CN109818578B

CN109818578B - 基于带通滤波器的二次谐波交叉注入正交压控振荡器电路

Info

Publication number: CN109818578B
Application number: CN201910074053.0A
Authority: CN
Inventors: 胡绍刚; 邓阳杰; 刘爽; 于奇; 刘洋
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2019-01-25
Filing date: 2019-01-25
Publication date: 2021-05-14
Anticipated expiration: 2039-01-25
Also published as: CN109818578A

Abstract

本发明属于电子技术领域，涉及一种基于带通滤波器的二次谐波交叉注入正交压控振荡器电路。本发明的电路包括两个差分电感电容压控振荡器电路、两个二次谐波带通滤波器模块、两个二次谐波交叉注入电路和两个尾电流管。两个电感电容压控振荡器电路用于产生振荡信号；将对应的两个振荡信号分别通过中心频率为二次谐波信号频率的带通滤波器模块并输出二次谐波信号；经过二次谐波交叉注入电路，二次谐波信号注入到相应的差分电感电容压控振荡器中。本电路具有结构简单、耦合电路对压控振荡电路基波信号的性能如相位噪声和功耗等基本没有影响、功耗低、较好地抑制共模噪声等优点，可用于高性能正交本振信号的产生。

Description

基于带通滤波器的二次谐波交叉注入正交压控振荡器电路

技术领域

本发明属于电子技术领域，涉及一种基于带通滤波器的二次谐波交叉注入正交压控振荡器电路。

背景技术

在17世纪的时候，有人发现两个靠得很近的挂钟的钟摆能同步振荡(通过墙壁传递振荡信号)，这便是自然界中的注入锁定。注入锁定，就是一个振荡源如果受到一个频率很接近其自由振荡频率的干扰信号的影响，它的输出频率就会锁定在干扰信号的频率上，而不是自身的自由振荡频率。这种现象在射频接收电路中有时会引起意想不到的错误，同时也有一些基于此现象的高速电路设计。

振荡器在现代集成电路中被广泛应用，例如作为锁相环的重要组成部分，在实现频率倍增和合成、时钟恢复领域等具有优良的表现。目前主流的压控振荡器主要是环形振荡器和电感电容压控振荡器，本发明使用的是电感电容压控振荡器，其利用电感和电容来产生系统所需要的可控正弦波，可控部分基本是通过可变电容来实现的，也可以通过可变电感来实现。在当今信息社会中，通讯系统需要无线电波的发射系统和无线电波的接收系统来实现数据的交流，在实现数据交流过程中，对于时钟信号的要求越来越严格，随着通讯系统中正交信号的广泛应用，这就需要接收系统下变频时的本振信号必须是正交输出的振荡器信号。为产生正交本振信号，常用RC-CR相移网络法、MOS耦合法等。

在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术至少存在以下问题：

因为实现一个精确的电阻非常困难，且电阻具有较大的热噪声，则RC-CR相移网络法有正交精度差、热噪声大的缺点；MOS耦合法有耦合管的功耗导致振荡器的整体功耗增加、耦合管引入的噪声恶化压控振荡器的相位噪声等缺点。

发明内容

为了解决现有技术的问题，本发明提供了一种基于带通滤波器的二次谐波交叉注入正交压控振荡器电路。所述技术方案如下：

本发明实例提供了一种基于带通滤波器的二次谐波交叉注入正交压控振荡器电路，其特征在于，包括以下部分：

产生振荡信号的两个差分电感电容压控振荡器电路；

产生振荡信号的二次谐波信号的两个二次谐波带通滤波器模块；

将二次谐波信号交叉注入到两个振荡器电路的两个二次谐波交叉注入电路；

给两个差分电感电容压控振荡器电路提供偏置电流的两个尾电流管。

进一步的，所述差分电感电容压控振荡器电路包括两个NMOS管、两个电感、两个电容、两个变容管和两个电阻；所述两个NMOS管为第一NMOS管和第二NMOS管，所述两个电感为第一电感和第二电感，所述两个电容为第一电容和第二电容，所述两个变容管为第一变容管和第二变容管，所述两个电阻为第一电阻和第二电阻；所述第一NMOS管的漏极、第二NMOS管的栅极、第一电感的一端、第一电容的一端相连接，作为差分电感电容压控振荡器电路的正相输出端；所述第一NMOS管的栅极、第二NMOS管的漏极、第二电感的一端、第二电容的一端相连接，作为差分电感电容压控振荡器的反相输出端；第一电感的另一端和第二电感的另一端与电压源相连接；第一电阻的一端和第二电阻的一端相连接，并作为差分电感电容压控振荡器电路的变容管偏置电压输入端；第一变容管的一端和第二变容管的一端相连接，并作为差分电感电容压控振荡器电路的控制电压输入端；第一电阻的另一端、第一电容的另一端、第一变容管的另一端相连接；第二电阻的另一端、第二电容的另一端、第二变容管的另一端相连接；第一NMOS管的源极和第二NMOS管的源极相连接，第一NMOS管的衬底和第二NMOS管的衬底与地相连接。

