專利名稱：噪聲容限壓控振蕩器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明主要涉及一種壓控振蕩器，尤其是，涉及一種包括變?nèi)荻O管元件 的壓控振蕩器。
背景技術：
現(xiàn)在許多電路都使用壓控振蕩器(vco)來產(chǎn)生可靠的周期信號，例如，
鎖相環(huán)(PLL)典型地包含一個VCO來進行占空系數(shù)校正，相位/延遲補償和 /或倍頻。盡管VCO以不同的結構出現(xiàn)(例如，有環(huán)形振蕩器，晶體振蕩器或 LC (電感電容)儲能電路)，但VCO主要是接收一個電壓調(diào)諧信號表示一個 有用的周期輸出信號。施加的電壓信號可以被改變以調(diào)整或調(diào)諧輸出信號頻 率。例如，使用這樣的電壓信號，鎖相環(huán)可以調(diào)整VCO直到VCO輸出有用 波形。如果操作需要，波形需要調(diào)整或校正，鎖相環(huán)可以通過調(diào)整電壓信號幅 度來調(diào)諧VCO。
遺憾的是，由于vco靠近其他電路，經(jīng)常共享同一基板和偏壓，vco容
易受到噪聲的影響(例如共模電壓偏移)。而且，環(huán)境因素，如溫度和電磁
輻射也可能產(chǎn)生噪聲。這樣的噪聲降低了 vco的性能，增加了運作費用。例 如，vco內(nèi)的共模電壓噪聲可能增加vco包含的電路元件的電容。當vco 接收調(diào)諧信號時，增加的電容可能增加vco產(chǎn)生正確波形需要的時間。這樣 時間上的滯后同樣降低使用vco的電路和器件的性能。因此，有必要提供一 種受到噪聲影響時不影響性能的vco。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提出一種噪聲容限vco的操作設備和方法。在一個示例中， 一個 VCO包括具有兩個輸入節(jié)點和兩個輸出節(jié)點的變?nèi)荻O管元件，變?nèi)荻O管 元件的輸出節(jié)點提供一個有效電容，并與電感元件互相耦合。變?nèi)荻O管元件 可以包含四個變?nèi)荻O管，用來接收輸入信號。
電感元件和變?nèi)荻O管元件一起作為一個差分儲能電路(也可以看作兩個
儲能電路)，產(chǎn)生一個VCO所需的LC常量。偏置電路給變?nèi)荻O管元件的 輸出節(jié)點提供一個偏壓信號，以適當?shù)仄米內(nèi)荻O管元件。例如，偏置電路 可以是能帶隙基準電路。
為了調(diào)諧VCO，變?nèi)荻O管元件的輸入節(jié)點互相連接以接收偏壓依賴性 控制信號，該控制信號是調(diào)諧信號和偏壓信號的合成信號。在優(yōu)選實施方式中， 偏壓依賴性信號的共模或平均基本上等于偏壓信號。偏壓依賴性控制信號調(diào)整 變?nèi)荻O管元件的電容值。因此，LC常量可以改變，產(chǎn)生所需頻率的周期輸 出信號。有利的是，由于偏壓依賴性控制信號是調(diào)諧信號和偏壓信號的合成信 號，任何噪聲，包括共模電壓偏移都降低了。
在一個示例中，偏壓依賴性控制信號可以由調(diào)諧電路產(chǎn)生。調(diào)諧電路可以 包含一個差分放大器，調(diào)諧信號和偏壓依賴性控制信號也同樣可以是差分信 號。例如，差分放大器可以進一歩降低調(diào)諧信號可能產(chǎn)生的共模電壓。為了提 高調(diào)諧效率或速度，調(diào)諧電路的差分放大器可以通過一個低阻抗驅動器如射極 跟隨器電路與變?nèi)荻O管元件連結。
