CN1254910C - 具有低相位噪声的压控振荡器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种具有低相位噪声的压控振荡器。该压控振荡器包含一LC谐振回路、一负阻产生电路、及一噪声抑制回路，该噪声抑制回路包括一T型(或三角型)基极偏置电阻电路，该噪声抑制回路是用来降低该压控振荡器的噪声并进而改善该压控振荡器的相位噪声特性。

Description

具有低相位噪声的压控振荡器
技术领域
本发明提供一种振荡器，特别指一种能降低振荡器内的相位噪声并提高振荡器信噪比的振荡器电路结构。
背景技术
高频差动式压控振荡器(high frequency differential voltagecontrolled oscillator，VCO)已经被广泛地应用于各种通信系统中，并可将此类压控振荡器运用于积体电路，更可达到通信系统轻、薄、短小的需求，而压控振荡器的优劣取决于其是否具有低相位噪声(phase noise)与高信噪比(signal to noise ratio，SNR)。
请参考图1，图1为美国专利第6,064,277号中所公开的公知振荡器10的电路图。振荡器10是利用一驱动电路(drive circuit)12来驱动一LC谐振回路(LC tank)11。LC谐振回路11包含一电感L与一电容C，用来产生正弦波(sinusoidal wave)。驱动电路12包含二无源元件Z1、Z2，无源元件Z1、Z2可为电感或电阻。无源元件Z1、Z2分别连到两组晶体管Q1、Q2的基极，驱动电路12由一偏置电路14所驱动。一般说来，为了抑制振荡信号对偏置电路的干扰效应(interference effect)，无源元件Z1、Z2通常具有较高阻抗。
然而，无源元件Z1、Z2并无法完全隔离该偏置电路所产生的噪声，并且，电阻性的无源元件Z1、Z2的高阻抗特性本身产生热噪声(thermal noise)并引进振荡器10中，并进而产生相位噪声。因此，公知振荡器10的相位噪声会因Z1、Z2的高电阻特性而提高。
在上述公知振荡器10电路中，一检测电路13检测出振荡器10的振幅大小馈入具有积分特性的偏置电路14以输出一与振幅大小相对应的控制电压来调制驱动电路12的偏置点，进而达到最大的输出振幅且不造成晶体管过度饱和。然而，由于偏置电路14输出端噪声可因偶次谐波经由晶体管Q1、Q2所放大，所以相对的噪声电平(Noise Level)便提高了。此特点相对地劣化了振荡器的相位噪声。
发明内容
本发明的目的在于具有低相位噪声与高信噪比的压控振荡器。本发明的另一目的在于提供一共模补偿电路(common-mode compensationcircuit)，用来消除一LC谐振回路内共模节点上的共模噪声。该共模补偿电路是利用一对二极管来检测其差动输出端的共模信号，并通过一电压转电流的电路馈入该LC谐振回路的虚接地端(virtual ground)。如此可以补偿该振荡器内共模噪声在该振荡器的相位噪声上的影响。同时，该对二极管亦可避免压控振荡器中的负阻发生器的晶体管过饱和。
该压控振荡器包含一可调制振荡频率的LC谐振回路、一电连接到该LC谐振回路的负阻发生器、一噪声抑制回路，该回路其包含一T-型电阻偏置网路，该T形电阻电路偏置网路是用来降低该LC谐振回路产生的相位噪声并进而提高该压控振荡器的信噪比、一共模补偿电路，电连接到该负阻发生器，用来进一步降低相位噪声；一电流镜电路，用来将该共模补偿电路所检测到的信号转换成电流映射至该LC谐振回路；以及一输出缓冲器，电连接到该负阻发生器，用来降低一负载的负载效应。该压控振荡器还可利用一三角形电阻电路来取代先前的T形电阻电路。该三角形电阻电路包含二连接至基极偏置电路的第一电阻，用来偏置该负阻发生器的晶体管。该三角形电阻电路另包含一连接至该第一电阻的第二电阻，用来抑制正弦波发生器产生的相位噪声。
