容比变容电路结构，结构简单且可扩展性好，能够灵活调节变容范围。

Description

一种基于场效应管的大变容比压控变容电路
技术领域
本发明属于微波电路领域，涉及一种利用场效应管实现的大变容比压控变容电路结构，可广泛应用于各类压控振荡器电路中。
背景技术
随着一系列商用和军用通信系统、武器系统的小型化、多冗余、可重构等要求的提出，设计实现一套完整的宽频带、高性能微波固态电路片上系统成为决定系统性能优劣的关键。其中，微波频率源部分为整个系统提供了可靠的最基本的频谱资源，该资源的丰富程度将决定一个收发机或基础系统能够承担工作的多重性和多样性。一个宽带、高性能、高可靠性的微波频率源，有助于帮助系统实现强电磁抗干扰、强电磁干扰和高冗余设计，并进一步地支撑实现系统软件层面的可重构。目前，设计实现可调频率源通常采用压控振荡的方式，该方式使用较为简单的电压调谐来控制电路中容性器件的参数，并进一步控制振荡频率，以实现一种电压控制的电容电感(LC)振荡器。这其中又以通过变容二极管实现电压控制电容取值变化的方式最为常见。
经典的LC压控振荡器结构利用了二极管PN结的势垒电容与结间反偏电压呈现幂函数关系的特性，PN结间反偏电压越大，结内电子浓度越小，相对应的势垒电容越小，由此实现可调的电容特性。该结构的缺点是：1.二极管PN结反偏的势垒电容变化范围通常较窄，变容比(电压调整范围内电容最大值与最小值之比)较小，且受封装寄生电容的影响，变容比会进一步减小，如SKYWORKSS公司生产的变容二极管SMV-1232-079LF，其变容范围只有0.46 6pF-2.35pF，变容比约5；2.该结构难以适用于宽带设计的集成电路，如MMIC和CMOS电路，由于CMOS电路中实现一个三极管的成本很低，因此通常使用三极管代替实现变容二极管，同样利用PN结反偏势垒电容实现变容，因此这类变容结构的变容范围同样非常窄，在实现宽带设计时必须要依靠并联多级变容管并分别进行开关控制的方式实现，而且振荡器的频谱纯净度和相位噪声通常难以达标；而在MMIC电路中，微纳级的PN结工艺依然难以实现宽变容范围的特性，电容变化指数较小，在固定偏压范围内只能实现数倍的变容比，从而只能设计实现一个窄带的压控振荡器。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术中变容范围小、易用性差的问题，提供一种基于场效应管的大变容比压控变容电路，用于各类需要变容管的分立器件电路、混合集成电路、单片集成电路和CMOS电路中。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种基于场效应管的大变容比压控变容电路，包括：压控端口(1)、扼流电感(2)、限制器(3)、N个前级支路、M个后级支路及变容端口(10)，其中，N≥1，M≥1；其特征在于，控制电压接入压控端口，其负极接地、正极依次串联扼流电感与限制器；所述前级支路由前级电容(4)与前级场效应管(5)构成，其中，前级场效应管的源极和漏极相连并接地、栅极与限制器连接，且前级场效应管的栅极串联前级电容后接入变容端口；所述后级支路由后级电容(6)与后级场效应管(7)构成，其中，后级场效应管的栅极连接电压源、源极接地、漏极串联第二后级电容后接入变容端口。
进一步的，所述限制器为一电阻性器件，当控制电压较小时，场效应管栅极与源极、漏极间阻抗无穷大，控制电压有效加载至前级场效应管两端；当控制电压较大时，流经前级场效应管回路的电流由限制器决定。限制器可用以灵活控制电容随电压变化的斜率，当限制器阻值较大时，控制电压的范围增大，电容随电压变化曲线的斜率降低；反之，当限制器阻值较小时，控制电压的范围减小，电容随电压变化曲线的斜率增大。
本发明中，所述前级支路中，所述前级电容起到控制变容范围的作用；所述前级场效应管其源极与漏极相连到地，从栅极测量得到的端口电容与流经栅源、栅漏的电流大小相关，该电流越大，载流子越多，端口电容越大。同时，可以采用多个前级支路级联，起到控制变容范围的作用，以满足实际应用的需求；级联过程中，各后级支路中前级电容与前级场效应管的器件参数可以相同、也可以不相同，应根据实际应用需求相应调节。
所述后级支路中，后级电容与后级场效应管串接在变容输出端口和地之间，实现一个小电容旁路的效果，起到减小变容端口阻抗实部的作用；当控制电压变化时，该回路等效电容随之变化，最大程度上降低变容端口的阻抗实部，增大变容电路Q值；当控制电压较大时，流经后级场效应管的载流子变多，从而进一步提升端口电容的调谐范围。同时，可以采用多个后级支路级联，起到降低变容端口阻抗实部的作用，以满足实际应用的需求；级联过程中，各后级支路中后级电容与后级场效应管的器件参数可以相同、也可以不相同，应根据实际应用需求相应调节。
本发明的有益效果在于：
本发明提供一种基于场效应管的大变容比压控变容电路，有效实现了一种具有良好的工艺兼容性的大变容比变容电路结构，可广泛应用于各类分离器件电路、混合集成电路、单片集成电路(MMIC)和CMOS电路。该变容电路中的限制器可灵活控制调谐电压的范围以及电压控制电容的斜率，结合场效应管的特性，进一步降低在系统实现时对调谐电压调节范围的依赖；同时该电路结构简单且可扩展性好，可根据实际应用接入不同级数的电容和场效应管，灵活调节变容范围。
附图说明
图1为实施例1中基于场效应管的大变容比压控变容电路结构示意图。