在一個附加示例中，VCO可以包含一對電阻元件， 一對電容元件和一個 負阻分量，這些都與變?nèi)荻O管元件的輸出節(jié)點互相耦合。電阻元件可以用來 分配偏壓信號到變?nèi)荻O管元件的輸出節(jié)點。例如，偏壓信號可以施加給電阻 元件互相連接的公共節(jié)點。另外，偏置電路可以通過低阻抗驅動器如射極跟隨 器電路與公共節(jié)點連結。
另一方面，電容元件可以提高變?nèi)荻O管元件對負阻分量的耦合。通常， 負組分量給VCO提供能量，以維持輸出波形。在一個示例中，負阻可以包含 一個差分對，提供變?nèi)荻O管元件輸出節(jié)點的負跨導。
在另一個示例中，介紹了操作vco的方法。在示例性方法中，vco接收 一個調(diào)諧信號和一個偏壓信號。vco合成調(diào)諧信號和偏壓信號組成偏壓依賴
性控制信號并提供給可變電容的控制節(jié)點。例如，可變電容可以位于振蕩電路
內(nèi)。vco也利用偏壓信號對可變電容的兩個輸出節(jié)點進行偏置。由于偏壓依
賴性控制信號包含一個偏壓信號分量，VCO對噪聲有增加的容限。例如，當 偏壓信號被共模電壓噪聲影響時，偏壓依賴性控制信號也同樣被影響。從而可 以防止可變電容的容值形成尖峰或增加。
在另一個示例中，調(diào)諧信號和偏壓依賴性控制信號可以是差分信號，此外， 偏壓依賴性控制信號可以看作是圍繞著偏壓信號的調(diào)諧信號。
通過閱讀下面的詳細說明，適當?shù)膮⒖几綀D，對于本領域的普通技術人員 來說這些以及其它方面的優(yōu)勢將很明顯。而且，應理解本發(fā)明內(nèi)容只是一個示 例，其目的不在于限制權利要求的發(fā)明范圍。


下面結合

某些示例，在各個圖中相同的附圖標記指代相同的元 件，其中
圖1是根據(jù)一個示例的VCO原理圖2A是根據(jù)一個示例的負阻分量的原理圖2B是據(jù)一個示例的調(diào)諧電路原理圖3A是沒有偏壓依賴性控制信令時電容對偏壓信號的曲線圖； 圖3B是有偏壓依賴性控制信令時電容對偏壓信號的曲線表； 圖4是描述VCO操作方法的流程圖。
具體實施例方式
現(xiàn)在來看這些圖，圖1是VCO 10的原理圖，VCO IO包括一個變?nèi)荻O 管元件12，其包括兩個輸入節(jié)點14和16，兩個輸出節(jié)點18和20。輸出節(jié)點 18和20接收偏壓信號(VBIAS)，輸入節(jié)點接收偏壓依賴性控制信號(VBDC+， VBDC_)，即偏壓信號和調(diào)諧信號的合成信號。在圖1的示例中，偏壓依賴性 控制信號是一個差分信號。在另一種示例中，偏壓控制信號可以是單端的。然 而一般而言，差分信令是有益的，因為這樣的信令可以降低共模電壓影響。另 外，偏壓信號和偏壓依賴性控制信號雖然描述為電壓信號，實際上也可能是電 流信號。
通常，變?nèi)荻O管元件12充當一個可變電容。然而，VCO10可以包含其 它類型的可變電容器，變?nèi)荻O管元件12不應該看作是限制。VCO 10還包含
一個電感20，其與變?nèi)荻O管元件12互相耦合。電感20和變?nèi)荻O管元件 12 —起組成兩個儲能電路，建立跨導電感20 (節(jié)點22和24)產(chǎn)生的周期輸 出信號的頻率。變?nèi)荻O管元件12與公共節(jié)點21對稱，電感20與施加的電 壓Vcc對稱。
變?nèi)荻O管元件12的容值可以通過在輸入節(jié)點14和16施加偏壓依賴性 控制信號進行調(diào)整。變?nèi)荻O管元件12包含變?nèi)荻O管26-29。 二極管26-29 各包含一個在反向偏壓下操作的PN結，通過增加通過每個PN結的反向偏置 量，與每個二極管26-29有關的損耗區(qū)增加，降低了二極管26-29的電容。相 反地，減小反向偏置最終增加二極管26-29的電容。偏壓依賴性控制信號直接 決定施加到二極管26-29上的反向偏壓的量，建立儲能電路的電容，因此建立 周期輸出信號的頻率。
