基於電容補償的低幅度誤差低相噪射頻壓控振蕩器的製作方法
2023-05-09 16:38:21 1
專利名稱：基於電容補償的低幅度誤差低相噪射頻壓控振蕩器的製作方法
技術領域：
本實用新型屬於電子技術領域，涉及一種射頻壓控振蕩器，尤其涉及一種 基於電容補償的低幅度誤差低相噪射頻壓控振蕩器。背條技術隨著無線通信技術的高速發展，對低成本、高性能、高集成度的無線收發 器的需求也越來越多，因此對無線收發系統的各個組成模塊提出了更高的要求。射頻壓控振蕩器(vco)是無線通信收發器中基於鎖相環頻率綜合器的核心模塊，其頻率調諧範圍、相位噪聲、線性度、增益、幅度誤差和相位誤差是重要 性能參數，對於便攜供電型設備它的功耗性能也是關鍵指標。目前已有技術的壓控振蕩器按電路結構可以分為環形壓控振蕩器和LC振蕩器兩種，環形壓控振 蕩器為多個差分延遲單元首尾相連組成的環路結構，相位噪聲性能劣於LC壓控 振蕩器。射頻LC壓控振蕩器都採用由兩個負跨導壓控振蕩器組成的正交耦合電 路結構，通過兩個負跨導壓控振蕩器的相互耦合，直接產生兩組正交信號。典 型的LC正交壓控振蕩器有串行和並行兩種電路形式，串行LC正交壓控振蕩器 電路原理圖如圖1所示，各臂的耦合管M5 M8分別與同臂的開關管M1 M4串 聯；並行LC正交壓控振蕩器電路原理圖如圖2所示，其各臂的耦合管M5 M8 分別與同臂的開關管M1 M4並聯。已有技術的串行LC正交壓控振蕩器電路結 構的反饋點電壓較高，振蕩器電路功耗較大，難以實現低功耗；而已有技術的 並行LC正交壓控振蕩器，由於諧振迴路Q值較低，難以獲得低相位噪聲。
發明內容本實用新型主要解決正交壓控振蕩器的經典結構不能同時具有低相位噪聲和低功耗性能，而且輸出的本振信號幅度誤差不夠小的技術問題；提供一種既 具有低相位噪聲性能又具有低功耗性能，同時輸出低幅度誤差本振信號的基於 電容補償的低幅度誤差低相噪射頻壓控振蕩器。本實用新型的上述技術問題主要是通過下述技術方案得以解決的本實用 新型包括一個雙LC諧振迴路的壓控振蕩器，還包括一組緩衝器和一組補償電容， 所述的雙LC諧振迴路的壓控振蕩器是一個壓控振蕩器核；壓控振蕩器核是一對 改進型串行正交壓控振蕩器結構電路，一路串行正交壓控振蕩器由LC諧振迴路、 開關管Ml和M2、耦合管M5和M6以及一個恆流源組成，反饋點在耦合管 M5和M6的源極，另一路串行正交壓控振蕩器由LC諧振迴路、開關管M3和 M4、耦合管M7和M8以及一個恆流源組成，反饋點在耦合管M7和M8的源 極；每個改進型串行正交壓控振蕩器的兩路耦合管和開關管為串聯電路，兩個 耦合管的漏極分別與LC諧振迴路的兩LC接點相連，兩個開關管的源極相連， 兩個開關管的柵極分別交叉與兩個耦合管的源極相連，兩個耦合管的柵極和漏 極Q+、 Q.、 I+、 I.作為壓控振蕩器的四個輸出端；雙LC諧振迴路的電源端連接 直流電源VDD，另一公共端連接控制電壓Vcorit。將原來經典串行正交壓控振 蕩器的開關管的交叉反饋點移到了耦合管的源極，從而拉低了反饋點電壓，大 大降低了電路的功耗，並能保持良好的低相位噪聲。作為優選,所述的壓控振蕩器核每路串行正交壓控振蕩器的四個輸出端1+ 、I.、 Q+和Q.分別連接一個緩衝器的輸入端，四個緩衝器的輸出端中的三個輸出端 1+ 、 I.、 Q+分別連接電容器C1、 C2和C3的正極，Cl、 C2和C3為補償電容， Cl、 C2和C3的負極接地。偶合管的柵極、源極分別與各自的緩衝器的輸入端
