专利名称：降低相位噪声的振荡器电路的制作方法
技术领域：
本发明涉及振荡器电路，特别涉及高频振荡器。
一个基本振荡器电路如
图1所示。放大器101具有其输出信号103(该输出信号也是振荡器的输出信号)，它与谐振器105耦合。谐振器的输出信号107通过延迟电路109而被反馈，从而形成放大器的输入信号111。振荡是在满足以下两种情况时被建立的1、节点N的开环增益为单位增益；2、开环相位为2nπ，其中n是一个整数。
在前述参考文献以及别处已被证明的振荡器中的相位噪声可以用dθ/dω来表示。
如图2所示，在已知布局结构的振荡电路中使用了两个NPN晶体管。晶体管Q1是一个振荡晶体管，晶体管Q2是一个缓冲晶体管。
振荡晶体管Q1的集电极通过电感器L3而被耦合到电源电压(以带状线形式实现)。发射极通过一个并联RC组合(R5，C1)而被接地。基极通过电阻器R9而被连接到偏置网络(bias network)，该网络包括与电源相连的电阻器R3和接地的电阻器R4。
缓冲晶体管Q2的集电极通过射频扼流圈(RF choke)L1而与电源电压相连。耦合到该集电极上的还有隔直流电容器(DCblocking capacitor)C3，该电容器形成了振荡器电路的RF输出信号。缓冲晶体管Q2的发射极经由R6、C4的RC并联组合而被接地。缓冲晶体管Q2的基极经由电容器C2连接到晶体管Q1的集电极，并被连接到偏压电阻器R7和R8。
振荡谐振器包括电容C5、电感器L2(以带状线形式实现)、变容二极管D以及电容C6，如所示，它们以一种“pi”连接。电感器和变容二极管并联接地，并且占据pi结构的“腿部”。而电容器则占据Pi结构中伸出的“臂部”。调谐电压VTUNE经由串联电感器L3和分路电容器Cbp供给到变容二极管上。
需要注意的是，经由电容器C5和C6，一方面，振荡谐振器被电容连接到振荡晶体管Q1的集电极，另一方面，它被连接到振荡晶体管Q1的基极。这种电容性耦合可以使谐振器负载最小。
在图2的电路中，振荡将会在开环相位延迟为2nπ时产生，其中n为整数。
在微波频率上，穿过Q1的相位延迟并不理想。理想的相位延迟为180°，然而例如，由于寄生(parasitic)，实际中得到的相位延迟可以在例如110°到135°的范围内。各种不同的相位补偿技术可用于增加相位移，其中包括例如更高带宽设备(higher-bandwidth)的使用，例如FET；延迟线的使用；正确调整复合相位的解谐谐振器等等。前述选择各有弊端。FET具有不良的1/f噪声。延迟线体积大(bulky)。为更多相位移的解谐谐振器降低了品质因数，并因此降低了相位噪声。因此，这些选择中没有一个具有显著优点。
图2所示电路具有复阻抗，由此具有电势，其既影响RF增益又影响相位移，该电路允许设计者能在增益和相位移之间做出权衡。通常，在那些将解谐谐振器技术用于相位补偿的地方，C1被选择作为所关注频率(frequency of interest)的支路，结果使增益最大，而相位移则可忽略。图3显示了这种电路的相位噪声曲线图，在100KHZ处，相位噪声达到了-110.08dbc/Hz。
图4显示了电路的开环增益和相位特征。需要注意的是，最大增益(谐振器“甜点”)大约是3.5dB，真正大于振荡所需要的单位增益。增加的增益是需要的。因为在操作中，谐振器将被解谐(也就是说，谐振从所关注频率离开)，用于如前所述的相位补偿。在C1被选作旁路的情况下，相位特征给出了多数应用可以接受的有效品质因数(Q factor)。然而，对那些需要高频谱纯度的信号，诸如一些2G和3G蜂窝无线电话信号来说，持续噪声的改善已经被探寻。
用于降低相位噪声的其他技术包括增加谐振器品质因数以及在更高电压上工作。增加谐振器品质因数包括增加L与C的比率。随着L增加，谐振器的尺寸也会增加。当C被降低并且更为接近电路中寄生电容范围的时候，调谐范围将被缩小。在更高电压上工作将会增加功耗。此外，这些选择并不是非常有效。
