CN1176711A - 高功率低噪声压控振荡器 - Google Patents

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Abstract

高功率、低噪声压控振荡器(VCO)消除了驱动级放大器和费成本的在诸如蜂窝移动电话之类的发射机内的表面声波(SAW)内级滤波器。VCO包括谐振电路、连接到谐振电路的有源部分和连接到有源部分的缓冲放大器,用于将VCO与连接到缓冲放大器的负载隔离。有源部分包括至少一个电容三点式振荡结构的晶体管、与晶体管的结电容并联连接的电容(各个电容具有大于并联连接的相应的结电容的值)和用于提供低频负反馈的电阻。还可以提供第二电阻以减少振荡开始时有源部分的增益。缓冲放大器是含有晶体管的线性放大器,且有源部分和缓冲放大器可以由电容连接,以便减少有源部分和缓冲放大器之间的耦合。

Description

高功率低噪声压控振荡器
                    技术背景
本发明涉及电子振荡器和压控振荡器。
压控振荡器(VCO)是用于产生具有能够响应于控制信号而变化的频率的信号的一种器件。除了用作独立的器件，VCO经常是锁相环路、电压-频率变换器的组件。
用在蜂窝移动电话或袖珍终端中的常规发射机一般包括用于产生低功率载波信号的VCO、驱动级放大器、可以为陶瓷或表面声波(SAW)器件的内级滤波器和用于将载波功率提升到适当的水平的功率放大器。在一般的发射机中，需要驱动级放大器将VCO的低功率输出(一般为0dBm或更低)提升到功率放大器的适当的水平，同时需要内级滤波器除去由驱动级放大器产生的在感兴趣的频谱波段之外的噪声。
由驱动级放大器产生的波段外噪声功率通常相当高。如果这些噪声功率通过功率放大器的话，已被放大的波段外噪声功率将几乎不可能被符合电子工业协会要求的商用滤波器除去。因此，一般的发射机同时需要内级滤波器。
陶瓷或SAW内级滤波器是高成本的部分且不适于利用现行的集成电路(IC)技术制造。目前，除了陶瓷或SAW内级滤波器以外，能够将蜂窝发射机集成在一个单片的IC芯片上。因此，为了减少发射机的成本和将整个发射机集成在单片IC芯片上，要求消除内级滤波器。
消除内级滤波器的一个方法是采用具有更高功率输出的VCO。实际上，假设高功率VCO的噪声功率输出低的话，也允许采用高功率VCO消除驱动级放大器。VCO的噪声功率输出主要来自于两个部分：相位噪声和振幅噪声。
过去，通常忽略远离载波频率的频率(例如离开载波频率45MHz)处的VCO的噪声特性，因为远离载波的噪声将会被内级滤波器滤出。远离载波的噪声通常被作为调幅(AM)噪声对待。实际上远离载波的噪声是AM噪声和相位噪声的组合，由VCO有源器件的高非线性操作引起的内调制边带噪声也是如此。
VCO的一个最重要的特性是短期频率稳定性，即相位噪声。在噪声源中支配VCO相位噪声特性的是闪变噪声、散粒噪声和VCO有源器件的热噪声。低频噪声，或1/f噪声调制由VCO产生的信号，形成频谱非常接近于载波信号频率的噪声边带。热噪声通过从AM向相位调制的变换而成为相位噪声的一部分。
为了获得低相位噪声，需要具有其中包含了热噪声贡献的低1/f噪声和低噪声数值的有源器件。由于有源器件的1/f噪声和热噪声依赖于流过它们的DC偏置电流，VCO应该采用低偏置电流以获得低噪声。不幸的是，采用低DC偏置电流是绝大部分VCO仅仅产生受限制的输出功率的原因。
采用较大的DC偏置电流是获得具有高输出功率的VCO的常用方法。但是，对于蜂窝通信来说，VCO的噪声特性造成的缺点是必须提供昂贵的高Q谐振器以减少相位噪声。通常要确定出足够的最小的Q-系数以避免不必要地增加VCO的成本，但是成本还是增加了。
如上所述，VCO通常原用于在无线技术中产生载波信号。采用射频(RF)载波信号的模拟频率调制(FM)的蜂窝移动电话系统的一个现行标准是在美国采用具有在900MHz附近的载波信号之间有30KHz间隔宽带FM的改进的移动电话服务(AMPS)系统。数字AMPS(D-AMPS)也已被引入采用900MHz波段载波信号的美国。一些AMPS系统的特性是由电子工业协会和电信工业协会(EIA/TIA)出版的EIA/TIA-553标准限定的。
