一种输出振荡信号幅度稳定的LC压控振荡器的制作方法

一种输出振荡信号幅度稳定的lc压控振荡器
技术领域
1.本发明涉及压控振荡器技术领域，尤其是涉及一种输出振荡信号幅度稳定的lc压控振荡器。


背景技术：

2.压控振荡器(vco)是一种通过输入电压控制输出信号频率的振荡器电路，评价压控振荡器电路性能优劣的一项重要性能指标是输出振荡信号的相位噪声，一般来说，输出振荡信号的相位噪声越小，则说明压控振荡器输出的振荡信号频率越纯粹。而压控振荡器输出振荡信号的相位噪声与压控振荡器的输出振荡信号幅度值大小呈强正相关，因此当压控振荡器的输出振荡信号幅度值跟随芯片的制造工艺、工作电压、工作温度在一定范围内波动而波动时，压控振荡器输出振荡信号的相位噪声也随之波动，如果波动过大，就可能会使得压控振荡器输出振荡信号的相位噪声不能满足系统需求造成整个系统的性能损失。


技术实现要素：

3.本发明主要是解决现有技术中压控振荡器跟随芯片的制造工艺、工作电压、工作温度在一定范围内波动，存在波动过大会造成系统性能损失的问题，提供了一种输出振荡信号幅度稳定的lc压控振荡器。
4.本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：一种输出振荡信号幅度稳定的lc压控振荡器，包括正极输出端和负极输出端，还包括lc振荡回路、负阻产生电路、幅度检测电路和电压运算单元电路；
5.lc振荡回路、负阻产生电路并联在振荡器两个输出端之间，根据输入控制电压大小产生不同频率的振荡信号；
6.幅度检测电路，并联在振荡器两个输出端之间，幅度检测电路输出端与电压运算单元电路输入端连接，检测输出振荡信号的振荡幅度大小；
7.电压运算单元电路输出端连接负阻产生电路控制端，对检测到的振荡幅度与设定值进行比较，在振荡幅度小于设定值时输出控制信号使负阻产生电路产生更大的负阻，在振荡幅度大于设定值时输出控制信号使负阻产生电路产生较小的负阻。
8.本发明中幅度检测电压和电压运算单元电路共同构成振荡幅度监测反馈电路，振荡幅度监测反馈电路能够监测lc振荡回路和负阻产生电路所产生的振荡信号的振荡幅度大小，如果振荡幅度监测反馈电路监测到振荡信号振荡幅度小于设定值或者没有振荡信号，那么振荡幅度监测反馈电路输出给负阻产生电路的控制电压会使得负阻产生电路产生大的负阻，进而提高lc振荡回路和负阻产生电路所产生的振荡信号的振荡幅度，如果振荡幅度监测反馈电路监测到振荡信号振荡幅度大于设定值，那么振荡幅度监测反馈电路输出给负阻产生电路的控制电压会使得负阻产生电路产生一个小的负阻，最终lc振荡回路和负阻产生电路所产生的振荡信号的振荡幅度将稳定在压控振荡器电路设计人员所设计的设定值。振荡幅度监测反馈电路对lc振荡回路和负阻产生电路所产生的振荡信号的振荡幅度
的调整过程在芯片工艺波动、压控振荡器供电电压波动以及压控振荡器工作温度波动时均会自动进行，这样压控振荡器电路设计人员只需要设定好合适的振荡幅度大小就可以使压控振荡器在制造工艺、工作电压、工作温度在一定范围内波动时，压控振荡器输出振荡信号的相位噪声性能保持稳定。
9.作为一种优选方案，所述电压运算单元电路包括运算放大器oa1、运算放大器oa2、电阻r7、电阻r8，运算放大器oa1正极输入端与幅度检测电路输出端连接，运算放大器oa1负极输入端与运算放大器oa1输出端连接，运算放大器oa1输出端连接到运算放大器oa2正极输入端，运算放大器oa2负极输入端分别连接电阻r7一端、电阻r8一端，电阻r7另一端连接输入电压端口vref，电阻r8另一端连接运算放大器oa2输出端，运算放大器oa2输出端与负阻产生电路控制端相连。接收检测到的振荡幅度，如果检测到振荡幅度过小就通过振荡幅度监测反馈电路控制负阻产生电路产生一个更大的负阻，如果检测到振荡幅度过大则通过振荡幅度监测反馈电路控制负阻产生电路产生更大的一个更小的负阻，这样可以使得lc压控振荡器的振荡幅度保持在一个最优值，进而使lc压控振荡器的相位噪声性能保持在一个最优值。
10.作为一种优选方案，所述幅度检测电路包括晶体管m3、晶体管m4、电容c7，晶体管m3源极、晶体管m4源极、电容c7正极分别连接在一起形成幅度检测电路输出端，晶体管m3漏极分别与晶体管m4栅极、振荡器负极输出端连接，晶体管m4漏极分别与晶体管m3栅极、振荡器正极输出端连接，电容c7负极接地。