因而，需要一种能以最低费用获取实际相位噪声改善的技术。
图4是一个现有技术中的振荡器电路的开环增益和相位特征的曲线图；图5是修改后的振荡器电路的开环增益和相位特征的曲线图；图6是修改后的振荡器电路在一个解谐条件下的相位噪声的曲线图；以及图7是修改后的振荡器电路在另一个解谐条件下的相位噪声的曲线图。
图5为修改后振荡器电路的相位特征和增益的曲线图。图5中可以看到，修改振荡器电路导致增益实际降低到稍大于单位增益(0dB)。然而，需要注意的是，谐振频率与相位曲线拐点的最大斜率一致。振荡器电路在该点附近的操作将导致电路工作在该曲线的最低相位噪声区域内部。
示例图2的振荡器电路使用如下组件参数建立表一
然后，振荡器电路被测试。使用并联电容(C1＝20pf)，振荡器电路显示出922MHz的谐振频率，在100KHz偏移处测得的相位噪声＝-110dBc/Hz。
电容C1被6.8pf的电容所取代。解谐电压保持与先前设定相同。振荡电路显示出一个939MHz的谐振频率。在100KHz偏移处测得的相位噪声是-122.5dB，提高了2.5dB。
在C1＝6.8pf的情况下，调谐电压被调整，从而产生一个与在初始试验时相同的频率922MHz。在100KHz偏移处测得的相位噪声是-115.4dBc/Hz，提高了5.4dB。这些结果被总结如下表二
表三
前述实例中获得的相位噪声减少在图6和图7中被描述，它们分别对应于前述调谐条件。基于上述结果，使用本发明的技术所能获得的改进，其范围可在3-6dB之内，这是一个非常显著的改进。
因此，这里所描述的是一种具有改进相位噪声特征的振荡器电路。相位噪声的改进不需要高质量的谐振电路，也不需要增加任何组件或区域，而是可以通过正确调整组件参数来简单获得。
本领域普通技术人员可以预见到，本发明可以以其他特定形式来实现，而不背离本发明的精神或实质。因此，当前公开的实施例在各个方面均被认为是说明性而不是限制性的。本发明的范围由附加的权利要求，而不是以上描述来指示，并且，所有处于等价物意图和范围内的修改都被认为是包含在其中。
权利要求
1.一种振荡器电路，包括一谐振电路；以及一与谐振电路耦合的再生元件(regenerative element)，其具有反馈通路，包括一个在所关注频率显示出实际电抗的阻抗；其中所述阻抗导致所述再生元件的相位移，降低了所述再生元件增益，增加了所述谐振器的有效品质因数，由此降低了振荡器电路的相位噪声。
2.根据权利要求1所述的装置，其中所述再生元件为晶体管。
3.根据权利要求2所述的装置，其中所述晶体管为NPN晶体管。
4.根据权利要求3所述的装置，其中所述阻抗包括并联的RC组合。
5.根据权利要求4所述的装置，其中所述阻抗被耦合在所述晶体管的发射极和参考电位(基准电位)之间。
6.根据权利要求1所述的装置，还包括一个与所述再生元件和谐振器电路耦合的缓冲级，所述缓冲级产生振荡器的输出信号。
7.根据权利要求6所述的装置，其中所述缓冲级包括一个NPN晶体管。
8.根据权利要求7所述的装置，其中所述谐振电路和所述缓冲级分别电容耦合到所述再生电路上。
全文摘要
本发明一般地讲，通过修改部分振荡器的传递函数，例如，通过增加传递函数的零点，真正降低振荡器相位噪音。修改传递函数降低了振荡器的开环增益，但是得到了理想的相位补偿，并使振荡器能在谐振器谐振而不是非谐振时被运行。在一个实施例中，通过选择一个电容值而不是充当所关注频率的支路以及增加振荡器传递函数的零点并引起频率特征改变，从而修改传递函数，实现振荡器有效品质因数的增加。这种有效品质因数的增加直接导致了相位噪声的降低。相位噪声的改善达到3dB的范围已经被论证。
文档编号H03B5/12GK1449595SQ01814670
公开日2003年10月15日 申请日期2001年8月27日 优先权日2000年8月25日
发明者耶罗利德·李 申请人:特诺皮安公司