一种变压器耦合的正交压控振荡器的制作方法

本实用新型涉及压控振荡器技术领域，具体涉及一种变压器耦合的正交压控振荡器。

背景技术：

随着移动通信芯片朝着低成本、低功耗、小尺寸方向的发展，镜像抑制、低中频和零中频架构越来越多的被射频收发芯片所采用，因此，高精度I/Q正交振荡器越发显得重要。

实现正交四相位的I/Q信号，有多种方法，例如：SCL二分频电路、RC-RC移相器、环形振荡器以及有源晶体管注入电路和无源耦合电路。

SCL二分频电路，需要工作在两倍频率处，因此产生的功耗较大。RC-RC移相器技术的缺点是无源网络产生信号衰减，以及R/C值由于工艺的偏差带来的I/Q信号相位和幅度的不匹配。偶数级的环形振荡器可以直接产生正交信号，但是相位噪声太大，限制了其在产品及的应用。

晶体管注入振荡器由于其出色的相位噪声、较大的调谐范围，受到产品级应用的青睐。实现方法是将两个完全相同的压控振荡器(VCO)，通过晶体管注入耦合，将四个输出信号的电路节点强行钳制在I+、I-、Q+和Q-四个相位。晶体管注入耦合有两种方式：并联式和串联式。

图1是传统的一种并联式晶体管注入正交振荡器的组成示意图。如图1所示，并联式晶体管注入结构存在两个缺点：1.并联注入的晶体管消耗额外的电流，产生额外的功耗；2.并联的晶体管在信号输出的四个节点，产生寄生电容，这些寄生电容会限制压控振荡器的频率调谐范围。

为了克服并联式结构的天生缺陷，人们又提出了一种新的串联式晶体管注入结构。图2是传统的一种串联式晶体管注入正交振荡器的组成示意图。如图2所示，该方法采用晶体管叠加技术，在产生负阻的晶体管对上面再叠加一个电流注入晶体管，产生正交四相位信号输出。这种串联式的结构避免的并联式结构的两个缺陷，但是引入一个新的问题，就是由于晶体管的叠加，需要消耗多余的压降，在信号输出节点产生的输出电压摆幅降低，对后级电路模块，例如混频器的驱动电压降低，会给后级电路造成增益降低、噪声系数增加等问题。

技术实现要素：

针对上述问题，本实用新型实施例拟提供一种新的变压器耦合的正交压控振荡器。

本实用新型实施例提供了一种变压器耦合的正交压控振荡器，包括：第一压控振荡器、第二压控振荡器，所述第一压控振荡器和所述第二压控振荡器通过连接在其电路中的四个变压器的初级线圈和次级线圈关联，实现正交的四相位信号输出。

进一步地，所述第一压控振荡器包括：第一变压器初级线圈，一端连接电源；第一晶体管，漏极连接所述第一变压器初级线圈的另一端；第三变压器初级线圈，一端连接所述电源；第三晶体管，漏极连接所述第三变压器初级线圈的另一端；第二变压器次级线圈，一端连接所述第一晶体管的漏极；另一端连接所述第三晶体管的栅极；第四变压器次级线圈，一端连接所述第三晶体管的漏极；另一端连接所述第一晶体管的栅极；第一电容器，一端连接在所述第一晶体管的漏极，另一端连接控制电压；第一电容器，一端连接在所述第一晶体管的漏极，另一端连接所述控制电压；第一电流源，一端连接所述第一晶体管的源级和所述第三晶体管的源极，另一端连接电源地。

进一步地，所述第二压控振荡器包括：第二变压器初级线圈，一端连接电源；第二晶体管，漏极连接所述第二变压器初级线圈的另一端；第四变压器初级线圈，一端连接所述电源；第四晶体管，漏极连接所述第四变压器初级线圈的另一端；第三变压器次级线圈，一端连接所述第二晶体管的漏极；另一端连接所述第四晶体管的栅极；第一变压器次级线圈，一端连接所述第四晶体管的漏极；另一端连接所述第二晶体管的栅极；第三电容器，一端连接在所述第二晶体管的漏极，另一端连接控制电压；第四电容器，一端连接在所述第四晶体管的漏极，另一端连接所述控制电压；第二电流源，一端连接所述第二晶体管的源级和所述第四晶体管的源极，另一端连接电源地。