附图说明
图1为公知振荡器的电路图。
图2为本发明压控振荡器的电路图。
图3为图2压控振荡器中振荡电路的电路图。
图4为图3振荡电路中的T型电阻电路被换成三角形电阻电路的电路图。
图5为图4振荡电路中的三角形电阻电路的一变形电路图示。
附图符号说明
10      振荡器             11    LC谐振回路
12       驱动电路           13       检测电路
14       偏置电路           20       压控振荡器
22、40   振荡电路           24       共模补偿电路
26       输出缓冲器         25、27   电流镜
28       LC谐振回路         30       噪声抑制回路
32       负阻发生器         34       T型电阻电路
36       三角形电阻电路
具体实施方式
请参考图2与图3。图2为本发明压控振荡器(voltage controloscillator，VCO)20的电路图。图3为压控振荡器20中振荡电路(oscillator core)22的电路图。振荡电路22包含一可调制振荡频率的LC谐振回路(tunable-frequency LC tank)28与一负阻发生器(negativeresistance generator)32，负阻发生器32可为一用来放大LC谐振回路28所产生的正弦波的正反馈电路(positive feedback circuit)。负阻发生器32中的晶体管Q11、Q12的基极偏置是由一T-型电阻电路34所提供。
T型电阻电路34包含两个第一电阻R2及一个第二电阻R3。第一电阻R2的一端是分别连接至双极结型晶体管Q11、Q12的基极，如图3中所标示的M、N两点，而第一电阻R2的另一端则同时连接至第二电阻R3的一端，如图3中所标示的N1点，而第二电阻R3的另一端则连接至一直流偏置电压(DC biasing voltage)Vbias，该直流偏置电压Vbias是通过T型电阻电路34来驱动负阻发生器32。
除了振荡电路22之外，压控振荡器20尚包含一电性连至可调制振荡频率的LC谐振回路28与负阻发生器32的共模补偿电路(common-modecompensation circuit)24，共模补偿电路24中的A、B两点(如图2、3所示)与负阻发生器32中的A、B两点相连，且形成一反馈电路。共模补偿电路24另包含两个二极管D1、D2用来检测偶次谐波(even-harmonics)，该偶次谐波是由压控振荡器20于其差动端所产生的正弦波所引起的。假定流经可调制振荡频率的LC谐振回路28的节点Y的电流上升，使得可调制振荡频率的LC谐振回路28产生的正弦波的振幅变大，同时亦会使得谐波放大，而二极管D1、D2所检测偶次谐波的等效直流电压值将会使得P型金属氧化物半导体晶体管(metal oxide semiconductor transistor，MOStransistor)M2的栅极与漏极的电压上升。如此一来，流经晶体管M2的漏极电流便减小。经由电流镜(current mirror)27电路映像产生晶体管M1的漏极电流将被迫地减少，从而因这负补偿效应使得节点Y的电流下降。于是节点Y的电流就会趋于稳定，使得节点Y的虚拟接地(virtual ground)特性更为显著，此将进一步降低压控振荡器20的噪声产生。再者，二极管D1、D2尚连接至另一金属氧化物半导体晶体管M3的漏极，当双极结型晶体管Q11、Q12集极的瞬间电压低于该金属氧化物半导体晶体管M3漏极的电压达一预定值时，二极管D1、D2将会导通，所以双极结型晶体管Q11、Q12集极的电压将被箝制(clamp)在某一特定的电压，从而防止双极结型晶体管Q11、Q12发生过饱和现象。当晶体管Q11、Q12进入过饱和时，等效于可调制振荡频率的LC谐振回路28的Q值将劣化，于是乎压控振荡器20的相位噪声将增加。
