CN110661490A - 一种基于四端口耦合网络的耦合压控振荡器 - Google Patents

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Abstract

本发明属于无线通信技术领域，涉及压控振荡器，具体为一种基于四端口耦合网络的耦合压控振荡器；用以解决传统的耦合压控振荡器对于耦合网络对称性的要求，使得耦合网络不容易实现绝对对称，不仅不能实现降低向相位噪声目的而且更加占用面积的问题。本发明由四个完全相同的压控振荡器与四端口耦合网络构成，将尾电阻串接于共模路径上代替LC并联谐振腔，有效降低相位噪声的同时，大大的减小了芯片面积；并且，本发明采用共模点耦合方式，不仅使得耦合网络更加对称，走线更短减少失配，同时也能大大降低二次谐波处噪声，减小了二次谐波噪声下变频到基波附近从而恶化相位噪声的可能性。

Description

一种基于四端口耦合网络的耦合压控振荡器
技术领域
本发明属于无线通信技术领域，涉及压控振荡器，具体为一种基于四端口耦合网络的耦合压控振荡器。
背景技术
随着5G时代的到来，通信技术越来越成为衡量一个国家科技实力的标准，对于射频通信系统来说，频率源提供一个稳定频率用于上混频或下混频以方便处理信号，广泛应用于移动通信终端、军事通信系统和卫星通信系统中。压控振荡器作为频率综合器的核心，严重影响着系统中混频后信号质量，因此优化压控振荡器的相位噪声成为了提升系统性能的一个有效手段。
为了降低压控振荡器的相位噪声，从上个世纪起人们就开始对压控振荡器内部噪声来源进行分析并且创造出了许多行之有效的新型结构；其中，通过多个完全相同的压控振荡器输出节点耦合从而降低相位噪声的方法成为研究者们探索的热点。传统的耦合压控振荡器如图1所示(所示为两个压控振荡器耦合)，通过金属连线将两个相同的压控振荡器的输出端连接起来，实现两个压控振荡器的耦合，利用注入锁定的原理可以知道在时域上过零点抖动通过耦合实现平均，从而噪声变成原来的1/N、N是耦合压控振荡器的个数，因此相位噪声在原来的基础上降低10log10NdBc/Hz；但是由于连线在高频下存在寄生效应，以及图中上下两个压控振荡器OUT+、OUT-间的连线必须要完全对称，否则将会造成差分的输出不对称，不仅影响相位噪声而且会给后续的混频环节带来困难。当需要更纯净的频谱时，就需要一次耦合更多的相同的压控振荡器，这时每个压控振荡器之间需要连线耦合，不仅要求绝对对称更要求路径更短从而减小损耗，传统的耦合方式大大增加了实现版图上耦合的难度。
由此可见，上述传统耦合压控振荡器对于只有两个压控振荡器来说相对比较容易实现，但是当需要更纯净的频谱时就需要耦合更多的压控振荡器，这时对于版图实现来说就尤为困难，原因主要有以下几点：
1)传统耦合压控振荡器采用输出节点耦合的方式来降低相位噪声，这对于传统版图实现上来说必定需要冗长的金属走线，大大增加了版图面积和寄生效应带来的风险，同时由于版图不对称造成的不完全匹配更会使得多个输出间存在相位差；
2)传统二次谐波抑制方法不方便适用于传统耦合压控振荡器中，传统二次谐波抑制是由电感、电容并联在二次谐波频率处形成高阻，从而实现对于二次谐波电流在共模通路上形成二次谐波电压，使得交叉耦合对漏、源两端电压差更符合脉冲灵敏度函数低噪声波形，然而电感的引入不仅增加面积，而且会增加耦合网络的长度，从而必须要更长的走线，增加了失配的风险增加了面积。
发明内容
针对上述传统的耦合压控振荡器对于耦合网络对称性的要求，使得耦合网络不容易实现绝对对称，不仅不能实现降低向相位噪声目的而且更加占用面积的问题；本发明的目的在于提供一种新型的基于四端口耦合网络的耦合压控振荡器，重新选取耦合点，既能实现耦合的效果也能实现完全对称的版图布局，有效利用了版图面积和降低了相位噪声；同时，克服了二次谐波抑制方法需要电感的弊端。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种基于四端口耦合网络的耦合压控振荡器，由四个完全相同的压控振荡器与四端口耦合网络构成；其特征在于，所述四端口耦合网络由正方形闭合金属连接线和四个完全相同的尾电阻RS构成，所述正方形闭合金属连接线每条边的中点作为连接端口，每个连接端口对应与压控振荡器的共模点相连，且所述尾电阻RS一端连接于连接端口、另一端接地；所述基于四端口耦合网络的耦合压控振荡器沿正方形闭合金属连接线的两条中心线呈轴对称结构。
本发明的有益效果在于：
1.本发明相比于传统四级压控振荡器耦合结构更为简单；
