一种多段位宽调谐范围的LC振荡器

技术领域

本发明涉及电路设计领域，特别是一种多段位宽调谐范围的LC振荡器。

背景技术

环形振荡器易于集成，但其相位噪声性能比LC振荡器差。CMOS反相器级联的环形振荡器，假设电路开始工作时每个结点的初始电压为反相器的逻辑阈值V

差分形式级联的环形振荡器，与CMOS反相器级联的环形振荡器相比最大的优势在于其计数可以为偶数，只需要将其中一级接成不反相的即可，电路更加灵活。

然而，现有技术虽然能达到一定的频率输出要求，但其输出频率较低，调谐范围较窄，调谐增益较大，噪声性能不优，使得经过分频后不能提高良好的频率指标。

发明内容

本发明主要是提供一种多段位宽调谐范围的LC振荡器，解决了现有技术中输出频率较低，调谐范围较窄，噪声性能差的问题。

为了解决上述问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种多段位宽调谐范围的LC振荡器，包括可变电容模块，其包括第一压控输出电压端、第一隔直电容、第一可变电容、第二压控输出电压端、第二隔直电容、第二可变电容、偏置电压端、第一偏置电阻、第二偏置电阻以及控制电压端，其中第一压控输出电压端经第一隔直电容连接第一可变电容，第二压控输出电压端经第二隔直电容连接第二可变电容，偏置电压端与第一偏置电阻的一端和第二偏置电阻的一端连接，控制电压端与第一可变电容的一端和第二可变电容的一端连接；权位电容模块，其包括多组开关电容阵列，其中一组开关电容阵列包括第一权位电容、第二权位电容、第一负载电阻、第二负载电阻、第一反相器、第二反相器、第一晶体管、第二晶体管、第三晶体管以及第四晶体管，其中，第一晶体管与第三晶体管为同类型的晶体管，第二晶体管与第四晶体管为与第一晶体管互补类型的晶体管，电路端子连接第一晶体管和第三晶体管的栅极，电路端子经第一反相器和第二反相器分别连接第二晶体管和第四晶体管的栅极，第一压控输出电压端经第一权位电容连接第一晶体管的漏极，第二晶体管的漏极经第一负载电阻连接第一晶体管的漏极，第二压控输出电压端经第二权位电容连接第三晶体管的漏极，第四晶体管的漏极经第二负载电阻连接第三晶体管的漏极。

本发明的技术方案可以达到的有益效果是：本发明设计了一种多段位宽调谐范围的LC振荡器。LC振荡器的输出频率很高，版图面积小，带偏置电压的可变电容结构使调谐曲线线性度高，多位的权位电容结构使调谐范围广，频率裕度大，调谐增益较小，噪声性能好。

附图说明

图1是本发明一种多段位宽调谐范围的LC振荡器的一个具体实施方式的示意图；

图2是本发明一种多段位宽调谐范围的LC振荡器的一个具体实例的示意图；

图3是本发明一种多段位宽调谐范围的LC振荡器的另一个具体实例的示意图；

图4是本发明一种多段位宽调谐范围的LC振荡器的另一个具体实例的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括……”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

图1示出了本发明一种多段位宽调谐范围的LC振荡器的一个具体实施方式。在该具体实例方式中，本发明的多段位宽调谐范围的LC振荡器，包括可变电容模块以及权位电容模块。为了使本发明的技术方案便于理解，结合图2、图3以及图4对本发明的多段位宽调谐范围的LC振荡器进行说明。

在本发明的一个具体实例中，多段位宽调谐范围的LC振荡器可产生频率高达1000MHz以上的波形信号。多段位宽调谐范围的LC振荡器有变压器反馈式、电感三点式和电容三点式三种。这三种均采用LC谐振回路作为选频网络，而且一般采用LC并联回路，品质因数是LC并联回路的重要指标，也称Q值。Q值越大，LC并联电路阻抗的相角随频率变化的程度越急剧，选频效果越好。