是后，压控振荡器20还包含一输出缓冲器(output buffer)26用来降低压控振荡器20后端的输出负载上的负载效应(loading effect)，输出缓冲器26是经由A、B与负阻发生器32的A、B相连。输出缓冲器的作用26是一源极跟随器(source follower)用来进一步隔离输出负载。
T型电阻电路34为本发明的一项重要特征。与先前技术相同的部分为，本发明的T型电阻电路34是利用一高阻值的电阻来隔离直流偏置电压Vbias所产生的噪声，并同时防止压控振荡器20的振荡信号干扰到直流偏置电压Vbias，而第二电阻R3正是提供这高阻值的电阻。一般说来，第二电阻R3的阻值介于1,000欧姆与50,000欧姆之间。本发明中的第二电阻R3连接至直流偏置电压Vbias，其作用正如公知振荡器10中的二无源元件Z1、Z2一样。
与公知振荡器10不同的是本发明利用两个相同且具有低阻值的第一电阻R2，使得压控振荡器20具有较高的信噪比。藉着将两个第一电阻R2分别连接至第二电阻R3与负阻发生器32，使得节点N1形成一虚拟接地点(virtual ground)。考虑如公知振荡器10中负阻发生器12包含两组电容器C1和C3将振荡器的输出电压按电容的反比值馈入晶体管Q11和Q12的基极端。由于R1、R2的高阻值特性使得基极端有较大的RC延迟时间。再加上晶体管Q11、Q12的非线性效应，所以容易在基极端产生失真的正弦波波形。换言之，差动式的输入波形容易产生非对称性的结果将导致振荡器的相位噪声的增加。本发明所提出的T型电阻电路34是由两个低阻值的第一电阻R2与一高阻值的第二电阻R3所组成。由于节点N1虚拟接地的特性，使得晶体管Q1、Q2基极端在分压电容C12、C13的作用下具有较小的RC延迟时间。且由于第一电阻R2的低电阻主要决定晶体管Q11、Q12的输入阻抗，将使得晶体管的非线性效应降低，所以基极端的波型较不失真。于是乎振荡器的相位噪声得以改善。本实施例中，第一电阻R2的阻值须介于10欧姆与100欧姆之间；然而，第二电阻R3的阻值却可任意选择，只要它能有效地隔离从直流偏置电压Vbias与振荡器彼此的干扰。
请参考图4。图4与图3完全相同，只不过图3振荡电路22中的T型电阻电路换成了图4振荡电路40中的三角形电阻电路(Delta-shapedresistor configuration)。本领域技术人员都知道，基本上T型电阻电路34与三角形电阻电路的作用完全相同。图4振荡电路40中三角形电阻电路的第三电阻R4连接于节点M、N之间，两个第四电阻R5的一端均连接至直流偏置电压Vbias，而两个第四电阻R5的另一端则分别连接至第三电阻R4的两端，如图中所标示的节点M、N。第三电阻R4具有低阻值，其作用和T型电阻电路34中的第一电阻R2相似，都是用于提高压控振荡器20的信噪比。同样地，第四电阻R5也具有高阻值，其作用和T型电阻电路34中的第二电阻R3相似，也就是都用来隔离从直流偏置电压Vbias传来的噪声。
图5为图4振荡电路40中的三角形电阻电路的一变形。图5中的电路与图4中的电路完全相同，只不过图5表示提供另一种第四电阻R5与直流偏置电压Vbias间的连接。
与公知的振荡器相比较，本发明的压控振荡器20利用一T型电阻电路34中的两个第一电阻R2来提高压控振荡器20的信噪比。藉着降低第一电阻R2的阻值(10欧姆～100欧姆)，可大幅地降低电阻本身的热噪声(thermal noise)及改善负阻发生器输入端的波形失真，并进而使得本发明的压控振荡器20远优于公知的压控振荡器10。又本发明的压控振荡器20提供一共模补偿电路24可以降低可调制振荡频率的LC谐振回路28中虚拟接地节点Y的噪声并同时防止负阻发生器32中晶体管进入过饱和的状态，遂得以进一步改善压控振荡器的相位噪声。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明权利要求所做的等效变化与修改，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (14)

