專利名稱：基于電容補償?shù)牡头日`差低相噪射頻壓控振蕩器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型屬于電子技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種射頻壓控振蕩器，尤其涉及一種 基于電容補償?shù)牡头日`差低相噪射頻壓控振蕩器。背條技術(shù)隨著無線通信技術(shù)的高速發(fā)展，對低成本、高性能、高集成度的無線收發(fā) 器的需求也越來越多，因此對無線收發(fā)系統(tǒng)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(fā)器中基于鎖相環(huán)頻率綜合器的核心模塊，其頻率調(diào)諧范圍、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(shù)，對于便攜供電型設(shè)備它的功耗性能也是關(guān)鍵指標。目前已有技術(shù)的壓控振蕩器按電路結(jié)構(gòu)可以分為環(huán)形壓控振蕩器和LC振蕩器兩種，環(huán)形壓控振 蕩器為多個差分延遲單元首尾相連組成的環(huán)路結(jié)構(gòu)，相位噪聲性能劣于LC壓控 振蕩器。射頻LC壓控振蕩器都采用由兩個負跨導(dǎo)壓控振蕩器組成的正交耦合電 路結(jié)構(gòu)，通過兩個負跨導(dǎo)壓控振蕩器的相互耦合，直接產(chǎn)生兩組正交信號。典 型的LC正交壓控振蕩器有串行和并行兩種電路形式，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(guān)管M1 M4串 聯(lián)；并行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(guān)管M1 M4并聯(lián)。已有技術(shù)的串行LC正交壓控振蕩器電路結(jié) 構(gòu)的反饋點電壓較高，振蕩器電路功耗較大，難以實現(xiàn)低功耗；而已有技術(shù)的 并行LC正交壓控振蕩器，由于諧振回路Q值較低，難以獲得低相位噪聲。
發(fā)明內(nèi)容本實用新型主要解決正交壓控振蕩器的經(jīng)典結(jié)構(gòu)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(shù)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于 電容補償?shù)牡头日`差低相噪射頻壓控振蕩器。本實用新型的上述技術(shù)問題主要是通過下述技術(shù)方案得以解決的本實用 新型包括一個雙LC諧振回路的壓控振蕩器，還包括一組緩沖器和一組補償電容， 所述的雙LC諧振回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(jié)構(gòu)電路，一路串行正交壓控振蕩器由LC諧振回路、 開關(guān)管Ml和M2、耦合管M5和M6以及一個恒流源組成，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諧振回路、開關(guān)管M3和 M4、耦合管M7和M8以及一個恒流源組成，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(guān)管為串聯(lián)電路，兩個 耦合管的漏極分別與LC諧振回路的兩LC接點相連，兩個開關(guān)管的源極相連， 兩個開關(guān)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諧振回路的電源端連接 直流電源VDD，另一公共端連接控制電壓Vcorit。將原來經(jīng)典串行正交壓控振 蕩器的開關(guān)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，并能保持良好的低相位噪聲。作為優(yōu)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.分別連接一個緩沖器的輸入端，四個緩沖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沖器的輸入端
相連，四個緩沖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(yīng)。為了使輸 出信號獲得穩(wěn)定的直流偏置，使用了一級偏置緩沖器。在實際應(yīng)用中，由于壓控振蕩器后需要驅(qū)動的負載都已經(jīng)確定(如在GPS射頻前端系統(tǒng)中的負載為一 個預(yù)分頻器和一個下變頻混頻器)，所以在本實用新型中預(yù)先考慮這些負載效應(yīng) 引起的頻率偏差和幅度偏差，調(diào)整電感和電容的選值，使頻率調(diào)諧范圍和輸出 幅度都符合設(shè)計要求。這樣就節(jié)省了隔離緩沖器的功耗，使壓控振蕩器的總功 耗大大降低。壓控振蕩器在應(yīng)用中通常需要驅(qū)動多個電路，并且要求壓控振蕩 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?shù)刃щ娙?，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(jié)構(gòu)簡單并且有效。作為優(yōu)選，所述的壓控振蕩器核的四個緩沖器的輸出端的驅(qū)動負載為混頻 器和預(yù)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(yù)分頻器的二個輸入端。滿足GPS射頻前端系統(tǒng)的要求。作為優(yōu)選，所述的緩沖器為單電源偏置緩沖器，由兩個串聯(lián)的MOS管和一 個電容器構(gòu)成，電容器的負極串接在兩個MOS管的串聯(lián)接點，即緩沖器的輸出 端，它將緩沖器的輸入端與驅(qū)動負載隔離，調(diào)節(jié)兩個MOS管寬長比改變偏置點， 使耗用電流降至最小。作為優(yōu)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的取值范圍在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(yīng)
用于全球定位系統(tǒng)(GPS)射頻前端鎖相環(huán)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是并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于電容補償?shù)牡头日`差低相噪射頻壓控振蕩 器電路原理框圖。圖5是本實用新型的緩沖器的一種電路原理圖。圖中l(wèi)一壓控振蕩器核，11、 12—LC諧振回路，2—緩沖器，3—補償電容， 4一混頻器，5—預(yù)分頻器。
