CN202406087U - 一种高精度lc正交压控振荡器的装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种高精度LC正交压控振荡器的装置：由LC正交压控振荡器和RC压控移相器组成。本实用新型专利中，LC正交压控振荡器的耦合路径的一端接RC压控移相器的输入端，耦合路径的另一端接RC压控移相器的输出端。调节RC压控移相器的调谐电压，改变RC压控移相器的相位移量，调节耦合路径的总相移，提高LC正交压控振荡器输出信号的频率精度。

Description

一种高精度LC正交压控振荡器的装置

技术领域

本实用新型涉及一种振荡器的装置，尤其是涉及一种高精度LC正交压控振荡器的装置。 

背景技术

LC正交压控振荡器由于具有低相噪、低功耗，宽频率调谐范围的优点而应用于GPS接收芯片中，为接收系统提供正交的本振信号(f_l1＝1575.42MHz)。但是LC正交压控振荡器存在双峰振荡现象：LC正交压控振荡器的耦合路径上的相位移量θ(包括互连线上的分布式RC效应，MOS晶体的栅极电阻，晶体管的延迟效应，LC谐振回路的串联损耗）对振荡器的频率进行调制，使得输出信号的频率以LC谐振回路的谐振频率为中心发生正向偏移或负向偏移，振荡器的频率精度发生了衰减。 

实用新型内容

本实用新型主要是解决现有技术所存在的技术问题；提供了一种采用该电路来调整LC正交压控振荡器耦合路径的相位移量，提高输出信号的频率精度的一种高精度LC正交压控振荡器的装置。 

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： 

一种高精度LC正交压控振荡器的装置，其特征在于，包括一个LC正交压控振荡器以及四个RC压控移相器，所述RC压控移相器的输入端接LC正交压控振荡器的耦合路径的一端，RC压控移相器的输出端接LC正交 压控振荡器的耦合路径的另一端。 

在上述的一种高精度LC正交压控振荡器的装置，LC正交压控振荡器包括两个对称的第一LC压控振荡器和第二LC压控振荡器，以及两对耦合晶体管差分对(M_cs1，M_cs2；M_cs3，M_cs4)；所述耦合晶体管差分对M_cs1，耦合晶体管差分对M_cs2的漏极分别同所述第一LC压控振荡器的差分输出端QN，QP相连，所述耦合晶体管差分对M_cs1，耦合晶体管差分对M_cs2的栅极分别同所述第二LC压控振荡器的耦合路径端IN1，IP1相连，所述耦合晶体管差分对M_cs1，耦合晶体管差分对M_cs2的源极同电流源I_cs1相连；所述耦合晶体管差分对M_cs3，耦合晶体管差分对M_cs4的漏极分别同所述第二LC压控振荡器的差分输出端IP，IN相连，所述耦合晶体管差分对M_cs3，耦合晶体管差分对M_cs4的栅极分别同所述第一LC压控振荡器的耦合路径端QN1，QP1相连，所述耦合晶体管差分对M_cs3，耦合晶体管差分对M_cs4的源极同电流源I_cs2相连。 

在上述的一种高精度LC正交压控振荡器的装置，LC正交压控振荡器还包括一对串联连接的对称LC并联谐振回路，以及一对压控振荡器核晶体管差分对(M_sw1，M_sw2)和一对压控振荡器核晶体管差分对(M_sw3，M_sw4);所述压控振荡器核晶体管差分对M_sw1，压控振荡器核晶体管差分对M_sw2的漏极分别同第一LC压控振荡器的差分输出端QN，QP相连，所述压控振荡器核晶体管差分对M_sw1，压控振荡器核晶体管差分对M_sw2的栅极分别同第一LC压控振荡器的差分输出端QP，QN相连，所述压控振荡器核晶体管差分对M_sw1，压控振荡器核晶体管差分对M_sw2的源极同电流源I_sw1相连；所述压控振荡器核晶体管差分对M_sw3，压控振荡器核晶体管差分对M_sw4的漏极分别同第二LC压控振荡器的差分输出端IP，IN相连，所述压控振荡器核晶体管差分对M_sw3，压控振荡器核晶体管差分对M_sw4的栅极分别同第二LC 压控振荡器的差分输出端IN，IP相连，所述压控振荡器核晶体管差分对M_sw3，压控振荡器核晶体管差分对M_sw4的源极同电流源I_sw2相连。 

