专利名称：带自动幅度控制的压控振荡器的制作方法
技术领域：
本发明涉及压控振荡器技术领域，特别是一种带自动幅度控制的压控振荡器。
背景技术：
压控振荡器在现代数字电路(特别是高速电路)和模拟电路(特别是射频收发机电路)中有着广泛的应用，在数字系统中主要用于低抖动的时钟信号源，在模拟系统中主要用作低相位噪声的本振信号源。在高速和射频的应用场合，时间稳定的振荡幅度、频率和低噪声的信号输出性能是时钟和本振应用的非常关键的一项指标。此外，还要求振荡源输出信号必须具有环境稳定性和工艺稳定性。环境稳定性是指当振荡器工作一段时间时电路元件或芯片衬底的温度升高，或者由于环境的温度发生的改变，振荡器的输出信号的幅度、频率特别是相位噪声性能必须稳定在一个允许的范围内；工艺稳定性则是指当电路元件的批次改变或者芯片制造的工艺条件发生波动时，振荡器的输出信号幅度、频率特别是相位噪声性只能在一个容许的误差范围内有所偏移。因此实现振荡器输出信号时间、环境、工艺稳定的技术一直受到很高的关注。
根据振荡器的设计理论可知，要使振荡器输出信号的噪声性能达到稳定，最主要的是使其振荡幅度要稳定在一定允许的范围。振荡幅度的稳定也有助于输出信号频率的稳定。因此幅度稳定技术往往都是高性能振荡器需要采用的技术。目前国内外已有一些相关的技术用于实现振荡幅度自动控制。一般所采用的方法都是将振荡器的输出幅度信息转变为与振荡幅度成比例的控制量，通过反馈来调节振荡器工作电流，从而稳定振荡器输出幅度。但以往的实现方法是通过比较器鉴别振荡幅度超过一定值的点并通过运算放大器等电路处理将超过的量转化为对应的控制信号来调整振荡幅度；或者采用数模转换器(ADC)和模数转换器(DAC)来跟踪振荡输出信号幅度大小并生成对应模拟量控制振荡器偏流来调节输出幅度。这些技术虽然有效，但都存在结构复杂，引入附加噪声多等缺点。
发明内容
本发明的目的在于，通过较少的元件和采用较简单、有效且易行的技术实现压控振荡器的自动输出幅度控制。
一种带自动幅度控制(AAC)的压控振荡器(VCO)，包括负阻型差分结构压控振荡器，振荡幅度鉴别电路，幅度控制反馈分流电路，压控振荡器偏置电路及其滤波电路，基准电流产生电路以及振荡输出缓冲电路。其特征在于由振荡幅度鉴别电路和幅度控制反馈分流电路根据压控振荡器的输出幅度大小产生反馈控制信号调整偏置电路输出给压控振荡器的电流从而自动稳定输出幅度。
这种自动幅度控制方法采用简单拓扑电路结构实现振荡器输出幅度的鉴别，反馈控制和振荡偏流的调节，无需运放、ADC、DAC等复杂电路，附加噪声小，容易进行电路调整与调试。通过反馈环路的调节作用可以使电路相位噪声减小，输出信号实现时间、环境和工艺稳定，同时具有方便电路设计调试的特点。
图1是带自动幅度控制电路的压控振荡器电路框图。
图2是压控振荡器电路图。
图3是振荡器幅度鉴别电路拓扑图。
图4是幅度控制反馈分流电路拓扑图。
图5是压控振荡器偏置电路和偏置电流滤波电路图。
图6是基准电流产生电路图。
图7是差分输入差分输出的振荡器输出缓冲电路图。
具体实施例方式
本发明涉及的带自动幅度控制的压控振荡器的电路原理框图如图1所示，其具体的实现包括低相位噪声压控振荡器的设计与实现，振荡幅度鉴别电路的设计与实现，幅度控制反馈分流电路的设计与实现，偏置及其滤波电路的设计与实现等部分。设计步骤如下所述参见图2。
一、设计低相位噪声压控振荡器电路。采用负阻型LC振荡器结构实现差分输出，采用PMOS管作为有源负阻器件获得低相位噪声性能。
带自动幅度控制的压控振荡器，PMOS晶体管作为有源器件的交叉耦合结构负阻型差分压控振荡器，包括了差分的两组变容二极管与电感的并联谐振电路。其功能为实现负阻型的谐振振荡，振荡频率随施加在变容器上的偏置电压而变化，输出一定幅度，低相位噪声，差分形式的振荡波形。