进一步地，所述第一晶体管、所述第二晶体管、所述第三晶体管、所述第四晶体管均为NMOS管。

进一步地，所述第一电容器、第二电容器、第三电容器、第四电容器包括固定电容器或变容器。

进一步地，所述第一电容器、第二电容器、第三电容器、第四电容器的电容值相等。

进一步地，所述变容器的电容值基于所述控制电压的控制而改变，进行输出信号的频率调制。

进一步地，所述变压器的初级线圈与所述电容器谐振。

进一步地，通过改变所述变压器的耦合系数可以改变其连接的晶体管栅极的电压的相位和幅值。

进一步地，通过改变所述变压器的线圈比和叠层结构可以改变所述变压器的耦合系数。

本实用新型实施例提供的一种变压器耦合的正交压控振荡器，采用无源的变压器耦合技术，既不会消耗多余的电流，也不会牺牲输出电压摆幅空间，由于没有引入额外的寄生电容，所以频率调谐范围也不会受到影响，非常适合当前的低电压、低功耗、高性能的发展趋势。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是传统的一种并联式晶体管注入正交振荡器的组成示意图；

图2是传统的一种串联式晶体管注入正交振荡器的组成示意图；

图3是本实用新型一实施例提供的一种变压器耦合的正交压控振荡器的组成示意图；

图4是本实用新型一实施例提供的一种变压器耦合的正交压控振荡器的电路模型；

图5是图4的电路模型的晶体管栅极电压矢量图。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，以下将结合附图和实施例，对本实用新型技术方案的具体实施方式进行更加详细、清楚的说明。然而，以下描述的具体实施方式和实施例仅是说明的目的，而不是对本实用新型的限制。其只是包含了本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例，本领域技术人员对于本实用新型的各种变化获得的其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

应该理解的是，虽然第一、第二、第三等用语可使用于本文中用来描述各种元件或组件，但这些元件或组件不应被这些用语所限制。这些用语仅用以区分一个元件或组件与另一元件或组件。因此，下述讨论之第一元件或组件，在不脱离本实用新型之内容下，可被称为第二元件或第二组件。

图3是本实用新型一实施例提供的一种变压器耦合的正交压控振荡器的组成示意图。该变压器耦合的正交压控振荡器包括第一压控振荡器、第二压控振荡器，第一压控振荡器和第二压控振荡器通过连接在其电路中的四个变压器的初级线圈和次级线圈关联到一起，实现正交的四相位信号输出(I+、I-、Q+、Q-)。

第一压控振荡器包括：第一变压器初级线圈T1,p、第一晶体管M1、第三变压器初级线圈T3,p、第三晶体管M3、第二变压器次级线圈T2,s、第四变压器次级线圈T4,s、第一电容器C1、第二电容器C2。

第一变压器初级线圈T1,p的一端连接电源，第一晶体管的漏极连接第一变压器初级线圈T1,p的另一端。第三变压器初级线圈T3,p的一端连接电源，第三晶体管M3的漏极连接第三变压器初级线圈T3,p的另一端。第二变压器次级线圈T2,s的一端连接第一晶体管M1的漏极；另一端连接第三晶体管M3的栅极。第四变压器次级线圈T4,s的一端连接第三晶体管M3的漏极；另一端连接第一晶体管M1的栅极。第一电容器C1的一端连接在第一晶体管M1的漏极，另一端连接控制电压Vct；第二电容器C2的一端连接在第三晶体管M3的漏极，另一端连接控制电压Vct。第一电流源Is1的一端连接第一晶体管M1的源级和第三晶体管M3的源极，另一端连接电源地。

