考毕兹振荡电路、锁相环电路及电子设备的制作方法

1.本发明涉及晶体振荡器技术领域，具体涉及一种考毕兹振荡电路、锁相环电路及电子设备。


背景技术：

2.压控振荡器(voltage-controlled oscillator，vco)是频率源系统中工作频率最高的模块，它是将直流(dc)能量转变为交流(ac)波形的非线性电路。vco是频率源的核心模块，它决定了频率源的一些关键性能，一个合理的vco设计是实现频率源系统的良好性能的前提条件。压控振荡器是构成锁相环(pll)的主要电路之一，由压控振荡器构成的锁相环电路在发射机中提供载波信号，在接收机中提供本振信号与射频信号进行混频。在无线通信中，尤其在专业无线通信领域，要求压控振荡器在保证相位噪声性能的同时，还要有宽的频率范围。
3.考毕兹(colpitts)振荡器属于电容三点式lc振荡电路，它是由美国工程师colpitts首次提出的振荡电路结构。考毕兹振荡器具有优异的相位噪声性能，被广泛应用于频率源、锁相环、频率综合器等各种电路中。传统的单端考毕兹振荡器在集成电路中，尤其是在射频集成电路中易受各种因素干扰，因此现有设计中常采用具备较为优异的抗干扰性能的差分结构的考毕兹振荡器。
4.在实际应用场景下，一个考毕兹振荡器往往需要驱动多个后级电路模块，比如在无线收发机中，如图1所示，考毕兹振荡电路30需要驱动接收混频器40，同时还需要驱动分频器50。而传统的差分考毕兹振荡器的谐振回路只能提供一路输出驱动。同时，现有的考毕兹振荡器在输出驱动级需要多个独立的驱动放大器来驱动这些后级电路模块，这无疑将增加系统的整体功耗。
5.因此，有必要提供改进的技术方案以克服现有技术中存在的以上技术问题。


技术实现要素：

6.为了解决上述技术问题，本发明提供了一种考毕兹振荡电路、锁相环电路及电子设备，可以低功耗地实现多路差分输出信号。
7.根据本公开第一方面，提供了一种考毕兹振荡电路，包括：第一晶体管和第二晶体管；
8.第一电容，连接于所述第一晶体管的第一端与第二端之间；
9.第二电容，连接于所述第二晶体管的第一端与第二端之间；
10.第三电容和第四电容，所述第三电容和所述第四电容依次串联的连接于所述第一晶体管的第二端与所述第二晶体管的第二端之间；
11.电流源，用于为所述考毕兹振荡电路提供偏置电流；
12.第一磁耦合元件，所述第一磁耦合元件的第一端与所述第一晶体管的第一端连接，所述第一磁耦合元件的第二端与所述第二晶体管的第一端连接，所述第一磁耦合元件
的第三端和第四端提供所述考毕兹振荡电路的第一差分输出信号。
13.可选地，所述第一磁耦合元件包括变压器、耦合微带线中的任一。
14.可选地，所述第一晶体管和所述第二晶体管均为场效应晶体管，所述第一晶体管和所述第二晶体管的第一端均为栅极，所述第一晶体管和所述第二晶体管的第二端均为源极，所述第一晶体管和所述第二晶体管的第三端均为漏极；或者
15.所述第一晶体管和所述第二晶体管均为双极型晶体管和异质结双极型晶体管中的任一，所述第一晶体管和所述第二晶体管的第一端均为基极，所述第一晶体管和所述第二晶体管的第二端均为发射极，所述第一晶体管和所述第二晶体管的第三端均为集电极。
16.可选地，还包括：
17.第三晶体管，所述第三晶体管的第二端与所述第一晶体管的第三端连接；
18.第四晶体管，所述第四晶体管的第二端与所述第二晶体管的第三端连接，所述第四晶体管的第一端与所述第三晶体管的第一端连接；
19.第二磁耦合元件，所述第二磁耦合元件的第一端与所述第三晶体管的第三端连接，所述第二磁耦合元件的第二端与所述第四晶体管的第三端连接，所述第二磁耦合元件于第一端和第二端之间接收供电电压，并于其第三端和第四端提供所述考毕兹振荡电路的第二差分输出信号。