另一个模拟FM标准是采用在900MHz附近载波信号之间的25KHz间隔的英国的全访问通信系统(TACS)。第三个模拟FM标准是采用450MHz和900MHz波段的载波之间12.5KHz间隔的斯堪的那维亚北欧移动电话(NMT)系统。
这种模拟FM系统的能力可以通过减少信道带宽而增加，如在根据N-AMPS说明的窄带FM系统中。在N-AMPS系统中，通过将AMPS系统每个30KHz宽的无线信道分为三部分来获得10KHz的信道间隔。一般地，无线信道是在两个收发信机之间的双向传输路径，并且因而信道包括两个具有不同频率的载波，一个用于上行链路通信(移动站到基站)而一个用于下行链路通信(基站到移动站)。在标准系统中，任意无线信道的两个载波之间的频率间隔为45MHz。
在另一种为了增加系统能力的努力中，美国的数字AMPS(D-AMPS)系统采用在业务信道上的数字传输和时分多址(TDMA)同时保持在控制信道上的模拟传输。D-AMPS系统的一些特性由EIA/TIA出版的IS-54B标准所限定。另一种现行的TDMA系统是在北美的美国数字蜂窝系统(ADC)和在欧洲及日本的移动通信全球系统(GSM)。通信系统还用于使用RF载波信号和码分多路复用(CDM)和码分多址(CDMA)。
                    发明概述
根据本发明，提供电路拓扑图而导致具有高输出功率和采用低Q的谐振器的低噪声的VCO。这一VCO包括谐振电路、连接到谐振电路的有源部分，并包括至少一个以电容三点式振荡结构连接的晶体管和连接到有源部分的缓冲放大器，用于将VCO与连接到缓冲放大器的负载隔离开。
有源部分包括与晶体管结电容并联连接的电容，各个电容具有比与其并联连接的结电容的值大的值，和用于以低频率提供负反馈的第一电阻。至少两个电容在有源部分中以高频增强反馈并在有源部分中以低频抑制反馈，并补偿结电容的变化。
有源部分可包括多个以电容三点式振荡结构并联连接的晶体管用于减少流过各个晶体管的DC电流的值。有源部分还可以包括第二电阻，用于当振荡开始时减少有源部分的增益。
缓冲放大器是含有晶体管的线性放大器，有源部分和缓冲放大器通过电容连接以减少有源部分和缓冲放大器之间的耦合。
在本发明的另一个方面中，VCO包括谐振电路、连接到谐振电路的有源部分，并包括至少一个以电容三点式振荡结构连接的晶体管和含有晶体管的线性缓冲放大器，用于将VCO与连接到缓冲放大器的负载隔离开；和用于连接有源部分和线性缓冲放大器的电容以减少有源部分和缓冲放大器之间的耦合。
有源部分包括与晶体管结电容并联连接的电容，各个电容具有比与其并联连接的结电容的值大的值；用于以低频率提供负反馈的第一电阻；和用于当振荡开始时减少有源部分增益的第二电阻。有源部分可以包括多个以电容三点式振荡结构并联连接的晶体管用于减少流过各个晶体管的DC电流的值。
                    附图简述
以下将参考仅以示例形式给出并示于附图中的实施例详细描述本发明，其中：
图1是根据本发明压控振荡器的示意图；
图2示出图1电路的输出隔离频谱；
图3示出图1电路的相位噪声；
图4示出图1电路的AM噪声频谱；
图5示出图1电路的噪声隔离水平。
                    详细说明
在联系涉及袖珍或移动无线电话和/或个人通信网的蜂窝通信系统作出以下描述的同时，本领域的普通技术人员应该理解本发明可以适用于任何采用VCO的领域。
图1是根据本发明具有用于以谐振频率给VCO的有源部分提供增益的公共低Q谐振器的VC0 1的电示意图。VCO 1包括谐振器10、有源部分20和缓冲放大器级30。有源部分20在一些方面与电容三点式振荡器类似，但是电路20还有其它重要的组件：电容C3、C4和电阻R2。以下说明这些组件的重要性和它们所提供的优越性。
