CN1604460A - 实现射频压控振荡器频率粗调的装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种实现射频压控振荡器频率粗调的装置，包括LC谐振回路和用于提供负电导的有源器件，所述LC谐振回路中的电容为三端变容管，该三端变容管的两控制端分别接不同的控制电路。本发明与数字开关电容压控振荡器相比，本发明仅使用单个的三端变容管，省去了额外的固定电容。使用单个的三端变容管将大大的节省芯片的成本。并且，核心电路部分的简化对于减少设计的复杂度，降低相位噪声的设计难度，以及获得稳定可靠的压控振荡器性能具有很大的帮助。

Description

实现射频压控振荡器频率粗调的装置

技术领域

本发明涉及一种实现射频压控振荡器频率粗调的装置。

背景技术

在过去的十多年中，寻呼机、无绳电话、模拟及数字蜂窝电话等个人无线通信系统以及数字电视、广播得到了迅猛发展，无线通信成为继PC产业之后最重要的产业。由于集成电路具有体积小、功耗低、成本低的特点，无线通信技术的蓬勃发展促成了射频集成电路的迅速发展。目前，射频集成电路已经成为微电子重要的研究领域之一。设计和研究高性能的关键电路模块成为促进射频集成电路技术进步至关重要的推动力。压控振荡器即是其中关键的电路模块之一。

典型的压控振荡器电路如图1所示。其中C_v1和C_v2是变容管的电容，且C_v1＝C_v2。总电容C是C_v1和C_v2串联后的值，V是变容管的控制电压，L是电感。其它的MOS器件提供维持LC谐振回路持续振荡所需的能量。尾电流源I_Bias提供电路工作所需要的偏置电流。压控振荡器通过调节变容管控制端的电压V来改变整个LC谐振回路的电容值，从而改变输出信号的振荡频率。这一过程可以用以下公式来表述， $f_{\mathrm{out}}=1/\sqrt{2\mathrm{\π}\·L\·C},$ 式中的C＝C(V)。即输出信号的频率f_out是电容值C的函数，而电容值C是控制电压V的函数。

可通过改变控制电压V的值来获得不同的LC谐振回路电容值，这一过程是由变容管来完成的。通常的变容管具有如图2所示的C-V特性曲线。即电容值C是控制电压V的函数，C和V的值一一对应。当控制电压V改变时，相应的变容管电容C也改变。由于 $f_{\mathrm{out}}=1/\sqrt{2\mathrm{\π}\·L\·C},$ 所以输出信号的振荡频率也被改变。

除了上述通过调节变容管的电容值来改变频率的方法以外，还有另外一种调频的方法：使用数字控制的开关电容电路。如图3所示，数字控制的开关电容电路通过数字控制位A₂A₁A₀来接通或者断开开关，从而决定电容C₂，C₁和C₀是否被接入到LC谐振回路。当A₂A₁A₀具有不同的数字电平时，开关电容阵列中的电容将以不同的组合方式被接入到振荡器的LC谐振回路中，从而使总的等效电容值C被改变。这一方法实现的是输出信号频率的不连续调节，称为粗调。该结构结合前述通过变容管调频的方法，就得到如图4中实线所示的调频曲线，其中横坐标是变容管的控制电压V，纵坐标是输出信号的振荡频率f_out。图中的虚线对应于不使用开关电容电路的情况。从图4可以看出，合理的选择开关电容阵列中的电容值，可以使实线和虚线两者具有相同的频率调节范围，即f_max-f_min。不同之处在于，如果不使用开关电容电路，则实现的是一条从f_min到f_max的连续调频曲线(虚线)，而使用开关电容电路的话，得到的是一组调频曲线(实线)，相邻曲线之间在纵坐标方向必须要相互重叠一部分(如图4所示)，以覆盖从f_min到f_max中的每个频率值。每一条曲线都与开关电容阵列数字控制位的值相对应，以图4为例，从“000”一直到“111”，共八条调频曲线。当使用开关电容电路之后，数字控制的开关实现了输出信号频率的粗调，而变容管的控制电压V保留了对频率微调的功能。在最近几年的研究中，数字开关电容控制的压控振荡器由于具有更好的系统性能而成为在射频电路工业界和学术界广泛采用的结构。

但是上述结构使用了C₂、C₁和C₀三个固定电容和相应的电路，这些电容在集成电路的版图中要占用较大的面积，导致了成本比较高，并且可能导致相位噪声恶化。这些都增大了射频压控振荡器的设计难度。