进一步的，所述二次谐波带通滤波器模块包括一个阻抗匹配电路、一个中心频率为二次谐波频率的带通滤波电路和一个运算放大器；

所述阻抗匹配电路有一个NMOS管、一个电感、两个电容、两个电阻；所述NMOS管为第三NMOS管，所述电感为第三电感，所述两个电容为第三电容和第四电容，所述两个电阻为第三电阻和第四电阻；所述第三电容的一端作为二次谐波带通滤波器模块的输入端；所述第三电容的另一端、第三电阻的一端、第四电阻的一端、第三NMOS管的栅极相连接；所述第三电阻的另一端和第三电感的一端与电压源相连接；所述第三电感的另一端、第三NMOS管的漏极、第四电容的一端相连接；

所述带通滤波电路有五个电感、五个电阻，所述五个电感为第四电感、第五电感、第六电感、第七电感和第八电感，所述五个电阻为第五电阻、第六电阻、第七电阻、第八电阻和第九电阻；所述第四电感的一端、第四电容的另一端、第六电感的一端、第七电阻的一端相连接；所述第四电感的另一端和第五电阻的一端相连接；所述第五电阻的另一端、第五电感的一端、第七电感的一端、第八电阻的一端相连接；所述第五电感的另一端和第六电阻的一端相连接；所述第六电阻的另一端、第八电感的一端、第九电阻的一端、运算放大器的输入端相连接；所述第四电阻的另一端、第三NMOS管的源极、第三NMOS管的衬底、第六电感的另一端、第七电阻的另一端、第七电感的另一端、第八电阻的另一端、第八电感的另一端、第九电阻的另一端与地相连接；

所述运算放大器的输出端作二次谐波带通滤波器模块的输出端。

进一步的，所述二次谐波交叉注入电路包括一个耦合电容、一个偏置电阻和两个注入管；所述耦合电容的一端作为信号的输入端；所述耦合电容的另一端、偏置电阻的一端、两个注入管的栅极相连接；两个注入管的源极、衬底与电压源相连接；所述偏置电阻的另一端为偏置电压输入端。

进一步的，所述两个差分电感电容压控振荡器电路和两个二次谐波带通滤波器模块，将两个差分电感电容压控振荡器电路的反相输出端分别与一个二次谐波带通滤波器模块输入端相连接；所述差分电感电容压控振荡器电路的第一NMOS管的源极、第二NMOS端的源极、尾电流管的漏极相连接。

进一步的，所述两个二次谐波带通滤波器模块和两个二次谐波交叉注入电路，将两个二次谐波带通滤波器模块的输出端交叉连接到二次谐波交叉注入电路输入端。

本发明的有益效果是：

本发明实例提供的电路核心为利用振荡器的注入锁定分频特性、带通滤波器模块得到二次谐波和谐波交叉耦合注入技术。本电路的电感、电容可以采用片外集成，因此具有相噪低的优点；本电路的带通滤波器模块的阻抗匹配电路具有所有高频的微波信号皆能传至负载点、不会有信号反射回源点从而提升能源效益的优点；有的方法采用1/4波长线来得到二次谐波，但是当信号频率较低时，1/4波长线将会特别长，即会占据大量面积，而本电路带通滤波器模块中的带通滤波电路在完成滤出二次谐波功能的同时节省了面积。本电路具有结构简单、耦合电路对压控振荡电路基波信号的性能如相位噪声和功耗等基本没有影响、功耗低、较好地抑制共模噪声等优点，可用于高性能正交本振信号的产生。

附图说明

图1是本发明实例提供的基于带通滤波器的二次谐波交叉注入正交压控振荡器电路；

图2是图1中二次谐波带通滤波器模块示意图；

图3是图1中差分电感电容压控振荡器电路分频特性示意图；

图4是图1中两个差分电感电容压控振荡器电路的正相输出端、反相输出端输出信号示意图；

图5是图2中二次谐波带通滤波器模块滤波示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细描述，以便本领域的技术人员能够更好地理解本发明。

一种基于带通滤波器的二次谐波交叉注入正交压控振荡器电路，包括包括两个差分电感电容压控振荡器电路、两个二次谐波带通滤波器模块、两个二次谐波交叉注入电路和两个尾电流管。将两个差分电感电容压控振荡器电路、两个二次谐波交叉注入电路、两个尾电流管分别命名为第一差分电感电容压控振荡器电路、第二差分电感电容压控振荡器电路、第一二次谐波交叉注入电路、第二二次谐波交叉注入电路、第一尾电流管、第二尾电流管。