如上所述，VCO噪声频谱的两个主要部分是相位噪声和AM噪声。在接近于VCO输出信号频率的频率处，相位噪声起主导作用；而在非常远离输出信号频率的频率处，AM噪声起主导作用。在不非常远离输出信号频率的频率处，VCO的噪声频谱是相位噪声和AM噪声的组合，该组合依据VCO的有源部分和无源部分的噪声特性、有源部分的非线性工作情况和电路拓扑而更高。
如所公知的，相位噪声来自于由非线性互导gm和有源部分晶体管Q1的非线性结电容Cbe、Cbc、Cce引起的输出信号的低频调制。如果这些非线性元件上的非线性调制被降低，相位噪声也会相应地降低。根据本发明的一个方面，有源部分20包括与各个非线性结电容并联连接的电容C3、C4。因而，线性电容C3、C4和常规电容C1降低了非线性调制。为了达到最佳效果，这些电容应该这样选择，即C3＞Cbc、C4＞Cce、C1＞Cbe。
此外，电容C3、C4增强了在高频处的反馈并抑制低频处的反馈，特别是在振荡开始时，这一点由于以下所述的原因而具有优越性。在本申请中，“高”频是指至少约等于载波信号(即由VCO产生的输出信号)频率的频率。“低”频是对于双结型晶体管(BJT)在DC(0Hz)与约100KHz之间的频率，而对于场效应晶体管(FET)在DC和约100MHz之间的频率。
采用C3、C4的另一个优点是由于C3、C4在电压变化和温度变化的同时降低了装置电容变化的效果而改进了VCO 1的推动效果和温度稳定性。
如果需要的话，通过选择常规谐振器10的Q-系数以适当地降低相位噪声，可以进一步改进VCO的性能。谐振器10一般会具有被选择得恰好足以满足所需的噪声性能的Q-系数。相信仅具有100左右的Q-系数的谐振器10就适用于以下所述的蜂窝技术。谐振器10可以由来自诸如Toko、Toshiba和Alpha的微带线11和商用的低成本变容二极管12构成。微带线可以被例如来自Trans-Tech的商用同轴导线代替。例如通过控制信号端13施加在变容二极管12上的偏压能够被用于随着元件12参数的变化而控制由VCO产生的信号的频率。可以理解的是为了增加谐振器的Q-系数应该降低谐振器10和有源部分20之间的耦合。
在本发明的低噪声VCO 1中，有源部分20包括当电容C2保持高频(即接近于载波频率)处的增益时，用于在低频处引入负反馈以抑制低频处的增益和噪声的电阻R1。结果是，VCO的相位噪声降低而其低频处的稳定性增强，这是因为大多数被用作为晶体管Q1的晶体管具有非常高的低频增益，而这通常引起低频噪声增加而降低低频稳定性。
如上所述，低噪声VCO通常要求低DC偏置电流，因而VCO的输出功率也低，且用于高输出功率的高电流工作会导致高的相位噪声和AM噪声。为了获得高功率级而又保持DC偏置电流尽可能的低，可以采用两个或多个并联连接的晶体管构成晶体管Q1。以此方式，通过各个晶体管的DC电流被降低(如果使用一对晶体管的话，降低一半)，结果是，整个噪声水平低于工作于相同输出功率级的单个晶体管Q1的噪声水平。
使用多少并联连接的晶体管应该依据IC处理技术、所需的功率级和对于最佳噪声值和最佳低频噪声的单个晶体管的最佳工作点。例如，诸如硅BJT之类的BJT和镓砷化物HBT具有比MESFET之类的FET和HEMT低1/f的噪声。像蜂窝无线电话发射机这样的应用可以使用两个BJT或三个FET。
总之，以低增益开始的VCO振荡具有比以高增益开始的VCO振荡低的噪声。因此，根据本发明的一个方面，与其它元件(例如电容C3、C4、C2和C1)相连接的电阻R2降低振荡开始时的增益。
本发明的VCO 1还包括用于将VCO与通过下一级连接到缓冲器输出端31的负载隔离开的缓冲放大器级30，从而由于负载阻抗的变化而提升输出信号的频率。从低噪声的观点看，缓冲放大器30应该尽可能地线性工作以便避免在缓冲器级内产生的内调制引起附加的噪声。应该理解缓冲放大器30的线性工作是由缓冲器的晶体管Q2的工作点确定的，而其工作点是由晶体管的DC偏置和负载阻抗确定的。
有源部分20和缓冲器级30通过具有这样的电容值的小电容C6连接，其电容值降低有源部分和缓冲器级之间的耦合并且降低负载引起的频率提升。
