CN113395042B

CN113395042B - 一种高频低功耗低抖动压控振荡器

Info

Publication number: CN113395042B
Application number: CN202110629000.8A
Authority: CN
Inventors: 洪芃力
Original assignee: Suzhou Hanchen Technology Co ltd
Current assignee: Suzhou Hanchen Technology Co ltd
Priority date: 2021-06-05
Filing date: 2021-06-05
Publication date: 2022-08-05
Anticipated expiration: 2041-06-05
Also published as: CN113395042A

Abstract

本申请涉及一种压控振荡器，包括电感；可变电容，与电感并联；偏置模块；以及负阻对，与电感并联，配置为接收偏置输出信号，提供压控振荡器的输出信号；负阻对包括第一晶体管，第一极耦合到所述可变电容的第一端和所述压控振荡器的第一输出端，第二极接地，其控制极耦合到偏置模块的第一输出端；第二晶体管，第一极耦合到可变电容的第二端以及压控振荡器的第二输出端，控制极耦合到第一晶体管的第一极以及偏置模块的第二输出端，第二极接地；第一电容，其耦合在第一晶体管的控制极和第二晶体管的第一极之间；第二电容，其耦合在第二晶体管的控制极和第一晶体管的第一极之间；其中第一晶体管的第二极和第二晶体管的第二极之间耦合有电容性支路。

Description

一种高频低功耗低抖动压控振荡器

技术领域

本申请涉及一种压控振荡器，特别地涉及一种高频低功耗低抖动压控振荡器。

背景技术

压控振荡器(Voltage Controlled Oscillator，简称VCO)指的是输出频率和输入控制电压有对应关系的振荡电路，常常用于收发机中产生本地参考时钟。随着现今有线串行通信的频率越来越高，高频低功耗低抖动的压控振荡器设计变得越发关键。

使用负阻对的LC谐振型压控振荡器最为常见，但是受限于负阻对压控振荡器架构，这种压控振荡器输出的信号抖动较大。现有设计采取增加功耗的方式降低抖动。为了避免功耗增加，也有方法通过改变负阻对压控振荡器的冲激敏感函数(impulse sensitivityfunction)来降低输出信号的抖动问题。冲激敏感函数是指用来表征电路中各个元件产生的噪声能对VCO输出的抖动产生影响的能力的指标，冲激敏感函数越小，各个元件产生的噪声对VCO电路输出的影响越小。

现今通信设备要求设备在温度变化较大的应用场景下仍能正常工作，那么就要求本地参考时钟的频率温度漂移足够小。目前通常采用牺牲压控振荡器在典型温度条件下的性能来保证在温度变化较大时输出信号的漂移足够小。

压控振荡器的开关电容阵列的Q值是引起温度漂移的一个重要原因。VCO中开关电容阵列Q值的变化是由于开关电容阵列的导通电阻随温度变化引起。为了降低开关电容阵列导通电阻带来的影响，普遍的做法是增加开关的尺寸，但是这样会引入更大的寄生电容，降低VCO的工作频率和影响输出信号的抖动性能。

发明内容

针对现有技术中存在的技术问题，本申请提供了一种压控振荡器，包括电感，配置为接收电源电压；可变电容，与所述电感并联；偏置模块，输入端配置为接收偏置输入信号，产生偏置输出信号；以及负阻对，与所述电感和所述可变电容并联，配置为接受所述偏置输出信号，提供所述压控振荡器的输出信号；其中所述负阻对包括第一晶体管，其第一极耦合到所述可变电容的第一端和所述压控振荡器的第一输出端，其第二极接地，其控制极耦合到所述偏置模块的第一输出端；第二晶体管，其第一极耦合到所述可变电容的第二端以及所述压控振荡器的第二输出端，其控制极耦合到所述第一晶体管的第一极以及所述偏置模块的第二输出端，其第二极接地；第一电容，其耦合在所述第一晶体管的控制极和所述第二晶体管的第一极之间；第二电容，其耦合在所述第二晶体管的控制极和所述第一晶体管的第一极之间；其中所述第一晶体管的第二极和所述第二晶体管的第二极之间耦合有电容性支路。

