CN110417352B - 一种稳定恒流偏置cascode mmic vco - Google Patents

一种稳定恒流偏置cascode mmic vco Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种稳定恒流偏置CASCODE MMIC VCO，其包括：VCO、缓冲放大器、恒流偏置电路、保持电路和输出匹配电路。VCO为受到外部电压控制的振荡选频电路，其振荡管与第二级的缓冲放大器采用cascode连接，VCO的射频信号经过缓冲放大器进行级联放大，再经过输出匹配电路到达负载。恒流偏置电路的作用是为VCO提供恒定的电流偏置，保持电路为一连接在缓冲放大器基极和集电极的电阻。当电源电压发生变化时，采用恒流源偏置和保持电路使得VCO的静态电流和缓冲放大器的静态偏置点保持不变。由此，该电路能够在不同的电源电压下稳定振荡，并保持振荡频率和工作带宽内幅频特性不变，具备良好稳定的工作性能。

Description

一种稳定恒流偏置CASCODE MMIC VCO
技术领域
本发明涉及一种CASCODE MMIC VCO(采用共射共基放大结构的单片微波集成压控振荡电路)，尤其涉及一种稳定恒流偏置CASCODE MMIC VCO。
背景技术
采用Cascode(共射共基放大器)结构的VCO(压控振荡器)能够对射频信号进行级联放大，降低负载牵引效应，使VCO具有较大的输出功率和良好的输出隔离度，广泛应用于MMIC(单片微波集成电路)VCO的设计中。
传统的Cascode VCO通常采用电阻分压的方式进行偏置。以BJT/HBT为例，图1为传统Cascode VCO电路的一种实施方式。晶体管Q1、Q2采用共射共基的级联方式，VCC通过电阻Rb1、Rb2和Rb3对电路进行电压偏置。
假设晶体管工作在放大区，由图可知，
VB1＝Vbeon
显然，晶体管的偏置电压是电源电压的线性函数，当电源电压改变时，晶体管的直流工作点也随之改变。由此，VCO的工作状态和电路性能将发生改变甚至停振。由于在实际的应用中，VCO的工作电压通常是不确定且在一定范围内变化的，所以这个问题将导致VCO性能指标恶化，甚至停止工作。
发明内容
本发明的目的是：针对传统CASCODE VCO工作性能易受电源电压影响的情形，提出一种能够在较宽的电源电压变化范围内稳定工作的CASCODE MMIC VCO电路结构，使得当电源电压发生变化时，保持振荡频率和工作带宽内的幅频特性不发生变化。
本发明的技术方案是：
一种高稳定恒流偏置CASCODE MMIC VCO，包括：VCO、缓冲放大器、恒流偏置电路、保持电路和输出匹配电路。
恒流偏置电路为VCO提供恒定电流偏置，VCO输出经缓冲放大器连接输出匹配电路，保持电路连接缓冲放大器，使得缓冲放大器的静态偏置点保持不变。
其中，VCO为采用电容三点式(Coplitts)的反馈型振荡电路。包括振荡晶体管Q1、电容C1～C5、L1～L3，端口12之间连接外部可调电压源VT。
缓冲放大器包括放大晶体管Q2、电容C6和电感L4。VCC经过大电感RFC连接Q2的集电极，7端口连接输出匹配电路输出射频信号，4端口和5端口与VCO对应的端口相连。
恒流偏置电路为一基准电流源电路结构，其功能是产生不随电源电压变化的稳定电流输出。输出端产生恒定电流Ib2连接振荡晶体管Q1的基级。
保持电路为电阻R，其两端分别连接在缓冲放大器的6端口和7端口。
输出匹配电路是采用无源器件构成的滤波器，其作用是滤除振荡信号中的谐波分量以及阻抗匹配。
本发明的优点是：
1.本发明提出的高稳定恒流偏置CASCODE MMIC VCO，在两级cascode VCO结构的基础上，采用恒流源对VCO进行偏置。使得当电源电压发生改变时，流经VCO晶体管Q1和缓冲放大器Q2的静态电流基本不变，并进一步通过保持电路使得缓冲放大器Q2的偏置电压不变，因此保证其静态工作点不变。
2.缓冲放大器可以看作是VCO的负载阻抗。由于晶体管Q2的直流工作点保持不变，因此缓冲放大器的输入电阻不变，即VCO的负载阻抗不变。这就避免了当VCO负载变化时导致的频率牵引效应，从而保证了VCO的频率稳定性。此外，Q2的电流增益不变，输出阻抗不变，即对于负载具有恒定的源阻抗。因此，对于不同的振荡频率，其射频信号的输出功率可保持不变，即工作带宽内的幅频特性不变。
3.VCO振荡管Q1的静态电流不变，因此VCO本身的开环增益不变，同时负载不变，从而保证VCO起振条件不变并能够保持稳定振荡。
4.电源电压VCC改变会导致晶体管Q1发射极和集电极之间的电压VCE1发生同等变化。当VCE1改变时，晶体管的极间电容CCE和CCB也将发生变化从而导致振荡频率改变，但只要在Coplitts电路中采取一定的措施，如将跨接在集电极和发射极两端的反馈电容取得足够大，或连接谐振网络的耦合电容取得足够小，便可以将晶体管极间电容变化的影响降到最小。这一点无论是在理论还是实践都已得到广泛验证。
