CN110098801A - 压控振荡器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种压控振荡器，包括负阻电路、LC谐振回路；所述负阻电路连接电流源，所述负阻电路连接所述LC谐振回路；所述LC谐振回路包括第一电容、变压器、电感、第二电容；所述第一电容与所述变压器的初级线圈之间并联连接；所述变压器的次级线圈、所述电感、所述第二电容之间相互并联连接；所述第一电容为变容管。采用本发明基于单个变压器、单个电感构成的压控振荡器可以有效降低LC谐振回路的电感值、提高品质因数Q值、缩小电路版图面积。
Description
技术领域
本发明涉及振荡器技术领域，特别涉及一种压控振荡器。
背景技术
现有技术中，压控振荡器(Voltage-Controlled Oscillator，简称VCO)是一种输出频率与输入控制电压之间存在对应关系的振荡电路，其输出频率是输入控制电压的函数。振荡器(Oscillator)是指在没有外部信号激励下，自身就能够将直流电能转换成周期性交流信号的电路。若振荡器的工作状态、振荡回路的元件参数受输入控制电压的控制，该振荡器就构成一个压控振荡器。压控振荡器的类型包括LC压控振荡器、RC压控振荡器、晶体压控振荡器。压控振荡器的主要技术要求包括频率稳定度好、控制灵敏度高、调频范围宽、频偏与控制电压成线性关系并宜于集成等。其中，晶体压控振荡器的频率稳定度高，但调频范围窄；RC压控振荡器的频率稳定度低而调频范围宽；而LC压控振荡器的性能居于二者之间。
当前主流的压控振荡器采用电感和电容谐振方式实现，即LC压控振荡器，电容包括固定电容和变容管(可变电容)；通过控制变容管的电压来改变电感和电容谐振频率，从而改变压控振荡器的输出频率。压控振荡器的主要性能指标为相位噪声(Phase Noise，简称PN)，而LC压控振荡器的相位噪声(PN)和功耗之间存在折衷关系，若增加压控振荡器的功耗，需要通过减小LC谐振回路的并联等效电阻即减小电感值来实现。
在现有技术中，减小LC压控振荡器电感值的一种常用方案是通过采用线圈数少、面积小的片上电感来减小电感值；当采用该种简单方式减小电感值时，相位噪声(PN)可以降低3dB，同时LC压控振荡器的功耗增加一倍。减小LC压控振荡器电感值的另一种常用方案是利用两个1∶n的变压器来减小电感值，如图1所示。将基于两个背对背连接的比值为1∶n的片上变压器T1、T2应用到片上LC压控振荡器中可以将LC压控振荡器的电感值Lp减小至Lp/(1+n2)，如图2所示。
然而，发明人经研究发现，现有技术中的第一种方案采用线圈数少、面积小的片上电感来减小电感值虽然简单明了，但是当电感值减小至一定程度后，LC谐振回路的连接电阻会成为主导的寄生电阻，该寄生电阻降低了LC压控振荡器的相位噪声(PN)；在第二种方案中，如图2所示，增加两个1∶n的变压器可以有效地减小电感值，但增加两个变压器又会大大增加LC压控振荡器的电路板面积，并且由于其需要两个同样的变压器，导致电路设计的灵活性变差，同时变压器的品质因数Q值较低，增加了LC压控振荡器的相位噪声(PN)。
发明内容
基于此，为解决现有技术中的技术问题，特提出了一种压控振荡器。
所述压控振荡器包括负阻电路、LC谐振回路；所述负阻电路连接电流源；所述LC谐振回路连接所述负阻电路；所述LC谐振回路包括第一电容、变压器、电感、第二电容；所述第一电容与所述变压器的初级线圈之间并联连接；所述变压器的次级线圈、所述电感、所述第二电容之间相互并联连接；所述第一电容为变容管。
在一种实施例中，所述LC谐振回路包括变压器电感网络，所述变压器电感网络包括所述变压器、所述电感；所述变压器为片上变压器，所述电感为片上电感；所述变压器电感网络的左侧为变压器的初级线圈输入端口；所述变压器电感网络的右侧为所述变压器的次级线圈输出端口、所述电感的输入端口以及所述变压器的初级线圈中心抽头端口。
在一种实施例中，所述电感与所述变压器共用电路版图区域，且所述电感的线圈与所述变压器的初级线圈及次级线圈之间相隔距离超过10微米。
在一种实施例中，所述电感为包含两层厚金属层的单圈电感。
在一种实施例中，所述负阻电路为交叉耦合管；所述交叉耦合管由NMOS管和/或PMOS管构成；所述交叉耦合管包括NMOS交叉耦合管、PMOS交叉耦合管或者NMOS及PMOS互补交叉耦合管。