图2为实施例1中基于场效应管的大变容比压控变容电路控制电压与电容变化关系图。
图3为实施例1中基于场效应管的大变容比压控变容电路中后级支路的等效电路图。
图4为实施例2中基于场效应管的大变容比压控变容电路结构示意图。
图5为实施例2中基于场效应管的大变容比压控变容电路控制电压与电容变化关系图。
图6为实施例3中基于场效应管的大变容比压控变容电路结构示意图。
图7为实施例3中基于场效应管的大变容比压控变容电路控制电压与电容变化关系图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。
实施例1
本实施例提供一种基于场效应管的大变容比压控变容电路，其结构示意图如图1所示，包括1个前级支路和1个后级支路，采用单电源方案，后级支路中后级场效应管的栅极直接连接限制器实现供电；其中，压控端口1的压控范围为0至35V，扼流电感2为一大电感，限制器3为一10000欧姆电阻，前级电容4为一20pF电容，前级场效应管5选用MMIC电路中常用的PP25-21工艺2*25um pHMET场效应管，后级电容6为一0.01pF电容，后级场效应管7与前级场效应管相同；该压控变容电路控制电压与电容变化关系图如图2所示，在控制电压范围内端口电容由0.153pF增大为19.7pF，变容比约为128，超过现有技术所能达到变容范围。当控制电压为35V时，流经前级晶体管的电流约3.4mA，栅极电压约871mV，流经后级晶体管的电流约1.6mA。
上述基于场效应管的大变容比变容电路的后级支路的等效电路如图3所示，由等效电路分析给出其工作原理：
后级电容C0和后级场效应管栅漏之间等效电容C1串联，其结果等效为：
Figure BDA0001603606050000041
后级场效应管栅极从等效电容C′与后级场效应管栅源间等效电容C2连接处抽头，实现阻抗变换及电容调控；其等效阻抗为：
Figure BDA0001603606050000042
变容端口的等效电容为：
Figure BDA0001603606050000043
由上述电路推导分析可得：采用此电路结构可以实现阻抗变换；
由C的表达式可以看出：当C0越小时，C越小；因此，为了保证该结构电调时可以实现低端较小的电容值，C0取值可以越小越好；另外，由于C0电容起到的阻抗变换作用，较小的C0可进一步降低等效阻抗的实部，起到增大变容电路Q值的作用。
可由等效电路分析看出，前级电容取值控制变容范围；当控制电压为较大时，前级场效应管的等效电容远大于前级电容的容值，场效应管与前级电容串联时的总电容值约等于前级电容值。
实施例2
本实施例提供一种基于场效应管的大变容比压控变容电路，其结构示意图如图4所示，包括1个前级支路和2个后级支路，采用单电源方案，后级支路中后级场效应管的栅极直接连接限制器实现供电；其中，压控端口1的压控范围为0至25V，扼流电感2选为一大电感，限制器3为一4000欧姆电阻，前级电容4为一20pF电容，前级场效应管5选用MMIC电路中常用的PP25-21工艺2*25um pHMET场效应管，第一后级电容6与第二后级电容8同为一0.01pF电容，第一后级场效应管7、第二后级场效应管9与前级场效应管5相同；该压控变容电路控制电压与电容变化关系图如图5所示，在控制电压从0V至25V变化的范围内，端口电容由0.235pF增大为20pF，变容比约为85，远超现有技术所能达到变容范围。
实施例3
本实施例提供一种基于场效应管的大变容比压控变容电路，其结构示意图如图6所示，包括2个前级支路和1个后级支路，采用单电源方案，后级支路中后级场效应管的栅极直接连接限制器实现供电；其中，压控端口1的压控范围为0至35V，扼流电感2为一大电感，限制器3为一5000欧姆电阻，第一前级电容4与第二前级电容10均为一20pF电容，第一前级场效应管5与第二前级场效应管11均选用MMIC电路中常用的PP25-21工艺2*25um pHMET场效应管，后级电容6为一0.01pF电容，后级场效应管7与前级场效应管相同；该压控变容电路控制电压与电容变化关系图如图7所示，在控制电压范围内端口电容由0.225pF增大为41pF，变容比约为182，超过现有技术所能达到变容范围；当控制电压为35V时，流经前级晶体管的电流约6.8mA，栅极电压约883mV。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。

Claims (2)

1.一种基于场效应管的大变容比压控变容电路，包括：压控端口(1)、扼流电感(2)、限制器(3)、N个前级支路、M个后级支路及变容端口(10)，其中，N≥1，M≥1；其特征在于，控制电压接入压控端口，其负极接地、正极依次串联扼流电感与限制器；所述前级支路由前级电容(4)与前级场效应管(5)构成，其中，前级场效应管的源极和漏极相连并接地、栅极与限制器连接，且前级场效应管的栅极串联前级电容后接入变容端口；所述后级支路由后级电容(6)与后级场效应管(7)构成，其中，后级场效应管的栅极连接电压源、源极接地、漏极串联第二后级电容后接入变容端口；所述大变容比压控变容电路的变容范围由前级电容控制。
2.按权利要求1所述基于场效应管的大变容比压控变容电路，其特征在于，所述限制器为一电阻性器件。
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