一种提高压控振荡器调谐范围以及相位噪声性能的方法

摘要

一种提高压控振荡器调谐范围以及相位噪声性能的方法，主要涉及到电流偏置型电容电感压控振荡器，尤其是处于电流受限区域的电流偏置型电容电感压控振荡器。其包括：数字调谐模块，通过开关电容的接通与断开来提高压控振荡器的调谐范围；开关偏置电流模块，通过在每个频段接通相应偏置电流来提高整个系统的相位噪声。在电流受限区域，压控振荡器的输出幅度会随着频率降低而减少，从而引起压控振荡器的相位噪声的降低；同时频率范围的增大，其相位噪声也会发生比较大的变化，尤其频率较低时，其相位噪声变得较差。本方法通过数字调谐模块和开关偏置电流模块的配合调节，得到较宽的调谐范围，并在整个频率范围内获得较好的相位噪声。

说明书

技术领域

本发明涉及到电流偏置型电容电感压控振荡器，尤其是处于电流受限区域的电流偏置型电容电感压 控振荡器。

背景技术

近年来，随着通信市场的繁荣，无线通信技术以及相关应用得到了快速发展。个人无线通信系统， 无线局域网，卫星导航系统(GPRS、北斗系统)，卫星电视，射频标签(RFID)，车载定位系统出现了快速 增长。同时，无线通信技术在电子对抗、空间技术等尖端技术中也得到了广泛应用。在这些应用中，射 频前端是这些系统性能好坏的关键所在，因此一直是研究的重点。

在无线通信系统中，射频前端是天线和无线收发机后端基带处理器之间的接口。它不仅需要检测微 弱接收信号(μV量级)，而且需要在同频段发射大功率射频信号。这就需要高性能的射频前端。压控振 荡器是一种输出频率随输入电压变化的振荡器，是射频前端的最基本模块和关键模块。压控振荡器主要 应用于锁相环中，作为参考频率，为收发机提供本振频率。作为射频前端的关键模块，其在相位噪声方 面的性能直接影响整个系统收发质量，而调谐范围的大小直接决定其是否实用。

目前的压控振荡器主要有两种：环形振荡器和电容电感振荡器。而在实际应用中，一般采用电容电 感压控振荡器，因为电容电感压控振荡器具有较好的噪声性能。电容电感压控振荡器一般采用容抗管作 为频率调谐元件，调谐范围最大仅能达到20％左右，在某些应用中，这样的频率调谐范围不能满足实际 需要。为了进一步提高调谐范围，常常采用数字调谐技术，该技术能极大地提高压控振荡器的调谐范围。 而在电流受限区域，压控振荡器的输出幅度会随着频率降低而减少，从而引起压控振荡器的相位噪声的 降低，频率范围的增大，其相位噪声也会发生比较大的变化，尤其频率较低时，其相位噪声变得较差。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种能够克服电流偏置型电容电感压控振荡器在获得比较宽的 调谐范围时相位噪声变化较大，以及在低频时相位噪声较差的方法，使压控振荡器在获得宽调谐范围的 同时，在整个频道范围内，其相位噪声保持基本不变或者提高，在低频也能获得较好的相位噪声。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：对于提高压控振荡器的调谐范围，采用数字调谐技术， 通过开关电容的接通与断开来大幅度地提高压控振荡器的调谐范围。其原理是：当数字信号为低时，串 联的电容增加到谐振回路中，而数字信号为高时，串联的电容对谐振回路没有影响，因此数字信号控制 的开关电容组能实现分立的频率变化，实现频率的粗调，而频率的精细变化由电容量可以连续变化的容 抗管完成，采用数字调谐技术可以实现很宽的频率调谐范围。为了保证整个频率范围内的频率的连续性， 数字控制信号引起的分立频率变化必须小于容抗管的频率调谐范围。数字调谐的位数，也就是开关电容 的组数由实际需要的频率范围和容抗管的调谐范围共同决定。