2.本发明保留了二次谐波抑制方法降低相位噪声的方式，基于电阻的全频段的阻抗不变，将尾电阻串接于共模路径上代替LC并联谐振腔，同样能够在二次谐波频率处形成高阻从而呈现二次谐波，避免使用电感占用芯片面积，也可以达到二次谐波抑制方法同样的优化相位噪声的效果；即有效降低相位噪声的同时，大大的减小了芯片面积；
3.本发明采用共模点耦合方式，不仅使得耦合网络更加对称，走线更短减少失配，同时也能大大降低二次谐波处噪声，减小了二次谐波噪声下变频到基波附近从而恶化相位噪声的可能性。
附图说明
图1为传统耦合压控振荡器电路原理图。
图2为本发明基于四端口耦合网络的耦合压控振荡器电路原理图。
图3为共模路径上产生二次谐波示意图。
图4为本发明实施例中耦合压控振荡器的相位噪声优化结果示意图。
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。
本实施例中提供一种基于四端口耦合网络的耦合压控振荡器，其电路原理图如图2所示，由四个完全相同的压控振荡器与四端口耦合网络构成；其中，所述四端口耦合网络由正方形闭合金属连接线和四个完全相同的尾电阻RS构成，所述正方形闭合金属连接线每条边的中点作为连接端口，每个连接端口对应与压控振荡器的共模点相连，且所述尾电阻RS一端连接于连接端口、另一端接地；所述基于四端口耦合网络的耦合压控振荡器沿正方形闭合金属连接线的两条中心线呈轴对称结构。
从工作原理上讲，如图2所示，每个压控振荡器由晶体管M1、M2组成交差耦合对形成负阻，用来抵消谐振腔中的电阻带来的能量损耗，从而使得正电阻损耗和负电阻产生能量相抵消从而维持震荡，变容管Cvar和差分电感L1形成谐振腔，在谐振频率处呈现高阻和零相位偏移，从而使得振荡器稳定振荡在谐振频率，两个变容管中间加入调谐电压，根据不同的调谐电压变容管呈现不同的电容值，从而改变谐振腔谐振频率。基波信号在晶体管M1、M2的漏极产生，相位相差180度，此时两个晶体管的源极等效为零电位、即虚地，在两个晶体管的漏极对于二次谐波来说，呈现相同的相位，因此方向均往地流去，因此晶体管的源极二次谐波电流成分较大且流入地，在源极通往地的路径上加入一个尾电阻将有效放大二次谐波电压；如图3所示。
综上，本发明基于四端口耦合网络的耦合压控振荡器的设计核心在于：
1)优化二次谐波抑制电路
由脉冲灵敏度函数可知当在基波成分上加上二次谐波会使得波形更为对称，正弦波会被削顶从而使得晶体管进入线性区的可能性最小从而减少晶体管在线性区注入噪声的时间，为了实现在晶体管源极出现二次谐波本可以在共模路径上制造一个LC并联谐振腔，谐振在二次谐波处，但是这种方式必须要至少占用一个电感的面积，权衡利弊并不适用，因此本发明采用了在共模路径上串接了一个电阻，由于电阻在全频段近似处于不变的阻抗值所以共模路径上二次电流与电阻乘积即为二次谐波电压，而由于奇次电流不经过共模路径所以并不影响奇次点谐波，虽然电阻的引入产生了二次谐波一定程度上优化了相位噪声，但是也引入了电阻的热噪声，因此后续可以通过优化电阻阻值使得总体效果依旧呈现优化相位噪声。如图4所示，根据耦合压控振荡器的相位噪声优化理论，4个相同压控振荡器耦合，噪声将会变为原来的四分之一，即相位噪声减去10log104(即6dBc/Hz)。
2)四端口耦合网络
由相位噪声产生机理可知，低频端处的晶体管的闪烁噪声和二次谐波处的热噪声与基波混频到基波附近成为噪声来源，因为频谱中基波成分最大，所以这两处的噪声也是相比于其他方式混频至基波附近的噪声影响最大的。为了减少二次谐波的处的热噪声，本发明选取共模点耦合，直接在二次谐波处实现噪声优化，减小了热噪声下变频到基波附近的可能性，从而实现对相位噪声的优化，通过上述提出的耦合网络可以实现在版图上更短的走线，减小了面积和失配的风险。
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 (1)

1.一种基于四端口耦合网络的耦合压控振荡器，由四个完全相同的压控振荡器与四端口耦合网络构成；其特征在于，所述四端口耦合网络由正方形闭合金属连接线和四个完全相同的尾电阻构成，所述正方形闭合金属连接线每条边的中点作为连接端口，每个连接端口对应与压控振荡器的共模点相连，且所述尾电阻一端连接于连接端口、另一端接地；所述基于四端口耦合网络的耦合压控振荡器沿正方形闭合金属连接线的两条中心线呈轴对称结构。
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