CN109525198B - 一种自带相移的正交压控振荡器电路 - Google Patents

一种自带相移的正交压控振荡器电路 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种自带相移的正交压控振荡器电路，包括两个结构相同的压控振荡器，两个压控振荡器通过输入输出端口相互连接，两个压控振荡器均包括彼此电连接的交叉耦合振荡电路、注入锁定电路、谐振电路和压控电流源电路；信号通过注入锁定电路注入并与振荡电路进行耦合，从而输出正交信号。本发明通过简单的电路结构即可使振荡器稳定地工作在一种模式，可以在较低频段内为谐振电路提供良好的相移，同时提高振荡器的调谐范围，并不增大相位噪声。

Description

一种自带相移的正交压控振荡器电路
技术领域
本发明涉及正交压控振荡器领域，具体涉及一种自带相移的正交压控振荡器电路。
背景技术
现代无线接收发射机要求正交振荡信号进行上变频和下变频的混频，通常为了产生正交信号，一种最流行的方法是利用注入锁定的LC交叉耦合结构以产生正交信号，同时，为了避免谐振回路中变容管降低品质因数，衍生出多种去变容管的频率调节技术，但是传统的注入锁定正交振荡器由于注入信号方向的不确定性，会引入两种工作模式，两种模式对称存在，对应的阻抗值相同，振荡器将不确定振荡在这两个模式中的哪一个模式，这将导致无法预知准确的工作频率。
发明内容
有鉴于此，为解决上述现有技术中的问题，需要在振荡器电路中引入相移，本发明提供了一种自带相移的正交压控振荡器电路，通过简单的电路结构即可使振荡器稳定地工作在一种模式，可以在较低频段内为谐振电路提供良好的相移，同时提高振荡器的调谐范围，并不增大相位噪声。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下。
一种自带相移的正交压控振荡器电路，包括结构相同的第一压控振荡器和第二压控振荡器，所述第一压控振荡器和第二压控振荡器通过输入输出端口相互连接；其中，所述第一压控振荡器包括彼此电连接的第一交叉耦合振荡电路、第一注入锁定电路、第一谐振电路和第一压控电流源电路，所述第一交叉耦合振荡电路由四个晶体管构成，其中第一晶体管的栅极和第三晶体管的栅极共同连接到偏置电压，所述第一晶体管的漏极通过第一结点连接到第四晶体管的栅极，所述第三晶体管的漏极通过第二结点连接到第二晶体管的栅极，所述第二晶体管的源极通过第三结点连接到第四晶体管的源极。
通过上述电路构造，第一晶体管的源极与第二晶体管的漏极相互连接构成共源共栅结构，第三晶体管的源极与第四晶体管的漏极相互连接构成共源共栅结构。如此，在第一交叉耦合震荡电路中能提供相位偏移，通过简单的电路结构即可使振荡器稳定地工作在一种模式。
进一步地，所述第一注入锁定电路由四个晶体管构成，第五晶体管的栅极和第七晶体管的栅极共同连接到偏置电压，所述第五晶体管的漏极连接到第一结点，所述第七晶体管的漏极连接到第二结点，第六晶体管的源极通过第四结点连接到第八晶体管的源极，所述第六晶体管的栅极连接到正正交输入端口，所述第八晶体管的栅极连接到负正交输入端口。
通过上述电路构造，第五晶体管的源极与第六晶体管的漏极相互连接构成共源共栅结构，第七晶体管的源极与第八晶体管的漏极相互连接构成共源共栅结构。如此，在第一注入锁定电路中提供共源共栅结构。
通过在第一交叉耦合振荡电路和第一注入锁定电路中添加共源共栅结构，可以使振荡信号和注入信号同时进行相位偏移，从而使振荡信号与注入信号合成的输出信号产生良好的相移，以产生更大的调谐范围。因此，根据本发明的正交压控振荡器电路无需额外引入复杂的相移电路，即能实现自带相移。如此，电路结构简单，在提供相移的同时不会增加电路的复杂度，且电路占用面积大幅度减小，不会占据集成芯片中大量的面积。