在一种实施例中，所述交叉耦合管包括第一MOS管、第二MOS管；所述第一MOS管、所述第二MOS管为相同尺寸、相同类型的MOS管；所述第一MOS管的栅极与所述第二MOS管的漏极相互连接，并连接至所述第一电容的一端；所述第二MOS管的栅极与所述第一MOS管的漏极相互连接，并连接至所述第一电容的另一端；所述第一MOS管的源极与所述第二MOS管的源极相互连接，并连接至所述电流源。
在一种实施例中，所述电流源为带尾电流源或无尾电流源。
实施本发明实施例，将具有如下有益效果：
采用本发明基于单个变压器、单个电感构成的压控振荡器的技术方案，有效降低了LC谐振回路的电感值，提高了品质因数Q值，缩小了电路版图面积。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
其中：
图1为现有技术中减小电感的LC谐振回路电路示意图；
图2为现有技术中减小电感的LC谐振回路结构示意图；
图3为本发明中压控振荡器的电路示意图；
图4为本发明中压控振荡器的变压器电感网络的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，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作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。
本发明公开了一种基于单个变压器T1、单个电感L的LC压控振荡器。首先，所述变压器T1有效降低了LC谐振回路的电感值；其次，采用电感可提高整个电路的品质因数Q值；最后，采用单个变压器且电感和变压器共用面积有效地缩小了电路版图面积。
如图3所示为压控振荡器的电路示意图，所述压控振荡器包括负阻电路、LC谐振回路；电流源连接所述负阻电路；所述负阻电路连接所述LC谐振回路；所述LC谐振回路包括第一电容C1、变压器T1、电感L、第二电容C2；所述第一电容C1与所述变压器T1的初级线圈LP相互并联连接；所述变压器T1的次级线圈Ls、所述电感L、所述第二电容C2之间相互并联连接；所述第一电容C1为变容管。
所述电流源为带尾电流源或无尾电流源。
所述负阻电路为交叉耦合管。所述交叉耦合管的基本作用是补偿LC谐振回路中的能量损失。交叉耦合管是指将两个相同尺寸、相同类型的MOS管以交叉耦合的连接方式组成的一种结构，即两个MOS管的源极接在一起，一个MOS管的栅极与另一个MOS管的漏极相互连接构成的一种电路结构。
所述交叉耦合管由NMOS管和/或PMOS管构成；所述交叉耦合管包括NMOS交叉耦合管、PMOS交叉耦合管或者NMOS及PMOS互补交叉耦合管。
如图3所示，在一种实施例中，所述交叉耦合管包括第一MOS管M1、第二MOS管M2；所述第一MOS管M1、所述第二MOS管M2为两个相同尺寸、相同类型的MOS管，可以是NMOS管或者PMOS管；所述第一MOS管M1的栅极与所述第二MOS管M2的漏极相互连接并连接至所述第一电容C1的一端，所述第二MOS管M1的栅极与所述第一MOS管M2的漏极相互连接并连接至所述第一电容C1的另一端；所述第一MOS管M1的源极与所述第二MOS管M2的源极相互连接并连接至所述电流源。
由图3可见，变压器T1初级线圈/次级线圈比为1∶n，由变压器初级侧看向变压器的电感值为L/n2：从变压器初级侧看向变压器的电感值为Lp*L/(n2Lp+L)，在Lp＞L、n＞2的条件下电感值近似为L/n2，该种电路结构使得LC压控振荡器的电感值缩小了约n2倍，其中，Lp为变压器初级线圈的电感值。
其中，变压器初级线圈连接的第一电容C1和变压器次级线圈连接的第二电容C2为构成所述压控振荡器的LC谐振回路的两个电容，相对于现有技术中仅有电感电容的LC谐振回路，该种电路结构的LC谐振回路提高了谐振频率控制的灵活度：从变压器初级侧看向变压器的电容值为n2×C2，而LC谐振回路输入端(左端)的电容值为C1+n2×C2，可见在LC谐振回路中的第二电容C2通过该电路结构放大了n2倍，而相对于直接采用电容值为n2×C2的电容，通过该种电路结构放大了n2倍的第二电容C2的寄生电容更小，从而增加了LC压控振荡器的调谐范围。
图4所示为本发明中压控振荡器的变压器电感网络的结构示意图，所述变压器电感网络包括所述变压器T1、所述电感L，所述变压器电感网络为所述LC谐振回路的其中一部分。
所述变压器T1为片上变压器；所述变压器电感网络的左侧为变压器T1的初级线圈输入端口41。如图4所示，在一种实施例中，所述变压器T1为八边形对称互绕式平面片上变压器，所述变压器T1初级的电感线圈数根据需求进行调整，所述变压器T1初级的电感线圈数可以是2圈、3圈或者4圈。
