CN201039084Y

CN201039084Y - 基于电容补偿的低幅度误差低相噪射频压控振荡器

Info

Publication number: CN201039084Y
Application number: CNU2007201084230U
Authority: CN
Inventors: 乐建连; 马成炎
Original assignee: HANGZHOU ZHONGKE MICROELECTRONIC CO Ltd
Current assignee: HANGZHOU ZHONGKE MICROELECTRONIC CO Ltd
Priority date: 2007-04-20
Filing date: 2007-04-20
Publication date: 2008-03-19
Anticipated expiration: 2017-04-20

Abstract

本实用新型涉及一种基于电容补偿的低幅度误差低相噪射频压控振荡器，它包括一个压控振荡器核、一组缓冲器和一组补偿电容。压控振荡器核是一对改进型串行正交压控振荡器结构电路，分别由各自的LC谐振回路、两个开关管、两个耦合管以及一个恒流源组成；每个改进型串行正交压控振荡器的两路耦合管和开关管为串联电路，两个耦合管的漏极分别与LC谐振回路的两LC接点相连，两个开关管的源极相连，两个开关管的栅极分别交叉与两个耦合管的源极相连，两个耦合管的栅极和漏极Q₊、Q_－、I₊、I_－作为压控振荡器的四个输出端。本实用新型拉低反馈点电压，大大降低电路的功耗，保持良好的低相位噪声，有效减小输出本振信号的幅度误差。

Description

基于电容补偿的低幅度误差低相噪射频压控振荡器

技术领域

本实用新型属于电子技术领域，涉及一种射频压控振荡器，尤其涉及一种基于电容补偿的低幅度误差低相噪射频压控振荡器。

背景技术

随着无线通信技术的高速发展，对低成本、高性能、高集成度的无线收发器的需求也越来越多，因此对无线收发系统的各个组成模块提出了更高的要求。射频压控振荡器(VCO)是无线通信收发器中基于锁相环频率综合器的核心模块，其频率调谐范围、相位噪声、线性度、增益、幅度误差和相位误差是重要性能参数，对于便携供电型设备它的功耗性能也是关键指标。目前已有技术的压控振荡器按电路结构可以分为环形压控振荡器和LC振荡器两种，环形压控振荡器为多个差分延迟单元首尾相连组成的环路结构，相位噪声性能劣于LC压控振荡器。射频LC压控振荡器都采用由两个负跨导压控振荡器组成的正交耦合电路结构，通过两个负跨导压控振荡器的相互耦合，直接产生两组正交信号。典型的LC正交压控振荡器有串行和并行两种电路形式，串行LC正交压控振荡器电路原理图如图1所示，各臂的耦合管M5～M8分别与同臂的开关管M1～M4串联；并行LC正交压控振荡器电路原理图如图2所示，其各臂的耦合管M5～M8分别与同臂的开关管M1～M4并联。已有技术的串行LC正交压控振荡器电路结构的反馈点电压较高，振荡器电路功耗较大，难以实现低功耗；而已有技术的并行LC正交压控振荡器，由于谐振回路Q值较低，难以获得低相位噪声。

发明内容

本实用新型主要解决正交压控振荡器的经典结构不能同时具有低相位噪声和低功耗性能，而且输出的本振信号幅度误差不够小的技术问题；提供一种既具有低相位噪声性能又具有低功耗性能，同时输出低幅度误差本振信号的基于电容补偿的低幅度误差低相噪射频压控振荡器。

本实用新型的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：本实用新型包括一个双LC谐振回路的压控振荡器，还包括一组缓冲器和一组补偿电容，所述的双LC谐振回路的压控振荡器是一个压控振荡器核；压控振荡器核是一对改进型串行正交压控振荡器结构电路，一路串行正交压控振荡器由LC谐振回路、开关管M1和M2、耦合管M5和M6以及一个恒流源组成，反馈点在耦合管M5和M6的源极，另一路串行正交压控振荡器由LC谐振回路、开关管M3和M4、耦合管M7和M8以及一个恒流源组成，反馈点在耦合管M7和M8的源极；每个改进型串行正交压控振荡器的两路耦合管和开关管为串联电路，两个耦合管的漏极分别与LC谐振回路的两LC接点相连，两个开关管的源极相连，两个开关管的栅极分别交叉与两个耦合管的源极相连，两个耦合管的栅极和漏极Q₊、Q_-、I₊、I_-作为压控振荡器的四个输出端；双LC谐振回路的电源端连接直流电源VDD，另一公共端连接控制电压Vcont。将原来经典串行正交压控振荡器的开关管的交叉反馈点移到了耦合管的源极，从而拉低了反馈点电压，大大降低了电路的功耗，并能保持良好的低相位噪声。