综上所述，本发明提出的高稳定恒流偏置CASCODE MMIC VCO，采用恒流源偏置和保持电路使得VCO的静态电流和缓冲放大器的静态偏置点保持不变。由此，该电路能够在不同的电源电压下稳定振荡，并保持振荡频率和工作带宽内幅频特性不变，具备良好稳定的工作性能。
附图说明
图1是传统CASCODE VCO直流偏置电路。
图2是本发明恒流偏置CASCODE VCO电路框图。
图3是本发明的VCO原理图。
图4是本发明的缓冲放大器原理图。
图5是本发明的保持电路。
图6是本发明的恒流偏置电路。
图7是本发明的VCO与缓冲放大器连接图。
具体实施方式
如图2所示，本发明提供了一种高稳定恒流偏置CASCODE MMIC VCO，在本发明的一种具体实施方式中，本发明所提供的高稳定恒流偏置CASCODE MMIC VCO包括：VCO、缓冲放大器、恒流偏置、保持电路和输出匹配。
如图3所示，VCO为采用电容三点式(Coplitts)的反馈型振荡电路。包括振荡晶体管Q1、电容C1～C5和电感L1～L3。C1～C3为反馈电容。CV为变容二极管，电感L1、L2、C4、C5和CV串并联构成一个等效电感L_var。当外部电压VT改变时，L_var的电感值随之改变，振荡频率发生改变，实现VCO振荡频率的智能调节。4端口和5端口分别与缓冲放大器的对应端口相连，将射频信号输入缓冲放大器。3端口与恒流偏置电路相连接，从而使振荡晶体管Q1的基级获得稳定的电流偏置Ib1。当振荡晶体管Q1的基级电流Ib恒定时，忽略基区宽度调制效应，流经振荡晶体管Q1的电流保持不变。因此VCO本身的开环增益不变，同时负载不变，从而保证VCO起振条件不变并能够保持稳定振荡。
如图4所示，缓冲放大器连接在VCO的后级，作用是对信号进行缓冲放大。4端口和5端口分别与VCO的对应端口相连，即振荡晶体管Q1、放大晶体管Q2采用Cascode的连接方式进行级联，Q1的集电极连接Q2的发射极。由于Q1的集电极电流不变，所以流经Q2的静态电流也保持不变。
如图5所示，保持电路为一电阻R，其两端分别连接在缓冲放大器的6端口和7端口，其作用是使得放大晶体管Q2的偏置电压不变。显然，晶体管发射极和集电极两端的电压VCE2等于电阻R上的压降加上开启电压Vbeon，由于Q2的发射极电流保持不变，所以基极电流保持不变，电阻R上的压降保持不变。因此VCE2保持不变，Q2的静态工作点恒定。
由此，缓冲放大器的输入输出电阻不变，信号增益也不变。
VCO的射频信号经过端口5进入缓冲放大器进行放大，由此缓冲放大器的影响可看作是VCO的负载阻抗，阻抗大小就由耦合电容C6和晶体管Q2的输入阻抗决定。Q2的静态工作点恒定，则缓冲放大器的输入电阻不变，VCO的负载阻抗不变。这就避免了当VCO负载变化时导致的频率牵引效应，从而保证了VCO的频率稳定性。此外，缓冲放大器的电流增益不变，输出阻抗不变，即对于负载具有恒定的源阻抗。因此，对于不同的振荡频率，其射频信号的输出功率可保持不变，即工作带宽内的幅频特性不变。
电源电压变化给电路带来的唯一影响是晶体管Q1发射极和集电极之间的电压VCE1发生变化。当VCE1改变时，晶体管的极间电容CCE和CCB也将发生变化从而导致振荡频率改变，但只要在Coplitts振荡电路中采取一定的措施，如将跨接在集电极和发射极两端的反馈电容C2取得足够大，或连接谐振网络的耦合电容C4取得足够小，便可以将晶体管极间电容变化的影响降到最小。这一点无论是在理论还是实践都已得到广泛验证。
其中，恒流偏置电路的作用是产生不随着电源电压变化的稳定电流输出。输出匹配电路的作用是采用无源器件构成滤波器滤除振荡信号中的谐波分量以及阻抗匹配。图6给出本发明的一种恒流偏置的电路形式。晶体管T1的集电极与晶体管T2的基极相连，该节点通过滤波电容C7接地，晶体管T2的集电极连接电源电压VCC，晶体管T1的集电极通过偏置电阻R1连接电源电压VCC，晶体管T1的发射极接地，分压电阻R2、R3串接在晶体管T2的发射极和地之间，分压电阻R2、R3之间的节点连接晶体管T1的基极，晶体管T2的发射极经限流电阻R4为VCO提供恒流输出Ib2。电源电压VCC的电压增加时，晶体管T2的基极电压VB2增加，发射极电压VE2也增加，通过电阻R1和R2串联分压，晶体管T1的基极电压VB1增加，则流经T1的集电极电流I3增加，根据KCL定律，T2的基极电流I2减小，则流经晶体管T2发射极的电流I1减小，该电流流经电阻R2和R3，因此电阻上的压降VE2减小。由此可见这是一个负反馈电路，当电源电压VCC发生变化时，VE2基本保持不变，由此，输出电流Ib2也基本保持不变。本实施例仅是提供一种恒流偏置电路的实现形式，在实际应用中，可以采用任意一种恒流偏置电路对VCO进行电流偏置。
综上所述，本发明提出的高稳定恒流偏置CASCODE MMIC VCO，采用恒流源偏置和保持电路使得VCO的静态电流和缓冲放大器的静态偏置点保持不变。由此，该电路能够在不同的电源电压下稳定振荡，并保持振荡频率和工作带宽内幅频特性不变，具备良好稳定的工作性能。