VCO IO包括雙極結晶體管(BJT) 31-34和電阻35、 36，以便偏壓依賴性 控制信號與變?nèi)荻O管元件12通信。雙極結晶體管BJT 31、 34與尾電流源 39連接，另一方面，BJT32、 33分別連接到尾電流源38和40。
圖1示出了設置在共射放大器和射極跟隨器配置中的BJT 31-32和電阻 35，同樣的，BJT 33-34和電阻36也在共射和射極跟隨器配置中。雖然沒有必 要，射極跟隨器配置在每個輸入節(jié)點14和16移動頻率極點。例如，如果尾電 流源38有大約lmA的電流，則輸入阻抗約為0.026 Ohm (lmA/Vt)，總的來 說，最小化輸入阻抗提高了 VCO10的調(diào)諧速度。然而在有些示例中，應用偏 壓依賴性控制信號的其它方法也是可行的。
VCO IO包括BJT 41、 42和電阻43-45，使偏壓信號與輸出節(jié)點18、 20 通信。BJT41、 42分別連接到尾電流源46、 48。 BJT41、 42的設置可以提高 VCO 10的性能，與上面關于BJT 31、34說明的共射放大器/射極跟隨器類似。
電阻43、 44在公共節(jié)點21連接到一起，公共節(jié)點21接收偏壓信號，并 傳遞給兩個輸出節(jié)點18、 20。盡管沒有限制到特定的阻值，電阻43、 44也應 該足夠小以避免抑制通過節(jié)點22、 24的周期輸出信號。在一個示例中，電阻 43、 44可以有1Kohm的阻值并向輸出節(jié)點18、 20提供足夠的偏壓信號的耦
n o
VCO 10還包括一個負阻分量50以促進周期輸出信號的放大和振蕩(即， 給儲能電路提供能量)。電容52、 54連接負阻分量50到輸出節(jié)點18、 20，并將負阻分量與變?nèi)荻O管元件的偏置中與負阻分量50有關的偏壓隔離。同
樣，由于變?nèi)荻O管容量比電容52、 54小得多，變?nèi)荻O管的容值支配著LC 儲能電路的容值。 一般來說，負阻分量50是有源電路，其抵消儲能電路的損 失。負阻分量50應該在VCO 10內(nèi)部提供一個大于或等于單位量級的閉環(huán)增 益。VCO 10的損失可以歸因于二極管26-29、電阻43、 44、電感20,以及任 何其它的有源部件內(nèi)部的寄生電阻。
圖2A顯示了一個可以用作負阻分量50的差分放大器100。放大器100包 含電阻102、 104、電容106、 108、 BJT110、 112和尾電流源114。電阻102， 104連接在一起接收基準信號，并將基準信號傳遞給電容106、 108。兩個儲能 電路給放大器100提供一個差分負載，其中公共節(jié)點21保持在與偏壓信號有 關的電勢。在運作上，BJT 110、 112給儲能電路提供正反饋。如上所述，放 大器的負阻應該設計為克服儲能電路的所有電阻損失。
綜上所述，偏壓依賴性控制信號是調(diào)諧信號和偏壓信號的合成信號，在優(yōu) 選實施方式中，偏壓依賴性信號的共?；蚓祷旧系扔谄珘盒盘?。圖2B顯 示了可以產(chǎn)生偏壓依賴性控制信號的調(diào)諧電路200，調(diào)諧電路200接收偏壓信 號和調(diào)諧信號，產(chǎn)生偏壓依賴性控制信號。調(diào)諧電路200包含一個差分放大器 202，以接收調(diào)諧信號(VTUN+， VTUN-)。調(diào)諧電路200還包含一對差分放大 器204、 206，以有效的對偏壓信號和調(diào)諧信號進行求和。