在本发明的一个具体实施方式中，可变电容模块，其包括第一压控输出电压端、第一隔直电容、第一可变电容、第二压控输出电压端、第二隔直电容、第二可变电容、偏置电压端、第一偏置电阻、第二偏置电阻以及控制电压端，其中第一压控输出电压端经第一隔直电容连接第一可变电容，第二压控输出电压端经第二隔直电容连接第二可变电容，偏置电压端与第一偏置电阻的一端和第二偏置电阻的一端连接，控制电压端与第一可变电容的一端和第二可变电容的一端连接。

在本发明的一个具体实施例中，第一信号源的一端经过分压电阻后连接第一压控输出电压端，第一信号源的另一端直接连接第二压控输出电压端。第一信号源不仅可以为第一压控输出电压端和第二压控输出电压端提供电压，还可以输出各种波形。

在本发明的一个具体实施例中，第二信号源提供控制电压端的电压，第三信号源提供偏置电压端的电压。分开的信号源分别为不同的电压端提供各自的电压有利于控制电路的信号走向。

在本发明的一个具体实例中，图2是本发明一种多段位宽调谐范围的LC振荡器的一个具体实例的示意图，在如图2所示的可变电容结构中，控制电压端vctrl为可变电容两端提供电压，控制可变电容的电容值，偏置电压端vbias提供的电压经过偏置电阻给可变电容提供电压偏置，第一信号源为第一压控输出电压端vco1和第二压控输出电压端vco2提供电压，第二信号源为控制电压端vctrl提供电压，第三信号源为偏置电压端vbias提供电压，其中，第一信号源还可以提供各种波形。

在本发明的一个具体实施例中，通过第一偏置电阻提供的电压偏置控制第一可变电容的电容值，使得第一可变电容的电容值在第一电容线性变化范围；以及通过第二偏置电阻提供的电压偏置控制第二可变电容的电容值，使得第二可变电容的电容值在第二电容线性变化范围。电容线性变化可以准确预计，方便用于电路设计，并且还可以得到比较宽的可变电容的电容值范围。

在本发明的一个具体实例中，通常情况下可变电容是通过改变电容两端的电压来改变电容值的，通常可变电容两端的电压在实际电路中不会刚好在可变电容的电容线性变化区域范围内，比如电容两端电压需要在1.5V到2V区域内，可变电容的电容值是线性变化的，在其余电压区域内，可变电容的电容值是非线性变化的，而电路只能工作在0.5V到1V这个电压区域，此时，偏置电压端经过偏置电阻可以给可变电容提供一个1V的电压偏置，使可变电容工作在电容线性变化的范围内，电容线性变化可以准确预计，方便用于电路设计，并且还可以得到比较宽的可变电容的电容值范围。

在本发明的一个具体实例中，如图2所示的可变电容结构，有两个可变电容，两个偏置电阻以及两个隔直电容。一般情况下可变电容C

在本发明的一个具体实例中，控制电压Vctrl用来控制可变电容的电容值；隔直电容C

在本发明的一个具体实施方式中，权位电容模块，其包括多组开关电容阵列，其中一组开关电容阵列包括第一权位电容、第二权位电容、第一负载电阻、第二负载电阻、第一反相器、第二反相器、第一晶体管、第二晶体管、第三晶体管以及第四晶体管，其中，第一晶体管与第三晶体管为同类型的晶体管，第二晶体管与第四晶体管为与第一晶体管互补类型的晶体管，电路端子连接第一晶体管和第三晶体管的栅极，电路端子经第一反相器和第二反相器分别连接第二晶体管和第四晶体管的栅极，第一压控输出电压端经第一权位电容连接第一晶体管的漏极，第二晶体管的漏极经第一负载电阻连接第一晶体管的漏极，第二压控输出电压端经第二权位电容连接第三晶体管的漏极，第四晶体管的漏极经第二负载电阻连接第三晶体管的漏极。

在本发明的一个具体实施例中，第一晶体管和第三晶体管为NMOS，第一晶体管与第三晶体管的源极接地。

在本发明的一个具体实施例中，第二晶体管和第四晶体管为PMOS，第二晶体管与第四晶体管的源极接外部电源。

在本发明的一个具体实施例中，按照预设比例的顺序依次改变多组开关电容阵列中的权位电容值，其中，预设比例包括幂次方比例。

在本发明的一个具体实例中，权位电容可以按1:2:4:8……，这样的比例去改变电容值，从而增加压控输出电压的调谐频率范围，并且在整个范围内保持品质因数相对不变，其中最主要就是可以增加压控输出电压调谐频率范围。

