CN110677127B - 一种Class-F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，涉及锁相环中的电压控制振荡器(VCO)，具体为一种Class‑F压控振荡器。本发明包括：第一谐振腔，交叉耦合管对及第二谐振腔，其中，第一谐振腔谐振于ω1处，则第二谐振腔谐振于3ω1处；即采用两个分离的电感形成两个谐振腔的设计，将三次谐波与基波分离开来，在交叉耦合管漏源两极依然形成一个近似方波的波形；并且，本发明中两个谐振腔代替变压器结构，避免了反复调节变压器的尺寸来确保电路的性能需求，大大简化设计过程，使得实际设计更为方便；同时，本发明中去除了尾电流源与滤波电容，使电路结构更加简单，并且有效避免了由于尾电流源和滤波电容在电路中带入的相噪恶化的问题。

Description

一种Class-F压控振荡器
技术领域
本发明属于无线通信技术领域，涉及锁相环中的电压控制振荡器(VCO)，具体为一种Class-F压控振荡器。
背景技术
锁相环作为无线通信技术的重要组成部分，随着无线通信技术的飞速发展，对锁相环的要求也越来越高；电压控制振荡器(VCO)作为锁相环的关键电路，其性能是最受关注的问题；其中，最主要的性能指标是VCO的相位噪声和功耗。
为了改善压控振荡器的相噪性能，研究者提出了许多的新结构。传统的Class-F电压控制振荡器通过一个具有中等耦合谐振绕组的变压器，增加基本振荡电压的三次谐波得到一个附加阻抗峰值，得到输出电压是一个伪方波的电压波形；如图1所示，M1、M2交叉耦合管在电路中用来产生负阻，变压器初级线圈Lp以及变容管C1和次级线圈L s以及变容管C2构成两个谐振腔用来产生两个阻抗峰；尾电流源MT用来保证流经整个电路的总电流保持不变，从而降低整个电路的电源敏感性，除此之外，MT可以提供一个大的阻抗，防止谐振腔的Q值降低；尾电容CT用来滤除电路产生的噪声。如图2所示为上述传统Clas s-F电压控制振荡器的时域以及频域的振荡波形图，电流Id是方波，理想情况下，一次谐波和三次谐波是方波的主要成分，二次谐波小到可以忽略；一般电感组成的LC谐振腔阻抗只有一个谐振峰，而Class-F结构采用变压器结构，可以有两个谐振峰；假设电路振荡在ω1，若把第二个谐振峰调整到3ω1处，则电路输出电压可以形成伪方波，减小了交叉耦合管进入线性区的时间从而改善了VCO的相噪性能。但是，传统的Class-F电压控制振荡器也存在如下问题：
(1)传统Class F压控振荡器含有变压器，增加了设计难度：变压器结构本身会增大V CO的调节范围，并且变压器结构本身的Q值较高，会提高相噪性能；并且变压器在实际电路中是通过两个电感耦合得到的，导致变压器的耦合系数的调节只能根据经验值；除此之外，在得到了所需要的变压器尺寸之后，若电路后仿真与前仿真的结果差异过大，如振荡频率发生很大的变化，此时还需要重新设计变压器的尺寸，导致电路灵活性不够；
(2)传统结构由于需要一个额外的大晶体管作为尾电流源到地，其会限制输出电压的摆幅并且此晶体管会引入热噪声；而且，此晶体管不是理想的电流源，所以其阻抗不是无穷大；由于输出电压摆幅很大，当M1或M2进入三极管区时会等效为一个电阻，这样会使谐振腔的Q值有一个到地的通路，使电路的相位噪声性能变差；
(3)传统结构中与尾电流源并联的电容要选择大电容才会起到滤波作用，但是当M1或M2进入三极管区时会等效为一个电阻，此时电容很大，等效于短路，进一步恶化电路的相噪性能。
发明内容
本发明的目的在于针对上述传统Class-F压控振荡器的缺点，提供一种新型的Class-F压控振荡器；本发明采用两个分离的电感形成两个谐振腔的设计，降低了设计难度，并且去掉了尾电流源以及滤波电容，不存在上述相位噪声恶化的问题。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种Class-F压控振荡器，包括：第一谐振腔，交叉耦合管对及第二谐振腔，其特征在于：
所述交叉耦合管对由NMOS管M1、NMOS管M2构成，所述NMOS管M1的栅极连接NMOS管M2的漏极，所述NMOS管M1的漏极连接NMOS管M2的栅极；
所述第一谐振腔由电感L1、变容管C1构成；所述变容管C1与电感L1并联后两端分别与NMOS管M1、NMOS管M2的漏极相连，且两个连接端分别作为压控振荡器的输出端OUT+、输出端OUT-；所述电感L1的中心抽头接电源VDD，所述变容管C1由两个变容管串联组成、且串联端接VCO的控制电压Vcont；
所述第一谐振腔由电感L2、电容C2构成，所述电容C2与电感L2并联后两端分别与NMOS管M1、NMOS管M2的源极相连，所述电感L2中心抽头接地。
进一步的，所述第一谐振腔与第二谐振腔满足条件：第一谐振腔谐振于ω1处，则第二谐振腔谐振于3ω1处。
本发明的有益效果在于：
1.本发明相对于传统结构的Class-F压控振荡器结构更加简单，采用两个分离的电感形成两个谐振腔的设计，将三次谐波与基波分离开来，在交叉耦合管漏源两极依然形成一个近似方波的波形；并且，本发明中两个谐振腔代替变压器结构，避免了反复调节变压器的尺寸来确保电路的性能需求，大大简化设计过程，使得实际设计更为方便；
2.本发明中去除了尾电流源与滤波电容，使电路结构更加简单，并且有效避免了由于尾电流源和滤波电容在电路中带入的相噪恶化的问题。