特别的，所述第一晶体管的第二极通过第一电阻接地，和/或，所述第二晶体管的第二极通过第二电阻接地。

特别的，所述电容性支路包括第三电容。

特别的，在所述压控振荡器工作频率范围内所述第三电容的阻抗小于第一电阻或第二电阻的阻值。

特别的，所述电容性支路包括彼此串联的第四电容和第五电容。

特别的，所述负阻对还包括一端耦合在所述第四电容和第五电容之间，另一端配置为接收地电平的第三电阻。

特别的，在所述压控振荡器工作频率范围内所述第四电容和第五电容的等效阻抗小于所述第一电阻或第二电阻的阻值。

特别的，所述电容性支路包括彼此并联的第六电容和第七电容。

特别的，在所述压控振荡器工作频率范围内所述第六电容和第七电容的等效阻抗小于第一电阻或第二电阻的阻值。

特别的，所述第三电阻的阻值远大于所述第一电阻的阻值或第二电阻的阻值。

特别的，所述压控振荡器还包括电源，耦合到所述电感的中心抽头，配置为所述VCO提供电源信号。

特别的，所述压控振荡器，还包括开关电容阵列，与所述电感并联；反向模块，耦合到所述开关电容阵列，配置为向所述开关电容阵列提供控制信号以调整其电容值。

特别的，所述电源包括低压差线性稳压器，其第一输入端配置为接收参考电流，其第二输入端耦合至低压差线性稳压器输出端，所述输出端耦合到所述电感；其中所述参考电流可调并且与所述开关电容阵列的温度漂移情况相关。

特别的，如权利要求1所述的压控振荡器，其中所述偏置模块包括第三晶体管，其第一极配置为接收偏置输入信号，其第二极通过第四电阻接地，其第一极还通过第五电阻耦合所述负阻对中的所述第一晶体管的控制极，其第一极还通过第六电阻耦合到所述负阻对中的所述第二晶体管的控制极，其控制极通过第七电阻耦合到其第一极。

本申请还提供了一种电子设备，包括前述任一所述压控振荡器。

本申请提供了一种压控振荡电路，在没有增加功耗、不降低VCO的工作频率、不影响VCO输出信号的抖动性能的前提下，通过在负阻对中设置电容性支路改善了VCO的冲激敏感函数。同时，本申请提供的方案提供了一种可调的VCO电源电压，从而可以实现对电容阵列Q值随温度漂移的补偿。

附图说明

下面，将结合附图对本申请的优选实施方式进行进一步详细的说明，其中：

图1所示为根据本申请一个实施例的VCO架构示意图；以及

图2所示为根据本申请一个实施例的VCO架构示意图。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

在以下的详细描述中，可以参看作为本申请一部分用来说明本申请的特定实施例的各个说明书附图。在附图中，相似的附图标记在不同图式中描述大体上类似的组件。本申请的各个特定实施例在以下进行了足够详细的描述，使得具备本领域相关知识和技术的普通技术人员能够实施本申请的技术方案。应当理解，还可以利用其它实施例或者对本申请的实施例进行结构、逻辑或者电性的改变。

首先对一些术语进行说明：本申请中的晶体管可以是任何结构的晶体管，比如双极型晶体管(BJT)或者场效应晶体管(FET)。当晶体管为双极型晶体管时，其控制极是指双极型晶体管的基极，第一电极可以为双极型晶体管的集电极或发射极，对应的第二电极可以为双极型晶体管的发射极或集电极，在实际应用过程中，“发射极”和“集电极”可以依据信号流向而互换；当晶体管为场效应晶体管时，其控制极是指场效应晶体管的栅极，第一电极可以为场效应晶体管的漏极或源极，对应的第二电极可以为场效应晶体管的源极或漏极，在实际应用过程中，“源极”和“漏极”可以依据信号流向而互换。下面以晶体管为双极型晶体管为例对本申请做详细的说明，在其它实施例中晶体管也可以是场效应晶体管。下文以双极晶体管搭建的VCO作为说明。利用MOS晶体管来搭建的类似VCO同样属于本申请保护范围内。