在上述的一种高精度LC正交压控振荡器的装置，RC压控移相器包括一个NMOS晶体管M₁，以及一端分别接NMOS晶体管M₁漏极的隔直电容C_d1和接NMOS晶体管M₁源极的隔直电容C_d2，所述隔直电容C_d1另一端通过一反型MOS管电容串联对接隔直电容C_d3，所述反型MOS管电容串联对包括反型MOS管电容C₁和反型MOS管电容C₂；所述反型MOS管电容C₁和反型MOS管电容C₂上分别并联有一稳压电阻R₃和稳压电阻R₄；所述隔直电容C_d2另一端通过电阻R₅接在隔直电容C_d3上，所述反型MOS管电容C₁和反型MOS管电容C₂之间还接有一稳压电阻R₆，该RC压控移相器还包括一个串接在NMOS晶体管M₁的漏极和源极上用于调节NMOS晶体管M₁的漏极，源极的端电压的电阻R₁和电阻R₂。 

因此，本实用新型具有如下优点：1.设计合理，结构简单且完全实用；2.采用该电路来调整LC正交压控振荡器耦合路径的相位移量，提高输出信号的频率精度。 

附图说明

图1是本实用新型中的LC正交压控振荡器的电路原理图； 

图2是本实用新型中的RC压控移相器的电路原理图； 

图3是本实用新型中的RC压控移相器的交流小信号等效电路； 

图4是本实用新型中的RC压控移相器的相频特性； 

图5是本实用新型中的RC压控移相器在LC正交压控振荡器中的使用状态示意图； 

图6a是本实用新型中的RC压控移相器调谐LC正交压控振荡器的振 荡频率的仿真结果中当耦合路径的相移θ于第四象限范围内变化时，LC正交压控振荡器输出频率的变化范围及输出信号的振幅变化范围； 

图6b是本实用新型中的RC压控移相器调谐LC正交压控振荡器的振荡频率的仿真结果中以r_l＝4（振荡频率f＝1604.18MHz，振幅392.5mV）为例，说明RC压控移相器调谐LC正交压控振荡器的输出频率。 

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： 

下面结合附图及实施例，对本实用新型作进一步详细的描述。 

参见图1，本实用新型中的LC正交压控振荡器包括两个对称的第一LC压控振荡器、2（图1虚线框内部分），以及两对耦合晶体管差分对(M_cs1，M_cs2；M_cs3，M_cs4)。所述LC压控振荡器部分主要包括一对串联连接的对称LC并联谐振回路，以及一对压控振荡器核晶体管差分对(M_sw1，M_sw2)和一对压控振荡器核晶体管差分对(M_sw3，M_sw4)。所述第一LC压控振荡器和2通过两对耦合晶体管差分对(M_cs1，M_cs2；M_cs3，M_cs4)完成正交耦合作用，构成LC正交压控振荡器。其中V_DC表示直流电压源，V_tune是一个调谐电压，改变调谐电压V_tune的大小，可改变电容C的容值。I_sw1和I_sw2分别表示流入VCO核晶体管差分对M_sw1，M_sw2和M_sw3，M_sw4的电流，I_cs1和I_cs2分别表示流入耦合晶体管差分对M_cs1，M_cs2和M_cs3，M_cs4的电流。θ表示LC正交压控振荡器四条耦合路径(IP→IP1,IN→IN1,QP→QP1,QN→QN1)上的相位移量。 

图2是本实用新型提出的RC压控移相器，RC压控移相器包括一个 NMOS晶体管M₁，以及一端分别接NMOS晶体管M₁漏极的隔直电容C_d1和接NMOS晶体管M₁源极的隔直电容C_d2，所述隔直电容C_d1另一端通过一反型MOS管电容串联对接隔直电容C_d3，所述反型MOS管电容串联对包括反型MOS管电容C₁和反型MOS管电容C₂；所述反型MOS管电容C₁和反型MOS管电容C₂上分别并联有一稳压电阻R₃和稳压电阻R₄；所述隔直电容C_d2另一端通过电阻R₅接在隔直电容C_d3上，所述反型MOS管电容C₁和反型MOS管电容C₂之间还接有一稳压电阻R₆，该RC压控移相器还包括一个串接在NMOS晶体管M₁的漏极和源极上用于调节NMOS晶体管M₁的漏极，源极的端电压的电阻R₁和电阻R₂。 