第二压控振荡器包括：第二变压器初级线圈T2,p、第二晶体管M2、第四变压器初级线圈T4,p、第四晶体管M4、第一变压器次级线圈T1,s、第三变压器次级线圈T3,s、第三电容器C3、第四电容器C4。

第二变压器初级线圈T2,p的一端连接电源，第二晶体管M2的漏极连接第二变压器初级线圈T2,p的另一端。第四变压器初级线圈T4,p的一端连接电源，第四晶体管M4的漏极连接第四变压器初级线圈T4,p的另一端。第三变压器次级线圈T3,s的一端连接第二晶体管M2的漏极，另一端连接第四晶体管M4的栅极。第一变压器次级线圈T1,s的一端连接第四晶体管M4的漏极，另一端连接第二晶体管M2的栅极。第三电容器C3的一端连接在第二晶体管M2的漏极，另一端连接控制电压Vct。第四电容器C4的一端连接在第四晶体管M4的漏极，另一端连接控制电压Vct。第二电流源Is2的一端连接第二晶体管M2的源级和第四晶体管M4的源极，另一端连接电源地。

第一晶体管M1、第二晶体管M2、第三晶体管M3、第四晶体管M4均为NMOS管。

第一电容器C1、第二电容器C2、第三电容器C3、第四电容器C4包括固定电容器或变容器。第一电容器C1、第二电容器C2、第三电容器C3、第四电容器C4的电容值相等。

该变压器耦合的正交压控振荡器采用两个完全相同的压控振荡器和四个变压器来实现四个相位的信号输出，采用相位耦合注入，强制将两组相位互相钳制，锁定在四个相位。四个电容器选择变容器时，变容器的电容值基于控制电压Vct的控制而改变，用来实现频率调谐，进行输出信号的频率调制。四个NMOS晶体管用于负阻的产生和电流沉。四个变压器的初级线圈(T1,p,T2,p,T3,p and T4,p)，同时作为振荡器的电感与电容器谐振，变压器的次级线圈(T1,s,T2,s,T3,s and T4,s)串联于另一个晶体管交叉耦合对的晶体管栅极。

图4是本实用新型一实施例提供的一种变压器耦合的正交压控振荡器的电路模型。

如图4所示，其中Rp是振荡器的等效并联电阻，-Gm,M1～-Gm,M4是NMOS交叉耦合对产生的负跨导，该负阻(负跨导)补偿了LC tank网络的等效寄生电阻Rp，使得该电路能持续不断的将DC电流转换为RF振荡信号，RF振荡产生的信号通过LC tank的选频，输出我们所希望的频率。其中，T1,p与-Gm,M2耦合，T2,p与-Gm,M3耦合，T3,p与-Gm,M4耦合，T4,p与-Gm,M1耦合。

图5是图4的电路模型的晶体管栅极电压矢量图。

如图5所示，Q+信号通过变压器耦合到晶体管M1栅极上面，并与I+信号叠加。晶体管漏级电压矢量图变压器耦合信号以及耦合后产生的新矢量图耦合之后的栅极电压矢量图的相位和幅度取决于变压器的耦合系数。通过改变变压器的线圈比和叠层结构可以改变变压器的耦合系数。通过改变变压器的耦合系数可以改变其连接的晶体管栅极的电压的相位和幅值。

通过优化变压器的线圈比、叠层结构，可以设计最优耦合强度，达到最大的调谐范围，最低的相位噪声。

需要说明的是，以上参照附图所描述的各个实施例仅用以说明本实用新型而非限制本实用新型的范围，本领域的普通技术人员应当理解，在不脱离本实用新型的精神和范围的前提下对本实用新型进行的修改或者等同替换，均应涵盖在本实用新型的范围之内。此外，除上下文另有所指外，以单数形式出现的词包括复数形式，反之亦然。另外，除非特别说明，那么任何实施例的全部或一部分可结合任何其它实施例的全部或一部分来使用。