為將偏壓信號和調(diào)諧信號求和，差分放大器204、 206由偏壓依賴性控制 信號和偏壓信號同時進行偏置。在差分放大器204、 206的一端是BJT 208、 210，其分別連接到偏壓依賴性控制信號的負和正差分端。在共模差分當大器 204和206的另一端是BJT 212和214，兩者互相連接以接收偏置信號。
放大器202的輸出可以通過施加到BJT 220、 222的調(diào)諧信號來改變，當 BJT 220、222的輸入信號改變的時候，輸入BJT 208和210的電壓也同樣改變， 從而通過FET 218給放大器204和206提供反饋。全面影響是共模反饋放大器 204和206試圖驅動差分放大器202的輸出均值等于Vcc與VBG的差值，即偏 壓信號值。差分放大器202和放大器204、 206之間的反饋允許調(diào)諧信號圍繞 著偏壓信號。同時注意到如果偏壓信號改變(例如通過共模噪聲電壓)，放大 器204、 206通過場效應晶體管(FET) 216-219給放大器202提供反饋，影響 偏壓依賴性控制信號。然而，應該理解，調(diào)諧電路200只是一個示例，其他的
調(diào)諧電路也可以用于將調(diào)諧信號和偏壓信號合成為偏壓依賴性控制信號。特別 是調(diào)諧信號的共模可能是偏壓信號的倍數(shù)或比例因子。
偏壓依賴性控制信號的優(yōu)勢證明見圖3A和3B，變?nèi)荻O管元件12上的 容值圖。圖3A和3B示出了輸入節(jié)點到所有輸出節(jié)點的電容Cl和所有輸出節(jié) 點到輸入節(jié)點的電容C2， Ceqv是C1和C2的串聯(lián)組合。
圖3A示出了根據(jù)現(xiàn)有技術的變?nèi)荻O管偏置的一般表現(xiàn)圖，如果調(diào)諧信 號用作驅動輸入節(jié)點(代替在偏壓依賴性控制信號)，對于一個固定調(diào)諧電壓 輸入，繪制了C1、 C2和CEQv上偏壓變化的影響。如圖3A所示，當偏壓信號 改變時，C1禾卩C2跟著改變，導致C印v改變。因此，VCO10的周期輸出信號 將被改變的電容有害的影響。CEQV的變化可能產(chǎn)生抖動和延遲收斂，導致輸
出信號不可靠。而且，CEQV增大可能同樣增大儲能電路的電容，其可能降低
VCO10的調(diào)諧速度。 一般來說，很難徹底清除來自偏壓信號的噪聲影響，例 如，共模電壓噪聲可能典型地導致正常操作期間偏壓信號的直流偏移改變。
由于噪聲不可能徹底的從調(diào)諧信號中清除，可取的做法是讓調(diào)諧電壓圍繞 偏壓信號。圖3B反映了使用偏壓依賴性控制信號驅動輸入節(jié)點14、 16時Cl， C2和CEQV的表現(xiàn)。圖3B表示當調(diào)諧信號圍繞偏壓信號時，CEQv保持為常數(shù)。 在操作中，當偏置電壓偏移時，偏置依賴性控制電壓也偏移，避免在變?nèi)荻O 管元件上發(fā)生不對稱電容變化(即，C1保持在約等于C2)。另外，偏壓信號 的任何改變被過濾，并允許調(diào)諧信號通過每個二極管26-29建立壓降而不受偏 壓信號影響。
通常，偏壓信號應該設計為穩(wěn)定的可預知值，偏壓信號可以通過多種偏置 電路產(chǎn)生，例如，使用半導體能帶隙的固有電壓的能帶隙基準電路，可以產(chǎn)生 偏壓信號。典型地，能帶隙基準電路提供用溫度來衡量的可預知輸出信號，允 許VCO補償隨著溫度增長的有效電流(通過FET或者BJT)。其他的偏置電 路也是可用的。