进一步地，所述第一谐振电路还包括第一中间抽头电感，所述第一中间抽头电感的两端分别连接第一结点和第二结点，中间抽头连接电源电压。
进一步地，所述第一压控电流源电路包括第一交叉耦合电流源和第一注入锁定电流源，其中第九晶体管的漏极连接第三结点，源极接地，栅极接第一控制电压构成第一交叉耦合电流源；第十晶体管漏极连接第四结点，源极接地，栅极接第二控制电压构成第一注入锁定电流源。
进一步地，所述第二压控振荡器包括彼此电连接的第二交叉耦合振荡电路、第二注入锁定电路、第二谐振电路和第二压控电流源电路，与第一压控振荡器结构相同，并且在所述第二注入锁定电路中，第十六晶体管的栅极连接到正同相输入端口，第十八晶体管的栅极连接到负同相输入端口。
进一步地，所述第一压控振荡器的第一结点连接到负同相输出端口，所述第一负同相输出端口连接到第二压控振荡器的负同相输入端口；所述第一压控振荡器的第二结点连接正同相输出端口，所述第一正同相输出端口连接到第二压控振荡器的正同相输入端口；所述第二压控振荡器的第五结点连接到正正交输出端口，所述第二正正交输出端口连接到第一压控振荡器的正正交输入端口；所述第二压控振荡器的第六结点连接到负正交输出端口，所述负正交输出端口连接到第一压控振荡器的负正交输入端口。
与现有技术比较，本发明的一种自带相移的正交压控振荡器电路具有以下有益效果和优点：
(1)该电路实现自带相移，利用简单的电路结构即可使振荡器稳定地工作在一种模式；
(2)该电路可以在较低频段(10GHz-40GHz)内为谐振电路提供至少5倍的相位偏移，并且这个提升倍数随着频率的升高而增加；
(3)该电路与传统注入锁定振荡器相比，提高振荡器的调谐范围，并不增大相位噪声。
附图说明
图1为本发明的一种自带相移的正交压控振荡器电路的原理示意图。
图2为传统正交压控振荡器电路的模式图。
图3为本发明正交压控振荡器电路的模式图。
图4为本发明与传统相移电路相移性能比较图。
图5为本发明输出端时域波形图。
图6为传统电路的频率调节范围图。
图7为本发明电路的频率调节范围图。
图8为本发明的频率偏移在1M和10M时的相位噪声图。
具体实施方式
下面将结合附图和具体的实施例对本发明的具体实施作进一步说明。需要指出的是，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，一种自带相移的正交压控振荡器电路，包括结构相同的第一压控振荡器和第二压控振荡器，所述第一压控振荡器和第二压控振荡器通过输入输出端口相互连接；其中，所述第一压控振荡器包括彼此电连接的第一交叉耦合振荡电路、第一注入锁定电路、第一谐振电路和第一压控电流源电路，信号通过注入锁定电路注入并与振荡器电路进行耦合，从而输出正交信号。
所述第一交叉耦合振荡电路由四个晶体管构成，其中第一晶体管101的栅极和第三晶体管103的栅极共同连接到偏置电压Vb，所述第一晶体管101的漏极通过第一结点A连接到第四晶体管104的栅极，所述第三晶体管103的漏极通过第二结点B连接到第二晶体管102的栅极，所述第二晶体管102的源极通过第三结点C连接到第四晶体管104的源极。
优选的，所述第一注入锁定电路由四个晶体管构成，第五晶体管105的栅极和第七晶体管107的栅极共同连接到偏置电压Vb，所述第五晶体管105的漏极连接到第一结点A，所述第七晶体管107的漏极连接到第二结点B，第六晶体管106的源极通过第四结点D连接到第八晶体管108的源极，所述第六晶体管106的栅极连接到正正交输入端口，所述第八晶体管108的栅极连接到负正交输入端口。