所述电感L为片上电感，所述电感与所述变压器相互层叠，所述电感与所述变压器共用电路版图区域，且所述电感的线圈与所述变压器的初级线圈及次级线圈之间相隔距离超过10微米。
在本发明中，为了提高LC压控振荡器的性能，所述电感L采用单圈电感；同时，所述电感L采用厚金属层，且所述厚金属层位于片上电感的高层；特别地，所述电感L采用两层或三层厚金属层，所述厚金属层的材质可以选用铜或者铝，如两层厚金属层皆为铜，或者顶层为铝而其下两层厚金属层皆为铜；所述厚金属层的单层厚度范围为1微米-5微米。而如图1所示的现有技术中的变压器的初级及次级线圈通常只能选择采用单层的厚金属层。在本发明的技术方案中，电感L采用两层厚金属层使得包含变压器的整体电路的品质因数Q值得到改善，电感的品质因数Q值相对于变压器的品质因数Q值可以提高5-8。
变压器电感网络的右侧为变压器T1的次级线圈输出端口42、电感L输入端口43以及所述变压器T1的初级线圈中心抽头端口44。对比现有技术中基于两个变压器来实现电感值降低的LC压控振荡器，本发明公开的该种结构的LC压控变压器结构由于仅仅采用单个变压器，可以减少芯片电路版图一半的面积。且变压器电感网络中的电感线圈与变压器线圈相隔一定距离，因此电感和变压器的耦合系数较低，从而减少了变压器和电感之间的耦合影响。电感和变压器次级线圈的端口处于同一位置，减少了电感和变压器连接带来的损耗。
实施本发明实施例，将具有如下有益效果：
单个片上电感的品质因数Q值高于变压器的品质因数Q值，基于单个电感和单个变压器的电感值降低技术的压控振荡器具有高品质因数，电路简单同时又克服了直接减小电感值后LC谐振回路的连接电阻会成为主导的寄生电阻的缺陷。本发明的技术方案提出将电感和变压器共用电路版图面积，大大减少了电路版图面积，从而降低了电路成本。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不会使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (7)
1.一种压控振荡器，其特征在于，所述压控振荡器包括负阻电路、LC谐振回路；所述负阻电路连接电流源；所述LC谐振回路连接所述负阻电路；所述LC谐振回路包括第一电容、变压器、电感、第二电容；所述第一电容与所述变压器的初级线圈之间并联连接；所述变压器的次级线圈、所述电感、所述第二电容之间相互并联连接；所述第一电容为变容管。
2.根据权利要求1所述的压控振荡器，其特征在于，
其中，所述LC谐振回路包括变压器电感网络，所述变压器电感网络包括所述变压器、所述电感；所述变压器为片上变压器，所述电感为片上电感；所述变压器电感网络的左侧为变压器的初级线圈输入端口；所述变压器电感网络的右侧为所述变压器的次级线圈输出端口、所述电感的输入端口以及所述变压器的初级线圈中心抽头端口。
3.根据权利要求2所述的压控振荡器，其特征在于，
其中，所述电感与所述变压器共用电路版图区域，且所述电感的线圈与所述变压器的初级线圈及次级线圈之间相隔距离超过10微米。
4.根据权利要求2或3所述的压控振荡器，其特征在于，
其中，所述电感为包含两层厚金属层的单圈电感。
5.根据权利要求1-4任意一项所述的压控振荡器，其特征在于，
其中，所述负阻电路为交叉耦合管；所述交叉耦合管由NMOS管和/或PMOS管构成；所述交叉耦合管包括NMOS交叉耦合管、PMOS交叉耦合管或者NMOS及PMOS互补交叉耦合管。
6.根据权利要求5所述的压控振荡器，其特征在于，
其中，所述交叉耦合管包括第一MOS管、第二MOS管；所述第一MOS管、所述第二MOS管为相同尺寸、相同类型的MOS管；所述第一MOS管的栅极与所述第二MOS管的漏极相互连接，并连接至所述第一电容的一端；所述第二MOS管的栅极与所述第一MOS管的漏极相互连接，并连接至所述第一电容的另一端；所述第一MOS管的源极与所述第二MOS管的源极相互连接，并连接至所述电流源。
7.根据权利要求1-6任意一项所述的压控振荡器，其特征在于，
其中，所述电流源为带尾电流源或无尾电流源。
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Addressee: Luo Jun Document name: Notification of conformity |