带自动幅度控制的压控振荡器，负阻型压控振荡器电路与一振荡幅度鉴别电路相连，鉴别输出信号为与振荡器振荡幅度成一定比例关系的脉冲电流。其功能在于当压控振荡器的振荡幅度超过一定值，鉴别电路开始输出与振荡幅度成比例的一系列脉冲，振荡幅度越大，输出脉冲电路的占空比越大。这一脉冲电流信号被送往幅度控制反馈分流电路。
幅度控制反馈分流电路与振荡幅度鉴别电路相连，鉴别电路的输出脉冲电流送入幅度控制反馈分流电路后先变成平稳的电压信号再转换成反馈控制的分流信号。其功能为幅度鉴别电路的输出脉冲电流被反馈电路变成平稳的反馈直流电流。此稳定的反馈电流与振荡器的输出幅度成比例。
首先要选取合适的电感和变容二极管的参数，使其构成具有尽可能高的品质因素(Q)值的并联振荡电路。谐振电路并联一个固定容量的电容用于确定谐振频率的范围。此时应使谐振电路谐振频率比设计所要求的工作频率高一些。互相耦合结构的PMOS管构成负阻电路来补偿谐振电路的能量损耗。
确定了振荡电路的特性后，根据所要求的振荡输出幅度，可以确定振荡电路所需偏置电流大小。当偏置电流较小时，振荡器工作于电流限制区，振荡幅度由偏置电流决定，振荡幅度小将使振荡器相位噪声性能变差；当偏置电流较大时，振荡器工作于电压限制区，振荡幅度受PMOS管的三极管区源漏电压限制不能再增大，使PMOS管工作于深度三极管区会使其噪声性能变差，振荡波形失真。一般要使偏置电流刚好使其工作于电压限制区边缘。但这里采用自动幅度控制技术，可以把正常偏置电流设置在使振荡幅度超过电压限制区，通过幅度控制反馈分流电路的控制作用，最终可以使其工作在接近电压限制区，达到最佳的相位噪声性能。
PMOS管的尺寸要根据振荡的偏置电流和实现稳定振荡所需的跨导大小确定。一定的偏置电流要求PMOS管的尺寸必须大于一定值。管子尺寸太小将使管子消耗的功耗增加，噪声增大。另外，由于PMOS管的跨导由下式决定gm=-μnCoxvvL(VGS-VTH)]]>式中，W和L分别为PMOS管的沟道宽度和长度。可知，PMOS管尺寸足够大才能保证形成的负电导足够大以使振荡器可靠起振。一般说来要使其跨导为谐振电路等效纯电导的两倍以上。同时大的PMOS管尺寸可以使来自于PMOS振荡管的1/f噪声减小，但同时因栅电容也会使谐振频率变低。
变容二极管参数大小根据压控振荡器设计所需的电压调整范围确定，大的变容二极管尺寸使振荡频率变化范围增大，但同时噪声也增大。以上各元件的取值可以通过模拟仿真的方法经调整和比较来确定一个最优的取值。
二、设计振荡幅度鉴别电路。负阻型压控振荡器电路与一振荡幅度鉴别电路相连，鉴别输出信号为与振荡器振荡幅度成一定比例关系的脉冲电流。其功能在于当压控振荡器的振荡幅度超过一定值，鉴别电路开始输出与振荡幅度成比例的一系列脉冲，振荡幅度越大，输出脉冲电路的占空比越大，鉴别电路输出信号也就越大。这一脉冲电流信号被送往幅度控制反馈分流电路。如图3所示，两个NPN三极管的发射极分别接于振荡器的差分输出两端，基极都接地。当振荡器的某个输出端为负电平(处于振荡负半周)，如果其振荡幅度超过三极管发射结电压VBE，对应的三极管将导通，由于三极管的导通特性，振荡器输出超过VBE的部分将在集电极产生一个脉冲电流。因振荡器的差分输出，两个鉴别管轮流导通，因此鉴别电路的输出是频率为振荡器振荡频率两倍的脉冲电流信号。两个鉴别管的尺寸要小一些，但必须保证足够的鉴别转换增益。大的管子虽然附加的噪声比较小，但其导通时对振荡器是个大负载，会降低振荡电路的Q值从而降低振荡幅度并使噪声性能变差。正向和反向接在基极和集电极间的肖特基管子用于限制集电极的电压，保护三极管使其不超过最大允许集电极-发射极电压，也不会进入过度的饱和状态。
