CN111147022B - 达林顿差分考毕兹压控振荡器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种达林顿差分考毕兹压控振荡器，包括有源负阻结构和电感电容谐振腔，通过HBT管级联构成高电流增益特性达林顿结构，并基于该达林顿结构形成有源负阻，该有源负阻可高灵敏地放大电路中的微弱信号，为压控振荡器提供足够的增益，提升振荡器的起振能力；降低谐振腔并联电阻引起的品质因数的退化，同时提高输出信号的频率响应特性。
Description
技术领域
本发明属于微波毫米波集成电路领域，具体涉及一种达林顿差分考毕兹压控振荡器。
背景技术
压控振荡器（voltage-controlled oscillator，VCO）是频率源系统中工作频率最高的模块，它是将DC能量转变为AC波形的非线性电路。VCO是频率源的核心模块，它决定了频率源的一些关键性能，一个合理的VCO设计是实现频率源系统的良好性能的前提条件。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。
考毕兹（Colpitts）振荡器属于电容三点式LC振荡器，它是由美国工程师Colpitts首次提出的振荡器结构，它的结构特点是：有源器件通过电容分压的方式进行信号反馈。考毕兹振荡器有共集电极、共基极和共射极3种结构，其中共集电极结构的谐振腔隔离度较高、电感寄生参数影响较小，因此常见于微波/毫米波压控振荡器的芯片设计中。
相对于微波/毫米波芯片设计中另一种常采用的交叉耦合LC压控振荡器结构而言，考毕兹压控振荡器具有更高的输出功率、更宽的调谐范围和更低的相位噪声。然而，考毕兹振荡器的起振比交叉耦合振荡器更加困难，有更高的无法起振的风险，需要晶体管提供更高的跨导值，因而晶体管的尺寸以及所需功耗也更大；同时大尺寸晶体管较低的输入阻抗使得VCO谐振腔的品质因数退化，输出功率和相位噪声恶化；并在输出端口引入较大的寄生电容，降低了VCO在微波/毫米波频段的高频响应能力。
发明内容
本发明的目的在于提供一种达林顿差分考毕兹压控振荡器，适用于微波/毫米波振荡器芯片电路，具有低相位噪声以及更强的起振能力。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种达林顿差分考毕兹压控振荡器，包括：达林顿有源负阻结构、反馈电容、谐振变容管、谐振电容、谐振电感、去耦电感、偏置电阻。通过HBT管级联构成高电流增益特性达林顿结构，高灵敏地放大电路中的微弱信号，为VCO提供足够的增益，提升振荡器的起振能力；降低谐振腔并联电阻引起的品质因数的退化，同时提高输出信号的频率响应特性。
在一个或多个实施例中，所述达林顿有源负阻结构采用HBT三极管级联构成。达林顿电路可有四种接法：NPN+NPN，PNP+PNP，NPN+PNP，PNP+NPN：前二种是同极性接法，后二种是异极性接法。等效三极管极性与达林顿结构的前一级三极管相同。
在一个或多个实施例中，所述达林顿有源负阻结构的极性可为NPN型或PNP型或互补性。
所述谐振变容管形成差分对接，对接端设置有一个接入外部谐振电压信号的端口；
在一个实施例中，谐振变容管可通过外接偏置电压调整电容-电压曲线；
在一个实施例中，所述偏置电路采用有源电流源实现；
在一个实施例中，所述谐振电容可采用开关电容阵列实现；
在一个实施例中，所述去耦电感可采用具有中心抽头的差分电感实现；
在一个实施例中，所述谐振电感可采用具有中心抽头的差分电感实现。
本发明与现有技术相比，其显著优点在于：（1）采用的高电流增益特性达林顿结构（组合电流增益等于两只晶体管的电流增益的乘积）为VCO提供足够的环路增益，可高灵敏地放大电路中的微弱信号，有效提升了振荡器的起振能力。
（2）相对于采用大尺寸单晶体管的电路提高了输入阻抗，从而降低了并联电阻对谐振腔品质因数的退化影响。
（3）本发明的低输出阻抗特性也有益于提高输出信号的频率响应特性，使其更适合应用于微波/毫米波振荡器芯片电路领域。
附图说明
图1为本发明的达林顿差分考毕兹压控振荡器电路图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
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，所描述的实施例仅是本发明的一个实施例，而不是全部实施例。所述中“第一”和“第二”等是用于区别不同对象，而非用于描述特定顺序。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例提供的一种达林顿差分考毕兹压控振荡器电路图如图1所示，该达林顿差分考毕兹压控振荡器包括第一达林顿结构、第二达林顿结构、第一变容管CV1、第二变容管CV2、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第四电容C4、第一电感L1、第二电感L2、第三电感L3、第四电感L4、第五电感LC1、第六电感LC2、第七电感LE1、第八电感LE2、第一电阻R1，第一达林顿结构由第一HBT管Q1和第三HBT管Q3级联构成，第二达林顿结构由第二HBT管Q2和第四HBT管Q4级联构成，输入输出端口包括接地端口、供电端口V DD、连接调谐电压的第一输入端口V tune、连接偏置电压的第二输入端口V bias1、第三输入端口V bias2和输出差分振荡信号的第一输出端口V out+、第二输出端口V out-。