具體實施方式
下面通過實施例，并結(jié)合附圖，對本實用新型的技術(shù)方案作進一步具體的 說明。實施例1:本實施例的基于電容補償?shù)牡头日`差低相噪射頻壓控振蕩器，如圖3所示，包括一個雙LC諧振回路的壓控振蕩器、 一組緩沖器2和一組補償 電容3，雙LC諧振回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(jié)構(gòu)電路， 一路串行正交壓控振蕩器由LC諧 振回路ll、開關(guān)管M1和M2、耦合管M5和M6以及一個恒流源組成，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諧振回路12、開 關(guān)管M3和M4、耦合管M7和M8以及一個恒流源組成，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(guān)管為串聯(lián)電 路，兩個耦合管的漏極分別與LC諧振回路的兩LC接點相連，兩個開關(guān)管的源
極相連，兩個開關(guān)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諧振回路的電 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.分別連接一個緩沖器2的 輸入端，四個緩沖器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 個緩沖器2為單電源偏置緩沖器，由兩個串聯(lián)的M0S管D1、 D2和一個電容器 C構(gòu)成，電容器C的負極串接在兩個MOS管的串聯(lián)接點，即緩沖器的輸出端， 它將緩沖器的輸入端與驅(qū)動負載隔離，調(diào)節(jié)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(yōu)選電容器Cl、 C2和C3的取值分別為400ff、 305fF、 105fF。四個 緩沖器2的輸出端的驅(qū)動負載為混頻器4和預(yù)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(yù)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(yīng)用于全球定位系統(tǒng)(GPS)射頻 前端鎖相環(huán)頻率綜合器以及其它通信系統(tǒng)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(tǒng)的頻帶利用率、增加數(shù)據(jù)傳輸 系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速率。雙LC諧振回路中片上PN結(jié)可變電容的電容值隨外加電 壓的改變而變化，用PN結(jié)可變電容作壓控器件，改變其控制電壓就可實現(xiàn)VCO 振蕩頻率的調(diào)節(jié)，滿足無線收發(fā)器高性能的要求。
權(quán)利要求1. 一種基于電容補償?shù)牡头日`差低相噪射頻壓控振蕩器，包括一個雙LC 諧振回路的壓控振蕩器，其特征在于還包括一組緩沖器(2)和一組補償電容(3 )， 所述的雙LC諧振回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(jié)構(gòu)電路， 一路串行 正交壓控振蕩器由LC諧振回路(11)、開關(guān)管M1和M2、耦合管M5和M6以 及一個恒流源組成，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諧振回路(12)、開關(guān)管M3和M4、耦合管M7和M8以及一個恒流 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(guān)管為串聯(lián)電路，兩個耦合管的漏極分別與LC諧振回路的兩 LC接點相連，兩個開關(guān)管的源極相連，兩個開關(guān)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諧振回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(jù)權(quán)利要求1所述的基于電容補償?shù)牡头日`差低相噪射頻壓控振蕩 器，其特征在于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.分別連接一個緩沖器(2)的輸入端，四個緩沖器(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(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于電容補償?shù)牡头日`差低相噪射頻壓控振 蕩器，其特征在于所述的壓控振蕩器核(1)的四個緩沖器(2)的輸出端的驅(qū) 動負載為混頻器(4)和預(yù)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(yù)分頻器的二個輸入端。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于電容補償?shù)牡头日`差低相噪射頻壓控振蕩器，其特征在于所述的緩沖器(2)為單電源偏置緩沖器，由兩個串聯(lián)的 MOS管和一個電容器構(gòu)成，電容器的負極串接在兩個MOS管的串聯(lián)接點，即 緩沖器的輸出端，它將緩沖器的輸入端與驅(qū)動負載隔離，調(diào)節(jié)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(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于電容補償?shù)牡头日`差低相噪射頻壓控 振蕩器，其特征在于所述的電容器C1、 C2和C3為金屬型幅度匹配補償電容， 電容器Cl、 C2和C3的取值范圍在50ff 500fF。
專利摘要本實用新型涉及一種基于電容補償?shù)牡头日`差低相噪射頻壓控振蕩器，它包括一個壓控振蕩器核、一組緩沖器和一組補償電容。壓控振蕩器核是一對改進型串行正交壓控振蕩器結(jié)構(gòu)電路，分別由各自的LC諧振回路、兩個開關(guān)管、兩個耦合管以及一個恒流源組成；每個改進型串行正交壓控振蕩器的兩路耦合管和開關(guān)管為串聯(lián)電路，兩個耦合管的漏極分別與LC諧振回路的兩LC接點相連，兩個開關(guān)管的源極相連，兩個開關(guān)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(yōu)先權(quán)日2007年4月20日
發(fā)明者樂建連, 馬成炎 申請人:杭州中科微電子有限公司