CN116886046A - 一种压控振荡电路 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种压控振荡电路。压控振荡电路包括LC谐振腔和负阻网络，负阻网络包括对称设置的第一晶体管和第二晶体管，LC谐振腔包括多级串联的谐振单元，每一谐振单元包括第一电感、第一变容二极管、第二电容二极管和第二电感，LC谐振腔的两端分别作为LC谐振腔的第一谐振接入端和第二谐振接入端，第一谐振接入端连接至第一晶体管的基极或栅极，第二谐振接入端连接至第二晶体管的基极或栅极。解决了压控振荡器中频率调节范围小以及低相位噪声性能实现较为困难的问题，获得更优得相位噪声性能的同时输出了多种分频信号。

Description

一种压控振荡电路

技术领域

本发明涉及芯片设计领域，尤其涉及一种压控振荡电路。

背景技术

压控振荡器的低相位噪声是许多发射和接受系统的必要条件，发射本振或接收本振的相位噪声对相邻信道抑制以及发射信号纯度起到关键作用。当接收调频（FM）或者调相（PM）时，本振相位噪声将限制最终信噪比（SNR）。因此，压控振荡器的低相位噪声设计是业界一直追求并致力于实现的设计目标之一。

压控振荡器的性能受限于电路的Q值。负阻压控振荡器可以实现较高的Q值，是目前应用最广泛的压控振荡器电路结构。在实际应用中，晶体管工作时不可避免的会产生的热噪声、闪烁噪声、散粒噪声等，从而在压控振荡电路中产生相位噪声，同时，电路中的负载、谐振腔、偏置网络有耗元件会恶化相位噪声，压控振荡器低相位噪声性能很难实现。

谐振腔的品质因数是影响相位噪声的主要因素，谐振腔的品质因数与变容二极管的品质因数强相关，在LC谐振腔中一般采用变容二极管来增加频率控制功能，从而改变谐振电路的振荡频率，频率的调节范围是由变电容二极管的电容变化范围决定的，为实现特定的频率和调谐范围，本领域技术人员通常会使用到小尺寸的变容二极管，然而小尺寸的变容管会降低谐振腔的品质因数，使得相位噪声变低。

为了解决负阻压控振荡器中存在的低相位噪声以及频率调节范围较难实现的问题，本发明提出了一种压控振荡电路。

发明内容

以下给出一个或多个方面的简要概述以提供对这些方面的基本理解。此概述不是所有构想到的方面的详尽综览，并且既非旨在指认出所有方面的关键性或决定性要素亦非试图界定任何或所有方面的范围。其唯一的目的是要以简化形式给出一个或多个方面的一些概念以为稍后给出的更加详细的描述之序。

为了克服上述缺陷，本发明旨在提供一种压控振荡电路，能够提供多种可优化的分频信号输出和低相位噪声。

根据本发明的一方面，提供了一种压控振荡电路，包括LC谐振腔和负阻网络，负阻网络包括对称设置的第一晶体管和第二晶体管，LC谐振腔包括多级串联的谐振单元，每一谐振单元包括第一电感、第一变容二极管、第二电容二极管和第二电感，第一电感的第一端与第一变容二极管的阳极连接，第一变容二极管的阴极与第二变容二极管的阴极连接以构成一组背靠背变容单元，第二变容二极管的阳极与第二电感的第一端连接，LC谐振腔的两端分别作为LC谐振腔的第一谐振接入端和第二谐振接入端，第一谐振接入端连接至第一晶体管的基极或栅极，第二谐振接入端连接至第二晶体管的基极或栅极。

在一实施例中，LC谐振腔为对称结构。

在一实施例中，LC谐振腔中设置有若干个对称的耦合结构。

在一实施例中，多级串联的谐振单元为两级谐振单元，LC谐振腔的两端分别构成二分之一次基频信号的提取点。

在一实施例中，多级串联的谐振单元为三级谐振单元，LC谐振腔的任意一组对称点分别构成二分之一次基频信号的提取点，对称点不包括变容二极管的调谐端。

在一实施例中，压控振荡电路还包括分频单元，分频单元提取二分之一次基频信号以生成四分之一次基频信号。

较优的，设置于串联的任意两级谐振单元中的两组变容单元之间的第一电感和第二电感为同一电感。

较优的，多级谐振单元共用一个调谐电源。

在一实施例中，压控振荡电路还包括第一反馈单元和第二反馈单元，第一反馈单元设置于第一晶体管的漏极与栅极之间，第二反馈单元设置于第二晶体管的漏极与栅极之间，反馈单元由有源晶体管构成。