圖4是方法300的方框圖，總體描述了使用偏壓依賴性控制信號和偏壓信 號的VCO的操作。在方框302， 304中VCO接收調(diào)諧信號和偏壓信號。在一 個示例中，調(diào)諧信號可以是差分信號，傳遞用于調(diào)節(jié)可變電容的電容值的電流 或電壓脈沖?？勺冸娙菘赡芪挥谡袷幤麟娐分?，如上面介紹的VCO,而上面 介紹的偏壓信號可以由偏置電路產(chǎn)生。
在方法300的方框306中，調(diào)諧信號和偏壓信號合成偏壓依賴性控制信號。 在方框308中，偏壓依賴性控制信號提供給可變電容，例如，可以提供給變?nèi)?二極管的輸入。在方框310中，偏壓信號也提供給可變電容。然后偏壓信號和 偏壓依賴性控制信號用作可變電容的差分控制，如方框312所示。實際上，方 法300可以用作對VCO的完全差分控制。這樣的差分控制避免偏壓信號導致 可變電容的容值漂移。
上面已經(jīng)描述了很多示例。更一般的，本領域的技術人員可以理解，在不 脫離本發(fā)明由權利要求書定義的真實范圍和精神的情況下，可以對這些示例進 行改變和修改。例如，VCO不應該限制為任何上面所述的電路元件和組件的 電容，電感和電阻值。上面任意一個電路元件和組件通過修改都可以得到所需 的周期輸出信號。在一個示例中，所述的VCO可以產(chǎn)生頻率高達10GHz，調(diào) 諧范圍為lGHz的周期輸出信號。如果通過變?nèi)荻O管元件12的最大壓降約 為1.4V (每個二極管0.7V)，則VCO 10的增益約為lGHz/1.4V，其它示例 操作特性也是可行的。
因此，本發(fā)明的說明書僅僅是作為舉例說明，目的是為了教會本領域的技 術人員實現(xiàn)本發(fā)明的最好模式。在不脫離本發(fā)明精神的情況下可以改變細節(jié)， 在所附權利要求書范圍內(nèi)的所有修改保留排他使用。
權利要求
1、一種壓控振蕩器，包括變?nèi)荻O管元件，具有兩個變?nèi)荻O管輸入節(jié)點和兩個變?nèi)荻O管輸出節(jié)點，其中，變?nèi)荻O管輸入節(jié)點的輸入信號在變?nèi)荻O管輸出節(jié)點改變變?nèi)荻O管元件的電容；電感元件，與所述變?nèi)荻O管輸出節(jié)點互相耦合；偏置電路，與所述變?nèi)荻O管元件連接，用于在所述變?nèi)荻O管輸出節(jié)點產(chǎn)生偏壓信號；和調(diào)諧電路，在調(diào)諧輸出節(jié)點提供偏壓依賴性控制信號，其中，調(diào)諧輸出連接到變?nèi)荻O管的輸入節(jié)點，調(diào)諧電路合成調(diào)諧信號和偏壓信號產(chǎn)生偏壓依賴性控制信號，并將合成的調(diào)諧信號提供給變?nèi)荻O管輸入節(jié)點。
2、 根據(jù)權利要求1戶/M的設備，其特征在于，戶，偏壓依賴性控制信號提供一 個獨立于偏置電壓的電容。
3、 根據(jù)權利要求1所述的設備，其特征在于，戶服偏壓依賴性控帝瞻號的共模 電壓等于偏壓信號。
4、 根據(jù)權利要求i戶;M的設備，其特征在于，戶，變?nèi)荻O管元件包括四個變?nèi)荻O管。
5、 根據(jù)權利要求1所述的設備，其特征在于，所述調(diào)諧電足跑括一個差分放大 器，并且佩皆信號和偏壓依賴性控制信號包括差分信號。
6、 根據(jù)權利要求3戶皿的設備，其特征在于，差分放大器《￡低阻抗驅動電路 連接到變?nèi)荻O管輸入節(jié)點。
7、 根據(jù)權利要求i戶;f述的設備，還包括一對電阻元件，與所述變?nèi)荻O管輸出節(jié)點互相耦合，其中，電阻元件在公用節(jié) 點連接在一起；一對電容元件，與戶;M變?nèi)荻O管輸出節(jié)點互相耦合；禾口一個負阻分量，與所述變?nèi)荻O管輸出節(jié)點互相耦合以促進壓控振蕩器內(nèi)的放大。