11.作为一种优选方案，所述lc振荡回路包括电感、可变电容电路和固定电容阵列，电感、可变电容电路、固定电容阵列都并联在振荡器两个输出端之间。
12.作为一种优选方案，所述可变电容电路包括可变电容cvar1、可变电容cvar2、交流耦合电容c1、交流耦合电容c2、电阻r1、电阻r2，可变电容cvar1正极、可变电容cvar2正极分别连接振荡输入电压端，可变电容cvar1负极通过连接电阻r1后连接输入偏置电压，可变电容cvar2负极通过连接电阻r2后连接输入偏置电压，交流耦合电容c1一端连接可变电容cvar1负极，交流耦合电容c1另一端连接振荡器正极输出端，交流耦合电容c2一端连接可变电容cvar2负极，交流耦合电容c2另一端连接振荡器负极输出端。当振荡输入电压端v
ctrl
输入的电压变化时，可变电容电路接入lc振荡回路的电容值也会改变，使得负极输出端v
outn
和正极输出端v
outp
的振荡频率发生改变。
13.作为一种优选方案，所述固定电容阵列包括多个并联的固定电容单元电路和控制固定电容单元电路切换的输入信号，固定电容单元电路包括晶体管m5、固定电容c5、固定电容c6、电阻r5、电阻r6、反相器inv1，晶体管m5源极分别连接电阻r5一端、固定电容c5一端，固定电容c5另一端连接振荡器正极输出端，电阻r5另一端连接反相器inv1输入端，晶体管m5漏极分别连接电阻r6一端、固定电容c6一端，固定电容c6另一端连接振荡器负极输出端，电阻r6另一端连接反相器inv1输入端，反相器inv1输出端连接晶体管m5栅极，输入信号与反相器inv1输入端连接。输入信号为数字信号，控制晶体管m5，通过控制晶体管m5的栅极电压，输入的数字信号c[n:0]可以控制各个固定电容单元电路是否接入lc振荡回路。增加lc振荡回路中接入的固定电容单元电路数量可以加大lc振荡回路中的电容，进而减小lc压控振荡器的输出信号频率；降低lc振荡回路中接入的固定电容单元电路数量则可以减小lc振荡回路中的电容，进而增大lc压控振荡器的输出信号频率。
[0014]
作为一种优选方案，所述负阻产生电路包括晶体管m1、晶体管m2、交流耦合电容c3、交流耦合电容c4、电阻r3、电阻r4，晶体管m1源极和晶体管m2源极接地，晶体管m1漏极分别连接交流耦合电容c3正极、振荡器正极输出端，晶体管m2漏极分别连接交流耦合电容c4正极、振荡器负极输出端，晶体管m1栅极分别连接电阻r3一端、交流耦合电容c4负极，晶体管m2栅极分别连接电阻r4一端、交流耦合电容c3负极，电阻r3另一端与电阻r4另一端相连形成负阻产生电路控制端。负阻产生电路中晶体管m1和晶体管m2构成交叉耦合对结构，交叉耦合对晶体管m1和m2产生负阻，抵消掉电感、可变电容电路和固定电容阵列构成的lc谐振腔中的寄生正电阻，使得压控振荡器在负极输出端v
outn
和正极输入端v
outp
输出振荡频率为的信号。该负阻值大小受电压运算单元电路输出端vfb信号控制。
[0015]
因此，本发明的优点是：增加电压运算单元电路，幅度检测电压和电压运算单元电路共同构成振荡幅度监测反馈电路，振荡幅度监测反馈电路能够监测lc振荡回路和负阻产生电路所产生的振荡信号的振荡幅度大小，检测到振荡幅度过小就通过振荡幅度监测反馈电路控制负阻产生电路产生一个更大的负阻，如果检测到振荡幅度过大则通过振荡幅度监测反馈电路控制负阻产生电路产生更大的一个更小的负阻，可以使得lc压控振荡器的振荡幅度保持在一个最优值，进而使lc压控振荡器的相位噪声性能保持在一个最优值。
附图说明
[0016]
图1是本发明的一种原理框示图；
[0017]
图2是本发明中可变电容电路的一种电路结构示意图；
[0018]
图3是本发明中固定电容单元的一种电路结构示意图；
[0019]
图4是本发明的一种电路结构示意图。
[0020]
1-lc振荡回路2-负阻产生电路3-幅度检测电路4-电压运算单元电路5-可变电容电路6-固定电容阵列。
具体实施方式
[0021]
下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。
[0022]
实施例：
[0023]
本实施例一种输出振荡信号幅度稳定的lc压控振荡器，如图1和图4所示，振荡器包括正极输出端v