相連，四個緩衝器的輸出端作為壓控振蕩器的四個輸出端。壓控振蕩器輸出負 載變化會引起振蕩頻率的偏移和信號幅度的變化，稱之為負載效應。為了使輸 出信號獲得穩定的直流偏置，使用了一級偏置緩衝器。在實際應用中，由於壓控振蕩器後需要驅動的負載都已經確定(如在GPS射頻前端系統中的負載為一 個預分頻器和一個下變頻混頻器)，所以在本實用新型中預先考慮這些負載效應 引起的頻率偏差和幅度偏差，調整電感和電容的選值，使頻率調諧範圍和輸出 幅度都符合設計要求。這樣就節省了隔離緩衝器的功耗，使壓控振蕩器的總功 耗大大降低。壓控振蕩器在應用中通常需要驅動多個電路，並且要求壓控振蕩 器輸出的本振信號有良好的匹配性(小的幅度誤差和相位誤差)，而負載不匹配 會引起壓控振蕩器輸出幅度的不匹配。本實用新型通過在三個輸出端加上比較 精確的補償等效電容，消除負載不匹配因素，從而確保輸出低幅度誤差的本振 信號。電容補償法結構簡單並且有效。作為優選，所述的壓控振蕩器核的四個緩衝器的輸出端的驅動負載為混頻 器和預分頻器，其四個輸出端的1+ 、 I.、 Q+和Q.連接混頻器的四個輸入端，Q+ 和Q.連接預分頻器的二個輸入端。滿足GPS射頻前端系統的要求。作為優選，所述的緩衝器為單電源偏置緩衝器，由兩個串聯的MOS管和一 個電容器構成，電容器的負極串接在兩個MOS管的串聯接點，即緩衝器的輸出 端，它將緩衝器的輸入端與驅動負載隔離，調節兩個MOS管寬長比改變偏置點， 使耗用電流降至最小。作為優選，所述的電容器C1、 C2和C3為金屬型幅度匹配補償電容，電容 器Cl、 C2和C3的取值範圍在50fF 500fF。本實用新型的有益效果是通過上述電路的改進，本實用新型既具有低相 位噪聲性能又具有低功耗性能，同時輸出的本振信號幅度誤差小，非常適合應
用於全球定位系統(GPS)射頻前端鎖相環頻率綜合器中。
圖1是串行正交壓控振蕩器的典型電路圖。 圖2是並行正交壓控振蕩器的典型電路圖。 圖3是本實用新型的一種壓控振蕩器核的電路原理圖。 圖4是本實用新型的一種基於電容補償的低幅度誤差低相噪射頻壓控振蕩 器電路原理框圖。圖5是本實用新型的緩衝器的一種電路原理圖。圖中l一壓控振蕩器核，11、 12—LC諧振迴路，2—緩衝器，3—補償電容， 4一混頻器，5—預分頻器。
具體實施方式
下面通過實施例，並結合附圖，對本實用新型的技術方案作進一步具體的 說明。實施例1:本實施例的基於電容補償的低幅度誤差低相噪射頻壓控振蕩器，如圖3所示，包括一個雙LC諧振迴路的壓控振蕩器、 一組緩衝器2和一組補償 電容3，雙LC諧振迴路的壓控振蕩器是一個壓控振蕩器核1;壓控振蕩器核1 是一對改進型串行正交壓控振蕩器結構電路， 一路串行正交壓控振蕩器由LC諧 振迴路ll、開關管M1和M2、耦合管M5和M6以及一個恆流源組成，反饋點 在耦合管M5和M6的源極，另一路串行正交壓控振蕩器由LC諧振迴路12、開 關管M3和M4、耦合管M7和M8以及一個恆流源組成，反饋點在耦合管M7 和M8的源極;每個改進型串行正交壓控振蕩器的兩路耦合管和開關管為串聯電 路，兩個耦合管的漏極分別與LC諧振迴路的兩LC接點相連，兩個開關管的源
極相連，兩個開關管的柵極分別交叉與兩個耦合管的源極相連，兩個耦合管的柵極和漏極Q+、 Q.、 I+、 I.作為壓控振蕩器的四個輸出端；雙LC諧振迴路的電 源端連接直流電源VDD，另一公共端連接控制電壓Vcont。壓控振蕩器核l每 路串行正交壓控振蕩器的四個輸出端1+ 、 L、 Q+和Q.分別連接一個緩衝器2的 輸入端，四個緩衝器2的輸出端中的三個輸出端1+ 、1.、Q+分別連接電容器C1、 C2禾BC3的正極，Cl、 C2和C3為補償電容3， Cl、 C2和C3的負極接地。每 個緩衝器2為單電源偏置緩衝器，由兩個串聯的M0S管D1、 D2和一個電容器 C構成，電容器C的負極串接在兩個MOS管的串聯接點，即緩衝器的輸出端， 它將緩衝器的輸入端與驅動負載隔離，調節兩個MOS管Dl、 D2的寬長比改變 偏置點，使耗用電流降至最小。電容器C1、 C2和C3為金屬型幅度匹配補償電 容，作為優選電容器Cl、 C2和C3的取值分別為400ff、 305fF、 105fF。四個 緩衝器2的輸出端的驅動負載為混頻器4和預分頻器5，其四個輸出端的1+ 、 I.、 Q+和Q.連接混頻器4的四個輸入端，Q+和Q.連接預分頻器5的二個輸入端。 本實用新型是個集成的壓控振蕩器，主要應用於全球定位系統(GPS)射頻 前端鎖相環頻率綜合器以及其它通信系統中。拉低反饋點電壓，大大降低電路 的功耗，保持良好的低相位噪聲，有效減小輸出本振信號的幅度誤差。低相位 噪聲的射頻壓控振蕩器(VCO)可提高通信系統的頻帶利用率、增加數據傳輸 系統的數據傳輸速率。雙LC諧振迴路中片上PN結可變電容的電容值隨外加電 壓的改變而變化，用PN結可變電容作壓控器件，改變其控制電壓就可實現VCO 振蕩頻率的調節，滿足無線收發器高性能的要求。