所述实施例中，第一输入端口V tune与第一变容管CV1、第二变容管CV2连接，第二输入端口V bias1与第一电感L1、第二电感L2连接。第三输入端口V bias2与第三电感L3、第四电感L4连接。第一HBT管Q1的基极作为第一达林顿结构复合管的基极，和第一电感L1、第一电容C1、第一变容管CV1连接。第一HBT管Q1的发射极和第三HBT管Q3的基极连接，同时与第三电感L3连接。第三HBT管Q3的发射极作为第一达林顿结构复合管的发射极，与第七电感LE1、第一电容C1、第三电容C3连接。第一HBT管Q1的集电极和第三HBT管Q3的集电极连接，作为第一达林顿结构复合管的集电极，同时与第五电感LC1连接，并连接第一输出端口V out+。第二HBT管Q2的基极作为第二达林顿结构复合管的基极，和第二电感L2、第二电容C2、第二变容管CV2连接。第二HBT管Q2的发射极和第四HBT管Q4的基极连接，同时与第四电感L4连接。第四HBT管Q4的发射极作为第二达林顿结构复合管的发射极，与第六电感LE2、第二电容C2、第四电容C4连接。第二HBT管Q2的集电极和第四HBT管Q4的集电极连接，作为第二达林顿结构复合管的集电极，同时与第六电感LC2连接，并连接第二输出端口V out-。第一电感L1和第二电感L2一端分别与和第一、第二差分输出端口Vout+、Vout-连接，另一端和供电端口VDD连接。第一电阻R1一端和第七电感LE1、第八电感LE2连接，另一端接地。
所述实施例中，优选CBEBC版图结构的HBT晶体管进行压控振荡器的电路设计，以实现更高的最大振荡频率f max。典型工艺中HBT晶体管的发射极的宽度为固定值，需通过改变发射极的长度或晶体管个数来调整发射结面积。
所述实施例中金属连接线的宽度根据所采用工艺的最小噪声系数（NFmin）的优化电流密度确定。
所述实施例中的差分电感可采用微带传输线结构实现，在版图设计中，微带传输线由顶层金属和下层金属构成，其中顶层金属的电导率最高，用于信号走线；下层金属为参考地平面，在设计时通过切槽处理来减小涡流损耗。同时为了提高微波/毫米波频段的频率响应，在电容加工精度允许范围内，参考地平面和顶层金属距离尽可能大。
尽管已描述了本发明的一个实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对该实施例做出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括所述实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (1)
1.一种达林顿差分考毕兹压控振荡器，包括有源负阻结构和电感电容谐振腔，其特征在于，通过HBT管级联构成高电流增益特性达林顿结构，并基于该达林顿结构形成有源负阻，该有源负阻可高灵敏地放大电路中的微弱信号，为压控振荡器提供足够的增益，提升振荡器的起振能力；降低谐振腔并联电阻引起的品质因数的退化，同时提高输出信号的频率响应特性；
两个HBT晶体管级联形成达林顿结构，通过第一级晶体管基极和第二级晶体管发射极之间的反馈电容形成有源负阻，从而构成电容三点式LC振荡器；
所述达林顿差分考毕兹压控振荡器包括第一达林顿结构、第二达林顿结构、第一变容管CV1、第二变容管CV2、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第四电容C4、第一电感L1、第二电感L2、第三电感L3、第四电感L4、第五电感LC1、第六电感LC2、第七电感LE1、第八电感LE2、第一电阻R1，第一达林顿结构由第一HBT管Q1和第三HBT管Q3级联构成，第二达林顿结构由第二HBT管Q2和第四HBT管Q4级联构成，输入输出端口包括接地端口、供电端口V DD、连接调谐电压的第一输入端口V tune、连接偏置电压的第二输入端口V bias1、第三输入端口V bias2和输出差分振荡信号的第一输出端口V out+、第二输出端口V out-；
第一输入端口V tune与第一变容管CV1、第二变容管CV2连接，第二输入端口V bias1与第一电感L1、第二电感L2连接；第三输入端口V bias2与第三电感L3、第四电感L4连接；第一HBT管Q1的基极作为第一达林顿结构复合管的基极，和第一电感L1、第一电容C1、第一变容管CV1连接；第一HBT管Q1的发射极和第三HBT管Q3的基极连接，同时与第三电感L3连接；第三HBT管Q3的发射极作为第一达林顿结构复合管的发射极，与第七电感LE1、第一电容C1、第三电容C3连接；第一HBT管Q1的集电极和第三HBT管Q3的集电极连接，作为第一达林顿结构复合管的集电极，同时与第五电感LC1连接，并连接第一输出端口V out+；第二HBT管Q2的基极作为第二达林顿结构复合管的基极，和第二电感L2、第二电容C2、第二变容管CV2连接；第二HBT管Q2的发射极和第四HBT管Q4的基极连接，同时与第四电感L4连接；第四HBT管Q4的发射极作为第二达林顿结构复合管的发射极，与第六电感LE2、第二电容C2、第四电容C4连接；第二HBT管Q2的集电极和第四HBT管Q4的集电极连接，作为第二达林顿结构复合管的集电极，同时与第六电感LC2连接，并连接第二输出端口V out-；第一电感L1和第二电感L2一端分别与和第一、第二差分输出端口Vout+、Vout-连接，另一端和供电端口VDD连接；第一电阻R1一端和第七电感LE1、第八电感LE2连接，另一端接地；
通过电感对达林顿结构的两级HBT晶体管基极提供偏置电压；同时该电感为LC谐振腔的电感；电感为差分连接或中心抽头，连接点或抽头点接直流偏置，交流虚地；
差分电感采用微带传输线结构实现，在版图设计中，微带传输线由顶层金属和下层金属构成，其中顶层金属用于信号走线；下层金属为参考地平面，在设计时进行切槽处理。
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