在一实施例中，第一反馈单元包括第一有源晶体管，第一有源晶体管的发射集或源极通过电阻接地，基极或栅极通过电感连接第一晶体管的基极或栅极，集电极或漏极连接供电端，第一有源晶体管的集电极与基极连接或漏极与栅极连接，第二反馈单元包括第二有源晶体管，第二有源晶体管的发射集或源极通过电阻接地，基极或栅极通过电感连接第二晶体管的基极或栅极，集电极或漏极连接供电端，第二有源晶体管的集电极与基极连接或漏极与栅极连接。

在一实施例中，压控振荡电路还包括第一电容和第二电容，第一电容设置于第一晶体管的基极或栅极与LC谐振腔的第一谐振接入端之间，第二电容设置于第二晶体管的基极或栅极与LC谐振腔的第二谐振接入端之间。

在一实施例中，负阻网络还包括第三电容、第四电容、第五电容和第六电容，第三电容设置于第一晶体管的基极与发射集之间或栅极与源极之间，第四电容设置于第二晶体管的基极与发射集之间或栅极与源极之间，第五电容和第六电容串联于第一晶体管的源极或发射极与第二晶体管的源极或发射极之间。

在一实施例中，负阻网络还包括第三电感、第四电感、第一电阻和第二电阻，第一晶体管的发射集或源极通过串联的第三电感和第一电阻接地，第二晶体管的发射集或源极通过串联的第四电感和第二电阻接地。

本发明提供的压控振荡电路通过在对称的两个晶体管的基极设置多级串联谐振单元的LC谐振腔，利用LC谐振腔的传输响应过滤噪声频谱，优化基频信号的噪声性能，提升压控振荡电路的相位噪声性能。

附图说明

在结合以下附图阅读本公开的实施例的详细描述之后，更能够更好地理解本发明的上述特征和优点。

图1为根据现有技术绘示的负阻压控振荡器的电路示意图；

图2为根据本发明的一个方面绘示的一实施例中的压控振荡电路的电路示意图；

图3为根据本发明的一个方面绘示的一实施例中的LC谐振腔的电路结构示意图；

图4为根据本发明的一个方面绘示的另一实施例中的LC谐振腔的电路结构示意图；

图5为根据本发明的一个方面绘示的另一实施例中的LC谐振腔的电路结构示意图；

图6为根据本发明的一个方面绘示的另一实施例中的LC谐振腔的电路结构示意图；

图7为根据本发明的一个方面绘示的另一实施例中的LC谐振腔的电路结构示意图；

图8为根据本发明的一个方面绘示的另一实施例中的LC谐振腔的电路结构示意图；

图9为根据本发明的一个方面绘示的另一实施例中的压控振荡电路的电路结构示意图；

图10为根据本发明的一个方面绘示的另一实施例中的压控振荡电路的电路结构示意图。

具体实施方式

给出以下描述以使得本领域技术人员能够实施和使用本发明并将其结合到具体应用背景中。各种变型、以及在不同应用中的各种使用对于本领域技术人员将是容易显见的，并且本文定义的一般性原理可适用于较宽范围的实施例。由此，本发明并不限于本文中给出的实施例，而是应被授予与本文中公开的原理和新颖性特征相一致的最广义的范围。

在以下详细描述中，阐述了许多特定细节以提供对本发明的更透彻理解。然而，对于本领域技术人员显而易见的是，本发明的实践可不必局限于这些具体细节。换言之，公知的结构和器件以框图形式示出而没有详细显示，以避免模糊本发明。

除非另有直接说明，否则本说明书(包含任何所附权利要求、摘要和附图)中所揭示的所有特征皆可由用于达到相同、等效或类似目的的可替代特征来替换。因此，除非另有明确说明，否则所公开的每一个特征仅是一组等效或类似特征的一个示例。

