CN116094517A - 一种基于电容三点式的低噪声压控振荡器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于电容三点式的低噪声压控振荡器,包括负阻单元和谐振腔,负阻单元包括共集电极的双极结型晶体管Q1和双极结型晶体管Q2,其基极分别通过耦合电容C5、C6与谐振腔连接,双极结型晶体管Q1的基极与发射极之间连接有反馈电容C1,发射极串联有反馈电容C2,对称的,双极结型晶体管Q2的基极与发射极之间连接有反馈电容C4,发射极串联有反馈电容C3,电容C1、电容C2和电容C5的电容大小关系为:C1:C2:C5=1:1.5~2.0:3.0~3.8;电容C3、电容C4和电容C6的电容大小关系为:C4:C3:C6=1:1.5~2.0:3.0~3.8。本发明具有相位噪声特性较好的优势,在该结构的基础上通过集成多个VCO核的方式可以实现较为宽广的调频范围。
Description
技术领域
本发明涉及压控振荡器技术领域,尤其涉及一种基于电容三点式的低噪声压控振荡器。
背景技术
振荡器是通信系统中的一个核心模块,可应用于锁相环系统中,能提供稳定的载波信号。相位噪声在本系统中是衡量振荡器性能的主要参数。应用于锁相环路的振荡器多为压控振荡器,其噪声特性在极大程度上决定了锁相环路的噪声特性。因此在常规VCO(压控振荡器)设计过程中,VCO的相位噪声是很多设计者关注的指标。
振荡器是一个大信号非线性电路,具有不同于其他电路的分析和设计方法。图1为现有技术的一个实例。该VCO采用了目前主流的交叉耦合型的负阻管(M1,M2,M5,M6)来提供振荡器的负阻态。双互补型交叉耦合负阻的好处是可以在供电电流较低时使得VCO起振(相对于单负阻)。不过,其10kHz以及100kHz和1MHz频率偏移的相位噪声较大的问题却无法得到解决。
本发明提出一种基于电容三点式的低噪声压控振荡器,通过优化相位噪声使其相位噪声特性达到一个非常不错的表现。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于电容三点式的低噪声压控振荡器,以解决现有应用于锁相环路的VCO的相位噪声较大的技术问题。
本发明的目的是采用以下技术方案实现的:一种基于电容三点式的低噪声压控振荡器,包括负阻单元和谐振腔,所述负阻单元包括双极结型晶体管Q1和双极结型晶体管Q2,所述双极结型晶体管Q1和双极结型晶体管Q2共集电极,其基极分别通过耦合电容C5、C6与谐振腔连接,所述双极结型晶体管Q1的基极与发射极之间连接有反馈电容C1,双极结型晶体管Q1和双极结型晶体管Q2的发射极之间串联有反馈电容C2,对称的,所述双极结型晶体管Q2的基极与发射极之间连接有反馈电容C4,双极结型晶体管Q2和双极结型晶体管Q1的发射极之间串联有反馈电容C3,电容C1、电容C2和电容C5的电容大小关系为:C1:C2:C5=1:1.5~2.0:3.0~3.8;电容C3、电容C4和电容C6的电容大小关系为:C4:C3:C6=1:1.5~2.0:3.0~3.8。
进一步的,反馈电容C1、反馈电容C2和耦合电容C5的电容大小关系为:C1:C2:C5=1:1.8:3.4;反馈电容C3、反馈电容C4和耦合电容C6的电容大小关系为:C4:C3:C6=1:1.8:3.4。
进一步的,所述双极结型晶体管Q1的发射极对地串联有阻抗电感L1和偏置电阻R1;所述双极结型晶体管Q2的发射极对地串联有阻抗电感L2和偏置电阻R2。
进一步的,所述双极结型晶体管Q1的基极和双极结型晶体管Q2的基极之间还串联有高阻抗网络以减小基极引入的电流噪声,所述高阻抗网络由阻抗电感L3和阻抗电感L4串联而成,阻抗电感L3一端与耦合电容C5相连接,阻抗电感L4一端与耦合电容C6相连接,阻抗电感L3和阻抗电感L4的共聚端与偏置电压VBIAS连接。
进一步的,所述谐振腔包括相互并联连接的差分电感L5、电容阵列CAPBANK和变容管对,所述变容管对的边端分别与耦合电容C5和耦合电容C6相连接,变容管对的共聚端与调谐电压VTUNE相连接。
进一步的,所述调谐电压VTUNE为0.8V~1.5V。
进一步的,所述阻抗电感L1的电感值和阻抗电感L2的电感值均为差分电感L5电感值的15~20倍;所述阻抗电感L3的电感值和阻抗电感L4的电感值均为差分电感L5电感值的15~20倍。