RC压控移相器采用NMOS晶体管(M₁)分相，采用反型MOS管电容串联对(C₁，C₂)作为可调电容，和分相NMOS晶体管源极引出的电阻(R₅)组成RC压控移相器。其中电阻R₁，R₂用于调节NMOS晶体管M₁的漏极，源极的端电压。C_d1，C_d2，C_d3表示隔直电容。R₃，R₄，R₆表示稳压电阻。V_bias表示可调电容正端的正偏置电压，V_ctrl表示可调电容负端的控制电压。 

对于分相NMOS晶体管(M₁)的漏极容抗臂：对于高频交流信号，由于R₃，R₄和R₆比变容管(C₁，C₂)的容抗和内阻大得多，故不考虑其影响。隔直电容(C_d1)比变容管电容(C₁，C₂)大得多，容抗很小，可以忽略不计。假定变容管串联对的等效容值和等效阻值分别为C_v，R_s。对于分相NMOS晶体管(M₁)的源极电阻臂，假定电阻R₅的等效阻值为R，1/(JωC_d2)<<R。C_d2对交流的影响可以忽略。由此，RC压控移相器的等效电路如图3所示，其中R_out表示RC压控移相器的等效输出电阻。对于RC压控移相器，可以认为电容C_v的等效内阻R_s＝0，R_out→∞，则RC压控移相器的传输函数可以表示为： 

$H\left(\mathrm{j\&omega;}\right)=\frac{1-\mathrm{j\&omega;}{C}_{v}R}{1+\mathrm{j\&omega;}{C}_{v}R}---\left(1\right)$

由公式(1)可见RC压控移相器的最大移相范围可达到-180°。对RC压 控移相器作交流分析，在输入端加一个频率为1575.42MHz的高频交流电压信号，设定可调电容的正端正偏置电压V_bias=1.8V，调整电阻R₁，R₂的阻值，确保分相NMOS晶体管(M₁)的漏、源两级的端电压大小相等，方向相反，得到可调电容负端控制电压V_ctrl在0V→1.8V变化范围内的RC压控移相器的移相范围，调整电阻R₅的阻值，保证移相范围达到最大值。由图4可见，RC压控移相器在频率1575.42MHz时的移相范围近似等于-180°。 

本实用新型由四个相同的移相范围近似为-180°的RC压控移相器组成（参见图5），它们分置于LC正交压控振荡器的四条耦合路径上(IP→IP1,IN→IN1,QP→QP1,QN→QN1)，改变RC压控移相器的控制电压V_ctrl，调节RC压控移相器的相移，当LC正交压控振荡器的耦合路径的总相移近似为±90°时，输出信号的频率f近似为LC谐振回路的谐振频率f_o。 

下面举例说明RC压控移相器调谐LC正交压控振荡器的振荡频率f，其中LC正交压控振荡器电路工作参数为：V_DC＝1.8V，L＝3nH，C＝3401.9fF，f_o＝1575.42MHz，I_sw1＝I_sw2＝3mA，I_cs1＝I_cs2＝3mA。LC谐振回路采用理想电容，则电容C的串联损耗r_c＝0，LC谐振回路的串联损耗近似为电感L的串联损耗r_l。由电感串联损耗r_l引起的耦合路径的相移θ∈(-90°,0°)，LC正交压控振荡器的输出频率关于f_o发生正向偏移。图6(a)提供了r_l＝3→10时,振荡频率的变化范围：1587.86MHz→1655.78MHz，振幅的变化范围：496.315mV→174.994mV。以r_l＝4（振荡频率f＝1604.18MHz，振幅392.5mV）为例，说明RC压控移相器调谐LC正交压控振荡器的输出频率：由图6(b)可见，当RC压控移相器的控制电压V_ctrl＝1.29V时，LC正交压控振荡器的振幅等于524.8mV，耦合路径相位偏移-20.5°，耦合路径总相移近似等于-90°，振荡频率f＝1574.94MHz，振荡频率相对于f_o而言，频率精度达到了 10^-4数量级。 

