CN112003569B - 一种基于三电感耦合的高稳定超宽带调谐压控振荡器 - Google Patents
一种基于三电感耦合的高稳定超宽带调谐压控振荡器 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于三电感耦合的高稳定超宽带调谐压控振荡器，属于通讯领域。针对现有技术中压控振荡器为了实现宽调谐范围而被迫面积大和噪声大的问题提出本方案。包括三个结构相同的振荡电路，每一振荡电路内在输入级的两端均设有并联的一电感、一可编码的电容矩阵、可变电容、基频电容；各电感由外至内同轴布置互相耦合，且相邻的电感设置在不同的金属层中。优点在于，三电感的特殊布置方式，可以使压控振荡器获得宽调谐范围的同时，也能保持低噪声状态。通过调整三电感的耦合系数k和各自对应的等效电容，使得压控振荡器的振荡稳定。用一个电感的面积完成三电感的功能,加以电路辅助，使得实现稳定振荡和宽调谐范围。
Description
技术领域
本发明涉及一种压控振荡器，尤其涉及一种基于三电感耦合的高稳定超宽带调谐压控振荡器。
背景技术
随着无线通信的发展，锁相环PLL成为射频芯片中重要的模块。而压控振荡器VCO作为PLL中的关键子模块，需要满足宽调谐范围和低相位噪声的条件。
传统的宽调谐VCO通常使用电容阵列来拓宽频率范围，随着调谐范围的增加，需要更多的电容阵列来满足要求，这需要额外的面积来实现。在LC振荡器中，LC-tank的Q值至关重要，随着电容的增加，Q值将会下降，从而恶化振荡器的噪声。若是使用电感阵列，控制电感切换的开关同样带来损耗，恶化噪声，并且也需要更大的面积来实现。
发明内容
本发明目的在于提供一种基于三电感耦合的高稳定超宽带调谐压控振荡器，以解决上述现有技术存在的问题。
本发明所述的一种基于三电感耦合的高稳定超宽带调谐压控振荡器，包括三个结构相同的振荡电路，每一振荡电路内在输入级的两端均设有并联的一电感、一可编码的电容矩阵、可变电容、基频电容；各电感由外至内同轴布置互相耦合，且相邻的电感设置在不同的金属层中。
本发明所述的一种基于三电感耦合的高稳定超宽带调谐压控振荡器，其优点在于，三电感的特殊布置方式，可以使压控振荡器获得宽调谐范围的同时，也能保持低噪声状态。通过调整三电感的耦合系数k和各自对应的等效电容，使得压控振荡器的振荡稳定。用一个电感的面积完成三电感的功能,加以电路辅助，使得实现稳定振荡和宽调谐范围。
所述的电容矩阵为4位电容矩阵，用于输出4位二进制的控制码。目的在于提供一种具体的编码电路控制方式。
位于最外圈的电感直径在205μm至209μm之间，优选为207μm。
所有电感的宽度相同，宽度在16μm至20μm之间，优选为18μm。
附图说明
图1是本发明所述基于三电感耦合的高稳定超宽带调谐压控振荡器的结构示意图。
图2是本发明三电感耦合的结构示意图。
图3是图2中A-A向的剖视图。
图4是本发明三电感耦合的等效电路图。
图5是本发明振荡器的谐振频率与电容阵列编码的关系图。
附图标记：
L1～L3-电感；C1～C3-等效电容；R1～R3-等效电阻；
VCO Core1～VCO Core3-电感L1～电感L3分别对应的振荡电路；
EN-使能端、VDD-电源端；
SW Cap Array-电容阵列、SW0～SW3-阵列开关、CTRL_CODE-电容阵列的控制码；
T1～T2-输入级的两端；Var1～Var2-可变电容、Cb1～Cb2-基频电容；
Output buffer-输出单元、Vo1～Vo2-输出级的两端。
具体实施方式
如图1-3所示，本发明所述一种基于三电感耦合的高稳定超宽带调谐压控振荡器包括层叠设置的三个振荡电路VCO Core1～VCO Core3。三个振荡电路结构相同：输入级的两端T1和T2之间并联有一电感、一4位可编码的电容矩阵、可变电容和基频电容。还设有一使能单元用于控制所在振荡电路的开关尾电流。振荡电路中设置一输出单元与输入级两端电性连接，用于对后级电路输出调谐后的电信号。