参阅图1，第一差分电感电容压控振荡器电路包括两个NMOS管MN1和MN2、两个电感L1和L2、两个电容C1和C2、两个变容管Cvar1和Cvar2、两个电阻R1和R2。NMOS管MN1的漏极、NMOS管MN2的栅极、电感L1的一端、电容C1的一端相连接，作为差分电感电容压控振荡器电路的正相输出端OUTP1；NMOS管MN1的栅极、NMOS管MN2的漏极、电感L2的一端、电容C2的一端相连接，作为差分电感电容压控振荡器的反相输出端OUTN1；电感L1的另一端和电感L2的另一端与电压源VDD相连接；电阻R1的一端和电阻R2的一端连接正交压控振荡器变容管偏置电压输入端Vbias；变容管Cvar1的一端和变容管Cvar2的一端连接正交压控振荡器变容管控制电压输入端Vtune；电阻R1的另一端、电容C1的另一端、变容管Cvar1的另一端相连接；电阻R2的另一端、电容C2的另一端、变容管Cvar2的另一端相连接；NMOS管MN1的源极和NMOS管MN2的源极相连接，NMOS管MN1的衬底和NMOS管MN2的衬底与地GND相连接。

第二差分电感电容压控振荡器电路包括两个NMOS管MN4和MN5、两个电感L3和L4、两个电容C4和C5、两个变容管Cvar3和Cvar4、两个电阻R4和R5。NMOS管MN4的漏极、NMOS管MN5的栅极、电感L3的一端、电容C4的一端相连接，作为差分电感电容压控振荡器电路的正相输出端OUTP2；NMOS管MN4的栅极、NMOS管MN5的漏极、电感L4的一端、电容C5的一端相连接，作为差分电感电容压控振荡器的反相输出端OUTN2；电感L3的另一端和电感L4的另一端与电压源VDD相连接；电阻R4的一端和电阻R5的一端相连接；变容管Cvar3的一端和变容管Cvar4的一端相连接；电阻R4的另一端、电容C4的另一端、变容管Cvar3的另一端相连接；电阻R5的另一端、电容C5的另一端、变容管Cvar4的另一端相连接；NMOS管MN4的源极和NMOS管MN5的源极相连接，NMOS管MN4的衬底和NMOS管MN5的衬底与地GND相连接。

第一二次谐波交叉注入电路包括一个耦合电容C3、一个偏置电阻R3和两个注入管MP1和MP2；第二二次谐波交叉注入电路包括一个耦合电容C6、一个偏置电阻R6和两个注入管MP3和MP4；耦合电容C3的一端作为信号的输入端并连接OUT2，耦合电容C3的另一端、偏置电阻R3的一端、两个注入管MP1和MP2的栅极相连接，两个注入管MP1和MP2的源极、衬底与电压源VDD相连接；耦合电容C6的一端作为信号的输入端并连接OUT1；耦合电容C6的另一端、偏置电阻R6的一端、两个注入管MP3和MP4的栅极相连接；两个注入管MP3和MP4的源极、衬底与电压源VDD相连接；偏置电阻R3、R6的另一端为偏置电压输入端并连接Vbias_P。

第一尾电流管MN3、第二尾电流管MN6用来提供偏执电流，电流的大小有二者的宽长比和偏置电压Vbias_N决定。两个压控振荡器产生振荡信号并分别在二者的反相输出端OUTN1、OUTN2连接二次谐波带通滤波器模块的输入端IN1、IN2，将次谐波带通滤波器模块的输出OUT1、OUT2经过电容C3和C6隔直、R3和R6偏置后分别注入到MP1和MP2的栅极、MP3和MP4的栅极。第一差分电感电容压控振荡器电路和注入管MP1和MP2、第二差分电感电容压控振荡器电路和注入管MP3、MP4构成了两个注入锁定二分频器电路；两个差分电感电容压控振荡器的反相输出端相差90°，经过二次谐波带通滤波器模块倍频后，两个二次谐波注入电路的输入的相位差为180°，由此两个振荡器基波之间的相位差为90°，以此实现基于带通滤波器的二次谐波交叉注入正交压控振荡器电路。