图1所示为根据本申请一个实施例的压控振荡器架构示意图。

根据一个实施例，VCO可以包括电源1，可以包括例如低压差线性稳压器(LDO)，低压差线性稳压器通常具有很低的自有噪声和较高的电源抑制比。

根据一个实施例，电源1中低压差线性稳压器的一个输入端配置为接收参考电流I_ref，另一个输入端耦合到其输出端。通过改变低压差线性稳压器的输入参考电流可以改变其输出电压。

根据一个实施例，可以通过以下公式计算参考电流I_ref

I_ref＝m*I_ptat+n*I_bg/r

其中I_ptat为正温度系数电流，I_bg/r为带隙基准电压除电阻产生的电流，以一定比例混合形成参考电流I_ref，m、n可以为任意数，按照实际需求设计。

由此，可以通过调整m和n的值从而调整输出电源电压VDD_VCO，以补偿VCO中电容阵列的Q值温度漂移问题。

当然，电源1也可以采用其他的已知结构。或者根据其他的实施例，电源1可以是VCO以外的辅助单元。

根据一个实施例，可以将参考电流I_ref注入到一个电阻上产生电源需要的参考电压，进而产生LDO的输出电压VDD_VCO。

根据一个实施例，VCO还可以包括电感2，例如差分电感，其一端配置为接收VDD_VCO。

可选的，根据一个实施例，VCO还可以包括反向模块3，可以包括至少两个串联的反相器。反向模块3可以接收电源1的输出信号作为控制信号，输入端可以接收输入信号Cbank，并产生用于控制开关电容阵列的控制信号Cb_Vd和Cb_Vg。

当然，反向模块3也可以采用其他的已知结构。

可选的，根据一个实施例，VCO还可以包括开关电容阵列4，配置为接收反相模块3输出的控制字来改变开关电容阵列4的电容值，从而改变VCO的频率。如图所示，开关电容阵列4可以与电感2并联。如前所述，当开关电容阵列4的Q值随温度发生漂移的时候，可以通过调整m和n的值来调整电源的参考电流和电压，从而调整电源的输出电压以平衡开关电容阵列4的Q值漂移带来的影响。

根据一个实施例，VCO还可以包括可变电容5，其与开关电容阵列4和电感2并联。根据一个实施例，压控可变电容5包括两组。如图所示，一组可以为差分压控可变电容，差分控制电压为Vtune2N和Vtune2P。另一组可以为单端压控可变电容，控制电压为Vtune1，偏置电压为VB1和VB2。VB1和VB2分别接不同的直流电压，起到线性化压控振荡器调谐增益(Kvco)的作用。调节其控制电压，也可改变VCO的频率。

当然，可变电容阵列5也可以根据需求只包括一组或更多组可变电容，也可以采用其他的已知结构。

根据一个实施例，VCO还可包括偏置模块6和负阻对7。

根据一个实施例，偏置模块6配置为VCO提供工作时所需的直流工作点。负阻对7中的晶体管构成的放大器要做到不失真地将信号电压放大，就必须保证晶体管的发射结正偏、集电结反偏，即应该设置它的工作点。所谓工作点就是通过负阻对外部电路的设置使负阻对中晶体管的基极、发射极和集电极处于所要求的电位。这样的电路可以被称为偏置电路/模块。