在本发明的一个具体实例中，权位电容的设计如图3所示，图3展示出了多组开关电容阵列中的一组开关电容阵列。B

在本发明的一个具体实例中，图4展示出了多组开关电容阵列中的另一组开关电容阵列。同样的，多组开关电容阵列中还有第三组，第四组开关电容阵列，开关电容阵列的组数根据用户想要获得的调谐曲线的数量决定。第一压控输出电路端和第二压控输出电路端为多组开关电容阵列提供电压。B

在本发明的一个具体实例中，VCO指输出频率与输入控制电压有对应关系的振荡电路，VCO的工作状态或振荡回路的元件参数受输入控制电压的控制，就可构成一个压控振荡器。压控振荡电路输入电压不断减少，通过优化相位噪声，尽可能的加大输出电压时的幅值，从而会使压控增益K

在本发明的一个具体实例中，权位电容的设计采取开关电容阵列，从而能够获得更多的调谐曲线，使得压控增益K

在本发明的一个具体实施例中，将第一晶体管和第二晶体管的寄生电容值均不大于一定比例的第一权位电容值时的第一晶体管和第二晶体管的导通电阻值分别确定为第一晶体管和第二晶体管的工作导通电阻值。既保证了第一权位的电流流通，又保证了对多段位宽调谐范围的LC振荡器中谐振电路的Q值和相位噪声的影响较小。

在本发明的一个具体实施例中，将第三晶体管和第四晶体管的寄生电容值均不大于一定比例的第二权位电容值时的第三晶体管和第四晶体管的导通电阻值分别确定为第三晶体管和第四晶体管的工作导通电阻值。既保证了第二权位的电流流通，又保证了对多段位宽调谐范围的LC振荡器中谐振电路的Q值和相位噪声的影响较小。

在本发明的一个具体实例中，权位电容的设计即为调谐曲线的设计，权位电容设计的重点是开关结构的设计和权位电容的电容值，开关结构设计的要点是晶体管的导通电阻和关断电阻的取值。

在本发明的一个具体实例中，导通电阻的阻值理论上越小越好，但是减小导通电阻的阻值，电路会增大面积，从而会增加晶体管的寄生电容，导致开关电容阵列失去优势，因此需要折中。通常来说，当晶体管的寄生电容不超过权位电容1/10时，取这个时候晶体管的导通电阻的阻值比较合适。

在本发明的一个具体实例中，第一晶体管、第二晶体管、第三晶体管以及第四晶体管的导通电阻的阻值越小，对多段位宽调谐范围的LC振荡器中谐振电路的品质因数的影响越小。

在本发明的一个具体实例中，第一晶体管和第二晶体管作为开关导通时，其对应的导通电阻的阻值尽量小，保证权位电容的电流流通，同时导通电阻的阻值越小，对多段位宽调谐范围的LC振荡器中的组成电路的Q值影响越小，对多段位宽调谐范围的LC振荡器中谐振电路的相位噪声的影响也越小。

在本发明的一个具体实施例中，第一晶体管和第二晶体管的关断电阻值分别大于第一预设阈值，使得当第一晶体管和第二晶体管断开时，第一晶体管和第二晶体管的工作状态不受第一权位电容两端电压的影响；以及第三晶体管和第四晶体管的关断电阻值分别大于第二预设阈值，使得当第三晶体管和第四晶体管断开时，第三晶体管和第四晶体管的工作状态不受第二权位电容两端电压的影响。

在本发明的一个具体实例中，第一晶体管和第二晶体管的关断电阻指的是指第一晶体管和第二晶体管作为开关关闭之后，其对应的关断电阻的阻值应尽量大，做到阻止第一权位电容影响第一晶体管和第二晶体管此时的工作状态；第三晶体管和第四晶体管的关断电阻指的是指第三晶体管和第四晶体管作为开关关闭之后，其对应的关断电阻的阻值应尽量大，做到阻止第二权位电容影响第三晶体管和第四晶体管此时的工作状态。

以上描述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。