CN116260395A - 基于Colpitts结构的超宽带压控振荡器电路 - Google Patents

Abstract

本发明为一种基于Colpitts结构的超宽带压控振荡器电路，它包括压控振荡器，它用于产生差分基波信号、单端二次谐波信号；放大器A_1st，与压控振荡器连接，作为基波信号输出；二次谐波放大器A_2nd，与压控振荡器连接，将单端二次谐波信号转变为成差分信号V_2p和V_2n；两倍频放大器A_x2，与二次谐波放大器A_2nd，将差分信号V_2p和V_2n转化为二次谐波的两倍频信号；四次谐波放大器A_4th，与两倍频放大器A_x2，将四倍频信号转变成差分信号V_4p和V_4n；本发明的有益效果为：利用振荡器的低相位噪声特性，采用特定技术提高其振荡频率范围，从而突破传统结构中相位噪声和工作频带的相互制约。

Description

基于Colpitts结构的超宽带压控振荡器电路

技术领域

本发明涉及电子设备、电子器件技术、集成电路芯片领域，特别是一种基于Colpitts结构的超宽带压控振荡器电路。

背景技术

随着无线通信技术的发展，6GHz以下的频谱资源越来越少，各个应用之间的频率干扰越来越严重，因此会令无线通讯技术朝着微波、毫米波频段发展。在微波/毫米波通信频段，每个频带带宽大、速率高，因而需要宽带的射频前端系统。振荡器作为无线通信射频前端系统的核心模块，在整个系统中起到提供高质量的本振信号的作用。振荡器的工作频率带宽与其输出信号的相位噪声是一对不可调和的矛盾体，即难以同时获得高带宽和低相位噪声的压控振荡器，尤其随着工作频率上升至微波/毫米波频段，这种矛盾更加突出。而应用于微波/毫米波通信的压控振荡器，又必须具备宽带宽和低相位噪声等优点，因此需要采取特殊的技术增大微波振荡器的工作频带，同时降低相位噪声。

振荡器的相位噪声主要来源于电路中的有源器件，因此为达到低相噪的目的，需严格限制振荡器中的有源元器件。

发明内容

本发明的目的在于：提供一种基于Colpitts结构的超宽带压控振荡器电路，它能够提高振荡器的工作带宽。

本发明通过如下技术方案实现：基于Colpitts结构的超宽带微波压控振荡器，它包括

Colpitts压控振荡器，为一个基于Colpitts的差分压控振荡器，它用于产生差分基波信号、单端二次谐波信号；

放大器A_1st，与压控振荡器连接，用于将差分基波信号放大后，作为基波信号输出；

二次谐波放大器A_2nd，与压控振荡器连接，用于将单端二次谐波信号放大，转变为成差分信号V_2p和V_2n，作为二倍频信号输出；

两倍频放大器A_x2，与二次谐波放大器A_2nd，将二次谐波放大器A_2nd产生的差分信号V_2p和V_2n转化为二次谐波的两倍频信号，该信号也是基波信号的四倍频信号；以及

四次谐波放大器A_4th，与两倍频放大器A_x2，将四倍频信号转变成差分信号V_4p和V_4n，作为四倍频信号输出；

使得Colpitts压控振荡器的基波信号的频率范围为（Fmin，Fmax），二倍频信号的频率范围为（2*Fmin，2*Fmax），四倍频信号的频率范围为（4*Fmin，4*Fmax）；当Fmax=2*Fmin=2*Fosc，则整个压控振荡器电路的输出频率可达到连续不间断，且其范围为（Fosc，8*Fosc），从而实现工作带宽的提高；其中，Fmin为压控振荡器的基波信号频率下限，Fmax为压控振荡器的基波信号频率上限， Fosc等于Fmin，也定义为压控振荡器的基波信号频率下限。