outp
、负极输出端v
outn
、输入电压端v
ctrl
、lc振荡回路1、负阻产生电路2、幅度检测电路3和电压运算单元电路4。lc振荡回路、负阻产生电路、幅度检测电路分别并联在振荡器两个输出端之间，lc振荡回路、负阻产生电路根据输入控制电压大小产生不同频率的振荡信号。幅度检测电路输出端vdect与电压运算单元电路输入端连接，检测输出振荡信号的振荡幅度大小。电压运算单元电路输出端vfb连接负阻产生电路控制端，对检测到的振荡幅度与设定值进行比较，在振荡幅度小于设定值时输出控制信号使负阻产生电路产生更大的负阻，在振荡幅度大于设定值时输出控制信号使负阻产生电路产生较小的负阻。幅度检测电压和电压运算单元电路共同构成振荡幅度监测反馈电路，振荡幅度监测反馈电路能够监测lc振荡回路和负阻产生电路所产生的振荡信号的振荡幅度大小，如果振荡幅度监测反馈电路监测到振荡信号振荡幅度小于设定值或者没有振荡信号，那么振荡幅度监测反馈电路输出给负阻产生电路的控制电压会使得负阻产生电路产生大的负阻，进而提高lc振荡
回路和负阻产生电路所产生的振荡信号的振荡幅度，如果振荡幅度监测反馈电路监测到振荡信号振荡幅度大于设定值，那么振荡幅度监测反馈电路输出给负阻产生电路的控制电压会使得负阻产生电路产生一个小的负阻，最终lc振荡回路和负阻产生电路所产生的振荡信号的振荡幅度将稳定在压控振荡器电路设计人员所设计的设定值。振荡幅度监测反馈电路对lc振荡回路和负阻产生电路所产生的振荡信号的振荡幅度的调整过程在芯片工艺波动、压控振荡器供电电压波动以及压控振荡器工作温度波动时均会自动进行，这样压控振荡器电路设计人员只需要设定好合适的振荡幅度大小就可以使压控振荡器在制造工艺、工作电压、工作温度在一定范围内波动时，压控振荡器输出振荡信号的相位噪声性能保持稳定。
[0024]
lc振荡回路包括电感、可变电容电路5和固定电容阵列6，电感、可变电容电路5、固定电容阵列6都并联在振荡器两个输出端之间。
[0025]
如图2所示，可变电容电路包括可变电容cvar1、可变电容cvar2、交流耦合电容c1、交流耦合电容c2、电阻r1、电阻r2，可变电容cvar1正极、可变电容cvar2正极分别连接振荡输入电压端v
ctrl
，可变电容cvar1负极通过连接电阻r1后连接输入偏置电压v
b1
，可变电容cvar2负极通过连接电阻r2后连接输入偏置电压v
b1
，交流耦合电容c1一端连接可变电容cvar1负极，交流耦合电容c1另一端连接振荡器正极输出端v
outp
，交流耦合电容c2一端连接可变电容cvar2负极，交流耦合电容c2另一端连接振荡器负极输出端v
outn
。
[0026]
固定电容阵列包括多个并联的固定电容单元电路和控制固定电容单元电路切换的输入信号c[n:0]，如图3所示，固定电容单元电路包括晶体管m5、固定电容c5、固定电容c6、电阻r5、电阻r6、反相器inv1，晶体管m5源极分别连接电阻r5一端、固定电容c5一端，固定电容c5另一端连接振荡器正极输出端v
outp
，电阻r5另一端连接反相器inv1输入端，晶体管m5漏极分别连接电阻r6一端、固定电容c6一端，固定电容c6另一端连接振荡器负极输出端v
outn
，电阻r6另一端连接反相器inv1输入端，反相器inv1输出端连接晶体管m5栅极，输入信号与反相器inv1输入端连接。输入信号为数字信号，控制晶体管m5，通过控制晶体管m5的栅极电压，输入的数字信号c[n:0]可以控制各个固定电容单元电路是否接入lc振荡回路。增加lc振荡回路中接入的固定电容单元电路数量可以加大lc振荡回路中的电容，进而减小lc压控振荡器的输出信号频率；降低lc振荡回路中接入的固定电容单元电路数量则可以减小lc振荡回路中的电容，进而增大lc压控振荡器的输出信号频率。
[0027]
负阻产生电路包括晶体管m1、晶体管m2、交流耦合电容c3、交流耦合电容c4、电阻r3、电阻r4，晶体管m1源极和晶体管m2源极接地，晶体管m1漏极分别连接交流耦合电容c3正极、振荡器正极输出端v
outp
，晶体管m2漏极分别连接交流耦合电容c4正极、振荡器负极输出端v
outn