20.可选地，所述第二磁耦合元件包括变压器、耦合微带线中的任一。
21.可选地，所述第三晶体管和所述第四晶体管均为场效应晶体管，所述第三晶体管和所述第四晶体管的第一端均为栅极，所述第三晶体管和所述第四晶体管的第二端均为源极，所述第三晶体管和所述第四晶体管的第三端均为漏极；或者
22.所述第三晶体管和所述第四晶体管均为双极型晶体管和异质结双极型晶体管中的任一，所述第三晶体管和所述第四晶体管的第一端均为基极，所述第三晶体管和所述第四晶体管的第二端均为发射极，所述第三晶体管和所述第四晶体管的第三端均为集电极。
23.可选地，还包括：
24.第三磁耦合元件，所述第三磁耦合元件的第一端与所述第一晶体管的第二端连接，所述第三磁耦合元件的第二端与所述第二晶体管的第二端连接，所述第三磁耦合元件的第三端和第四端提供所述考毕兹振荡电路的第三差分输出信号。
25.可选地，所述第三磁耦合元件包括变压器、耦合微带线中的任一。
26.根据本公开第二方面，提供了一种锁相环电路，包括：如上所述的考毕兹振荡电路，提供至少一路的差分输出信号；
27.分频器，对所述考毕兹振荡电路输出的第一路差分输出信号进行分频后输出；
28.鉴频鉴相器，接收所分频后的所述第一路差分输出信号并进行相位比较，输出比较后的相位差信号；
29.滤波器，对比较后的相位差信号进行滤波后输出至所述考毕兹振荡电路；
30.混频器，接收所述考毕兹振荡电路输出的第二路差分输出信号。
31.根据本公开第三方面，提供了一种电子设备，包括：如上所述的考毕兹振荡电路，提供至少一路的差分输出信号。
32.本发明的有益效果至少包括：
33.本发明实施例的考毕兹振荡电路通过磁耦合的方式将晶体管的能量传输至第一
磁耦合元件的次级部分，实现了差分信号的无源输出，使得在考毕兹振荡器的输出驱动级无需再设置独立的驱动放大器即可驱动后级电路模块，降低了系统的整体功耗。
34.在优选的实施例中，考毕兹振荡器还包括具有第二磁耦合元件的差分负载单元，基于第二磁耦合元件的磁耦合输出，实现了考毕兹振荡器的低功耗两路差分信号输出。
35.在优选的实施例中，设置第三磁耦合元件作为考毕兹振荡器的差分反馈单元，基于第三磁耦合元件的磁耦合输出，实现了考毕兹振荡器的低功耗三路差分信号输出。
36.应当说明的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本发明。
附图说明
37.图1示出根据本发明实施例提供的一种锁相环电路的结构示意图；
38.图2示出现有的一种差分考毕兹振荡器的结构示意图；
39.图3示出现有的一种驱动放大器的结构示意图；
40.图4示出根据本发明第一实施例提供的考毕兹振荡器的结构示意图；
41.图5示出根据本发明第二实施例提供的考毕兹振荡器的结构示意图；
42.图6示出根据本发明第三实施例提供的考毕兹振荡器的结构示意图。
具体实施方式
43.为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施例。但是，本发明可以通过不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反的，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。