注意，在使用到的情况下，标志左、右、前、后、顶、底、正、反、顺时针和逆时针仅仅是出于方便的目的所使用的，而并不暗示任何具体的固定方向。事实上，它们被用于反映对象的各个部分之间的相对位置和/或方向。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语 “相连”、“连接”、“跨接”应做广义理解，例如，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

注意，在使用到的情况下，进一步地、较优地、更进一步地和更优地是在前述实施例基础上进行另一实施例阐述的简单起头，该进一步地、较优地、更进一步地或更优地后带的内容与前述实施例的结合作为另一实施例的完整构成。在同一实施例后带的若干个进一步地、较优地、更进一步地或更优地设置之间可任意组合的组成又一实施例。

以下结合附图和具体实施例对本发明作详细描述。注意，以下结合附图和具体实施例描述的诸方面仅是示例性的，而不应被理解为对本发明的保护范围进行任何限制。

图1为根据现有技术绘示的负阻压控振荡器的电路示意图。如图1所示，负阻压控振荡器包括LC谐振腔和负阻晶体管AT，LC谐振腔由一个电感L和变容二极管C_VAR构成，通过调谐电压控制变容二极管C_VAR的电容值可改变输出信号的振荡频率。其中，负阻晶体管AT抵消谐振回路中寄生电阻R所带来的损耗，从而维持信号振荡。

压控振荡器包括LC谐振腔和负阻网络，LC谐振腔为将基频信号转换为具有不同分频比的交流振荡信号的回路，其输出信号的频率、幅度和波形仅由电路本身的参数决定。常规的LC谐振腔由一个串联或并联的谐振电感和变容二极管构成，负阻网络用于补偿LC谐振腔的阻抗。

根据本发明的一个方面，提供一种压控振荡电路，用于解决频率调节范围以及低相位噪声性能实现较为困难的问题，提供较低的相位噪声，输出多种频率信号。

图2示出了基于本发明的发明构思的一实施例中的压控振荡电路的电路示意图，如图2所示，在该实施例中，压控振荡电路包括LC谐振腔A和负阻网络B。LC谐振腔A包括多级串联的谐振单元A1~AN，N为大于或者等于1的自然数，每一谐振单元包括两个电感和两个变容二极管。LC谐振腔为对称结构。负阻网络B包括对称设置的两个晶体管。

谐振单元A1包括电感L11、变容二极管Cv11、变容二极管Cv12和电感L12，电感的L11一端与变容二极管Cv11的阳极连接，变容二极管Cv11的阴极与变容二极管Cv12的阴极连接以构成一组背靠背变容单元，变容二极管Cv12的阳极与电感L12连接。谐振单元AN包括电感LN1、变容二极管CvN1、变容二极管CvN2和电感LN2，电感的LN1一端与变容二极管CvN1的阳极连接，变容二极管CvN1的阴极与变容二极管CvN2的阴极连接以构成一组背靠背变容单元，变容二极管CvN2的阳极与电感LN2连接。

负阻网络B中两个对称设置的三极管的基极连接LC谐振腔A，并输出基频信号，基频信号通过LC谐振腔A可改变基频信号的振荡频率。

图3示出了一实施例中LC谐振腔的电路示意图，如图3所示，在该实施例中，LC谐振腔为谐振单元A1串联谐振单元A2，谐振单元A1包括电感L11、变容二极管Cv11、电容二极管Cv12、电感L12，电感L11与变容二极管Cv11的阳极连接，变容二极管Cv11的阴极与变容二极管Cv12的阴极连接以构成一组背靠背变容单元，变容二极管Cv12的阳极与电感L12的一端连接，变容二极管Cv11的阴极与变容二极管Cv12的阴极通过可调谐电源提供可调谐电源。

谐振单元A2包括电感L21、变容二极管Cv21、电容二极管Cv22和电感L22，电感L21与变容二极管Cv21的阳极连接，变容二极管Cv21的阴极与变容二极管Cv22的阴极连接以构成一组背靠背变容单元，变容二极管Cv21的阴极与变容二极管Cv22的阴极通过可调谐电源提供可调谐电源，变容二极管Cv22的阳极与电感L22连接。