进一步的,所述电容阵列CAPBANK包括多个控制开关以及连接在控制开关两端的单元电容,通过二进制控制字控制所述控制开关的启闭实现宽范围的调频。
进一步的,基于电容三点式的低噪声压控振荡器还包括输出缓冲BUFFER电路,所述输出缓冲BUFFER电路的输入端与谐振腔相连接,输出端输出优化相位噪声后的载波信号,所述输出缓冲BUFFER电路采用一个典型的共集电极射随器,包括共集电极的双极结型晶体管Q3和双极结型晶体管Q4,共同接电源VDD,其基极与谐振腔的输出端相连接,所述双极结型晶体管Q3的发射极对地并联有开关管M3和开关管M4,其中开关管M3还串联有负载电感L6;所述双极结型晶体管Q4的发射极对地并联有开关管M5和开关管M6,其中开关管M5还串联有负载电感L7。
进一步的,所述双极结型晶体管Q1和双极结型晶体管Q2同为NPN管;或一个为NPN管,另一个为PNP管。
本发明的有益效果在于:本发明具有相位噪声特性较好的优势,在该结构的基础上通过集成多个VCO核的方式可以实现较为宽广的调频范围,除此之外,电流复用的结构也可以在很大程度上减小电路的功耗。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
图1为现有技术-基于-GM2的CMOS互补型负阻VCO;
图2为本发明电路原理图;
图3为电容阵列逻辑控制电路图;
图4为电容阵列主结构图;
图5为变容管的C-V特性曲线图;
图6为差分电感EMX建模图;
图7为输出缓冲BUFFER电路实例图;
图8为扫频特性曲线图
图9为位噪声曲线图;
图10为电流复用的Colpitts振荡电路图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚,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,所描述的实施例是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此,以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围,而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
实施例1
参阅图2,一种基于电容三点式的低噪声压控振荡器,包括负阻单元和谐振腔,所述负阻单元包括双极结型晶体管Q1和双极结型晶体管Q2,所述双极结型晶体管Q1和双极结型晶体管Q2共集电极,共同接电源VDD,其基极分别通过耦合电容C5、C6与谐振腔连接,所述双极结型晶体管Q1的基极与发射极之间连接有反馈电容C1,双极结型晶体管Q1和双极结型晶体管Q2的发射极之间串联有反馈电容C2,对称的,所述双极结型晶体管Q2的基极与发射极之间连接有反馈电容C4,双极结型晶体管Q2和双极结型晶体管Q1的发射极之间串联有反馈电容C3,电容C1、电容C2和电容C5的电容大小关系为:C1:C2:C5=1:1.5~2.0:3.0~3.8;电容C3、电容C4和电容C6的电容大小关系为:C4:C3:C6=1:1.5~2.0:3.0~3.8。
在本实施例当中,所述双极结型晶体管Q1的发射极对地串联有阻抗电感L1和偏置电阻R1;所述双极结型晶体管Q2的发射极对地串联有阻抗电感L2和偏置电阻R2。进一步的,所述双极结型晶体管Q1的基极和双极结型晶体管Q2的基极之间还串联有高阻抗网络以减小基极引入的电流噪声,所述高阻抗网络由阻抗电感L3和阻抗电感L4串联而成,阻抗电感L3一端与耦合电容C5相连接,阻抗电感L4一端与耦合电容C6相连接,阻抗电感L3和阻抗电感L4的共聚端与偏置电压VBIAS连接。
通过图2可以看出:本发明为共集电极的Colpitts振荡器(考毕兹振荡器),通过连接在双极结型晶体管Q1基极和发射极之间的反馈电容C1和串联在双极结型晶体管Q1发射极的反馈电容C2形成反馈,(差分另一端的反馈电容C3和反馈电容C4同样形成反馈),进而产生振荡。通过实际仿真分析可知反馈电容C1、反馈电容C2和耦合电容C5的电容大小关系为:C1:C2:C5=1:1.8:3.4比例取比时,反馈电容和耦合电容可以使得该结构表现出较为良好的相位噪声特性(反馈电容C3、反馈电容C4和耦合电容C6的电容大小关系同样为:C4:C3:C6=1:1.8:3.4)。尽管公知领域内C1:C2=1:1时该电路最容易起振,但当C1:C2=1:1时表现出的相位噪声特性并不优异,因此对该反馈电容的值进行了优化。