權利要求1. 一種基於電容補償的低幅度誤差低相噪射頻壓控振蕩器，包括一個雙LC 諧振迴路的壓控振蕩器，其特徵在於還包括一組緩衝器(2)和一組補償電容(3 )， 所述的雙LC諧振迴路的壓控振蕩器是一個壓控振蕩器核(1);壓控振蕩器核(1)是一對改進型串行正交壓控振蕩器結構電路， 一路串行 正交壓控振蕩器由LC諧振迴路(11)、開關管M1和M2、耦合管M5和M6以 及一個恆流源組成，反饋點在耦合管M5和M6的源極，另一路串行正交壓控振 蕩器由LC諧振迴路(12)、開關管M3和M4、耦合管M7和M8以及一個恆流 源組成，反饋點在耦合管M7和M8的源極；每個改進型串行正交壓控振蕩器的 兩路耦合管和開關管為串聯電路，兩個耦合管的漏極分別與LC諧振迴路的兩 LC接點相連，兩個開關管的源極相連，兩個開關管的柵極分別交叉與兩個耦合 管的源極相連，兩個耦合管的柵極和漏極Q+、 Q.、 I+、 U乍為壓控振蕩器的四個 輸出端；雙LC諧振迴路的電源端連接直流電源VDD，另一公共端連接控制電 壓Vcont。
2. 根據權利要求1所述的基於電容補償的低幅度誤差低相噪射頻壓控振蕩 器，其特徵在於所述的壓控振蕩器核(1)每路串行正交壓控振蕩器的四個輸出 端1+ 、 L、 Q+和Q.分別連接一個緩衝器(2)的輸入端，四個緩衝器(2)的輸 出端中的三個輸出端1+ 、 I.、 Q+分別連接電容器C1、 C2和C3的正極，Cl、 C2 和C3為補償電容(3)， Cl、 C2和C3的負極接地。
3. 根據權利要求1或2所述的基於電容補償的低幅度誤差低相噪射頻壓控振 蕩器，其特徵在於所述的壓控振蕩器核(1)的四個緩衝器(2)的輸出端的驅 動負載為混頻器(4)和預分頻器(5)，其四個輸出端的1+ 、 L、 0+和0.連接混 頻器的四個輸入端，0+和(5.連接預分頻器的二個輸入端。
4. 根據權利要求1或2所述的基於電容補償的低幅度誤差低相噪射頻壓控振蕩器，其特徵在於所述的緩衝器(2)為單電源偏置緩衝器，由兩個串聯的 MOS管和一個電容器構成，電容器的負極串接在兩個MOS管的串聯接點，即 緩衝器的輸出端，它將緩衝器的輸入端與驅動負載隔離，調節兩個MOS管的寬 長比改變偏置點，使耗用電流降至最小。
5.根據權利要求1或2所述的基於電容補償的低幅度誤差低相噪射頻壓控 振蕩器，其特徵在於所述的電容器C1、 C2和C3為金屬型幅度匹配補償電容， 電容器Cl、 C2和C3的取值範圍在50ff 500fF。
專利摘要本實用新型涉及一種基於電容補償的低幅度誤差低相噪射頻壓控振蕩器，它包括一個壓控振蕩器核、一組緩衝器和一組補償電容。壓控振蕩器核是一對改進型串行正交壓控振蕩器結構電路，分別由各自的LC諧振迴路、兩個開關管、兩個耦合管以及一個恆流源組成；每個改進型串行正交壓控振蕩器的兩路耦合管和開關管為串聯電路，兩個耦合管的漏極分別與LC諧振迴路的兩LC接點相連，兩個開關管的源極相連，兩個開關管的柵極分別交叉與兩個耦合管的源極相連，兩個耦合管的柵極和漏極Q+、Q-、I+、I-作為壓控振蕩器的四個輸出端。本實用新型拉低反饋點電壓，大大降低電路的功耗，保持良好的低相位噪聲，有效減小輸出本振信號的幅度誤差。
文檔編號H03B5/18GK201039084SQ20072010842
公開日2008年3月19日 申請日期2007年4月20日 優先權日2007年4月20日
發明者樂建連, 馬成炎 申請人:杭州中科微電子有限公司