较之前技术而言，本发明的有益效果为：

1、利用Colpitts振荡器的低相位噪声特性，采用特定技术提高其振荡频率范围，从而突破传统结构中相位噪声和工作频带的相互制约。

附图说明

图1为本发明基于Colpitts结构的超宽带压控振荡器电路图；

图2为压控振荡器的电路图；

图3为基波放大器A_1st的电路图；

图4为二次谐波放大器的电路图；

图5为两倍频放大器A_x2与四次谐波放大器A_4th的电路图。

具体实施方式

下面结合附图说明对本发明做详细说明：

如图1-5所示：基于Colpitts结构的超宽带压控振荡器电路，它包括

Colpitts压控振荡器，为一个基于Colpitts的差分压控振荡器，它用于产生差分基波信号、单端二次谐波信号；

基波放大器A_1st，与压控振荡器连接，用于将差分基波信号放大后，作为基波信号输出；

二次谐波放大器A_2nd，与压控振荡器连接，用于将单端二次谐波信号放大，转变为成差分信号V_2p和V_2n，作为二倍频信号输出；

两倍频放大器A_x2，与二次谐波放大器A_2nd，将二次谐波放大器A_2nd产生的差分信号V_2p和V_2n转化为二次谐波的两倍频信号，该信号也是基波信号的四倍频信号；以及

四次谐波放大器A_4th，与两倍频放大器A_x2，将四倍频信号转变成差分信号V_4p和V_4n，作为四倍频信号输出；

使得Colpitts压控振荡器的基波信号的频率范围为（Fmin，Fmax），二倍频信号的频率范围为（2*Fmin，2*Fmax），四倍频信号的频率范围为（4*Fmin，4*Fmax）；当Fmax=2*Fmin=2*Fosc，则整个压控振荡器电路的输出频率可达到连续不间断，且其范围为（Fosc，8*Fosc），从而实现工作带宽的提高；其中，Fmin为压控振荡器的基波信号频率下限，Fmax为压控振荡器的基波信号频率上限， Fosc等于Fmin，也定义为压控振荡器的基波信号频率下限。

这里如图1所示，由Colpitts压控振荡器（VCO）产生的差分基波信号，被放大器A_1st放大后作为基波信号输出。而Colpitts压控振荡器产生的单端二次谐波信号，经过二次谐波放大器A_2nd放大后，转变成差分信号（V_2p和V_2n），作为二倍频信号输出。由二次谐波输出信号经过两倍频放大器A_x2，产生二次谐波的两倍频信号，该信号也是基波信号的四倍频信号，该单端的四倍频信号经过放大器A_4th放大后，转变成差分信号（V_4p和V_4n），作为四倍频信号输出。

如图2所示：Colpitts压控振荡器主要包括晶体管Q₁和晶体管Q₂；

晶体管Q₁的集电极和晶体管Q₂的集电极均连接电源Vcc；晶体管Q₁的基极连接电容C₁的一端，晶体管Q₂的基极连接电容C₂的一端；晶体管Q₁的发射极分别连接电容C₃的一端和电容C₅的一端，晶体管Q₂的发射极连接电容C₄的一端和电容C₆的一端；

电容C₅和电容C₆的另一端共同连接到Vsec，Vsec用于输出二次谐波信号；

电容C₃的另一端连接晶体管Q₁的基极，电容C₄的另一端连接晶体管Q₂的基极；

晶体管Q₁的发射端还连接负反馈电感L₁一端，晶体管Q₂的发射端还连接负反馈电感L₂一端，负反馈电感L₁和负反馈电感L₂的另一端共同接地；其中，L₁和L₂分别是片上变压器的原边电感和副边电感；

它还包括差分电感L_d0、变容二极管C_v1和变容二极管C_v2；差分电感L_d0的两端分别连接电容C₁的另一端和电容C₂的另一端，差分电感L_d0还与变容二极管C_v1和变容二极管C_v2并联；差分电感L_d0的中心抽头端口接地，变容二极管C_v1和变容二极管C_v2分别有一端口共同连接到Vtune，作为控制电源的输入端;

晶体管Q₁的发射端、电容C₃的一端、电容C₅的一端以及负反馈电感L₁共同交汇于基波信号输出端V_oscp；晶体管Q₂的发射端、电容C₄的一端、电容C₆的一端以及负反馈电感L₂共同交汇于基波信号输出端V_oscn。