发明内容

针对上述现有射频压控振荡器使用开关电容电路实现频率粗调所存在的不足，本发明的目的是提供一种制造结构简单、成本较低的实现射频压控振荡器频率粗调的装置。

本发明是这样实现的：一种实现射频压控振荡器频率粗调的装置，包括LC谐振回路和用于提供负电导的有源器件，所述LC谐振回路中的电容为三端变容管，该三端变容管的两控制端分别接不同的控制电路。

进一步地，所述三端变容管与常规变容管相比，具有额外的一个控制端，可通过改变其中一个控制端的电压，来实现频率的微调；通过改变另一个控制端的电压，来实现频率的粗调。

进一步地，所述有源器件可为MOSFET、BJT半导体有源器件。

与数字开关电容压控振荡器相比，本发明仅使用单个的三端变容管，省去了额外的固定电容。这些固定电容通常在集成电路的版图中要占用较大的面积，而使用单个的三端变容管将大大的节省芯片的成本。另外，对三端变容管的第二控制端进行控制的电路被转移到由外围电路来实现，这使得压控振荡器核心电路部分的设计进一步得到简化。而在开关电容压控振荡器中，开关电容及其控制电路都是属于压控振荡器核心电路的一部分。由于射频压控振荡器的设计对各种影响因素非常的敏感，特别是开关电容电路容易引入额外的噪声源，同时会降低整个LC谐振回路的有载品质因子，使压控振荡器最为重要的设计指标——相位噪声恶化。因此，核心电路部分的简化对于减少设计的复杂度，降低相位噪声的设计难度，以及获得稳定可靠的压控振荡器性能具有很大的帮助。

附图说明

下面结合附图，对本发明做出详细描述。

图1是典型的压控振荡器电路图；

图2是普通变容管的典型C-V特性曲线；

图3是数字开关电容压控振荡器电路图；

图4是压控振荡器的调频曲线；

图5是三端变容管的示意图

图6是采用三端变容管的压控振荡器电路图

图7为本发明通过ISE软件仿真得到的三端变容管C-V特性曲线；

图8是基于图5的结果得到的压控振荡器调频曲线。

具体实施方式

本发明的三端变容管的示意图如图5所示，其中V₁为第一控制端，V₂为第二控制端。可通过改变V₁或V₂端的电压值均能导致变容管电容值的变化，因此总的电容值C是V₁和V₂的函数，即C＝C(V₁，V₂)。

如图6所示，本发明是在典型的压控振荡器电路(如图1所示)的基础上加以改进而成的。将其中的LC谐振回路中的常规变容管更换为三端变容管即可。三端变容管的两个控制端分别接不同的控制电路。

如图7所示，为本发明中采用的三端变容管的C-V特性曲线(ISE软件的仿真结果)。横坐标为控制电压V₁，纵坐标为变容管的电容C。控制电压V₁变化时，电容值C相应变化；当第二控制端V₂具有不同的电压值时，C-V曲线发生平移，从而得到图中所示的一组C-V曲线。由于输出信号的振荡频率 $f_{\mathrm{out}}=1/\sqrt{2\mathrm{\π}\·L\·C},$ 而C＝C(V₁，V₂)，因此可以从理论上推算出 $f_{\mathrm{out}}=1/\sqrt{2\mathrm{\π}\·L\·C(V_1,V_2)}.$ 将图7中的仿真结果代入上式运算，得到了如图8所示的一组调频曲线。显然，这一组曲线具有和图4类似的结果，不同之处在于：各条曲线之间是通过改变三端变容管的第二控制端V₂来切换的，而图4中的一组调频曲线是由开关电容的数字控制位来决定的。

Claims (3)

1、一种实现射频压控振荡器频率粗调的装置，包括LC谐振回路和用于提供负电导的有源器件，其特征在于，所述LC谐振回路中的电容为三端变容管，该三端变容管的两控制端分别接不同的控制电路。

2、如权利要求1所述的实现射频压控振荡器频率粗调的装置，其特征在于，所述三端变容管与常规变容管相比，具有额外的一个控制端，可通过改变其中一个控制端的电压，来实现频率的微调；通过改变另一个控制端的电压，来实现频率的粗调。

3、如权利要求1所述的实现射频压控振荡器频率粗调的装置，其特征在于，所述有源器件可为MOSFET、BJT半导体有源器件。

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