三、设计幅度控制反馈分流电路。振荡幅度鉴别电路输出的脉冲电流信号被加到幅度控制电路，如图4。鉴别电路实质是由电阻R1，R2和肖特基二极管D1，D2构成，将脉冲电流变换为对应的电平输出，此电平经电容C1滤波后成为稳定的控制电平，用于控制PMOS管产生相应的分流电流输出。设计时取R1和R2的值相等，D1和D2的值相等，这样当激励电流一定时，由于电路元件上下对称，温度的改变或工艺参数的变化不会使控制电平偏离。同时，通过合理取值可以使电阻元件电压的正温度系数与肖特基二极管正向压降的负温度系数在工作温度范围内相互抵消，从而使R1，R2，D1，D2构成的分压电路的电阻也即振荡幅度鉴别电路的偏置电阻几乎不随温度改变，保证鉴别电路的输出电流信号与温度无关。电容C1应足够大，否则输出的分流信号将有纹波使振荡幅度波动。C1太大将使振荡器的输出幅度稳定时间变长。整个系统刚上电时，分压电路的激励电流为零，产生的控制电平输出接近于电源电压，因此PMOS管将截止，即输出的分流电流为零。保证刚开始时振荡器得到最大的偏置电流可靠起振。随着振荡器振荡幅度的提高，鉴别电路开始输出电流信号，将使幅度控制电路产生的分流电流增大，振荡器的偏置电流因此而减小，振荡输出幅度也随之降低，鉴别输出电流减小，通过这样的循环控制使系统最终达到平衡，振荡器输出幅度将稳定在接近VBE的值。
四、设计压控振荡器偏置电流及其滤波电路。采用镜像电流源结构的压控振荡器偏置电路与压控振荡器相连，为其提供稳定的和可控的直流偏置电流。其功能为稳定的直流偏置产生稳定振荡幅度输出，可控的电流经镜像成为可控的偏置电流使振荡器的输出幅度可根据反馈后电流的大小自动得到调节，达到闭环控制稳定振荡幅度效果。由电感和电容组成偏置电流滤波电路串联于为压控振荡器提供偏置电流的电路。其功能为滤除振荡器形成的电流波动使其不影响电流偏置电路，同时也使来至电源和其他电路模块的噪声不会窜入振荡电路形成振荡器的输出噪声。
由带隙基准源产生一个稳定的不随温度变化的基准电流，这一电路与反馈控制电路的分流支路和振荡器偏置电路的偏置电流的镜像源支路相连。
振荡器的偏置电路如图5所示。P0是振荡器的偏置恒流源，其电流由P1管的偏置电流镜像得到。电容CF和电感LF构成滤波电路用于抑制来至电源和恒流源的噪声。电感的电容值取得越大，抑制效果越好，但考虑到所占用的芯片面积和产生的寄生参量也随之增加，因此也不能取得过大。P0和P1管子的尺寸比例决定了偏置电流的镜像比例。为了提高的反馈控制的灵敏度，可以使P0的管子相对P1的管子大很多，但产生的问题是噪声的干扰增加，也使系统不稳定。一般比较合理的比例是5∶1到10∶1的范围。而P1管的尺寸一般取与幅度控制电路中的分流用PMOS管一致。因为这两个管子的电流之和等于基准电流源产生的与温度无关的恒定电流，这样当温度变化时，两个管子的温度特性一致，不会发生偏置电流的温度效应。电容C用于滤除干扰保证恒流管P0的稳定输出。它为反馈控制系统引入了一个反馈极点gp0/C，保证反馈系统本身不会振荡。C的取值大系统稳定且干扰噪声小，但会使系统稳定时间变长。
五、设计基准电流产生电路。采用镜像电流源结构的压控振荡器偏置电路与压控振荡器相连，为其提供稳定的和可控的直流偏置电流。其功能为稳定的直流偏置产生稳定振荡幅度输出，可控的电流经镜像成为可控的偏置电流使振荡器的输出幅度可根据反馈后电流的大小自动得到调节，达到闭环控制稳定振荡幅度效果。
基准电流是一个几乎与温度无关的一个恒定电流，由带隙基准结构恒流源经镜像得到，如图6所示。此基准电流提供给偏置电路P1管和幅度控制反馈分流电路的分流管。当幅度控制反馈分流电路起作用时其分流电流增加多少，就会使P1管的偏置电流相应减小多少，完成闭环的反馈调节功能。如上所述P1管和分流管的电流的温度效应通过两个管子的特性一致得到抑制，两管的电流之和即等于基准电流又是与温度无关，从而使这一分流反馈调节环节的温度特性达到最优。也就是说温度的改变对振荡器的偏置电流的影响非常小，因此避免了振荡输出幅度的温度效应而只由自动幅度反馈控制环路的参数设定所决定。基准电流镜像部分的两个三极管的参数一致，也是为了保证输出的基准电流具有良好温度稳定特性。