从图2中可以看出，本发明所提的Colpitts压控振荡器结构是由两个单端的Colpitts振荡器背靠背组合成一个差分的振荡器。两个单端的Colpitts振荡器共用一个由L_d0、C_v1和C_v2组成的LC谐振槽路，晶体管Q₁（Q₂）为振荡器的核心器件，其集电极连接电源Vcc，构成共集电极放大器；晶体管Q₁（Q₂）的基极分别连接电容C₁（C₂）和C₃（C₄）的一端，其中C₁（C₂）作为共集电极放大器与LC谐振槽路之间的隔直电容；晶体管Q₁（Q₂）的发射极分别连接电容C₃（C₄）和C₅（C₆）的一端；电容C₃（C₄）的两端分别连接晶体管Q₁（Q₂）的基极和发射极，电容C₅和C₆一端共同连接到Vsec，这里的Vsec为构成奇次谐波信号的交流地，偶次谐波信号相加节点，因此可抑制基波信号，同时输出二次谐波信号；电容C₃（C₄）和C₅（C₆）构成正反馈回路，促使共集电极放大器发生振荡。晶体管Q₁（Q₂）的发射端还连接负反馈电感L₁（L₂），L₁和L₂分别是片上变压器的原边电感和副边电感。谐振槽路由一个带有中心抽头的差分电感L_d0和两个变容二极管C_v1和C_v2构成。差分电感L_d0的两端分别连接隔直电容C₁和C₂，也同时并联到变容二极管C_v1和C_v2； L_d0的中心抽头端口连接到地；C_v1和C_v2分别有一端口共同连到Vtune，作为控制电源的输入端。

促使两个单端的Colpitts振荡器震荡在差分模式的充分必要条件是两个振荡器具有足够大的耦合系数。通常情况下通过LC谐振槽路中的差分电感L_d0来迫使两个Colpitts振荡器振荡在差分模式下，但随着振荡器的工作频率的增加，LC谐振槽路中差分电感值减小，因而用半导体工艺实现的平面电感的面积或者圈数随之减小，最终造成差分电感间的互感系数减小，从而影响到两个单端的Colpitts振荡器差分工作模式的建立。为消除微波、毫米波LC谐振槽路中的差分电感值过小，从而影响到振荡器差分模式的建立，本发明提出在Colpitts振荡器的共集电极晶体管的发射端引入由两个平面电感构成的变压器，该变压器的原边电感L₁和副边电感L₂分别作为两个单端Colpitts振荡器的发射极反馈电感，电感值为L+M，其中L为平面电感自感值，M为互感值。该变压器的主要作用有两个，一是提高两个Colpitts振荡器间的耦合系数，确保振荡器工作在差分模式下；二是可提高二次谐波的对地阻抗，增强在Vsec端口输出的二次谐波信号幅度。

如图3所示：所述基波放大器A_1st主要包括晶体管Q₃和晶体管Q₄；晶体管Q₃的集电极和晶体管Q₄的集电极共同连接电源Vcc；

晶体管Q₃的基极连接电容C₇的一端，电容C₇的另一端连接压控振荡器的基波信号输出端V_oscp，晶体管Q₄的基极连接电容C₈的一端，电容C₈的另一端连接压控振荡器的基波信号输出端V_oscn；

晶体管Q₃的发射端连接到电流源I_t1的一端并作为输出节点V_1p，晶体管Q₄的发射端连接到电流源I_t2的一端并作为输出节点V_1n；电流源I_t1和电流源I_t2的另一端均接地。