申请人的高功率低噪声VCO 1已被商用微波/RF电路仿真器(HP-EEsof的J-Omega仿真器)与来自于RF微波器件的HBT非线性器件模型相结合所模拟。模拟的谐振器电路具有大约100的负载Q-系数(50欧姆负载)。
如图2-5所示，对于在载波附近的输出功率级和相位噪声以及在离开载波45MHz的接收波段中的整个噪声功率水平来说，模拟符合预期的要求。而采用具有相同谐振器电路的常规电路结构不能符合预期要求。与常规的VCO电路相比，模拟的电路在噪声性能方面提供了10dB以上的改进。如上所述，常规VCO的噪声性能根据系统带宽，通常仅由紧邻相位噪声(即离开载波25-30KHz频率处的相位噪声)所确定。由于本发明高功率低噪声的VCO消除了高成本大体积的内级滤波器，VCO的噪声性能必须符合另外的标准：接收波段内的噪声功率。
例如，对于蜂窝无线电话发射机的一般要求是+30dBm的输出功率、15dBm的功率增益、5dB的噪声值和在高于载波频率45MHz处的小于-139.8dBm/Hz的噪声功率。相应地，VCO产生的噪声功率在高于载波45MHz处必须小于-(15+5+139，8)＝-159.8dBm/Hz，这一性能标准使用常规的VCO是非常非常难以符合的，即使是符合输出功率和紧邻噪声标准的常规VCO。
当然应该理解，电阻R1、R2、电容C1-C6和晶体管偏置电流的具体值是由使用本发明的VCO的具体应用确定的。总之，电阻R1可以具有大约30至200欧姆之间的值；电阻R2可以具有大约2至10欧姆之间的值；流过晶体管Q1的DC电流可以具有大约10毫安至20毫安之间的值；而流过晶体管Q2的DC电流可以具有大约20毫安至40毫安之间的值。这些范围不在于限制本发明，因为这些值根据输出功率和相位噪声、以及对于远离载波频率的特定频率处的噪声功率的要求是最佳的。
图2示出模拟的输出功率频谱。在载波基频(约843MHz)处的输出功率级为+15.3dBm，在载波的第一谐波(1686MHz)处仅为约+0.9dBm。
图3示出模拟的相位噪声功率频谱，其中相位噪声功率级被标为从载波信号频率的频率偏移的对数函数。在离开载波32KHz处，相位噪声功率小于-122.7dBc/Hz，这显著地好于最大可接受的相位噪声功率级-95dBc/Hz。在离开载波16KHz处，相位噪声功率为-116.3dBc/Hz。此外，图3示出在离开载波20MHz处的相位噪声功率级为大约-175dBc/Hz，这显著地好于在GSM标准的蜂窝电话系统中的最大可接受相位噪声功率级-163dBc/Hz。
图4示出模拟的VCO的AM噪声功率频谱，其中AM噪声功率级被标为从载波信号频率的频率偏移的对数函数。比较图3和图4可看出相位噪声和AM噪声在噪声中占有的份额。图4示出在离开载波32KHz的频率偏移处噪声功率为-147.9dBc/Hz，而在离开载波44MHz处为-174.1dBc/Hz。
在大多数无线电话系统中，最难以达到的性能标准是在接收波段中的噪声功率级，即在离开载波45MHz处的噪声功率级。图5示出结合在一起的模拟的VCO的相位和AM噪声频谱，其中结合的噪声功率级作为离开载波信号频率的频率偏移的对数函数。图5示出在离开载波44MHz处的噪声功率级为-163.1dBm/Hz，它小于AMPS标准允许的最大级-160dBm/Hz。由模拟的常规VCO电路接收的最好的接收波段噪声功率级为-150dBm/Hz。
本发明提供了新的高功率低噪声的VCO电路结构，能够代替在发射机电路中的驱动级放大器和高成本高质量的陶瓷滤波器或SAW滤波器。由于其简单性和没有大体积的滤波器，根据本发明的VCO易于利用单个IC芯片上的功率放大器来制造。利用单片上的功率放大器制造VCO能够显著地降低生产成本。
虽然以上描述并示出了本发明的特定实施例，但是应该理解本发明并不局限于此。例如，本发明能够用于任何晶体管型、三端型的振荡器中，这些振荡器明显地都被包括在本发明所采用的术语“VCO”中。本发明涵盖了在随后的权利要求中所限定的本发明的精神和范围之内的一切变型。
权利要求书
按照条约第19条的修改
