专利名称：一种振荡周期内可变电容基本恒定的lc振荡器的制作方法
技术领域：
本发明属于无线通信领域，涉及低相位噪声、高性能的压控振荡器，尤其涉及ー种振荡周期内可变电容基本恒定的LC振荡器，可广泛应用于无线通信系统。
背景技术：
LC振荡器是无线通信系统中的关键部件之一，LC振荡器以高精度、低相位噪声的晶振频率为參考频率，通过频率合成器的反馈和运算，使其工作频率在某个倍数的參考频率上，并输出高频率稳定度、高频谱纯度的本地振荡信号。本振信号送至混频器进行混频，在接收机中，下混频至低中频或直接变频；在发射机中，将输入信号上变频至所需的高频，再经过功率放大器发射出去。振荡器有很多种类型,但能输出高频率、低相位噪声的只有LC振荡器。LC振荡器又有电感三点式的(Hartley)结构，电容三点式的(Colpitts)结构和负阻LC振荡器。LC振荡器的振荡频率由电感L和电容C决定，而频率调谐则通过调节可变电容(Varactor)两端的电压来调节可变电容值来实现。调节可变电容(Varactor)两端的振荡器控制电压对频率的调节，可用电压转换频率増益Kvro表示，单位为MHz/V。因此，LC振荡器既是ー个输出高频率、大信号的模块，也是ー个超敏感模块，控制电压的轻微变化、可变电容两端电压的变化、以及电源电压的抖动和电源地由于噪声的反弹，都会通过Kra转换为频率的变化，造成频率的漂移，这种现象称之为幅度噪声转换为频率调制噪声(AM-FM)。传统的LC振荡器，在一个振荡周期内，加在可变电容两端的电压会随着输出波形的变化而出现从零到电源电压的变化过程，而加在可变电容两端电压的变化会转化为可变电容电容值的变化，从而出现振荡频率的改变即幅度噪声转换为频率调制噪声(AM-FM)过程，存在振荡器相位噪声性能下降的严重缺陷。已有技术的申请号CN03822181.0名称为“LC振荡器”的中国发明专利，虽然也可以输出高频率、相对低ー些的相位噪声的波形，但存在幅度噪声转换为频率调制噪声(AM-FM)较大的缺陷。上述技术方案，因频率调制噪声引起频率的轻微漂移，造成输出频谱产生旁辫，最终导致相位噪声性能恶化，频谱纯度变差。而在已有技术传统的几种LC振荡器结构中，由于可变电容跨接在振荡器的两个差分输出端，差分输出的正弦信号其幅度是随输出频率呈正弦变化，其变化的最大值可为电源电压。这意味着可变电容在每个振荡周期内，尽管振荡器的控制电压(Vctrl)不变，可变电容两端的电压最大会出现电源电压的变化。因此，即便振荡器采用稳压器输出的电源，控制电压采用滤波器滤除噪声，采用多重隔离环来隔离电源地上噪声的反弹，还会存在幅度噪声转换为频率调制噪声个问题，使振荡器的相位噪声性能极大的下降。
发明内容
本发明的目的是消除LC振荡器输出波形周期幅度变化引起的幅度噪声转换为频率调制噪声(AM-FM)的问题。提供了一种振荡周期内可变电容基本恒定的LC振荡器，采用可变电容(AC-Varactor),通过自适应补偿使振荡器输出波形幅度按输出正弦周期变化时，电容基本不变，实现AM-FM最小化。
本发明的目的是通过以下的技术方案来实现。—种振荡周期内可变电容基本恒定的LC振荡器，包括由电感L和自适应补偿可变电容AC-Varactor组成的谐振网络，以及互补交叉耦合负阻放大器和偏置电流源；其中谐振网络电感L和自适应补偿可变电容AC-Varactor的并联连接点为谐振网络的两个连接臂，自适应补偿可变电容AC-Varactor带控制端Vctrl ;谐振网络用于消除输出波形对可变电容的幅度调制；互补交叉耦合负阻放大器的两个差分输出端VP和VN，对应连接多端谐振网络的两个连接臂，互补交叉耦合负阻放大器的偏置端VT连接偏置电流源；偏置电流源为电流镜结构电流源，用于为互补交叉耦合负阻放大器提供偏置电流。