这里的基波放大器A_1st为压控振荡器的基波信号输出缓冲放大器，其主要起到隔离振荡器核心电路与外部电路的作用。图3是基波放大器的一种电路结构，该基波放大器为共集电极放大器，晶体管Q₃和Q₄的集电极共同连接到电源Vcc，Q₃和Q₄的基极分别连接输入隔直电容C₇和C₈的一端，Q₃和Q₄的发射极分别连接到电流源I_t1和I_t2的一端，并作为输出节点V_1p和V_1n。输入隔直电容C₇和C₈的另一端分别连接到压控振荡器的基波信号输出端V_oscp和V_oscn。电流源I_t1和I_t2的一端分别连接到输出节点V_1p和V_1n，另一端共同连接到地。在图3公开的电路中，可用电阻、晶体管等器件作为电流源。

如图4所示：二次谐波放大器A_2nd主要包括晶体管Q₅和晶体管Q₆；

晶体管Q₅和晶体管Q₆的发射极共同连接到尾电流源I_t3，尾电流源I_t3的另一端接地；晶体管Q₅的基极连接到振荡器的二次谐波输出端V_sec，晶体管Q₆的基极连接到电容C₉的一端且电容C₉的另一端接地；

晶体管Q₅的集电极连接到电阻R₁的一端构成输出信号端V_2p，晶体管Q₆的集电极连接到电阻R₂的一端构成输出信号端V_2n；电阻R₁和电阻R₂的另一端共同连接到电源Vcc。

二次谐波放大器A_2nd将Colpitts压控振荡器的二次谐波信号进行放大，并将单端的二次谐波信号转变成差分信号。如图4所示：为二次谐波放大器A_2nd的一种电路结构，该二次谐波放大器为差分共发射极放大器，晶体管Q₅和Q₆的发射极共同连接到尾电流源I_t3，晶体管Q₅和Q₆的基极分别连接到振荡器的二次谐波输出端V_sec和电容C₉的一端，晶体管Q₅和Q₆的集电极分别连接到电阻R₁和R₂的一端，构成输出信号端V_2p和V_2n；电阻R₁和R₂的一端共同连接到电源Vcc，充当负载电阻的作用；电容C₉的另一端连接到地；尾电流源I_t3的另一端连接到地。

如图5所示：两倍频放大器A_x2主要包括晶体管Q₇和晶体管Q₈；

晶体管Q₇的基极连接到电容C₁₀的一端，电容C₁₀的另一端连接到二次谐波信号的输出信号端V_2p；晶体管Q₈的基极连接到电容C₁₁的一端，电容C₁₁的另一端连接到二次谐波信号的输出信号端V_2n；

晶体管Q₇和晶体管Q₈的集电极共同连接到电源Vcc，晶体管Q₇和晶体管Q₈的发射极共同连接到电感L₃的一端，并作为倍频信号的输出端；电感L₃的另一端连接到电阻R₃的一端，电阻R₃的另一端接地；隔直电容C₁₂的一端连接到倍频信号的输出端。

所述四次谐波放大器A_4th主要包括晶体管Q₉和晶体管Q₁₀；

晶体管Q₉的基极连接到隔直电容C₁₂的一端，晶体管Q₁₀的基极连接到电容C₁₃的一端，电容C₁₃的另一端连接到地；

晶体管Q₉集电极连接到电阻R₄的一端以构成输出信号端V_4p，晶体管Q₁₀集电极连接到电阻R₅的一端以构成输出信号端V_4n；电阻R₄和电阻R₅的另一端共同连接到电源Vcc，充当负载电阻的作用；