(国际局于1996年9月23日收到，修改了原权利要求1和8，其余未作改动。)
1.一种高功率低噪声压控振荡器(VCO)，包括：
谐振电路；
有源部分，连接到谐振电路并包括至少一个以电容三点式振荡结构连接的晶体管；
连接到有源部分的缓冲放大器，用于将VCO与连接到缓冲放大器的负载相隔离；
其中有源部分包括与至少一个晶体管的结电容并联连接的电容，电容抑制低频反馈并且每个电容具有大于与其并联连接的相应的结电容的值，以及用于提供低频负反馈以抑制低频增益和噪声的第一电阻，低频远离VCO的振荡频率。
2、根据权利要求1所述的VCO，其中至少两个电容加强有源部分中的高频反馈并抑制有源部分中的低频反馈。
3、根据权利要求1所述的VCO，其中至少两个电容补偿结电容的变化。
4、根据权利要求1所述的VCO，其中有源部分包括多个以电容三点式振荡结构并联连接的晶体管，用于降低流过多个晶体管的每一个的DC电流的值。
5、根据权利要求1所述的VCO，其中有源部分还包括用于当振荡控制时降低有源部分的增益的第二电阻。
6、根据权利要求1所述的VCO，其中缓冲放大器是含有晶体管的线性放大器。
7、根据权利要求1所述的VCO，其中有源部分与缓冲放大器通过一个电容连接，以便降低有源部分和缓冲放大器之间的耦合。
8、一种压控振荡器(VCO)，包括：
谐振电路；
连接到谐振电路并且包括至少一个以电容三点式振荡结构连接的晶体管的有源部分；
含有晶体管的线性缓冲放大器，用于隔离VCO和连接到缓冲放大器的负载；
用于连接有源部分和线性缓冲放大器并且用于降低有源部分和缓冲放大器之间的耦合的电容；
其中有源部分包括与至少一个晶体管的结电容并联连接的电容，电容抑制低频反馈并且每个电容具有大于与其并联连接的相应的结电容的值；用于提供低频负反馈以抑制低频增益和噪声的第一电阻，低频远离VCO的频率；以及用于当振荡开始时降低有源部分增益的第二电阻。
9、根据权利要求8所述的VCO，其中有源部分包括多个以电容三点式振荡结构并联连接的晶体管，用于降低流过多个晶体管的每一个的DC电流的值。

Claims (9)

1.一种高功率低噪声压控振荡器(VCO)，包括：
谐振电路；
有源部分，连接到谐振电路并包括至少一个以电容三点式振荡结构连接的晶体管；
连接到有源部分的缓冲放大器，用于将VCO与连接到缓冲放大器的负载相隔离；
其中有源部分包括与晶体管的结电容并联连接的电容，每个电容具有大于与其并联连接的相应的结电容的值，以及用于提供低频负反馈的第一电阻。
2、根据权利要求1所述的VCO，其中至少两个电容加强有源部分中的高频反馈并抑制有源部分中的低频反馈。
3、根据权利要求1所述的VCO，其中至少两个电容补偿结电容的变化。
4、根据权利要求1所述的VCO，其中有源部分包括多个以电容三点式振荡结构并联连接的晶体管，用于降低流过多个晶体管的每一个的DC电流的值。
5、根据权利要求1所述的VCO，其中有源部分还包括用于当振荡控制时降低有源部分的增益的第二电阻。
6、根据权利要求1所述的VCO，其中缓冲放大器是含有晶体管的线性放大器。
7、根据权利要求1所述的VCO，其中有源部分与缓冲放大器通过一个电容连接，以便降低有源部分和缓冲放大器之间的耦合。
8、一种压控振荡器(VCO)，包括：
谐振电路；
连接到谐振电路并且包括至少一个以电容三点式振荡结构连接的晶体管的有源部分；
含有晶体管的线性缓冲放大器，用于隔离VCO和连接到缓冲放大器的负载；
用于连接有源部分和线性缓冲放大器并且用于降低有源部分和缓冲放大器之间的耦合的电容；
其中有源部分包括与至少一个晶体管的结电容并联连接的电容，每个电容具有大于与其并联连接的相应的结电容的值；用于提供低频负反馈的第一电阻；以及用于当振荡开始时降低有源部分增益的第二电阻。
9、根据权利要求8所述的VCO，其中有源部分包括多个以电容三点式振荡结构并联连接的晶体管，用于降低流过多个晶体管的每一个的DC电流的值。
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