CN111277222B - 一种基于栅源变压器反馈的电流复用压控振荡器 - Google Patents

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Abstract

本发明属于通信技术领域，涉及电流复用压控振荡器，具体为一种基于栅源变压器反馈的电流复用压控振荡器，用以解决传统压控振荡器在高频段时的相位噪声差，以及传统自混频振荡器芯片占用面积大、功耗高等问题。本发明包括：栅源变压器反馈的压控振荡器、混频器及隔直电容；其中，栅源变压器反馈的压控振荡器降低了对电源电压的需求，在低电压时仍能持高性能的工作状态，降低了功耗；并且，将栅源变压器反馈的压控振荡器的偶次谐波电流与单平衡混频器进行电流复用，降低了损耗，提高了电流的利用率，显著减少了芯片占用面积。

Description

一种基于栅源变压器反馈的电流复用压控振荡器
技术领域
本发明属于通信技术领域，涉及电流复用压控振荡器，具体为一种基于栅源变压器反馈的电流复用压控振荡器。
背景技术
随着物联网以及无线通信技术的迅速发展，人们对射频收发系统提出了更高频率、更小尺寸、更低功耗、更高可靠性等一系列要求，作为射频收发模块中的核心之一，压控振荡器(Voltage-Controlled Oscillator，VCO)的性能直接影响到信号发射和接收的准确性，所以VCO面临着极大的需求和挑战。随着设计频率的升高，无源器件的品质因数(Q值)会降低，从而导致VCO的输出相位噪声性能变差。
为了解决这种问题，一种传统的自混频振荡器被研究者提出，其电路原理图如图6所示，其中，晶体管M1、M2和电感L1以及可变电容Cvar构成压控振荡器，通过改变可变电容Cvar可以改变谐振频率，假设振荡频率为基波信号f0，尾电感L3与电容C1以及晶体管M1、M2共源结点的寄生电容形成并联谐振，谐振频率为二次谐波信号2f0；二次谐波信号2f0通过变压器L3、L4传输到混频器M3、M4的源极，与传输到混频器M3、M4的栅极的基波f0混频，电感L2和电容C4构成谐振频率为3f0的谐振腔，得到三次谐波；另外，C2和C3为隔直电容，R1和R2为偏置电阻，晶体管M5、M6提供有源负阻，提高Q值。该传统自混频振荡器的技术原理是，首先通过VCO产生一个基波信号，其次用电感和电容并联谐振构成的谐振腔得到偶次谐波，最后再将偶次谐波与基波送入混频器，经过滤波，得到三次谐波；这种传统自混频振荡器原理结构由VCO、用于二次谐波提取的尾电感和电容并联谐振腔、有源混频器三部分组成，结构复杂、占用芯片面积大；并且，结构的VCO和混频器需要分别供电且对供电电压有一定的要求，功耗比较高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于栅源变压器反馈的电流复用压控振荡器，用以解决传统压控振荡器在高频段时的相位噪声差，以及传统自混频振荡器芯片占用面积大、功耗高等问题。本发明采用了栅源变压器反馈的压控振荡器，降低了对供电电压的需要，在低压情况下，仍能够保持高性能的工作状态；并且，采用VCO与单平衡混频器叠加串联的结构，实现了电流复用，提高电流的利用率，进一步降低功耗，结构比传统自混频振荡器结构简单，显著减少芯片占用面积。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种基于栅源变压器反馈的电流复用压控振荡器，包括：栅源变压器反馈的压控振荡器、混频器及隔直电容；其特征在于，
所述栅源变压器反馈的压控振荡器包括：MOS管M1、MOS管M2，变压器，电容C1、电容C2，以及可变电容Cvar；其中，所述变压器由电感电感LA11、电感LA12、电感LA21、电感LA22构成；所述电感LA21与电感LA22、电容C1与电容C2分别串联后并联构成第一谐振腔，第一谐振腔的两端分别与MOS管M1、MOS管M2的源极相连；所述电感LA11与电感LA12串联后与可变电容Cvar并联构成第二谐振腔，第二谐振腔的两端分别与MOS管M1、MOS管M2的栅极相连，电感LA11与电感LA12的中心抽头处连接偏置电压Vbias1；
所述混频器包括：MOS管M3、MOS管M4，电感L31、电感L32，以及电容C5、电容C6；其中，电感L31与电感L32构成一个带有中心抽头的差分电感，中心抽头处连接电源电压VDD；电容C5与电容C6串联后与所述差分电感并联构成第三谐振腔，所述第三谐振腔两端分别与MOS管M3与MOS管M4的漏极相连；MOS管M3与MOS管M4的源极相连、且与MOS管M1、MOS管M2的漏极相连；MOS管M3、MOS管M4的栅极分别连接偏置电阻后接偏置电压Vbias2；
所述MOS管M1与MOS管M3的栅极之间、所述MOS管M2与MOS管M4的栅极之间分别设置隔直电容。
本发明的有益效果在于：
本发明提供一种基于栅源变压器反馈的电流复用压控振荡器，具有以下优点：
1、本发明的振荡器采用了栅源变压器反馈的压控振荡器，降低了对电源电压的需求，在低电压时仍能持高性能的工作状态，降低了功耗；
2、本发明将栅源变压器反馈的压控振荡器的偶次谐波电流与单平衡混频器进行电流复用，降低了损耗，提高了电流的利用率；