一个理想的LC电路，收到一个脉冲激励便可振荡，但是由于电阻损耗的影响，这种振荡是逐渐衰减的不可持续的，利用有源电路实现负阻，可抵消电阻带来的损耗，LC振荡电路便可持续振荡。就本申请中的VCO来说，其中LC电路的脉冲激励可以是电源突然上电产生的脉冲，也可以是电路中其他各式各样的噪声脉冲。

根据一个实施例，偏置模块6可以包括双极晶体管Q3，其集电极配置为接受偏置输入信号IBIAS，基极通过电阻Rb3耦合到其集电极，其发射极通过电阻R3接收地电位。根据一个实施例，Q3集电极还耦合到两条电阻性输出支路，一条支路包括电阻Rb2，另一条包括电阻Rb1，分别与负阻对7的两个输入端耦合，提供偏置输出信号。

当然，偏置模块6也可以采用其他的已知结构。

根据一个实施例，如图1所示，负电阻对7可以包括两个双极晶体管Q1、Q2和电容C13、C14。

根据一个实施例，双极晶体管Q1的基极通过电容C13耦合到Q2的集电极以及VCO的一个输出端Outp，同时双极晶体管的Q1的基极还接收来自于偏置电路6的输出，例如可以与偏置模块6的Rb1输出端耦合。

根据一个实施例，双极晶体管Q2的基极通过电容C14耦合到Q1的集电极以及VCO的另一个输出端Outn。

通过把一个双极晶体管的集电极输出信号耦合到另一个双极晶体管的基极分压产生负阻，实现负阻效应，从而使得VCO的输出端Outn和Outp之间形成负电阻。负电阻是VCO工作的基本要求。

根据一个实施例，双极晶体管Q1、Q2的发射极之间可以耦合有电容性支路，该电容性支路可以包括电容C11。根据一个实施例，双极晶体管Q1的发射极通过电阻性支路例如电阻R1接地。根据一个实施例，双极晶体管Q2的发射极可以通过电阻性支路例如R2接地。根据一个实施例，电容C11的阻抗小于R1或R2的阻值。通过电容C11分别与双极晶体管Q1和Q2的寄生电容分压，可以降低VCO的冲激敏感函数。

根据另一个实施例，C11可以包括两个并联的电容(未示出)，或者说C11可以是两个并联电容的等效电容。

图2所示为根据本申请另一个实施例的VCO架构示意图。其中，双极晶体管的发射极之间的电容性支路可以包括串联的电容C21和C22。根据一个实施例，在VCO工作频率范围内，C21和C22串联的阻抗明显小于R1或R2的阻值。C21与Q1的寄生电容分压，C22与Q2的寄生电容分压，此时的冲激敏感函数明显降低。

根据一个实施例，负阻对还可以包括偏置电阻R4，其一端耦合在电容C21和C22之间，另一端接收地电平。根据一个实施例，R4的阻值尽量大(例如大于10k欧姆)，可以起到平衡C21、C22电压的作用，使电容C21和C22之间的连接点电位稳定。

通过在负阻对7的双极晶体管Q1和Q2发射极之间耦合电容性支路，例如C21，C22，R4，能够降低对VCO对噪声的敏感程度，降低VCO的冲激敏感函数，提高VCO的性能。

根据一个实施例，偏置模块6中的晶体管Q3与负阻对7中晶体管Q1和Q2的尺寸的相互关系决定了，R3与R1/R2的关系，以及Rb3与Rb1/Rb2的关系。例如当Q3的尺寸与Q1和Q2的尺寸相同，则R3与R1/R2相同，Rb3与Rb1/Rb2相同。如果，Q3的尺寸是Q1和Q2的尺寸的2倍，则R3是R1/R2的1/2倍，Rb3也是Rb1/Rb2的1/2倍。

上述实施例仅供说明本申请之用，而并非是对本申请的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本申请范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此，所有等同的技术方案也应属于本申请公开的范畴。