参阅图2，二次谐波带通滤波器模块的阻抗匹配电路有一个NMOS管MN7、一个电感L5、两个电容C7和C8、两个电阻R7和R8；电容C7的一端作为二次谐波带通滤波器模块的输入端IN1(IN2)；电容C7的另一端、电阻R7的一端、电阻R8的一端、NMOS管MN7的栅极相连接；电阻R7的另一端和电感L5的一端与电压源VDD相连接；电感L5的另一端、NMOS管MN7的漏极、电容C8的一端相连接；二次谐波带通滤波器模块的带通滤波电路有五个电感L6、L7、L8、L9和L10，五个电阻R9、R10、R11、R12、R13；电感L6的一端、电容C8的另一端、电感L8的一端、电阻R11的一端相连接；电感L6的另一端和电阻R9的一端相连接；电阻R9的另一端、电感L7的一端、电感L9的一端、电阻R12的一端相连接；电感L7的另一端和电阻R10的一端相连接；电阻R10的另一端、电感L10的一端、电阻R13的一端、运算放大器AMP的输入端相连接；电阻R8的另一端、NMOS管MN7的源极、NMOS管MN7的衬底、电感L8的另一端、电阻R11的另一端、电感L9的另一端、电阻R12的另一端、电感L10的另一端、电阻R13的另一端与地GND相连接；运算放大器AMP的输出端作二次谐波带通滤波器模块的输出端OUT1(OUT2)。

参阅图3，本发明实例中电感电容压控振荡器的自由振荡频率为1G，当给电感电容压控振荡器注入频率为2G的信号时，经过较短时间无规则振荡后，振荡器稳定振荡输出频率为1G的的信号。

参阅图4，两个电感电容压控振荡器的正相输出端、反相输出端的信号示意图，可知第一电感电容压控振荡器的正相输出端OUTP1输出的信号和第二电感电容压控振荡器的正相输出端OUTP2输出的信号正交，第一电感电容压控振荡器的反相输出端OUTN1输出的信号和第二电感电容压控振荡器的反相输出端OUTN2输出的信号正交。

参阅图5，本发明实例中带通滤波器模块中的带通滤波电路的中心频率为2G，当给带通滤波器模块输入一个频率为1G的信号时，它的输出曲线为一个中心频率为2G的带通曲线。

Claims

1.基于带通滤波器的二次谐波交叉注入正交压控振荡器电路，其特征在于，包括：

产生振荡信号的两个差分电感电容压控振荡器电路；

给两个差分电感电容压控振荡器电路提供偏置电流的两个尾电流管；

所述差分电感电容压控振荡器电路包括两个NMOS管、两个电感、两个电容、两个变容管和两个电阻；所述两个NMOS管为第一NMOS管和第二NMOS管，所述两个电感为第一电感和第二电感，所述两个电容为第一电容和第二电容，所述两个变容管为第一变容管和第二变容管，所述两个电阻为第一电阻和第二电阻；所述第一NMOS管的漏极、第二NMOS管的栅极、第一电感的一端、第一电容的一端相连接，作为差分电感电容压控振荡器电路的正相输出端；所述第一NMOS管的栅极、第二NMOS管的漏极、第二电感的一端、第二电容的一端相连接，作为差分电感电容压控振荡器的反相输出端；第一电感的另一端和第二电感的另一端与电压源相连接；第一电阻的一端和第二电阻的一端相连接，并作为差分电感电容压控振荡器电路的变容管偏置电压输入端；第一变容管的一端和第二变容管的一端相连接，并作为差分电感电容压控振荡器电路的控制电压输入端；第一电阻的另一端、第一电容的另一端、第一变容管的另一端相连接；第二电阻的另一端、第二电容的另一端、第二变容管的另一端相连接；第一NMOS管的源极和第二NMOS管的源极相连接，第一NMOS管的衬底和第二NMOS管的衬底与地相连接；

所述二次谐波带通滤波器模块包括一个阻抗匹配电路、一个中心频率为二次谐波频率的带通滤波电路和一个运算放大器；

2.根据权利要求1所述的基于带通滤波器的二次谐波交叉注入正交压控振荡器电路，其特征在于，所述二次谐波交叉注入电路包括一个耦合电容、一个偏置电阻和两个注入管；所述耦合电容的一端作为信号的输入端；所述耦合电容的另一端、偏置电阻的一端、两个注入管的栅极相连接；两个注入管的源极、衬底与电压源相连接；所述偏置电阻的另一端为偏置电压输入端。

3.根据权利要求2所述的基于带通滤波器的二次谐波交叉注入正交压控振荡器电路，其特征在于，所述两个差分电感电容压控振荡器电路和两个二次谐波带通滤波器模块，将两个差分电感电容压控振荡器电路的反相输出端分别与一个二次谐波带通滤波器模块输入端相连接；所述差分电感电容压控振荡器电路的第一NMOS管的源极、第二NMOS端的源极、尾电流管的漏极相连接。

4.根据权利要求3所述的于带通滤波器的二次谐波交叉注入正交压控振荡器电路，其特征在于，所述两个二次谐波带通滤波器模块和两个二次谐波交叉注入电路，将两个二次谐波带通滤波器模块的输出端交叉连接到二次谐波交叉注入电路输入端。