所述的LC振荡器，其在于所述谐振网络为ニ端谐振网络，其两个连接臂对应连接互补交叉稱合负阻放大器的两个差分输出端VP和VN,自适应补偿可变电容AC-Varactor的控制端连接控制电压VctrI。控制电压由片外的频率合成器提供，频率合成器的环路滤波器滤除高频噪声并转换为电压信号，用于调节LC振荡器的输出频率。 所述的LC振荡器，其在于所述自适应补偿可变电容AC-Varactor由第一两端可变电容电路、四端可变电容电路和第二两端可变电容电路组成，第一两端可变电容电路串接在四端可变电容电路的ー个输出臂和LC调谐回路ー个差分输出VP端之间，第二两端可变电容电路串接在四端可变电容电路的另ー输出臂和LC调谐回路一差分输出VN端之间；其中所述第一两端可变电容电路由并联连接的第I可变电容和第2可变电容组成，每个并联接点的第I可变电容和第2可变电容的极性相反；第一两端可变电容电路的ー个并接点连接VP端，另ー个并接点连接四端可变电容电路的一个臂端；所述第二两端可变电容电路由并联连接的第5可变电容和第6可变电容组成，每个并联接点的第5可变电容和第6可变电容的极性相反；第二两端可变电容电路的ー个并接点连接VN端，另ー个并接点连接四端可变电容电路的另ー个臂端；所述四端可变电容电路由串联连接的第3可变电容和第4可变电容，串联连接的第I电阻和第2电阻，以及第3电阻组成；串联连接的第3可变电容和第4可变电容的两个正极性端各对应连接串联连接第I电阻和第2电阻的一端，第3电阻的一端连接第3可变电容和第4可变电容的负极性串联连接端，第3电阻的另一端连接偏置电压Vbi，偏置电压Vbi来自片内偏置电流源；第I电阻和第2电阻的串联连接点接控制电压Vctrl ;第3可变电容和第I电阻的并接点连接第一可变电容电路的另ー个并接点，第4可变电容和第2电阻的并接点连接第二可变电容电路的另ー个并接点。所述的LC振荡器，其在于所述自适应补偿可变电容AC-Varactor的可变电容为PN结或MOS管电容，或者累积型电容。所述的LC振荡器，其还在于所述自适应补偿可变电容AC-Varactor由第一两端可变电容电路、五端可变电容电路和第二两端可变电容电路组成；第一两端可变电容电路串接在五端可变电容电路的ー个输出臂和LC调谐回路ー个差分输出VP端之间；第二两端可变电容电路并接在五端可变电容电路的另ー输出臂上，和LC调谐回路一差分输出VN端直接相连；其中
所述第一两端可变电容电路由并联连接的第I可变电容和第2可变电容组成，每个并联接点的第I可变电容和第2可变电容的极性相反；第一两端可变电容电路的ー个并接点连接VP端，另ー个并接点连接五端可变电容电路的ー个a臂端；所述第二两端可变电容电路由并联连接的第5可变电容和第6可变电容组成，每个并联接点的第5可变电容和第6可变电容的极性相反；第二两端可变电容电路的ー个并接点连接五端可变电容电路的ー个b臂端并连接VN端，另ー个并接点连接五端可变电容电路的另一个d臂端；所述五端可变电容电路由第3可变电容和第4可变电容，串联连接的第I电阻和第2电阻组成；五端可变电容电路的a臂端连接第3可变电容的正极端和第I电阻的一端，a臂端连接第一两端可变电容电路的第I可变电容和第2可变电容的一个并接端；五端可变电容电路的b臂端连接低3可变电容的负极端，b臂端连接第二两端可变电容电路的第5可变电容和第6可变电容的一个并接端，并连接VN端；五端可变电容电路的c臂端连接第4可变电容的负极端，c臂端连接VP端；五端可变电容电路的d臂端连接第二两端可变电容电路的第5可变电容和第6可变电容的另ー个并接端，第3可变电容和第4可变电容的正极端各对应连接串联连接的第I电阻和第2电阻的一端；第I电阻和第2电阻的串联连接端接控制电压Vctrl。