8、 根據(jù)權禾腰求7戶腿的設備，其特征在于，偏置電路連接到公共節(jié)點。
9、 根據(jù)權利要求6戶皿的設備，其特征在于，偏置電路通過低阻抗驅動電路連接到公共節(jié)點。
10、 根據(jù)權禾傻求1戶脫的設備，其特征在于，偏置電路是一個能帶隙基準電路。
11、 一種壓控振蕩器包括儲能電路裝置，包含一個電感裝置和一個可變電容裝置，所述可變電容裝置有兩個差分控制節(jié)點和兩個差分輸出節(jié)點；偏置電路裝置，用于用偏壓信號對可變電容裝置進行偏置；禾口調(diào)諧電路裝置，用于通過合成偏壓信號和調(diào)諧信號產(chǎn)生偏壓l^t性控制信號并將所述偏壓依賴性控制信號提供給兩個差分控制節(jié)點。
12、 根據(jù)權利要求11所述的設備，其特征在于，所述可變電容裝置是一個差分 變?nèi)荻O管。
13、 根據(jù)權利要求11戶脫的設備，其特征在于，戶鵬偏置電路裝置包括一個能 帶隙基準電路。
14、 根據(jù)權利要求13所述的設備，其特征在于，所述調(diào)諧電路裝置包括一個差 分放大器，f俞入調(diào)i皆信號是一個差分f言號。
15、 根據(jù)權利要求14戶服的設備，其特征在于，所述調(diào)諧電路裝置連接到一對 差分放大器，戶/M差分放大器對連接起來接收偏壓信號。
16、 根據(jù)權利要求11戶皿的設備，其特征在于，戶皿偏壓信號通過兩個電阻施 加到差分輸出節(jié)點。
17、 一種壓控振蕩器的調(diào)諧方法，包括以下步驟 接收調(diào)諧信號；接收偏壓信號；響應戶腿調(diào)諧信號和戶腿偏壓信號產(chǎn)生偏壓依賴性控制信號；在振蕩電路中給可變電容的兩個節(jié)點提供偏壓信號；給可變電容的兩個控制節(jié)點提供偏壓依賴性控制信號。
18、 根據(jù)權利要求17戶脫的方法，其特征在于，所述偏壓依賴性控制信號是差分信號。
19、 根據(jù)權利要求17戶腿的方法，其特征在于，所述調(diào)諧信號是差分信號，偏 壓依賴性控制信號具有等于偏壓信號的共模電壓。
20、 根據(jù)權禾腰求17戶腿的方法，其特征在于，所述可變電容獨立于偏壓信號。
21、 根據(jù)禾又利要求17所述的方法，其特征在于，所述偏壓信號從能帶隙基準電 壓產(chǎn)生。
22、 根據(jù)豐又利要求17戶;M的方法，其特征在于，所述偏壓信號通過兩個電阻元fm供給可變電容的兩個節(jié)點。
23、 根據(jù)權利要求17戶脫的方法，其特征在于，戶脫偏壓信號禾嗰壓依賴性控制信號各自通過低卩m驅動電路施加到可變電容。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種噪聲容限壓控振蕩器。壓控振蕩器包括變?nèi)荻O管元件作為LC儲能電路的一部分。變?nèi)荻O管元件由偏壓信號和偏壓依賴性控制信號偏置。偏壓依賴性控制信號調(diào)諧LC儲能電路。由于控制信號是偏壓依賴性的，噪聲和其它有害的影響不會導致變?nèi)荻O管元件的電容偏離。相反，偏壓依賴性控制信號是圍繞著偏壓信號的調(diào)諧信號，其允許變?nèi)荻O管元件在改變偏壓信號的情況下，提供恒定電容。
文檔編號H03B5/12GK101189791SQ200680018199
公開日2008年5月28日 申請日期2006年5月24日 優(yōu)先權日2005年5月24日
發(fā)明者保羅·蘇皮亞, 樸振基, 納爾斯·夏因赫格, 裴賢民 申請人:菲尼薩公司