44.如图2所示，现有的差分考毕兹振荡器包括晶体管q1、晶体管q2、电感l1、电容c1～c4和电流源i1。其中，电容c1连接于晶体管q1的发射极和基极之间，电容c2连接于晶体管q2的发射极和基极之间，电容c3和电容c4串联连接于晶体管q1的发射极和晶体管q2的发射极之间，电流源i1连接于晶体管q1的发射极和参考地之间，且晶体管q1和晶体管q2采用共集电极的差分连接方式，并以晶体管q1和晶体管q2的基极作为差分输出信号端out1 /out1-，可以理解的是，图2在示出的考毕兹振荡器只能基于电感l1和电容的谐振输出一路差分输出信号。
45.然而，图2所示出的考毕兹振荡器所输出的差分信号不能直接驱动后级电路或模块，还需要经驱动放大器进行转换后才能用于后级驱动。现有的驱动放大器的结构如图3所示，包括晶体管q3和电流源i2。其中，晶体管q3的集电极接收供电电压，晶体管q3的基极接收图2中考毕兹振荡器输出端的输出信号，晶体管q3的发射极经由电流源i2与参考地连接。且该驱动放大器于晶体管q3的发射极输出驱动后级电路的驱动信号。可以理解的是，该驱动放大器为有源驱动放大器，会增加系统功耗。
46.基于此，本发明实施例提供了一种新的考毕兹震荡电路结构以解决现有技术中存在的上述问题。
47.需要说明的是，本发明所公开的考毕兹振荡器可应用于任何需要振荡电路的电子设备中，以为该电子设备提供至少一路的差分输出信号。
48.如图1所示，该电子设备例如为包含有锁相环电路的无线收发机，该锁相环电路包括：鉴频鉴相器10、滤波器20、考毕兹振荡电路30、分频器40和混频器50。
49.其中，考毕兹振荡电路30用于提供至少一路的差分输出信号。分频器50对考毕兹振荡电路30输出的第一路差分输出信号进行分频后输出。鉴频鉴相器10接收分频器50输出的分频后的第一路差分输出信号，进行相位比较并输出比较后的相位差信号。滤波器20对鉴频鉴相器10输出的比较后的相位差信号进行滤波后输出至考毕兹振荡电路30。混频器40接收考毕兹振荡电路30输出的第二路差分输出信号。
50.本发明第一实施例所提供的考毕兹振荡电路30的电路结构如图4所示，可作为考毕兹振荡电路30的核心电路部分。本实施例中，该考毕兹振荡电路30的核心电路部分为由两个单端考毕兹振荡电路通过共用虚地点的形成组成差分结构，其具体包括：第一晶体管q11、第二晶体管q12、第一电容c11、第二电容c12、第三电容c13、第四电容c14、电流源i11和第一磁耦合元件tr11。其中，第一电容c11连接于第一晶体管q11的第一端与第二端之间。第二电容c12连接于第二晶体管q12的第一端与第二端之间。第三电容c13和第四电容c14依次串联的连接于第一晶体管q11的第二端与第二晶体管q12的第二端之间。电流源i11用于为考毕兹振荡电路30提供偏置电流。第一磁耦合元件tr11的第一端与第一晶体管q11的第一端连接，第一磁耦合元件tr11的第二端与第二晶体管q12的第一端连接，第一磁耦合元件tr11的第三端out1 和第四端out1-提供考毕兹振荡电路30的第一差分输出信号。
51.可选地，本实施例中，第一晶体管q11和第二晶体管q12均为场效应晶体管、双极型晶体管和异质结双极型晶体管(heterojunction bipolar transistor，简称hbt)中的任一。且应当理解的是，当第一晶体管q11和第二晶体管q12均为场效应晶体管(例如nmos场效应晶体管)时，第一晶体管q11和第二晶体管q12的第一端均对应为晶体管的栅极，第一晶体管q11和第二晶体管q12的第二端均对应为晶体管的源极，以及第一晶体管q11和第二晶体管q12的第三端均对应为晶体管的漏极。而第一晶体管q11和第二晶体管q12均为双极型晶体管(例如npn型双极型晶体管)和异质结双极型晶体管中的任一时，第一晶体管q11和第二晶体管q12的第一端均对应为晶体管的基极，第一晶体管q11和第二晶体管q12的第二端均对应为晶体管的发射极，以及第一晶体管q11和第二晶体管q12的第三端均对应为晶体管的集电极。