Claims (1)

1.一种稳定恒流偏置CASCODE MMIC VCO，其特征在于包括：VCO、缓冲放大器、恒流偏置电路、保持电路和输出匹配电路；
外部可调电压源(VT)连接VCO，恒流偏置电路连接VCO,恒流偏置电路为VCO提供恒流偏置；VCO振荡信号经缓冲放大器缓冲放大，再经过输出匹配电路输出，保持电路连接缓冲放大器，保持电路使得缓冲放大器的静态工作点不变；
恒流偏置电路的输出端连接VCO中振荡晶体管(Q1)的基极，为其提供恒定不变的基极偏置电流(Ib2)，使得VCO中振荡晶体管(Q1)的静态工作电流不变；
VCO中振荡晶体管(Q1)与缓冲放大器中放大晶体管(Q2)采用cascode的连接方式进行级联；
VCO为电容三点式的反馈型振荡电路，包括振荡晶体管(Q1)、电容(C1～C5)和电感(L1～L3)、变容二极管(CV)；电感(L1、L2)、电容(C4、C5)和变容二极管(CV)串并联构成一个等效电感(L_var)；
振荡晶体管(Q1)集电极连接缓冲放大器中放大晶体管(Q2)的发射极，且振荡晶体管(Q1)集电极串联反馈电容(C3)到地；当振荡晶体管(Q1)的集电极电流不变时，流经放大晶体管(Q2)的静态电流也保持不变；
振荡晶体管(Q1)发射极经由耦合电容(C6)连接放大晶体管(Q2)的基极，使得VCO的射频信号进入缓冲放大器进行放大；
保持电路是一电阻(R)，其跨接于缓冲放大器中放大晶体管(Q2)的集电极和基极之间，其使得缓冲放大器的偏置电压保持不变；
缓冲放大器中放大晶体管(Q2)的集电极为输出端连接输出匹配电路；
恒流偏置电路中第一晶体管(T1)的集电极与第二晶体管(T2)的基极相连，并通过滤波电容(C7)接地，第二晶体管(T2)的集电极连接电源电压(VCC)，第一晶体管(T1)的集电极通过偏置电阻连接电源电压(VCC)，第一晶体管(T1)的发射极接地，分压电阻(R2、R3)串接在第二晶体管(T2)的发射极和地之间，分压电阻(R2、R3)之间的节点连接第一晶体管(T1)的基极，第二晶体管(T2)的发射极经限流电阻为VCO提供恒流输出(Ib2)。
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