作为优选，所述的压控振荡器核每路串行正交压控振荡器的四个输出端I₊、I_-、Q₊和Q_-分别连接一个缓冲器的输入端，四个缓冲器的输出端中的三个输出端I₊、I_-、Q₊分别连接电容器C1、C2和C3的正极，C1、C2和C3为补偿电容，C1、C2和C3的负极接地。偶合管的栅极、源极分别与各自的缓冲器的输入端相连，四个缓冲器的输出端作为压控振荡器的四个输出端。压控振荡器输出负载变化会引起振荡频率的偏移和信号幅度的变化，称之为负载效应。为了使输出信号获得稳定的直流偏置，使用了一级偏置缓冲器。在实际应用中，由于压控振荡器后需要驱动的负载都已经确定(如在GPS射频前端系统中的负载为一个预分频器和一个下变频混频器)，所以在本实用新型中预先考虑这些负载效应引起的频率偏差和幅度偏差，调整电感和电容的选值，使频率调谐范围和输出幅度都符合设计要求。这样就节省了隔离缓冲器的功耗，使压控振荡器的总功耗大大降低。压控振荡器在应用中通常需要驱动多个电路，并且要求压控振荡器输出的本振信号有良好的匹配性(小的幅度误差和相位误差)，而负载不匹配会引起压控振荡器输出幅度的不匹配。本实用新型通过在三个输出端加上比较精确的补偿等效电容，消除负载不匹配因素，从而确保输出低幅度误差的本振信号。电容补偿法结构简单并且有效。

作为优选，所述的压控振荡器核的四个缓冲器的输出端的驱动负载为混频器和预分频器，其四个输出端的I₊、I_-、Q₊和Q_-连接混频器的四个输入端，Q₊和Q_-连接预分频器的二个输入端。满足GPS射频前端系统的要求。

作为优选，所述的缓冲器为单电源偏置缓冲器，由两个串联的MOS管和一个电容器构成，电容器的负极串接在两个MOS管的串联接点，即缓冲器的输出端，它将缓冲器的输入端与驱动负载隔离，调节两个MOS管宽长比改变偏置点，使耗用电流降至最小。

作为优选，所述的电容器C1、C2和C3为金属型幅度匹配补偿电容，电容器C1、C2和C3的取值范围在50fF～500fF。

本实用新型的有益效果是：通过上述电路的改进，本实用新型既具有低相位噪声性能又具有低功耗性能，同时输出的本振信号幅度误差小，非常适合应用于全球定位系统(GPS)射频前端锁相环频率综合器中。

附图说明

图1是串行正交压控振荡器的典型电路图。

图2是并行正交压控振荡器的典型电路图。

图3是本实用新型的一种压控振荡器核的电路原理图。

图4是本实用新型的一种基于电容补偿的低幅度误差低相噪射频压控振荡器电路原理框图。

图5是本实用新型的缓冲器的一种电路原理图。

图中1—压控振荡器核，11、12—LC谐振回路，2—缓冲器，3—补偿电容，4—混频器，5—预分频器。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本实用新型的技术方案作进一步具体的说明。

实施例1：本实施例的基于电容补偿的低幅度误差低相噪射频压控振荡器，如图3所示，包括一个双LC谐振回路的压控振荡器、一组缓冲器2和一组补偿电容3，双LC谐振回路的压控振荡器是一个压控振荡器核1；压控振荡器核1是一对改进型串行正交压控振荡器结构电路，一路串行正交压控振荡器由LC谐振回路11、开关管M1和M2、耦合管M5和M6以及一个恒流源组成，反馈点在耦合管M5和M6的源极，另一路串行正交压控振荡器由LC谐振回路12、开关管M3和M4、耦合管M7和M8以及一个恒流源组成，反馈点在耦合管M7和M8的源极；每个改进型串行正交压控振荡器的两路耦合管和开关管为串联电路，两个耦合管的漏极分别与LC谐振回路的两LC接点相连，两个开关管的源极相连，两个开关管的栅极分别交叉与两个耦合管的源极相连，两个耦合管的栅极和漏极Q₊、Q_-、I₊、I_-作为压控振荡器的四个输出端；双LC谐振回路的电源端连接直流电源VDD，另一公共端连接控制电压Vcont。压控振荡器核1每路串行正交压控振荡器的四个输出端I₊、I_-、Q₊和Q_-分别连接一个缓冲器2的输入端，四个缓冲器2的输出端中的三个输出端I₊、I_-、Q₊分别连接电容器C1、C2和C3的正极，C1、C2和C3为补偿电容3，C1、C2和C3的负极接地。每个缓冲器2为单电源偏置缓冲器，由两个串联的MOS管D1、D2和一个电容器C构成，电容器C的负极串接在两个MOS管的串联接点，即缓冲器的输出端，它将缓冲器的输入端与驱动负载隔离，调节两个MOS管D1、D2的宽长比改变偏置点，使耗用电流降至最小。电容器C1、C2和C3为金属型幅度匹配补偿电容，作为优选电容器C1、C2和C3的取值分别为400fF、305fF、105fF。四个缓冲器2的输出端的驱动负载为混频器4和预分频器5，其四个输出端的I₊、I_-、Q₊和Q_-连接混频器4的四个输入端，Q₊和Q_-连接预分频器5的二个输入端。