六、设计差分结构振荡输出缓冲电路。差分形式共基共射(cascode)结构的输出缓冲级连接于振荡器之后，其输出接振荡器的负载。其功能为输出差分的不随负载而变化的低噪声振荡信号，同时将负载或其他电路模块的大信号与振荡器隔离。
振荡器的输出功率很小不能直接带负载，必须通过缓冲级取得功率增益后输出给负载。此电路如图7，采用共基共射层叠结构差分放大器，差分形式共基共射结构的输出缓冲级连接于振荡器之后，其输出接振荡器的负载。这种结构可以保证输出端对输入端的高隔离度，避免输出端负载的变化和其他电路的大信号对振荡器产生窜扰，引起所谓的频率牵引效应。每个差分放大管Qc的偏置电流根据输出负载大小确定，差分放大管Qc的尺寸则根据偏置电流要求使管子的截止频率fT至少是工作频率的六倍以上。偏置管Qbias的尺寸要取较大值以尽量减小附加的噪声。负反馈电阻Rd的大小则根据增益要求和波形失真度要求来取。小的电阻使增益增大但波形有可能发生失真。共基管Qc的尺寸大小也必须根据偏置电流的大小使fT相对工作频率足够高。通过调整Qc的基极偏置电压，保证Qc的输出信号失真最小。
权利要求
1，一种带自动幅度控制的压控振荡器，包括负阻型差分结构压控振荡器，振荡幅度鉴别电路，幅度控制反馈分流电路，压控振荡器偏置电路及其滤波电路，基准电流产生电路以及振荡输出缓冲电路，其特征在于由振荡幅度鉴别电路和幅度控制反馈分流电路根据压控振荡器的输出幅度大小产生反馈控制信号调整偏置电路输出给压控振荡器的电流从而自动稳定输出幅度。
2，根据权利要求1所述的带自动幅度控制的压控振荡器，其特征在于PMOS晶体管作为有源器件的交叉耦合结构负阻型差分压控振荡器，包括了差分的两组变容二极管与电感的并联谐振电路。
3，根据权利要求1所述的带自动幅度控制的压控振荡器，其特征在于负阻型压控振荡器电路与一振荡幅度鉴别电路相连，鉴别输出信号为与振荡器振荡幅度成一定比例关系的脉冲电流。
4，根据权利要求1所述的带自动幅度控制的压控振荡器，其特征在于幅度控制反馈分流电路与振荡幅度鉴别电路相连，鉴别电路的输出脉冲电流送入幅度控制反馈分流电路后先变成平稳的电压信号再转换成反馈控制的分流信号；鉴别电路实质是由电阻R1，R2和肖特基二极管D1，D2构成，将脉冲电流变换为对应的电平输出，此电平经电容C1滤波后成为稳定的控制电平，用于控制PMOS管产生相应的分流电流输出。
5，根据权利要求1所述的带自动幅度控制的压控振荡器，其特征在于压控振荡器偏置电流及其滤波电路，采用镜像电流源结构的压控振荡器偏置电路与压控振荡器相连，为其提供稳定的和可控的直流偏置电流。
6，根据权利要求1所述的带自动幅度控制的压控振荡器，其特征在于由电感和电容组成偏置电流滤波电路串联于为压控振荡器提供偏置电流的电路，P0是振荡器的偏置恒流源，其电流由P1管的偏置电流镜像得到，电容CF和电感LF构成滤波电路用于抑制来至电源和恒流源的噪声。
7，根据权利要求1所述的带自动幅度控制的压控振荡器，其特征在于由带隙基准源产生一个稳定的不随温度变化的基准电流，这一电路与反馈控制电路的分流支路和振荡器偏置电路的偏置电流的镜像源支路相连。
8，根据权利要求1所述的带自动幅度控制的压控振荡器，其特征在于采用共基共射层叠结构差分放大器，差分形式共基共射结构的输出缓冲级连接于振荡器之后，其输出接振荡器的负载。
全文摘要
本发明涉及压控振荡器技术领域，特别是一种带自动幅度控制的压控振荡器。包括负阻型差分结构压控振荡器，振荡幅度鉴别电路，幅度控制反馈分流电路，压控振荡器偏置电路及其滤波电路，基准电流产生电路以及振荡输出缓冲电路，其特征在于由振荡幅度鉴别电路和幅度控制反馈分流电路根据压控振荡器的输出幅度大小产生反馈控制信号调整偏置电路输出给压控振荡器的电流从而自动稳定输出幅度。
文档编号H03B1/04GK101043199SQ20061005841
公开日2007年9月26日 申请日期2006年3月24日 优先权日2006年3月24日
发明者颜峻, 石寅 申请人:苏州中科半导体集成技术研发中心有限公司