3、本发明采用了将栅源变压器反馈的压控振荡器与单平衡混频器叠加串联的方式，提高了电流利用率，同时在低压时仍能够保障该结构处于高性能的工作状态，并且减少了芯片占用面积。
附图说明
图1为本发明基于栅源变压器反馈的电流复用压控振荡器电路原理图。
图2为本发明中栅源变压器反馈的压控振荡器电路原理图。
图3为本发明中Gate-to-Source-Feedback VCO的环路反馈示意图。
图4为本发明中栅源变压器反馈振荡器的漏极和栅极的信号输出波形图。
图5为本发明中基波信号与输出三倍频信号图。
图6为传统自混频压控振荡器电路原理图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。
本发明提出了一种基于栅源变压器反馈的压控振荡器(Gate-to-Source-Feedback VCO)，这种结构不仅去除了传统冗余的尾电感和尾电容，而且能够工作在低压状态下，降低了功耗；并且将基于栅源变压器反馈的压控振荡器的基波、二次谐波用MOSFET实现混频得到三次谐波信号，然后经由滤波器得到所需信号。
更为具体的讲，本实施例中基于栅源变压器反馈的电流复用压控振荡器，如图1所示，主要包括：第一部分由MOS管M1，MOS管M2，变压器LA11、LA12、LA21、LA22，电容C1、C2，以及可变电容Cvar组成的栅源变压器反馈的压控振荡器；第二部分由MOS管M3、MOS管M4，电感L31、电感L32，以及电容C5、电容C6组成的混频器；另外，R1、R2为偏置电阻，电容C3、电容C4为隔直电容；
所述第一部分的栅源变压器反馈的压控振荡器中，MOS管M1、MOS管M2构成一对交叉耦合对，在电路中呈现出有源负阻；所述电感LA21与电感LA22、电容C1与电容C2分别串联后并联构成第一谐振腔，第一谐振腔的两端分别与MOS管M1、MOS管M2的源极相连；所述电感LA11与电感LA12串联后与可变电容Cvar并联构成第二谐振腔，第二谐振腔的两端分别与MOS管M1、MOS管M2的栅极相连，电感LA11与电感LA12的中心抽头处连接偏置电压Vbias1、用以提供MOS管M1、MOS管M2的栅极偏压；所述电感LA21、电感LA22、电感LA11、电感LA12构成一个变压器；
所述第二部分的混频器中，电感L31与电感L32构成一个带有中心抽头的差分电感，中心抽头处连接电源电压VDD；电容C5与电容C6串联后与所述差分电感并联构成第三谐振腔，所述第三谐振腔两端分别与MOS管M3与MOS管M4的漏极相连；MOS管M3与MOS管M4的源极相连、且与MOS管M1、MOS管M2的漏极相连；MOS管M3、MOS管M4的栅极分别连接偏置电阻R1、R2后连接偏置电压Vbias2，用以提供MOS管M3、MOS管M4的栅极偏压；
所述MOS管M1与MOS管M3的栅极之间设置隔直电容C3，所述MOS管M2与MOS管M4的栅极之间设置隔直电容C4。
从工作原理上讲：
(1)栅源变压器反馈的压控振荡器
本发明的振荡器采用的是基于栅源变压器反馈的压控振荡器，原理图如图2所示；其中MOS管M1和M2构成一对交叉耦合对，在电路中呈现出有源负阻的形式；变压器LA11、LA12、LA21、LA22、电容C1和C2以及可变电容Cvar决定了振荡频率的大小，通过调节可变电容Cvar的值调节振荡频率。
本发明采用的栅源变压器反馈的压控振荡器，该结构与Colpitts振荡器的结构原理类似，在MOS管M1和M2的栅极和源极之间加入了变压器反馈；其栅源反馈方式如图3所示；采用如图3所示的栅源变压器反馈，变压器能够提供的额外的正反馈环路增益，使得压控振荡器在低压的时候保证电路高性能的工作，甚至当供电电压低于晶体管的阈值电压(Vth)时，基于栅源变压器反馈的压控振荡器仍然能够正常工作，降低了系统的功耗。在低供电电压的情况下，由于变压器额外的环路增益，该压控振荡器的栅极输出仍保持高性能的输出，提高了信号的输出功率，改善了相位噪声。
如图4所示，该仿真图为栅源变压器反馈振荡器的漏极和栅极的信号输出，波形一为漏极的信号输出，波形二为栅极的信号输出，通过仿真结果可以看出漏极信号含有一次，二次，三次谐波信号，采用本发明的结构，在栅源变压器反馈的压控振荡器上叠加串联单平衡混频器，利用其漏极偶次谐波信号，与栅极的基波信号进行混频，最后得到所需要的三次谐波信号，进而实现三倍频的功能。
(2)偶次谐波电流复用的混频器
本发明将MOS管M1和M2漏极的偶次谐波电流通过加到混频器开关管M3和M4进行再次利用，实现了MOS管M1与M3、M2与M4的电流复用，降低了功耗；同时，栅源变压器反馈的压控振荡器的差分基波电压信号通过隔直电容C3和C4分别加到单平衡混频器中MOS管M3与M4的栅极，在MOS管M3和M4的漏极会产生一次、三次、五次等谐波电流，这些谐波电流通过由电感L31、L32与电容C5、C6构成的LC并联谐振腔(第三谐振腔)，谐振频率为三次谐波，进而对三次谐波进行选频并将三次谐波输出。
仿真得到的三倍频信号与栅源变压器反馈的压控荡器的基波电压信号如图5所示，其中，波形三为基波信号，波形四为混频器输出并经过滤波后的三次谐波信号。
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)