优选的，所述第一谐振电路还包括第一中间抽头电感109，所述第一中间抽头电感109的两端分别连接第一结点A和第二结点B，中间抽头连接电源电压。
优选的，所述第一压控电流源电路由第一交叉耦合电流源和第一注入锁定电流源组成，其中第九晶体管110的漏极连接第三结点C，源极接地，栅极接控制电压V1构成第一交叉耦合电流源；第十晶体管111漏极连接第四结点D，源极接地，栅极接控制电压V2构成第一注入锁定电流源，所述第一压控电流源电路可以通过调节控制电压的大小，调节注入信号和振荡信号的幅度和相位，从而使振荡器拥有较宽的调谐范围；同时第一压控电流源电路的放置位置有多种实现形式，例如采用上端电流偏置的结构。
优选的，所述第二压控振荡器包括彼此电连接的第二交叉耦合振荡电路，第二注入锁定电路，第二谐振电路和第二压控电流源电路，所述第二交叉耦合振荡电路由四个晶体管构成，其中第十一晶体管112的源极与第十二晶体管113的漏极相互连接构成共源共栅结构，第十三晶体管114的源极与第十四晶体管115的漏极相互连接构成共源共栅结构，所述第十一晶体管112的栅极和第十三晶体管114的栅极共同连接到偏置电压Vb，所述第十一晶体管112的漏极通过第五结点E连接到第十四晶体管115的栅极，所述第十三晶体管114的漏极通过第六结点F连接到第十二晶体管113的栅极，所述第十二晶体管113的源极通过第七结点G连接到第十四晶体管115的源极。
优选的，所述第二注入锁定电路由四个晶体管构成，其中第十五晶体管116的源极与第十六晶体管117的漏极相互连接构成共源共栅结构，第十七晶体管118的源极与第十八晶体管119的漏极相互连接构成共源共栅结构，所述第十五晶体管116的栅极和第十七晶体管118的栅极共同连接到偏置电压Vb，所述第十五晶体管116的漏极连接到结点E，所述第十七晶体管118的漏极连接到结点F，所述第十六晶体管117的源极通过结点H连接到第十八晶体管119的源极，所述第十六晶体管117的栅极连接到正相同输入端口，所述第十八晶体管119的栅极连接到负相同输入端口。
优选的，所述第二谐振电路包括第二中间抽头电感120，所述第二中间抽头电感120的两端分别连接第五结点E和第六结点F，中间抽头连接电源电压。
优选的，所述第二压控电流源电路由第二交叉耦合电流源和第二注入锁定电流源组成，其中第十九晶体管121的漏极连接第七结点G，源极接地，栅极接控制电压V1构成第二交叉耦合电流源；第二十晶体管122漏极连接第八结点H，源极接地，栅极接控制电压V2构成第二注入锁定电流源。
优选的，所述第一压控振荡器的第一结点A连接到负同相输出端口，所述第一负同相输出端口连接到第二压控振荡器的负同相输入端口；所述第一压控振荡器的第二结点B连接正同相输出端口，所述第一正同相输出端口连接到第二压控振荡器的正同相输入端口；所述第二压控振荡器的第五结点E连接到正正交输出端口，所述第二正正交输出端口连接到第一压控振荡器的正正交输入端口；所述第二压控振荡器的第六结点F连接到负正交输出端口，所述负正交输出端口连接到第一压控振荡器的负正交输入端口。