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本实用新型精神作举例说明。本实用新型所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本实用新型的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。 

Claims (4)

1.一种高精度LC正交压控振荡器的装置，其特征在于，包括一个LC正交压控振荡器以及四个RC压控移相器，所述RC压控移相器的输入端接LC正交压控振荡器的耦合路径的一端，RC压控移相器的输出端接LC正交压控振荡器的耦合路径的另一端。

2.根据权利要求1所述的一种高精度LC正交压控振荡器的装置，其特征在于，LC正交压控振荡器包括两个对称的第一LC压控振荡器和第二LC压控振荡器，以及两对耦合晶体管差分对M_cs1，M_cs2；M_cs3，M_cs4；所述耦合晶体管差分对M_cs1，耦合晶体管差分对M_cs2的漏极分别同所述第一LC压控振荡器的差分输出端QN，QP相连，所述耦合晶体管差分对M_cs1，耦合晶体管差分对M_cs2的栅极分别同所述第二LC压控振荡器的耦合路径端IN1，IP1相连，所述耦合晶体管差分对M_cs1，耦合晶体管差分对M_cs2的源极同电流源I_cs1相连；所述耦合晶体管差分对M_cs3，耦合晶体管差分对M_cs4的漏极分别同所述第二LC压控振荡器的差分输出端IP，IN相连，所述耦合晶体管差分对M_cs3，耦合晶体管差分对M_cs4的栅极分别同所述第一LC压控振荡器的耦合路径端QN1，QP1相连，所述耦合晶体管差分对M_cs3，耦合晶体管差分对M_cs4的源极同电流源I_cs2相连。

3.根据权利要求1或2所述的一种高精度LC正交压控振荡器的装置，其特征在于，LC正交压控振荡器还包括一对串联连接的对称LC并联谐振回路，以及一对压控振荡器核晶体管差分对M_sw1，M_sw2和一对压控振荡器核晶体管差分对M_sw3，M_sw4;所述压控振荡器核晶体管差分对M_sw1，压控振荡器核晶体管差分对M_sw2的漏极分别同第一LC压控振荡器的差分输出端 QN，QP相连，所述压控振荡器核晶体管差分对M_sw1，压控振荡器核晶体管差分对M_sw2的栅极分别同第一LC压控振荡器的差分输出端QP，QN相连，所述压控振荡器核晶体管差分对M_sw1，压控振荡器核晶体管差分对M_sw2的源极同电流源I_sw1相连；所述压控振荡器核晶体管差分对M_sw3，压控振荡器核晶体管差分对M_sw4的漏极分别同第二LC压控振荡器的差分输出端IP，IN相连，所述压控振荡器核晶体管差分对M_sw3，压控振荡器核晶体管差分对M_sw4的栅极分别同第二LC压控振荡器的差分输出端IN，IP相连，所述压控振荡器核晶体管差分对M_sw3，压控振荡器核晶体管差分对M_sw4的源极同电流源I_sw2相连。

4.根据权利要求1所述的一种高精度LC正交压控振荡器的装置，其特征在于，RC压控移相器包括一个NMOS晶体管M₁，以及一端分别接NMOS晶体管M₁漏极的隔直电容C_d1和接NMOS晶体管M₁源极的隔直电容C_d2，所述隔直电容C_d1另一端通过一反型MOS管电容串联对接隔直电容C_d3，所述反型MOS管电容串联对包括反型MOS管电容C₁和反型MOS管电容C₂；所述反型MOS管电容C₁和反型MOS管电容C₂上分别并联有一稳压电阻R₃和稳压电阻R₄；所述隔直电容C_d2另一端通过电阻R₅接在隔直电容C_d3上，所述反型MOS管电容C₁和反型MOS管电容C₂之间还接有一稳压电阻R₆，该RC压控移相器还包括一个串接在NMOS晶体管M₁的漏极和源极上用于调节NMOS晶体管M₁的漏极，源极的端电压的电阻R₁和电阻R₂。 

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