谐振单元A1中的电感L12与谐振单元A2中的电感L21连接。

具体的，基频信号从谐振单元A1中的电感L11和谐振单元A2中的电感L22输入，电感L11的输入端和电感L22的输入端之间的相位差为180度，分别构成二分之一次基频信号的提取点，二分之一次基频信号从电感L11的另一端和电感L22的另一端分别输出。

可选择的，电感L12和电感L21可以设置为同一电感。

图4示出了另一具体实施例中LC谐振腔电路的示意图，如图4所示，LC谐振腔为依次串联的谐振单元A1、谐振单元A2和谐振单元A3，谐振单元A1与谐振单元A2共用同一串联电感L2，谐振单元A2和谐振单元A3共用同一串联电感L3，基频信号从电感L1和电感L4的一端输入，电感L1与变容二极管Cv1的阳极连接，变容二极管Cv1的阴极与变容二极管Cv2的阴极连接，变容二极管Cv2的阳极连接电感L2的一端，电感L2的另一端与变容二极管Cv3的阳极连接，变容二极管Cv3的阴极与变容二极管Cv4的阴极连接，变容二极管Cv4的阳极连接电感L3的一端，电感L3的另一端与变容二极管Cv5的阳极连接，变容二极管Cv5的阴极与第六变容二极管Cv6的阴极连接，第六变容二极管Cv6的阳极连接电感L4。

变容二极管Cv2和电感L2之间的中间点与电感L3和变容二极管Cv5之间的中间点的相位差为180度，构成LC谐振腔中的对称点，分别输出二分之一次基频信号。

可以理解，LC谐振腔中的任意一组相位差为180度的对称点分别构成二分之一次基频信号的提取点，对称点不包括变容二极管的调谐端。

LC谐振腔中还可以设置有若干个对称的耦合结构，以减小电路面积，扩大LC谐振腔中频率的调谐范围。

图5示出了另一实施例中的LC谐振腔的电路示意图。该实施例相对于图4所示的实施例的区别在于，LC谐振腔中设置有一个对称的耦合结构，电感L1和电感L4耦合。

图6示出了另一实施例中的LC谐振腔的电路示意图。该实施例相对于图4所示的实施例的区别在于，LC谐振腔中设置有两个对称的耦合结构，电感L1和电感L2耦合，电感L3和电感L4耦合。

可以理解，耦合结构可以设置在任一谐振单元中，也可以设置在两个不同的谐振单元之间，或者在任一谐振单元中和两个不同的谐振单元之间都设置有耦合结构。

更进一步地，LC谐振腔中的耦合结构可以有多种实现方式，对称的耦合结构可以为对称的两电感之间互相耦合，也可以是对称的两个位置上分别设置一组或多组耦合电感对。

需要强调，LC谐振腔中的耦合结构需要完全对称地设置，可以根据需求设置一个或多个耦合结构，从而在调谐电容不变的情况下，改变LC谐振腔的谐振频率，拓宽LC谐振腔中频率的调谐范围，且不影响LC谐振腔输出信号的对称性。

本领域的技术人员可以理解，在LC谐振腔的其他实施例中均可以设置耦合结构，以拓宽LC谐振腔中频率的调谐范围。例如，图3所示的LC谐振腔电路中的电感L11和电感L12也可以互相耦合。

图7示出了另一具体实施例中LC谐振腔电路的示意图，相对于图4所示的实施例，图7所示的实施例中，LC谐振腔还包括分频单元，分频单元的两端连接二分之一次基频信号的提取点，输出四分之一次基频信号。

图8示出了另一具体实施例中LC谐振腔电路的示意图，相对于图7所示的实施例，图8所示的实施例中，LC谐振腔还包括扼流电感和接地电感，变容二极管Cv1的阴极与变容二极管Cv2阴极之间通过扼流电感L5连接调谐电源，变容二极管Cv3的阴极与变容二极管Cv4的阴极之间通过扼流电感L6连接调谐电源，变容二极管Cv5的阴极与第六变容二极管Cv6的阴极之间通过扼流电感L7连接调谐电源。