所述的LC振荡器，其还在于所述四端可变电容电路或五端可变电容电路的第3可变电容的电容值的最大调节值为第一两端可变电容电路的第I可变电容、第2可变电容的电容值的1/M，对应的第4可变电容的电容值的最大调节值为第二两端可变电容电路第5可变电容、第6可变电容的电容值的1/M，M的取值范围为I 4 ;通过调整M值用于可变电容的有效调整和实现LC振荡器频率的调谐。所述的LC振荡器，其还在于所述LC振荡器的由电感L和自适应补偿可变电容AC-Varactor组成的谐振网络，以及互补交叉耦合负阻放大器和偏置电流源的电路在片内集成。本发明的LC振荡器与传统的LC振荡器相比，在一个振荡周期内，加在可变电容两端的电压会随着输出波形的变化而出现的变化过程得到明显改善，加在可变电容两端电压的变化会转化为可变电容电容值的变化显著减小，基本恒定的可变电容就能有效改善振荡频率的改变，从而使幅度噪声转换为频率调制噪声AM-FM，导致LC振荡器相位噪声性能下降的过程缺陷得以基本克服和缓解。本发明的实质性效果为:1、在LC振荡器整个振荡周期内，通过自适应补偿使控制可变电容两端电压为基本恒定的电压，使幅度噪声转换为频率调制噪声AM-FM实现最小化。2、通过自适应补偿可变电容，抵消振荡周期内输出波形幅度变化对可变电容的影响，极大降低闪变的噪声幅度通过可变电容构成混频，使LC振荡器的相位噪声性能得到显
著改善。3、幅度噪声转换为频率调制噪声AM-FM的最小化，使本发明LC振荡器电路结构相对于传统LC振荡器，在同样的相位噪声性能下，本发明实施例则消除了由于振荡周期内幅度变化引入的相位噪声，而无需増大工作电流，从而有效降低LC振荡器电路功耗。4、本发明的LC振荡器电路片内集成，可广泛应用于射频无线通信系统。
图1为本发明实施例的振荡周期内可变电容基本恒定的的LC振荡器原理图；图1中:11_互补交叉耦合负阻放大器，12-LC调谐回路，13-偏置电流源。图2为传统的LC振荡器可变电容受输出波形幅度影响的原理示意图。图3我本发明实施例LC振荡器的自适应补偿可变电容AC-Varactor消除输出波形幅度影响的原理示意图。图4是本发明LC振荡器的实施例1自适应补偿可变电容AC-Varactor的构成电路原理图；图4中:4-自适应补偿可变电容AC-Varactor，41-第一两端可变电容电路，42-四端可变电容电路，43-第二两端可变电容电路。图5是本发明LC振荡器的实施例2自适应补偿可变电容AC-Varactor的构成电路原理图；图5中:5-自适应补偿可变电容AC-Varactor，51_第一两端可变电容电路，52-五端可变电容电路，53-第二两端可变电容电路。图6是本发明实施例与传统LC振荡器的相位噪声曲线图。
具体实施例方式下面结合实施例并參照附图对本发明的技术方案作进ー步说明。本发明实施例的一种振荡周期内可变电容基本恒定的LC振荡器如图1所示，它包括互补交叉耦合负阻放大器11、LC调谐回路12和电流源13。互补交叉耦合负阻放大器11由互补的场效应管交叉实现，其具体连接关系为:PM0S交叉对管MPl和MP2的源极并联连接于VT端，VT端连接配置电流源管MPe的漏扱，MPl的栅极和漏极分别与MP2的漏极和栅极相连；NM0S交叉对管丽I和丽2的源极并联连接在一起接地，丽I的栅极和漏极分别与丽2的漏极和栅极相连，MPl、MP2的漏极和丽1、丽2的漏极相接。负阻放大器产生的负阻用以抵消回路中由于LC引入的损耗阻杭，維持振荡的持续进行。LC调谐回路12为LC调谐回路，电感L为差分对称电感，电感L的两端接互补交叉对管MP1、MP2的漏极。具有消除输出波形幅度调制功能的自适应补偿可变电容AC-Varactor,并接在差分电感L的两端,控制电压Vctrl端接在自适应补偿可变电容AC-Varactor的两端,实现频率的调谐。