晶体管Q₉和晶体管Q₁₀共同连接到基极尾电流源I_t4，基极尾电流源I_t4的另一端连接到地；

晶体管Q₉的基极与两倍频放大器A_x2的隔直电容C₁₂的另一端连接。

两倍频放大器A_x2的作用是对二次谐波信号V_2p和V_2n进行倍频和放大，经过倍频后的单端信号再次通过A_4th进行放大并转变成差分信号。如图5所示：为两倍频放大器和四次谐波放大器的电路图，晶体管Q₇和Q₈是两倍频放大器的核心元器件，晶体管Q₇和Q₈的基极分别连接到电容C₁₀和C₁₁的一端，电容C₁₀和C₁₁的另一端分别连接到二次谐波信号的输出信号端V_2p和V_2n，晶体管Q₇和Q₈的集电极共同连接到电源Vcc，晶体管Q₇和Q₈的发射极共同连接到电感L₃的一端，并作为倍频信号的输出端，电感L₃的另一端则连接到电阻R₃的一端，电阻R₃的另一端接地，隔直电容C₁₂的一端连接到倍频信号的输出端（即晶体管Q₇和Q₈的发射极），另一端连接到晶体管Q₉的基极，作为四次谐波放大器的输入端。晶体管Q₉和Q₁₀是四次谐波放大器的核心元器件，晶体管Q₉和Q₁₀的基极分别连接到隔直电容C₁₂的一端和电容C₁₃的一端，晶体管Q₉和Q₁₀的集电极分别连接到电阻R₄和R₅的一端，构成输出信号端V_4p和V_4n；电阻R₄和R₅的一端共同连接到电源Vcc，充当负载电阻的作用；电容C₁₃的另一端连接到地；尾电流源I_t4的另一端连接到地。

超宽带振荡器中的放大器（基波放大器A_1st、二次谐波放大器A_2nd、两倍频放大器A_x2、四次谐波放大器A_4th）、倍频器电路结构不局限于本文所提的电路结构，均可为其他可实现同等功能的电路结构或半导体工艺，如放大器中提到的晶体管可以为双极性晶体管或MOS晶体管。本发明所提仅仅是其中一种电路结构展示。

最后应说明的是:以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.基于Colpitts结构的超宽带压控振荡器电路，其特征在于：它包括

Colpitts压控振荡器，为一个基于Colpitts的差分压控振荡器，它用于产生差分基波信号、单端二次谐波信号；

基波放大器A_1st，与压控振荡器连接，用于将差分基波信号放大后，作为基波信号输出；

二次谐波放大器A_2nd，与压控振荡器连接，用于将单端二次谐波信号放大，转变为成差分信号V_2p和V_2n，作为二倍频信号输出；

两倍频放大器A_x2，与二次谐波放大器A_2nd，将二次谐波放大器A_2nd产生的差分信号V_2p和V_2n转化为二次谐波的两倍频信号，该信号也是基波信号的四倍频信号；以及

四次谐波放大器A_4th，与两倍频放大器A_x2，将四倍频信号转变成差分信号V_4p和V_4n，作为四倍频信号输出；

使得Colpitts压控振荡器的基波信号的频率范围为（Fmin，Fmax），二倍频信号的频率范围为（2*Fmin，2*Fmax），四倍频信号的频率范围为（4*Fmin，4*Fmax）；当Fmax=2*Fmin=2*Fosc，则整个压控振荡器电路的输出频率可达到连续不间断，且其范围为（Fosc，8*Fosc），从而实现工作带宽的提高；其中，Fmin为压控振荡器的基波信号频率下限，Fmax为压控振荡器的基波信号频率上限， Fosc等于Fmin，也定义为压控振荡器的基波信号频率下限。

2.根据权利要求1所述的基于Colpitts结构的超宽带压控振荡器电路，其特征在于：Colpitts压控振荡器主要包括晶体管Q₁和晶体管Q₂；

晶体管Q₁的集电极和晶体管Q₂的集电极均连接电源Vcc；晶体管Q₁的基极连接电容C₁的一端，晶体管Q₂的基极连接电容C₂的一端；晶体管Q₁的发射极分别连接电容C₃的一端和电容C₅的一端，晶体管Q₂的发射极连接电容C₄的一端和电容C₆的一端；

电容C₅和电容C₆的另一端共同连接到Vsec，Vsec用于输出二次谐波信号；

电容C₃的另一端连接晶体管Q₁的基极，电容C₄的另一端连接晶体管Q₂的基极；

晶体管Q₁的发射端还连接负反馈电感L₁一端，晶体管Q₂的发射端还连接负反馈电感L₂一端，负反馈电感L₁和负反馈电感L₂的另一端共同接地；其中，L₁和L₂分别是片上变压器的原边电感和副边电感；