1.一种基于栅源变压器反馈的电流复用压控振荡器，包括：栅源变压器反馈的压控振荡器、混频器及隔直电容；其特征在于，
所述栅源变压器反馈的压控振荡器包括：MOS管M1、MOS管M2，变压器，电容C1、电容C2，以及可变电容Cvar；其中，所述变压器由电感电感LA11、电感LA12、电感LA21、电感LA22构成；所述电感LA21与电感LA22、电容C1与电容C2分别串联后并联构成第一谐振腔，第一谐振腔的两端分别与MOS管M1、MOS管M2的源极相连；所述电感LA11与电感LA12串联后与可变电容Cvar并联构成第二谐振腔，第二谐振腔的两端分别与MOS管M1、MOS管M2的栅极相连，电感LA11与电感LA12的中心抽头处连接偏置电压Vbias1；
所述混频器包括：MOS管M3、MOS管M4，电感L31、电感L32，以及电容C5、电容C6；其中，电感L31与电感L32构成一个带有中心抽头的差分电感，中心抽头处连接电源电压VDD；电容C5与电容C6串联后与所述差分电感并联构成第三谐振腔，所述第三谐振腔两端分别与MOS管M3与MOS管M4的漏极相连；MOS管M3与MOS管M4的源极相连、且与MOS管M1、MOS管M2的漏极相连；MOS管M3、MOS管M4的栅极分别连接偏置电阻后接偏置电压Vbias2；
所述MOS管M1与MOS管M3的栅极之间、所述MOS管M2与MOS管M4的栅极之间分别设置隔直电容。
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