52.可选地，本实施例中，第一磁耦合元件tr11包括变压器、耦合微带线中的任一。其中，第一磁耦合元件tr11的第一端和第二端分别为其主线圈或主微带线的两端，通过与其它晶体管和/电容连将第一磁耦合元件tr11的主线圈或主微带线连接至考毕兹振荡电路中，形成电路回路；第一磁耦合元件tr11的第三端out1 和第四端out1-分别为其次级线圈或次级微带线的两端，本实施例中作为考毕兹电路30的第一差分输出信号的输出端。
53.本发明实施例中采用第一磁耦合元件tr11作为考毕兹振荡电路30的lc差分谐振回路组件，当考毕兹振荡电路30正常工作时，该第一磁耦合元件tr11的第一端和第二端之间存在振荡电压信号，通过磁耦合的方式，该振荡电压信号可以以无源的方式于第一磁耦合元件tr11的第三端和第四端输出，提供给外部电路，实现了差分信号的无源输出。同时于第一磁耦合元件tr11的第三端out1 和第四端out1-所输出的第一差分输出信号可直接实现对外部电路的驱动，而无需在考毕兹振荡电路的输出端后再额外设置独立的驱动放大器，降低了系统的整体功耗。
54.进一步地，本发明第二实施例所提供的考毕兹振荡电路30的电路结构如图5所示，其基本采用与上述第一实施例中相同的结构，此处不再赘述。本实施例与前述第一实施例的区别之处在于：本实施例中的考毕兹振荡电路30还包括：第三晶体管q13、第四晶体管q14和第二磁耦合元件tr12。其中，第二磁耦合元件tr12的第一端与第三晶体管q13的第三端连接，第二磁耦合元件tr12的第二端与第四晶体管q14的第三端连接，第二磁耦合元件tr12于第一端和第二端之间接收供电电压vcc，并于其第三端out2 和第四端out2-提供考毕兹振荡电路30的第二差分输出信号。第三晶体管q12的第二端与第一晶体管q11的第三端连接。第四晶体管q14的第二端与第二晶体管q12的第三端连接，第四晶体管q14的第一端与第三晶体管q13的第一端连接。
55.可选地，本实施例中，第三晶体管q13和第四晶体管q14均为场效应晶体管、双极型晶体管和异质结双极型晶体管中的任一。且应当理解的是，当第三晶体管q13和第四晶体管q14均为场效应晶体管(例如nmos场效应晶体管)时，第三晶体管q13和第四晶体管q14的第一端均对应为晶体管的栅极，第三晶体管q13和第四晶体管q14的第二端均对应为晶体管的源极，以及第三晶体管q13和第四晶体管q14的第三端均对应为晶体管的漏极。而第三晶体管q13和第四晶体管q14均为双极型晶体管(例如npn型双极型晶体管)和异质结双极型晶体管中的任一时，第三晶体管q13和第四晶体管q14的第一端均对应为晶体管的基极，第三晶体管q13和第四晶体管q14的第二端均对应为晶体管的发射极，以及第三晶体管q13和第四晶体管q14的第三端均对应为晶体管的集电极。
56.可选地，本实施例中，第二磁耦合元件tr12包括变压器、耦合微带线中的任一。其中，第二磁耦合元件tr12的第一端和第二端分别为其主线圈或主微带线的两端，通过与电路中的其它元件例如第三晶体管q13和第四晶体管q14连将第二磁耦合元件tr12的主线圈或主微带线连接至考毕兹振荡电路中，形成电路回路；第二磁耦合元件tr12的第三端out2 和第四端out2-分别为其次级线圈或次级微带线的两端，本实施例中作为考毕兹电路30的第二差分输出信号的输出端。