在本实施例当中,所述谐振腔包括相互并联连接的差分电感L5、电容阵列CAPBANK和变容管对(M1、M2),所述变容管对(M1、M2)的边端分别与耦合电容C5和耦合电容C6相连接,变容管对(M1、M2)的共聚端与调谐电压VTUNE相连接。变容管对(M1、M2)的仿真结果如图5所示,其中,调谐电压VTUNE的设定在0.8V-1.5V之间,在一定程度上减小调谐电压VTUNE的范围可以减小通过变容管对(M1、M2)引入的噪声,进而防止更多的噪声叠加到相位噪声中。
在本实施例当中,所述阻抗电感L1的电感值和阻抗电感L2的电感值均为差分电感L5电感值的15~20倍;所述阻抗电感L3的电感值和阻抗电感L4的电感值均为差分电感L5电感值的15~20倍(阻抗电感L3和阻抗电感L4为了减小从基极引入的电流噪声,由于直流供电电流较大,基极的漏电流较大,因此不能忽略,同样需要很大的感值形成高阻抗)。
参见图3、4,所述电容阵列CAPBANK包括4个控制开关以及连接在控制开关两端的单元电容,通过二进制控制字控制所述控制开关的启闭实现宽范围的调频。该设计中单元电容有四位控制字,总共构成16段调谐曲线,图中的X和Y为线名称,由于有4位控制字,因此共有4个图3、图4中的子结构并联,共同构成电容阵列CAPBANK。
在本实施例当中,所述差分电感L5建模如图6所示。该电感的线宽较大,结构对称,Q值较高,通过EMX建模可用于实际电路中。本设计中的电感采用了两层金属,通过屏蔽层可以很好地集成到VCO中,此为VCO版图中面积最大的部分。
实施例2
相较于实施例1,基于电容三点式的低噪声压控振荡器还包括输出缓冲BUFFER电路,所述输出缓冲BUFFER电路的输入端与谐振腔相连接,输出端输出优化相位噪声后的载波信号。具体的,参见图7,输出缓冲BUFFER电路采用一个典型的共集电极射随器,包括共集电极的双极结型晶体管Q3和双极结型晶体管Q4,共同接电源VDD,其基极与谐振腔的输出端相连接,所述双极结型晶体管Q3的发射极对地串联有开关管M3和开关管M4,其中开关管M3还串联有负载电感L6;所述双极结型晶体管Q4的发射极对地串联有开关管M5和开关管M6,其中开关管M6还串联有负载电感L7。双极结型晶体管Q3和双极结型晶体管Q4可以提供较高的特征频率,采用耐高压的双极结型晶体管使得输出缓冲BUFFER电路的工作更加稳定。
图8为本发明的VCO的扫频特性曲线,通过16族调谐曲线可以调谐900MHz的调频范围。图9为该结构VCO的相位噪声特性曲线,该VCO结构15GHz时的相噪分别为-154.2 dBc/Hz@10MHz ,-134.1dBc/Hz@1MHz,-113.6 dBc/Hz@100kHz,-91 dBc/Hz@10kHz,实现了从10kHz-10MHz每增加10倍频相噪减小20dBc/Hz的功能,在近端的10kHz和100kHz以及1MHz的相位噪声同样表现很好,实现了较好的相位噪声特性。
实施例3
相较于实施例2,为了减小供电电流,对实施例2的电路结构做了一定的调整,调整后的电路图如图10(电流复用的Colpitts振荡电路)所示。该电路结构使得直流供电变为原来的一半,将差分另一端的NPN管(双极结型晶体管Q2)换为了PNP管(双极结型晶体管Q2),这个PNP管(双极结型晶体管Q2)和NPN管(双极结型晶体管Q1)都是产生负阻态的BJT管,这样改动的好处是:通过一路的直流供电就可以同时打开差分两端的负阻管,这样就节省了一半的直流供电电流。
基于上述实施例,本发明至少具有以下技术效果:
本发明提出的VCO具有相位噪声特性较好的优势,在该结构的基础上通过集成多个VCO核的方式可以实现较为宽广的调频范围,除此之外,电流复用的结构也可以在很大程度上减小电路的功耗。
需要说明的是,术语“连接”、“设置”仅用于描述目的,而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此,限定有“连接”、“设置”的特征可以明示或者隐含的包括一个或者更多个该特征。而且,术语“连接”、“设置”等是用于区别类似的对象,而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换,以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。