1.一种压控振荡器，其包含：
一LC谐振回路；
一负阻发生器，电连接到该LC谐振回路，用来产生可调制频率的正弦波；
一噪声抑制回路，其包含一T形电阻电路，连接于该负阻发生器，用来提供偏置并可降低相位噪声；
一共模补偿电路，电连接到该负阻发生器，用来进一步降低相位噪声；
一电流镜电路，用来将该共模补偿电路所检测到的信号转换成电流映射至该LC谐振回路；以及
一输出缓冲器，电连接到该负阻发生器，用来降低一负载的负载效应。
2.如权利要求1所述的压控振荡器，其中该输出缓冲器是一源极跟随器。
3.如权利要求1所述的压控振荡器，其中该负阻发生器包含一差动晶体管对，电连接到该LC谐振回路，用来产生正弦波。
4.如权利要求3所述的压控振荡器，其中该T型电阻电路会提供一直流偏置电压给该负阻发生器的该差动晶体管对。
5.如权利要求4所述的压控振荡器，其中该差动晶体管对为两组双极结型晶体管。
6.如权利要求4所述的压控振荡器，其中该T型电阻电路包含二第一电阻及一第二电阻，每一第一电阻是连接于该二双极结型晶体管中的一双极结型晶体管的基极，该第二电阻是连接于该二第一电阻，并用来接收该直流偏置电压。
7.如权利要求6所述的压控振荡器，其中各个第一电阻的阻值是在10到100欧姆之间，该第二电阻的阻值是在1000到50,000欧姆之间。
8.一种压控振荡器，其包含：
一LC谐振回路；
一负阻发生器，电连接到该可调制振荡频率的LC谐振回路，用来产生可调制频率的正弦波；
一噪声抑制回路，其包含一三角形电阻电路，该三角形电阻电路具有一第一电阻，连接于该负阻发生器的晶体管对的基极端，以及二第二电阻，分别连接于晶体管对的基极端与直流偏置电压电源，用来提供偏置并可降低振荡器产生相位噪声；
一共模补偿电路，电连接到该正反馈电路，用来进一步降低该振荡器产生的相位噪声；
一电流镜电路，用来将该共模补偿电路所检测的信号转换成电流映射至该LC谐振回路；以及
一输出缓冲器，电连接到该负阻发生器，用来降低一负载的负载效应。
9.如权利要求8所述的压控振荡器，其中该输出缓冲器是一源极跟随器。
10.如权利要求8所述的压控振荡器，其中该负阻发生器包含一差动晶体管对，电连接到该LC谐振回路，用来产生正弦波。
11.如权利要求10所述的压控振荡器，其中该差动晶体管对包含二双极结型晶体管。
12.如权利要求11所述的压控振荡器，其中该第一电阻是连接于该二双极结型晶体管的基极。
13.如权利要求8所述的压控振荡器，其中该第一电阻的阻值是在10到100欧姆之间，各个第二电阻的阻值是在1000到50,000欧姆之间。
14.一种压控振荡器，其包含：
一可调制振荡频率的LC谐振回路，用来调制振荡器所产生的正弦波的频率；
二双极结型晶体管，电连接于该可调制振荡频率的LC谐振回路，用来维持振荡信号；
二电容分压器，用来降低该正弦波的振幅并馈入上述双极结型晶体管的基极端以形成一负阻发生器；
二第一电阻，每一第一电阻是连接于该二双极结型晶体管中的一双极结型晶体管的基极，用来降低该正弦波发生器产生的相位噪声；
一第二电阻，连接于该二第一电阻，并用来接收一直流偏置电压；
一共模补偿电路，电连接于该二双极结型晶体管的集极，用来进一步降低该正弦波发生器产生的相位噪声；
一电流镜电路，用来将该共模补偿电路检测的信号转换成电流映射至该振荡器；以及
一源极跟随器，电连接于该二双极结型晶体管的集极，用来降低输出负载的负载效应。
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