电感L1与变容二极管Cv1之间通过接地电感L8接地，变容二极管Cv2与电感L2之间通过接地电感L9接地，电感L3与变容二极管Cv5之间通过接地电感L10接地，变容二极管Cv6与电感L4之间通过接地电感L10接地。

其中，接地电感可以为变容二极管提供地电位。

可以理解，上述变容二极管共用同一调谐电源。

可选择的，多个变容二极管的供电端可以为相同的调谐电源，也可以为不同的调谐电源。

LC谐振腔通过设置多级谐振单元，基于同样的调谐范围下，可以选取更大尺寸的变容管或者选取更小的电感，有助于谐振腔Q值的优化，以获得更优得相位噪声性能，同时压控振荡电路的二分之一次基频信号通过LC谐振腔输出，利用谐振腔的传输响应过滤噪声频谱，进一步优化基频信号和二分之一次基频信号的噪声性能。

需要说明的是，在上述实施例中，多级谐振单元完全对称，即多级谐振单元中相对应的器件参数或尺寸相同。

图9示出了另一具体实施例中压控振荡电路的示意图，相对于图2所示的实施例，图9所示的实施例中，LC谐振腔采用三段式分频谐振腔，负阻网络包括三级管T1和三级管T2、电容C3和电容C4以及电容C7和电容C8，三极管T1和三极管T2的基极与LC谐振腔连接，集电极与供电端连接，电容C3跨接于三极管T1的基极与发射极之间，电容C4跨接于三极管T2的基极与发射极之间，三极管T1的发射极、电容C7、电容C8和三极管T2的发射极依次连接，并在电容C7和电容C8之间的共模点输出基频信号。

其中，通过调节电容C1和电容C2可以调整LC谐振腔与负阻网络的耦合程度。

三极管T1的基极与集电极之间连接反馈偏置电路，反馈偏置电路包括三级管T3，三极管T1的基极通过第十二电感L12连接三级管T3的基极，三级管T3的集电极通过电阻R2接地，发射集通过电阻R1的一端连接三极管T1的集电极，电阻R1的另一端通过电容C5接地。

对称的，三极管T2的基极与集电极之间连接反馈偏置电路，反馈偏置电路包括三级管T4，三极管T2的基极通过第十三电感L13连接三级管T4的基极，三级管T4的集电极通过电阻R4接地，发射集通过电阻R3的一端连接三极管T2的集电极，电阻R3的另一端通过电容C6接地。

反馈偏置电路通过三级管T3和T4的反馈，抑制受外界扰动影响电源噪声带来的抖动，以优化电路整体相位噪声性能。

同时压控振荡电路的分频信号通过谐振腔输出至负载，利用谐振腔的传输响应过滤噪声频谱，进一步优化基频信号的噪声性能。

进一步的，负阻网络中对称设置的两个晶体管的类型相同，例如，可以是三极管或场效应管。

图10示出了另一具体实施例中压控振荡电路的示意图，相对于图9所示的实施例，图10所示的实施例中，负阻网络中对称设置的两个晶体管为场效应管，第一场效应管M1的源极通过串联的电感L14和电阻R5接地，第二场效应管M2的源极通过串联的电感L15和电阻R6接地，且第一场效应管M1和第二场效应管M2的漏极共用一个电源。

需要说明的是，在上述实施例中，左右对称的反馈偏置电路中有源晶体管的类型相同。例如，可以是三级管或场效应晶体管。

本发明提供的压控振荡电路通过将LC谐振腔设置在对称设置的两个晶体管的基极，利用晶体管基极较小的信号幅度限制谐振腔中变容二极管的信号摆动，以减小其产生的热效应，降低变容二极管带来的噪声，提升压控振荡电路的相位噪声性能。同时多级级联的谐振单元优化了谐振腔的Q值，获得更优得相位噪声性能的同时输出了多种分频信号。

提供之前的描述是为了使本领域中的任何技术人员均能够实践本文中所描述的各种方面。但是应该理解，本发明的保护范围应当以所附权利要求书为准，而不应被限定于以上所解说实施例的具体结构和组件。本领域技术人员在本发明的精神和范围内，可以对各实施例进行各种变动和修改，这些变动和修改也落在本发明的保护范围之内。