本实用新型是个集成的压控振荡器，主要应用于全球定位系统(GPS)射频前端锁相环频率综合器以及其它通信系统中。拉低反馈点电压，大大降低电路的功耗，保持良好的低相位噪声，有效减小输出本振信号的幅度误差。低相位噪声的射频压控振荡器(VCO)可提高通信系统的频带利用率、增加数据传输系统的数据传输速率。双LC谐振回路中片上PN结可变电容的电容值随外加电压的改变而变化，用PN结可变电容作压控器件，改变其控制电压就可实现VCO振荡频率的调节，满足无线收发器高性能的要求。

Claims

1.一种基于电容补偿的低幅度误差低相噪射频压控振荡器，包括一个双LC谐振回路的压控振荡器，其特征在于还包括一组缓冲器(2)和一组补偿电容(3)，所述的双LC谐振回路的压控振荡器是一个压控振荡器核(1)；

压控振荡器核(1)是一对改进型串行正交压控振荡器结构电路，一路串行正交压控振荡器由LC谐振回路(11)、开关管M1和M2、耦合管M5和M6以及一个恒流源组成，反馈点在耦合管M5和M6的源极，另一路串行正交压控振荡器由LC谐振回路(12)、开关管M3和M4、耦合管M7和M8以及一个恒流源组成，反馈点在耦合管M7和M8的源极；每个改进型串行正交压控振荡器的两路耦合管和开关管为串联电路，两个耦合管的漏极分别与LC谐振回路的两LC接点相连，两个开关管的源极相连，两个开关管的栅极分别交叉与两个耦合管的源极相连，两个耦合管的栅极和漏极Q₊、Q_-、I₊、I_-作为压控振荡器的四个输出端；双LC谐振回路的电源端连接直流电源VDD，另一公共端连接控制电压Vcont。

2.根据权利要求1所述的基于电容补偿的低幅度误差低相噪射频压控振荡器，其特征在于所述的压控振荡器核(1)每路串行正交压控振荡器的四个输出端I₊、I_-、Q₊和Q_-分别连接一个缓冲器(2)的输入端，四个缓冲器(2)的输出端中的三个输出端I₊、I_-、Q₊分别连接电容器C1、C2和C3的正极，C1、C2和C3为补偿电容(3)，C1、C2和C3的负极接地。

3.根据权利要求1或2所述的基于电容补偿的低幅度误差低相噪射频压控振荡器，其特征在于所述的压控振荡器核(1)的四个缓冲器(2)的输出端的驱动负载为混频器(4)和预分频器(5)，其四个输出端的I₊、I_-、Q₊和Q_-连接混频器的四个输入端，Q₊和Q_-连接预分频器的二个输入端。

4.根据权利要求1或2所述的基于电容补偿的低幅度误差低相噪射频压控振荡器，其特征在于所述的缓冲器(2)为单电源偏置缓冲器，由两个串联的MOS管和一个电容器构成，电容器的负极串接在两个MOS管的串联接点，即缓冲器的输出端，它将缓冲器的输入端与驱动负载隔离，调节两个MOS管的宽长比改变偏置点，使耗用电流降至最小。

5.根据权利要求1或2所述的基于电容补偿的低幅度误差低相噪射频压控振荡器，其特征在于所述的电容器C1、C2和C3为金属型幅度匹配补偿电容，电容器C1、C2和C3的取值范围在50fF～500fF。