57.本发明实施例中采用第二磁耦合元件tr12作为考毕兹振荡电路30的差分负载单元，并由第三晶体管q13和第四晶体管q14组成的共基极放大器实现与考毕兹振荡电路30中的核心电路部分间的相互隔离。当考毕兹振荡电路30正常工作时，该第二磁耦合元件tr12的第一端和第二端之间存在振荡电压信号，通过磁耦合的方式，该振荡电压信号可以以无源的方式于第二磁耦合元件tr12的第三端out2 和第四端out2-输出，提供给外部电路，实现了差分信号的无源输出。同时于第二磁耦合元件tr12的第三端out2 和第四端out2-所输出的第二差分输出信号可直接实现对外部电路的驱动，而无需在考毕兹振荡电路的输出端后再额外设置独立的驱动放大器，降低了系统的整体功耗。可以理解的是，基于本实施例中所提供的考毕兹振荡电路结构，可以同时低损耗的实现两路差分信号输出，应用场景更广。
58.进一步地，本发明第三实施例所提供的考毕兹振荡电路30的电路结构如图6所示，其基本采用与上述第一实施例或第二实施例中相同的结构，此处不再赘述。本实施例与前述第一实施例或第二实施例的区别之处在于：本实施例中的考毕兹振荡电路30还包括：第三磁耦合元件tr13。其中，第三磁耦合元件tr13的第一端与第一晶体管q11的第二端连接，第三磁耦合元件tr13的第二端与第二晶体管q12的第二端连接，第三磁耦合元件tr13的第三端out3 和第四端out3-提供考毕兹振荡电路30的第三差分输出信号。
59.可选地，本实施例中，第三磁耦合元件tr13包括变压器、耦合微带线中的任一。其中，第三磁耦合元件tr13的第一端和第二端分别为其主线圈或主微带线的两端，通过与电路中的其它元件例如第一晶体管q11和第二晶体管q12连将第三磁耦合元件tr13的主线圈或主微带线连接至考毕兹振荡电路中，形成电路回路；第三磁耦合元件tr13的第三端out3 和第四端out3-分别为其次级线圈或次级微带线的两端，本实施例中作为考毕兹电路30的第三差分输出信号的输出端。
60.本发明实施例中采用第三磁耦合元件tr13作为考毕兹振荡电路30的差分反馈单元。当考毕兹振荡电路30正常工作时，该第三磁耦合元件tr13的第一端和第二端之间存在振荡电压信号，通过磁耦合的方式，该振荡电压信号可以以无源的方式于第三磁耦合元件tr13的第三端out3 和第四端out3-输出，提供给外部电路，实现了差分信号的无源输出。同时于第三磁耦合元件tr13的第三端out3 和第四端out3-所输出的第三差分输出信号可直接实现对外部电路的驱动，而无需在考毕兹振荡电路的输出端后再额外设置独立的驱动放大器，降低了系统的整体功耗。可以理解的是，基于本实施例中所提供的考毕兹振荡电路结构，可以同时低损耗的实现两路甚至三路差分信号输出，应用场景更广。
61.综上，本发明实施例的考毕兹振荡电路通过磁耦合的方式将晶体管的能量传输至第一磁耦合元件的次级部分，实现了差分信号的无源输出，使得在考毕兹振荡器的输出驱动级无需再设置独立的驱动放大器即可驱动后级电路模块，降低了系统的整体功耗。
62.在优选的实施例中，考毕兹振荡器还包括具有第二磁耦合元件的差分负载单元，基于第二磁耦合元件的磁耦合输出，实现了考毕兹振荡器的低功耗两路差分信号输出。
63.在优选的实施例中，设置第三磁耦合元件作为考毕兹振荡器的差分反馈单元，基于第三磁耦合元件的磁耦合输出，实现了考毕兹振荡器的低功耗三路差分信号输出。
64.最后应说明的是：显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。