注入锁定正交压控振荡器电路的原理：在第一压控振荡器中，由第一振荡电路中的两对共源共栅晶体管产生振荡信号，具有共源共栅晶体管的第一注入锁定电路将从第二压控振荡器输出的信号注入到第一振荡电路中，振荡信号和注入信号进行矢量叠加，通过同相输出端口注入到第二压控振荡器的第二注入锁定电路中，第二锁定电路的注入信号通过相同的方式与第二振荡电路产生的信号矢量叠加，又通过正交输出端口注入到第一压控振荡器中。当第一振荡电路产生的等效跨导Gm1与第二振荡电路产生的等效跨导Gm2满足Gm1＝-Gm2时，从输出端口产生的信号即会满足VI+＝-VI-＝+jVQ+＝-jVQ-，在四个输出端口处会产生两两相差90度的四路正交信号。进一步，通过同时改变第一压控电流源电路和第二压控电流源电路的控制电压V1和V2，即可改变振荡信号和注入信号的大小，进而改变矢量叠加的信号相移发生改变，从而达到调谐的功能。
在传统正交压控振荡器电路中，由于注入信号可能超前或者滞后于振荡信号，所以会使两者合成的输出信号的相位出现±两种未知的偏移，导致最终输出的频率为ω1或者ω2，对应图2中的模式1和模式2，这两种模式在实际应用中无法预测。
因此，在传统电路结构的基础上，为振荡器的振荡电路和注入锁定电路的输出信号和输出信号之间增加一个相移电路，这个相移电路可以由两个组成共源共栅结构的晶体管级联而成，用这个结构取代传统电路中的单一晶体管，既可以取代原有的功能，又可以提供一个稳定的相移。
其中，共源共栅结构由两个晶体管级联而成，其可以将电压信号转换成电流信号，并在一定频率范围内提供一定的负相移。电路中的每个共源共栅晶体管会在相同的参数的情况下，借助其本身寄生参数值随着工作频率的变化而变化的特性，通过同时改变每个共源共栅晶体管的尺寸，即可得到所希望的相移，这会使得振荡信号和注入信号同时翻转一定的角度，达到正交信号所需的从而使振荡器工作在模式1所处的位置(如图3中的频率ω1)，模式2由于对应位置(如图3中的频率ω2)的阻抗较小而不能工作，如图3所示。
同时，由于本发明使振荡器振荡在中心最高阻抗位置，当压控电流源电路改变控制电压的大小时，振荡信号和注入信号叠加的信号可以保持在偏离中间位置较宽范围的位置处保持较高阻抗，即可在较宽范围内保持振荡。而传统的振荡器在模式1或者模式2的位置时，当压控电流源电路改变控制电压的大小时，会因为进入一个较小阻抗的状态而使振荡器无法工作。
相比较于传统的电路，共源共栅结构还具有较大的输出阻抗，这可以防止晶体管的寄生参数对谐振电路造成影响，并且使电路更容易的起振。这样利用共源共栅结构作为相移电路，不仅仅起到了振荡和注入的作用，更重要的是，与现有技术相比较，能够大大简化电路的复杂度，并且能够的在较低频段内产生满足相位偏转的相移。通过仿真验证，在工作频率大于10GHz的振荡器中，在谐振电路中使用变容管将大大影响振荡器的品质因数，但是使用本发明的结构，可以通过调节共源共栅结构中的共栅晶体管的宽长比，使相移在大于10GHz的频段内保持在45°左右，不会因为可变电容的引入而导致谐振回路品质因数的衰减。
如图4所示，为本发明与传统相移电路相移性能比较图，传统振荡电路晶体管的输出电流与输入电压的相移曲线与本发明中晶体管的输出电流与输入电压的相移曲线进行比较，共源共栅结构通过其内部寄生参数和相应的电压-电流转换，得到了大于传统数倍的相移。
实施例1
以TSMC 65nm CMOS技术设计并制造了在28GHz频段内自带相移的正交压控振荡器。
如图5所示，为本发明输出端时域波形图，展示出了本发明在模拟时域中每个输出端的波形，其四个输出端口的电压都是正交的，即彼此相位相差90°。
如图6、图7所示，展示了传统电路在不同偏置电压下的频率调节范围和本发明电路在不同偏置电压下的频率调节范围，在图6和图7中，上方线段都表示在V2＝1V的情况下，改变V1电压的频率调谐范围，下方线段都表示在V1＝1V的情况下，改变V2电压的频率调谐范围。本发明增加了初始相移，使得频率调节范围从原有的27.5GHz-30GHz拓展到24GHz-30.5GHz，相对带宽从9％提升到了23％。