附图说明
图1为传统Class-F压控振荡器电路结构示意图。
图2为传统Class F压控振荡器时域以及频域的振荡波形图。
图3为本发明Class-F压控振荡器电路结构示意图。
图4为本发明Class-F压控振荡器与传统结构原理比较示意图。
图5为本发明实施例中Class-F压控振荡器OUT+处的电压输出。
图6为本发明实施例中Class-F压控振荡器三倍频信号输出。
图7为本发明实施例中Class-F压控振荡器交叉耦合对源漏端电压差呈现伪方波波形。
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。
本实施例提出了一种Class-F结构的压控振荡器，该结构使用了两个谐振腔来代替变压器结构并且去掉了额外的尾电流源以及滤波电容，直接将电感抽头接地；该结构使得晶体管的漏源电压Vds也是伪方波，能够实现与传统Class F一样的理论，但设计方法及器件结构更为简单。进一步的，所述Class-F结构的压控振荡器电路结构如图3所示，包括：第一谐振腔，交叉耦合管对及第二谐振腔，其中：
所述交叉耦合管对由NMOS管M1、NMOS管M2构成，所述NMOS管M1的栅极连接NMOS管M2的漏极，所述NMOS管M1的漏极连接NMOS管M2的栅极；
所述第一谐振腔由电感L1、变容管C1构成；所述变容管C1与电感L1并联后两端分别与NMOS管M1、NMOS管M2的漏极相连，且两个连接端分别作为压控振荡器的输出端OUT+、输出端OUT-；所述电感L1的中心抽头接电源VDD，所述变容管C1由两个变容管串联组成、且串联端接VCO的控制电压Vcont；
所述第一谐振腔由电感L2、电容C2构成，所述电容C2与电感L2并联后两端分别与NMOS管M1、NMOS管M2的源极相连，所述电感L2中心抽头接地。
从工作原理上讲：
本发明主要由三部分组成，第一部分为由M1、M2交叉耦合管在电路中用来产生负阻为电路振荡提供条件，第二部分为电感L1、变容管C1构成的谐振腔1，用来形成一次谐波，第三部分为电感L2、电容C2构成的谐振腔2，用来形成三次谐波。
如图4(b)所示，本发明通过基波阻抗的电流与通过三次谐波阻抗的电流反相，则交叉耦合管的漏源电压Vds＝Vout-Vtri＝I1×Z1-(-I3×Z3)＝I1×Z1+I3×Z3；对于传统结构来说，如图4(a)所示，通过基波阻抗的电流与通过三次谐波阻抗的电流是同相的，交叉耦合管的漏源电压Vds＝Vout-0＝I1×Z1+I3×Z3；证明了本发明结构和传统结构的原理一致但本设计方法更加简单。
更具体的，本实施例中Class-F结构的压控振荡器的设计过程如下：
(1)确定压控振荡器振荡频率
本发明利用电感L1、变容管C1构成的谐振腔1谐振在所需的振荡频率f0，即一次谐波的频率；首先通过估算得到一个合适的L1的电感值以及此时的容值，通过仿真确定所需的变容管C1的感值，在确定器件尺寸时，应兼顾器件所占面积以及Q值高低；仿真得到的OUT+处输出波形如图5所示；
(2)三次谐波的产生
在传统结构中，变压器可以分别在ω1和3ω1处形成两个阻抗峰Z1和Z3，而本发明是使电感L2、电容C2构成的谐振腔2振荡在3ω1处形成阻抗Z3；与(1)类似，选择合适的感值和容值，使谐振腔振荡在3ω1处；如图6所示，谐振腔在MOS管源极产生了一定幅度的三倍频电压信号。
(3)交叉耦合管栅源电压Vds的产生
由上述原理阐述中可以知道，传统结构的Class-F VCO通过输出伪方波电压，减小了交叉耦合管进入线性区的时间从而改善了VCO的相噪性能。传统结构是将交叉耦合管的源极接尾电流源，此时在尾电流源漏极形成了交流地，也相当于接地，所以此时Vds＝Vout-0＝I1×Z1+I3×Z3；而对于本发明结构，Vds＝Vout-Vtri＝I1×Z1-(-I3×Z3)＝I1×Z1+I3×Z3；所以本发明结构依旧能够通过一次谐波电压和三次谐波电压相减得到方波，如图7所示，MOS管源漏两极电压差呈现伪方波波形，与传统结构原理相一致，能够有效降低MOS管引入的噪声。
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 (2)

1.一种Class-F压控振荡器，包括：第一谐振腔，交叉耦合管对及第二谐振腔，其特征在于：
所述交叉耦合管对由NMOS管M1、NMOS管M2构成，所述NMOS管M1的栅极连接NMOS管M2的漏极，所述NMOS管M1的漏极连接NMOS管M2的栅极；
所述第一谐振腔由电感L1、变容管C1构成；所述变容管C1与电感L1并联后两端分别与NMOS管M1、NMOS管M2的漏极相连，且两个连接端分别作为压控振荡器的输出端OUT+、输出端OUT-；所述电感L1的中心抽头接电源VDD，所述变容管C1 由两个变容管串联组成、且串联端接VCO的控制电压Vcont；
所述第二谐振腔由电感L2、电容C2构成，所述电容C2与电感L2并联后两端分别与NMOS管M1、NMOS管M2的源极相连，所述电感L2中心抽头接地。
2.按权利要求1所述Class-F压控振荡器，其特征在于，所述第一谐振腔与第二谐振腔满足条件：第一谐振腔谐振于ω 1处，则第二谐振腔谐振于3ω 1处。
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