Claims

1.一种压控振荡器，包括：

电感，配置为接收电源电压；

可变电容，与所述电感并联；

偏置模块，输入端配置为接收偏置输入信号，产生偏置输出信号；以及

负阻对，与所述电感和所述可变电容并联，配置为接收所述偏置输出信号，提供所述压控振荡器的输出信号；

其中所述负阻对包括

第一晶体管，其第一极耦合到所述可变电容的第一端和所述压控振荡器的第一输出端，其第二极接地，其控制极耦合到所述偏置模块的第一输出端；

第二晶体管，其第一极耦合到所述可变电容的第二端以及所述压控振荡器的第二输出端，其控制极耦合到所述第一晶体管的第一极以及所述偏置模块的第二输出端，其第二极接地；

第一电容，其耦合在所述第一晶体管的控制极和所述第二晶体管的第一极之间；

第二电容，其耦合在所述第二晶体管的控制极和所述第一晶体管的第一极之间；

其中所述第一晶体管的第二极和所述第二晶体管的第二极之间耦合有电容性支路，所述电容性支路的阻抗分别与所述第一晶体管和第二晶体管的寄生电容分压，从而降低所述压控振荡器的冲击敏感函数；

其中，除所述电容性支路外，所述第一晶体管的第二极仅通过第一电阻接地，和/或，所述第二晶体管的第二极仅通过第二电阻接地；

其中在所述压控振荡器工作频率范围内所述电容性支路的等效阻抗小于第一电阻或第二电阻的阻值。

2.如权利要求1所述的压控振荡器，其中所述电容性支路包括第三电容。

3.如权利要求2所述的压控振荡器，其中在所述压控振荡器工作频率范围内所述第三电容的阻抗小于第一电阻或第二电阻的阻值。

4.如权利要求1所述的压控振荡器，其中所述电容性支路包括彼此串联的第四电容和第五电容。

5.如权利要求4所述的压控振荡器，其中所述负阻对还包括一端耦合在所述第四电容和第五电容之间，另一端配置为接收地电平的第三电阻。

6.如权利要求4或5所述的压控振荡器，其中在所述压控振荡器工作频率范围内所述第四电容和所述第五电容的等效阻抗小于所述第一电阻或第二电阻的阻值。

7.如权利要求1所述的压控振荡器，其中所述电容性支路包括彼此并联的第六电容和第七电容。

8.如权利要求7所述的压控振荡器，其中在所述压控振荡器工作频率范围内所述第六电容和第七电容的等效阻抗小于第一电阻或第二电阻的阻值。

9.如权利要求5所述的压控振荡器，其中所述第三电阻的阻值远大于所述第一电阻的阻值或第二电阻的阻值。

10.如权利要求1所述的压控振荡器，还包括电源，耦合到所述电感的中心抽头，配置为所述VCO提供电源信号。

11.如权利要求10所述的压控振荡器，还包括

开关电容阵列，与所述电感并联；

反向模块，耦合到所述开关电容阵列，配置为在所述电源输出的控制下向所述开关电容阵列提供控制信号以调整其电容值。

12.如权利要求10或11所述压控振荡器，其中，所述电源包括低压差线性稳压器，其第一输入端配置为接收参考电流，其第二输入端耦合至低压差线性稳压器输出端，所述输出端耦合到所述电感；其中所述参考电流I_ref＝m*I_ptat+n*I_bg/r，

其中I_ptat为正温度系数电流，I_bg/r为带隙基准电压除电阻产生的电流,其中m和n的值可调，以补偿压控振荡器中电容阵列的温度漂移。

13.如权利要求1所述的压控振荡器，其中所述偏置模块包括第三晶体管，其第一极配置为接收偏置输入信号，其第二极通过第四电阻接地，其第一极还通过第五电阻耦合所述负阻对中的所述第一晶体管的控制极，其第一极还通过第六电阻耦合到所述负阻对中的所述第二晶体管的控制极，其控制极通过第七电阻耦合到其第一极。

14.一种电子设备，包括如权利要求1-13中任一所述的压控振荡器。