LC调谐回路12由电流源13提供电流，电流源13的镜像电流管MPc用PMOS管构成，MPc源级接电源VCC，栅极接參考电源Vb，漏极接负阻放大器的VT端。传统的LC振荡器，其可变电容跨接在LC振荡器的两输出端，输出波形的幅度按振荡频率做正弦变化，这如同给可变电容上叠加了一个高频的幅度变化信号，对LC振荡器的性能产生直接影响。图2是传统的LC振荡器可变电容受输出波形幅度影响的原理示意图，结合图2来描述对LC振荡器的性能的影响。为了使描述简洁，设控制电压Vctrl为零，则振荡器输出波形的直流电平为VDD/2，再假设输出波形是轨到轨的对称，则可变电容两端的电压幅度V (t)的表示式为:V (t) VDD/2+Acos (Co t)-Bcos (2 Co t) (I)式中:A为输出波形幅度由于输出波形幅度A增大时，増大，输出频率下降。而当输出波形幅度A减小时，可变电容减小，频率増大。所以输出波形可以用ー个基波和二次谐波来近似等效，B表示二次谐波幅度。用C(t)表示当可变电容两端电压V(t)变化时引起的电容的变化，将(I)式用傅立叶级数展开，则可变电容值变化值可用(2)式表示，
权利要求
1.一种振荡周期内可变电容基本恒定的LC振荡器，包括由电感L和自适应补偿可变电容AC-Varactor组成的谐振网络，以及互补交叉耦合负阻放大器和偏置电流源；其中 谐振网络电感L和自适应补偿可变电容AC-Varactor的并联连接点为谐振网络的两个连接臂，自适应补偿可变电容AC-Varactor带控制端Vctrl ;谐振网络用于消除输出波形对可变电容的幅度调制； 互补交叉耦合负阻放大器的两个差分输出端VP和VN，对应连接谐振网络的两个连接臂，互补交叉耦合负阻放大器的偏置端VT连接偏置电流源； 偏置电流源为电流镜结构电流源，用于为互补交叉耦合负阻放大器提供偏置电流和电源噪声抑制。
2.如权利要求1所述的LC振荡器，其特征在于:所述谐振网络为ニ端谐振网络，其两个连接臂对应连接互补交叉耦合负阻放大器的两个差分输出端VP和VN，自适应补偿可变电容AC-Varactor的控制端连接控制电压Vctrl,控制电压Vctrl由片外的频率合成器提供。
3.如权利要求1所述的LC振荡器，其特征在干:所述自适应补偿可变电容AC-Varactor由第一两端可变电容电路、四端可变电容电路和第二两端可变电容电路组成，第一两端可变电容电路串接在四端可变电容电路的ー个输出臂和LC调谐回路ー个差分输出VP端之间，第二两端可变电容电路串接在四端可变电容电路的另ー输出臂和LC调谐回路ー个差分输出VN端之间；其中 所述第一两端可变电容电路由并联连接的第I可变电容和第2可变电容组成，每个并联接点的第I可变电容和第2可变电容的极性相反；第一两端可变电容电路的ー个并接点连接VP端，另ー个并接点连接四端可变电容电路的一个臂端；` 所述第二两端可变电容电路由并联连接的第5可变电容和第6可变电容组成，每个并联接点的第5可变电容和第6可变电容的极性相反；第二两端可变电容电路的ー个并接点连接VN端，另ー个并接点连接四端可变电容电路的另ー个臂端； 所述四端可变电容电路由串联连接的第3可变电容和第4可变电容，串联连接的第I电阻和第2电阻，以及第3电阻组成；串联连接的可变电容Cv3和Cv4的两个正极性端各对应连接串联连接第I电阻和第2电阻的一端，第3电阻的一端连接第3可变电容和第4可变电容的负极性串联连接端，第3电阻的另一端连接偏置电压Vbi，偏置电压Vbi来自片内偏置电流源；第I电阻和第2电阻的串联连接点接控制电压Vctrl ;第3可变电容和第I电阻的并接点连接第一可变电容电路的另ー个并接点，第4可变电容和第2电阻的并接点连接第二可变电容电路的另ー个并接点。