它还包括差分电感L_d0、变容二极管C_v1和变容二极管C_v2；差分电感L_d0的两端分别连接电容C₁的另一端和电容C₂的另一端，差分电感L_d0还与变容二极管C_v1和变容二极管C_v2并联；差分电感L_d0的中心抽头端口接地，变容二极管C_v1和变容二极管C_v2分别有一端口共同连接到Vtune，作为控制电源的输入端;

晶体管Q₁的发射端、电容C₃的一端、电容C₅的一端以及负反馈电感L₁共同交汇于基波信号输出端V_oscp；晶体管Q₂的发射端、电容C₄的一端、电容C₆的一端以及负反馈电感L₂共同交汇于基波信号输出端V_oscn。

3.根据权利要求1所述的基于Colpitts结构的超宽带压控振荡器电路，其特征在于：所述基波放大器A_1st主要包括晶体管Q₃和晶体管Q₄；晶体管Q₃的集电极和晶体管Q₄的集电极共同连接电源Vcc；

晶体管Q₃的基极连接电容C₇的一端，电容C₇的另一端连接压控振荡器的基波信号输出端V_oscp，晶体管Q₄的基极连接电容C₈的一端，电容C₈的另一端连接压控振荡器的基波信号输出端V_oscn；

晶体管Q₃的发射端连接到电流源I_t1的一端并作为输出节点V_1p，晶体管Q₄的发射端连接到电流源I_t2的一端并作为输出节点V_1n；电流源I_t1和电流源I_t2的另一端均接地。

4.根据权利要求1所述的基于Colpitts结构的超宽带压控振荡器电路，其特征在于：二次谐波放大器A_2nd主要包括晶体管Q₅和晶体管Q₆；

晶体管Q₅和晶体管Q₆的发射极共同连接到尾电流源I_t3，尾电流源I_t3的另一端接地；晶体管Q₅的基极连接到振荡器的二次谐波输出端V_sec，晶体管Q₆的基极连接到电容C₉的一端且电容C₉的另一端接地；

晶体管Q₅的集电极连接到电阻R₁的一端构成输出信号端V_2p，晶体管Q₆的集电极连接到电阻R₂的一端构成输出信号端V_2n；电阻R₁和电阻R₂的另一端共同连接到电源Vcc。

5.根据权利要求1所述的基于Colpitts结构的超宽带压控振荡器电路，其特征在于：两倍频放大器A_x2主要包括晶体管Q₇和晶体管Q₈；

晶体管Q₇的基极连接到电容C₁₀的一端，电容C₁₀的另一端连接到二次谐波信号的输出信号端V_2p；晶体管Q₈的基极连接到电容C₁₁的一端，电容C₁₁的另一端连接到二次谐波信号的输出信号端V_2n；

晶体管Q₇和晶体管Q₈的集电极共同连接到电源Vcc，晶体管Q₇和晶体管Q₈的发射极共同连接到电感L₃的一端，并作为倍频信号的输出端；电感L₃的另一端连接到电阻R₃的一端，电阻R₃的另一端接地；隔直电容C₁₂的一端连接到倍频信号的输出端。

6.根据权利要求1所述的基于Colpitts结构的超宽带压控振荡器电路，其特征在于：四次谐波放大器A_4th主要包括晶体管Q₉和晶体管Q₁₀；

晶体管Q₉的基极连接到隔直电容C₁₂的一端，晶体管Q₁₀的基极连接到电容C₁₃的一端，电容C₁₃的另一端连接到地；

晶体管Q₉集电极连接到电阻R₄的一端以构成输出信号端V_4p，晶体管Q₁₀集电极连接到电阻R₅的一端以构成输出信号端V_4n；电阻R₄和电阻R₅的另一端共同连接到电源Vcc，充当负载电阻的作用；

晶体管Q₉和晶体管Q₁₀共同连接到基极尾电流源I_t4，基极尾电流源I_t4的另一端连接到地；

晶体管Q₉的基极与两倍频放大器A_x2的隔直电容C₁₂的另一端连接。

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