Claims (13)

1.一种压控振荡电路，其特征在于，包括LC谐振腔和负阻网络，所述负阻网络包括对称设置的第一晶体管和第二晶体管，所述LC谐振腔包括多级串联的谐振单元，每一谐振单元包括第一电感、第一变容二极管、第二变容二极管和第二电感，所述第一电感的第一端与第一变容二极管的阳极连接，所述第一变容二极管的阴极与所述第二变容二极管的阴极连接以构成一组背靠背变容单元，所述第二变容二极管的阳极与所述第二电感的第一端连接，所述LC谐振腔的两端分别作为所述LC谐振腔的第一谐振接入端和第二谐振接入端，所述第一谐振接入端连接至所述第一晶体管的基极或栅极，所述第二谐振接入端连接至所述第二晶体管的基极或栅极。

2.如权利要求1所述的压控振荡电路，其特征在于，所述LC谐振腔为对称结构。

3.如权利要求2所述的压控振荡电路，其特征在于，所述LC谐振腔中设置有若干个对称的耦合结构。

4.如权利要求1所述的压控振荡电路，其特征在于，所述多级串联的谐振单元为两级谐振单元，所述LC谐振腔的两端分别构成二分之一次基频信号的提取点。

5.如权利要求1所述的压控振荡电路，其特征在于，所述多级串联的谐振单元为三级谐振单元，所述LC谐振腔的任意一组对称点分别构成二分之一次基频信号的提取点，所述对称点不包括变容二极管的调谐端。

6.如权利要求4或5所述的压控振荡电路，其特征在于，还包括分频单元，所述分频单元提取所述二分之一次基频信号以生成四分之一次基频信号。

7.如权利要求1~5中任一项所述的压控振荡电路，其特征在于，设置于串联的任意两级谐振单元中的两组变容单元之间的第一电感和第二电感为同一电感。

8.如权利要求1~5中任一项所述的压控振荡电路，其特征在于，多级谐振单元共用一个调谐电源。

9.如权利要求1所述的压控振荡电路，其特征在于，所述负阻网络还包括第一反馈单元和第二反馈单元，所述第一反馈单元设置于所述第一晶体管的集电极与基极之间或漏极与栅极之间，所述第二反馈单元设置于所述第二晶体管的集电极或漏极与基极或栅极之间，所述反馈单元由有源晶体管构成。

10.如权利要求9所述的压控振荡电路，其特征在于，所述第一反馈单元包括第一有源晶体管，所述第一有源晶体管的发射集或源极通过电阻接地，基极或栅极通过电感连接所述第一晶体管的基极或栅极，集电极或漏极连接供电端，所述第一有源晶体管的集电极与基极连接或漏极与栅极连接；

所述第二反馈单元包括第二有源晶体管，所述第二有源晶体管的发射集或源极通过电阻接地，基极或栅极通过电感连接所述第二晶体管的基极或栅极，集电极或漏极连接供电端，所述第二有源晶体管的集电极与基极连接或漏极与栅极连接。

11.如权利要求1所述的压控振荡电路，其特征在于，还包括第一电容和第二电容，所述第一电容设置于第一晶体管的基极或栅极与LC谐振腔的第一谐振接入端之间，所述第二电容设置于第二晶体管的基极或栅极与LC谐振腔的第二谐振接入端之间。

12.如权利要求1所述的压控振荡电路，其特征在于，所述负阻网络还包括第三电容、第四电容、第五电容和第六电容，所述第三电容设置于所述第一晶体管的基极与发射集之间或栅极与源极之间，所述第四电容设置于所述第二晶体管的基极与发射集之间或栅极与源极之间，所述第五电容和第六电容串联于所述第一晶体管的源极或发射极与所述第二晶体管的源极或发射极之间。

13.如权利要求1所述的压控振荡电路，其特征在于，所述负阻网络还包括第三电感、第四电感、第一电阻和第二电阻，所述第一晶体管的发射集或源极通过串联的第三电感和第一电阻接地，所述第二晶体管的发射集或源极通过串联的第四电感和第二电阻接地。