4.如权利要求1-3所述的LC振荡器，其特征还在干:所述自适应补偿可变电容AC-Varactor的可变电容为PN结或MOS管电容，或者累积型电容。
5.如权利要求1所述的LC振荡器，其特征还在干:所述自适应补偿可变电容AC-Varactor由第一两端可变电容电路、五端可变电容电路和第二两端可变电容电路组成；第一两端可变电容电路串接在五端可变电容电路的ー个输出臂和LC调谐回路ー个差分输出VP端之间；第二两端可变电容电路并接在五端可变电容电路的另ー输出臂上，和LC调谐回路ー个差分输出VN端直接相连；其中 所述第一两端可变电容电路由并联连接的第I可变电容和第2可变电容组成，每个并联接点的第I可变电容和第2可变电容的极性相反；第一两端可变电容电路的ー个并接点连接VP端，另ー个并接点连接五端可变电容电路的ー个a臂端； 所述第二两端可变电容电路由并联连接的第5可变电容和第6可变电容组成，每个并联接点的第5可变电容和第6可变电容的极性相反；第二两端可变电容电路的ー个并接点连接五端可变电容电路的ー个b臂端并连接VN端，另ー个并接点连接五端可变电容电路的另ー个d臂端； 所述五端可变电容电路由第3可变电容和第4可变电容，以及串联连接的第I电阻和第2电阻组成；五端可变电容电路的a臂端连接第3可变电容的正极端和第I电阻的一端，a臂端连接第一两端可变电容电路的第I可变电容和第2可变电容的一个并接端；五端可变电容电路的b臂端连接低3可变电容的负极端，b臂端连接第二两端可变电容电路的第5可变电容和第6可变电容的一个并接端，并连接VN端；五端可变电容电路的c臂端连接第4可变电容的负极端，并连接VP端；五端可变电容电路的d臂端连接第二两端可变电容电路的第5可变电容和第6可变电容的另ー个并接端，第3可变电容和第4可变电容的正极端各对应连接串联连 接的第I电阻和第2电阻的一端；第I电阻和第2电阻的串联连接端接控制电压Vctrl。
6.如权利要求5所述的LC振荡器，其特征还在干:所述自适应补偿可变电容AC-Varactor的可变电容为PN结或MOS管电容，或者累积型电容。
7.如权利要求3或5所述的LC振荡器，其特征还在于，所述四端可变电容电路或五端可变电容电路的第3可变电容的电容值的最大调节值为第一两端可变电容电路的第I可变电容、第2可变电容的电容值的1/M，对应的第4可变电容的电容值的最大调节值为第二两端可变电容电路第5可变电容、第6可变电容的电容值的1/M，M的取值范围为f 4 ;调整M值用于可变电容的有效调整和实现LC振荡器频率的调谐。
8.如权利要求1-3或5所述的LC振荡器，其特征还在于，所述LC振荡器的由电感L和自适应补偿可变电容AC-Varactor组成的谐振网络，以及互补交叉耦合负阻放大器和偏置电流源的电路在片内集成。
全文摘要
本发明公开一种振荡周期内可变电容基本恒定的LC振荡器，它包括由电感L和自适应补偿可变电容器组成的谐振网络，以及互补交叉耦合负阻放大器和偏置电流源组成，可变电容器为自适应补偿的可变电容器AC-Varactor。通过对AC-Varactor可变电容的动态补偿，消除由于输出波形幅度变化引起的可变电容值变化，消除幅度变化引起的频率调制，使因幅度噪声导致振荡器相位噪声性能的恶化最小化。本发明的LC振荡器克服了传统的LC振荡器，在一个振荡周期内，可变电容值随两端电压的变化而使振荡频率改变，由AM-FM过程而导致振荡器相位噪声性能下降的缺陷，在一种振荡周期内可变电容基本恒定的LC振荡器，具有良好的相位噪声性能，可广泛应用于无线通信系统。
文档编号H03B5/12GK103138679SQ20111037825
公开日2013年6月5日 申请日期2011年11月24日 优先权日2011年11月24日
发明者尹喜珍, 金玉花, 马成炎, 叶甜春, 殷明 申请人:杭州中科微电子有限公司