其中振荡电路VCO Core1内设的是电感L1、振荡电路VCO Core2内设的是电感L2、振荡电路VCO Core3内设的是电感L3。电感L1～L3由外至内同轴布置，且宽度相同，在16μm至20μm之间，优选为18μm。其中位于最外圈的电感L1直径在205μm至209μm之间，优选为207μm。电感L1和电感L3设置在芯片中的顶层金属层中，而电感L2设置在芯片中的次顶层金属层中，实现物理层面的错开布置。目的在于节约芯片面积，在没有电性连接的情况下实现互相耦合。三电感的特殊布置方式，可以使压控振荡器获得宽调谐范围的同时，也能保持低噪声状态。还可以使得三电感获得较强的耦合系数，同时减小耦合电容。多电感耦合必然带来多个谐振点，本发明通过调整三电感的耦合系数k和各自对应的等效电容，使得压控振荡器能稳定振荡。其中耦合系数k的调整，可以由电感之间的距离、任一电感尺寸等方式进行调整。在本发明提供的构思下，本领域技术人员可以根据实际需要进行耦合系数的具体调整，无需创造性劳动。
每个振荡电路中的可变电容都设置两个，分别为可变电容Var1和Var2。两可变电容之间再串接两开关后并入输入级的两端。两开关之间还有一信号接入点，用于配合两开关独立或同时开启对应的可变电容。
每个振荡电路中的基频电容都设置两个，分别为基频电容Cb1和Cb2。两基频电容之间再串接一开关后并入输入级的两端。
本发明所述一种基于三电感耦合的高稳定超宽带调谐压控振荡器的工作原理如下：三电感耦合的等效电路如图4所示，其中k1是电感L1和电感L2的耦合系数，k2是电感L2和电感L3的耦合系数，k3是电感L1和电感L3的耦合系数。
基频电容和可变电容通过对应的开关控制。使能电平控制开关尾电流，使能端EN在高/低电平切换，各振荡电路在ON/OFF状态切换。三个振荡电路相互独立，电感耦合后通过各自的输出单元Output buffer共同输出。
由于三电感之间的耦合，该结构会出现多个谐振点，使得谐振频率不稳定。通过使能端EN控制每次只有一个振荡电路处于ON状态，处于OFF状态下的振荡电路关闭所有电容，该举措是为了降低OFF状态下并联等效电容，从而提高ON和OFF状态下振荡电路的并联等效电容之比，使得振荡频率稳定在所需的频率。
通过电容矩阵输出16个不同的4位二进制控制码，转换为十进制分别为图5中的横坐标[0，15]。可见不同的控制码使各振荡电路适配在不同的谐振点中，实现粗调谐。再通过工作状态下的振荡电路对应的可变电容调整，实现细调谐功能。
因此本发明所述基于三电感耦合的高稳定超宽带调谐压控振荡器可覆盖连续的调谐范围在6.6GHz～13.1GHz之间，平均压控系数Kvco为200MHz/V。
对于本领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其它各种相应的改变以及形变，而所有的这些改变以及形变都应该属于本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种基于三电感耦合的高稳定超宽带调谐压控振荡器，包括三个结构相同的振荡电路，其特征在于，每一振荡电路内在输入级的两端均设有并联的一电感、一可编码的电容矩阵、可变电容、基频电容；各电感由外至内同轴布置互相耦合，且相邻的电感设置在不同的金属层中；
每个振荡电路中的可变电容都设置两个，分别为可变电容Var1和Var2；两可变电容之间再串接两开关后并入输入级的两端；两开关之间还有一信号接入点，用于配合两开关独立或同时开启对应的可变电容；
每个振荡电路中的基频电容都设置两个，分别为基频电容Cb1和Cb2；两基频电容之间再串接一开关后并入输入级的两端；
基频电容和可变电容通过对应的开关控制；使能电平控制开关尾电流，使能端EN在高/低电平切换，各振荡电路在ON/OFF状态切换；三个振荡电路相互独立，电感耦合后通过各自的输出单元Output buffer共同输出；通过使能端EN控制每次只有一个振荡电路处于ON状态，处于OFF状态下的振荡电路关闭所有电容。
2.根据权利要求1所述基于三电感耦合的高稳定超宽带调谐压控振荡器，其特征在于，所述的电容矩阵为4位电容矩阵，用于输出4位二进制的控制码。
3.根据权利要求1所述基于三电感耦合的高稳定超宽带调谐压控振荡器，其特征在于，位于最外圈的电感直径在205μm至209μm之间。
4.根据权利要求3所述基于三电感耦合的高稳定超宽带调谐压控振荡器，其特征在于，所述最外圈的电感直径为207μm。
5.根据权利要求1所述基于三电感耦合的高稳定超宽带调谐压控振荡器，其特征在于，所有电感的宽度相同。
6.根据权利要求5所述基于三电感耦合的高稳定超宽带调谐压控振荡器，其特征在于，所有电感的宽度在16μm至20μm之间。
7.根据权利要求6所述基于三电感耦合的高稳定超宽带调谐压控振荡器，其特征在于，所有电感的宽度为18μm。
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