在偏移频率△f的本发明中的相位噪声能够使用以下公式得到：
其中F是噪声系数，QT是回路品质因数，V0是输出电压幅度，k是波兹曼常数，T是绝对温度，C是回路电容，f0是中心振荡频率。
如图8所示，展示了所制造的自带相移的正交压控振荡器随着频率变化的模拟相位噪声变化。
综上所述，本发明的一种自带相移的正交压控振荡器电路，通过简单的电路结构即可使振荡器稳定地工作在一种模式，可以在较低频段内为谐振电路提供良好的相移，同时提高振荡器的调谐范围，并不增大相位噪声。

Claims (3)

1.一种自带相移的正交压控振荡器电路，包括结构相同的第一压控振荡器和第二压控振荡器，所述第一压控振荡器和第二压控振荡器通过输入输出端口相互连接；其中，所述第一压控振荡器包括彼此电连接的第一交叉耦合振荡电路、第一注入锁定电路、第一谐振电路和第一压控电流源电路，其特征在于：
所述第一交叉耦合振荡电路由四个晶体管构成，其中第一晶体管（101）的栅极和第三晶体管（103）的栅极共同连接到偏置电压（Vb），所述第一晶体管（101）的漏极通过第一结点（A）连接到第四晶体管（104）的栅极，所述第三晶体管（103）的漏极通过第二结点（B）连接到第二晶体管（102）的栅极，所述第二晶体管（102）的源极通过第三结点（C）连接到第四晶体管（104）的源极；所述第一注入锁定电路由四个晶体管构成，第五晶体管（105）的栅极和第七晶体管（107）的栅极共同连接到偏置电压（Vb），所述第五晶体管（105）的漏极连接到第一结点（A），所述第七晶体管（107）的漏极连接到第二结点（B），第六晶体管（106）的源极通过第四结点（D）连接到第八晶体管（108）的源极，所述第六晶体管（106）的栅极连接到正正交输入端口，所述第八晶体管（108）的栅极连接到负正交输入端口；所述第一压控电流源电路包括第一交叉耦合电流源和第一注入锁定电流源，其中第九晶体管（110）的漏极连接第三结点（C），源极接地，栅极接第一控制电压（V1）构成第一交叉耦合电流源；第十晶体管（111）漏极连接第四结点（D），源极接地，栅极接第二控制电压（V2）构成第一注入锁定电流源；所述第二压控振荡器包括彼此电连接的第二交叉耦合振荡电路、第二注入锁定电路、第二谐振电路和第二压控电流源电路，与第一压控振荡器结构相同，并且在所述第二注入锁定电路中，第十六晶体管（117）的栅极连接到正同相输入端口，第十八晶体管（119）的栅极连接到负同相输入端口。
2.根据权利要求1所述的一种自带相移的正交压控振荡器电路，其特征在于：所述第一谐振电路还包括第一中间抽头电感（109），所述第一中间抽头电感（109）的两端分别连接第一结点（A）和第二结点（B），中间抽头连接电源电压。
3.根据权利要求1所述的一种自带相移的正交压控振荡器电路，其特征在于：所述第一压控振荡器的第一结点（A）连接到负同相输出端口，所述负同相输出端口连接到第二压控振荡器的负同相输入端口；所述第一压控振荡器的第二结点（B）连接正同相输出端口，所述正同相输出端口连接到第二压控振荡器的正同相输入端口；所述第二压控振荡器的第五结点（E）连接到正正交输出端口，所述正正交输出端口连接到第一压控振荡器的正正交输入端口；所述第二压控振荡器的第六结点（F）连接到负正交输出端口，所述负正交输出端口连接到第一压控振荡器的负正交输入端口。
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