上述实施例中,描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解,本发明不受上述实施例的限制,上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理,在不脱离本发明精神和范围的前提下,本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围,则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。
Claims (10)
1.一种基于电容三点式的低噪声压控振荡器,包括负阻单元和谐振腔,所述负阻单元包括双极结型晶体管Q1和双极结型晶体管Q2,所述双极结型晶体管Q1和双极结型晶体管Q2共集电极,其基极分别通过耦合电容C5、C6与谐振腔连接,所述双极结型晶体管Q1的基极与发射极之间连接有反馈电容C1,双极结型晶体管Q1和双极结型晶体管Q2的发射极之间串联有反馈电容C2,对称的,所述双极结型晶体管Q2的基极与发射极之间连接有反馈电容C4,双极结型晶体管Q2和双极结型晶体管Q1的发射极之间串联有反馈电容C3,其特征在于,电容C1、电容C2和电容C5的电容大小关系为:C1:C2:C5=1:1.5~2.0:3.0~3.8;电容C3、电容C4和电容C6的电容大小关系为:C4:C3:C6=1:1.5~2.0:3.0~3.8。
2.如权利要求1所述的一种基于电容三点式的低噪声压控振荡器,其特征在于,反馈电容C1、反馈电容C2和耦合电容C5的电容大小关系为:C1:C2:C5=1:1.8:3.4;反馈电容C3、反馈电容C4和耦合电容C6的电容大小关系为:C4:C3:C6=1:1.8:3.4。
3.如权利要求1所述的一种基于电容三点式的低噪声压控振荡器,其特征在于,所述双极结型晶体管Q1的发射极对地串联有阻抗电感L1和偏置电阻R1;所述双极结型晶体管Q2的发射极对地串联有阻抗电感L2和偏置电阻R2。
4.如权利要求3所述的一种基于电容三点式的低噪声压控振荡器,其特征在于,所述双极结型晶体管Q1的基极和双极结型晶体管Q2的基极之间还串联有高阻抗网络以减小基极引入的电流噪声,所述高阻抗网络由阻抗电感L3和阻抗电感L4串联而成,阻抗电感L3一端与耦合电容C5相连接,阻抗电感L4一端与耦合电容C6相连接,阻抗电感L3和阻抗电感L4的共聚端与偏置电压VBIAS连接。
5.如权利要求4所述的一种基于电容三点式的低噪声压控振荡器,其特征在于,所述谐振腔包括相互并联连接的差分电感L5、电容阵列CAPBANK和变容管对,所述变容管对的边端分别与耦合电容C5和耦合电容C6相连接,变容管对的共聚端与调谐电压VTUNE相连接。
6.如权利要求5所述的一种基于电容三点式的低噪声压控振荡器,其特征在于,所述调谐电压VTUNE为0.8V~1.5V。
7.如权利要求5所述的一种基于电容三点式的低噪声压控振荡器,其特征在于,所述阻抗电感L1的电感值和阻抗电感L2的电感值均为差分电感L5电感值的15~20倍;所述阻抗电感L3的电感值和阻抗电感L4的电感值均为差分电感L5电感值的15~20倍。
8.如权利要求5所述的一种基于电容三点式的低噪声压控振荡器,其特征在于,所述电容阵列CAPBANK包括多个控制开关以及连接在控制开关两端的单元电容,通过二进制控制字控制所述控制开关的启闭实现宽范围的调频。
9.如权利要求1~8任意一项所述的一种基于电容三点式的低噪声压控振荡器,其特征在于,还包括输出缓冲BUFFER电路,所述输出缓冲BUFFER电路的输入端与谐振腔相连接,输出端输出优化相位噪声后的载波信号,所述输出缓冲BUFFER电路采用一个典型的共集电极射随器,包括共集电极的双极结型晶体管Q3和双极结型晶体管Q4,共同接电源VDD,其基极与谐振腔的输出端相连接,所述双极结型晶体管Q3的发射极对地并联有开关管M3和开关管M4,其中开关管M3还串联有负载电感L6;所述双极结型晶体管Q4的发射极对地并联有开关管M5和开关管M6,其中开关管M5还串联有负载电感L7。
10.如权利要求1~8任意一项所述的一种基于电容三点式的低噪声压控振荡器,其特征在于,所述双极结型晶体管Q1和双极结型晶体管Q2同为NPN管;或一个为NPN管,另一个为PNP管。
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