在电流受限区域，压控振荡器的输出幅度会随着频率降低而减少，从而引起压控振荡器相位噪声的 降低。大的调谐范围会使低频的相位噪声比高频的相位噪声低差很多。由于相位噪声的降低主要是由于 压控振荡器的输出电压幅度降低引起的，所以必须相应地提高压控振荡器在低频时的输出电压幅度。在 电流受限区域，压控振荡器的输出幅度为：

V_osc＝I_biasωLQ  (1)

I_bias为压控振荡器的偏置电流，ω为压控振荡器角频率，L为电感，Q为压控振荡器谐振回路品质因 子。从式(1)中可以看出，为了在低频保持输出幅度不变或者增大，必须相应地增大偏置电流(电感和 品质因子不变)。本发明采用开关偏置电流模块来实现整个频道相位噪声的改善，其开关偏置电流的个数 与开关电容组的组数相同，并且有着相同的数字控制端口，其原理如下：

1.当开关电容关闭时，由于压控振荡器总的电容增大，其频率降低，导致输出电压幅度相对于高频 时降低，此时打开相应的偏置电流，使压控振荡器输出幅度保持不变或者变大。

2.当开关电容接通时，由于压控振荡器总的电容减小，其频率增大，相应的输出电压幅度增大，此 时关闭相应的偏置电流，节省功耗。

3.开关偏置电流的大小根据同一数字控制端口的电容其值设定，大的电容相应于大的偏置电流。

这样压控振荡器能在整个频段达到较好的相位噪声，而且由于相应的开关偏置电流只在相应的频段 里打开，由此产生的平均功耗较低。

本发明的有益效果是，电流偏置型压控振荡器既能得到较宽的调谐范围，又能在整个频率范围内得 到较好的相位噪声，通过适当设置偏置电流的大小，在低频时能获得比高频更好的相位噪声，而由此增 加的平均功耗较低。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明说明。

图1尾部电流偏置型压控振荡器原理图。

图2开关电容组。

图3开关偏置电流。

具体实施方式

在图1中，为尾部电流偏置型振荡器的结构图，图1主要说明开关电容组和开关偏置电流的连接 关系。开关电容组(switched capacitor bank)接在振荡器的两个输出端口Vout+与Vout-之间，开关 偏置电流接在振荡器的net0与GND之间。

图2为开关电容组，由三组开关电容组成，每一组开关电容由两个相同电容，两个相同电阻，一个 NMOS管，一个反相器构成。其中NMOS管，两个电阻，以及反相器构成开关，通过数字信号控制开关的 开闭。为了减少数字控制信号的位数，采用二进制加权的电容阵列，三组电容的值关系为2ⁿ倍关系 (C01＝2¹C11＝2²C22)，相对应的NMOS晶体管尺寸(长宽比，长度相同)也是2ⁿ倍关系。

图3为开关偏置电流图，由三组偏置电流组成，每一组由一个反相器，两个NMOS管组成。其中一 个晶体管作为开关使用，通过数字信号控制其开与关，另一个作为偏置电流源使用，其栅极与输入参考 电流链接。反相器主要是增加数字控制信号的驱动能力。作为开关的NMOS管的尺寸应尽量大，使其上 的漏源电压较低，降低对偏置晶体管偏置电流的影响。作为偏置电流源的NMOS管的尺寸与同控制端口的 电容大小成同比例关系。

在图2所示实施例中，例如，当控制端口S2为低时，NMOS开关晶体管打开，C21与C22接入谐 振回路，压控振荡器频率降低，导致输出电压幅度降低，从而导致相位噪声增大。但由于S2同时控制 偏置电流，此时，在图3所示实施例中，Ms2打开，偏置电流增加，补偿了压控振荡器由于频率降低引 起的输出电压幅度降低，适当设置偏置晶体管M2尺寸，可以使压控振荡器的输出电压幅度保持不变或 者提高，其相位噪声性能得到提高。这样，通过在每一个子频段增加相应的偏置电流来补偿压控振荡器 的输出电压幅度，使压控振荡器获得较宽的调谐范围的同时，同时获得较好的相位噪声，而由此增加的 平均功耗较低。