，晶体管m1栅极分别连接电阻r3一端、交流耦合电容c4负极，晶体管m2栅极分别连接电阻r4一端、交流耦合电容c3负极，电阻r3另一端与电阻r4另一端相连形成负阻产生电路控制端。晶体管m1和晶体管m2构成交叉耦合对结构，交叉耦合对晶体管m1和m2产生负阻，抵消掉电感、可变电容电路和固定电容阵列构成的lc谐振腔中的寄生正电阻，该负阻值大小受电压运算单元电路输出端vfb信号控制。
[0028]
如图4所示，幅度检测电路包括晶体管m3、晶体管m4、电容c7，晶体管m3源极、晶体管m4源极、电容c7正极分别连接在一起形成幅度检测电路输出端vdect，晶体管m3漏极分别与晶体管m4栅极、振荡器负极输出端v
outn
连接，晶体管m4漏极分别与晶体管m3栅极、振荡器正极输出端v
outp
连接，电容c7负极接地。
[0029]
电压运算单元电路包括运算放大器oa1、运算放大器oa2、电阻r7、电阻r8，运算放大器oa1正极输入端与幅度检测电路输出端vdect连接，运算放大器oa1负极输入端与运算放大器oa1输出端连接，运算放大器oa1输出端连接到运算放大器oa2正极输入端，运算放大器oa2负极输入端分别连接电阻r7一端、电阻r8一端，电阻r7另一端连接输入电压端口vref，电阻r8另一端连接运算放大器oa2输出端，运算放大器oa2输出端作为电压运算单元电路输出端vfb与负阻产生电路控制端相连。
[0030]
本实施例电路的工作原理如下：如图4所示，当整个lc压控振荡器刚开始上电时，负阻产生电路中晶体管m1和晶体管m2的栅极电压为0，lc压控振荡器的负极输出端v
outn
和正极输出端v
outp
还未开始振荡，此时两者的电压为vdd。那么幅度监测电路中的晶体管m3和晶体管m4均处于导通状态，晶体管m3和晶体管m4开始给电容c7充电，幅度监测电路输出端vdect电压从0开始不断上升。由于电压运算单元电路中运放oa1的负极输入端和输出端接在一起构成了一个单位增益放大器，因此运放oa1的输出电压和运放oa1正极输入端电压一致，而运放oa2负极输入端经电阻r7连接的输入电压端vref电压为设计人员根据需要设计产生的一个参考电压值vref，由此可以得到运放oa2的输出端vfb电压为因此随着vdect电压不断上升，振荡幅度监测反馈电路的输出电压端口vfb电压不断上升，也就是负阻产生电路中晶体管m1和晶体管m2栅极电压不断上升，这会使得负阻产生电路产生的负阻值不断增加，一旦负阻产生电路产生的负阻值大于lc谐振腔中的寄生正电阻，压控振荡器的两个输出端开始产生振荡信号，此时幅度监测电路开始工作，幅度监测电路中的晶体管m3和晶体管m4在负极输出端v
outn
和正极输出端v
outp
开始振荡后会交替导通使得电容c7上的电压也就是幅度监测电路输出端vdect电压趋近于vdd-vamp，这里vamp代表负极输出端v
outn
和正极输出端v
outp
上振荡信号的振幅大小，而该电压经过电压运算单元电路的运算变换将在输出端口vfb产生电压为变换将在输出端口vfb产生电压为的信号给负阻产生电路中晶体管m1和晶体管m2的栅极，最终负阻产生电路中晶体管m1和晶体管m2的栅极电压将稳定在这么一个电压值上。由晶体管m1和晶体管m2的栅极电压的表达式我们可以发现，当lc压控振荡器的电源电压发生波动而导致lc压控振荡器输出端振荡信号幅度波动时，晶体管m1和晶体管m2的栅极电压表达式中的vdd波动和vamp波动将会相互抵消，进而使得lc压控振荡器输出振荡信号幅度稳定在设计者所设计的大小上，同理可知，当通过合理的设计使设定的vref电压同工艺偏差和温度变化的相关性与vamp同工艺偏差和温度变化的相关性相反时，晶体管m1和晶体管m2的栅极电压表达式中工艺偏差和温度变化导致的vamp波动和vref波动将会相互抵消，这样本发明实施例就可以在制造工艺、工作电压、工作温度在一定范围内波动时，依然能够保证输出振荡信号幅度稳定，并提供输出相位噪声性能稳定的振荡信号。
[0031]
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
[0032]
尽管本文较多地使用了lc振荡回路、负阻产生电路、幅度检测电路、电压运算单元电路等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述
和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。