專利名稱：多諧振器的振蕩器的制作方法
背景技術(shù)：
本發(fā)明針對提高振蕩器的穩(wěn)定度，這種振蕩器用在通信系統(tǒng)的發(fā)射機和/或接收機中對信號進行上變頻或下變頻及需要單純和穩(wěn)定的頻率基準的頻率合成器中。本發(fā)明的裝置和方法可用于如鐘表和計算裝置等作為基準目的而要求高度穩(wěn)定的時鐘信號的系統(tǒng)中，亦可用于任何要應(yīng)用振蕩器的領(lǐng)域。更具體地，本發(fā)明針對將多個諧振器/放大器級聯(lián)成一個環(huán)路，以提高有效品質(zhì)從而提高振蕩器的穩(wěn)定度。
任何在其中定時成為很重要的系統(tǒng)都有本地振蕩器，且許多系統(tǒng)也要求本機產(chǎn)生精確的頻率基準。比如，如果在發(fā)射機和接收機中沒有用以將信息信號變換到適當頻帶的本地振蕩器，無線傳輸將是不能實現(xiàn)的。這種系統(tǒng)的性能高度地依賴于振蕩器提供的頻率的穩(wěn)定度。振蕩器輸出中的相位抖動(相位噪聲)限制了基準的精度從而限制了整個系統(tǒng)的精度。同時在許多應(yīng)用中振蕩器輸出中的幅度偏差也是重要的，但這種幅度偏差可由限幅器或自動增益控制器容易地進行抑制。
高性能振蕩器的一般結(jié)構(gòu)包括一個放大器，該放大器有一個通過諧振結(jié)構(gòu)反饋到其輸入端的輸出端。當反饋環(huán)路中的頻率變化時，諧振結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一個大的輸出變化，該輸出變化和頻率變化相反以使這種頻率變化為最小。當頻率變化而使諧振器輸出變大時，這種校正作用也增強。諧振器的這種隨頻率的變化由品質(zhì)或Q值表示。較高的Q值表明該諧振器對頻率變化更敏感，因此最終的振蕩器的輸出頻率會更穩(wěn)定。為提供具有單純及穩(wěn)定的頻率輸出的振蕩器，要求振蕩器具有低噪聲及高Q值。因為振蕩器的最終輸出頻譜是由環(huán)路產(chǎn)生的噪聲及諧振器的Q值決定的，所以對于穩(wěn)定的振蕩器，諧振結(jié)構(gòu)的高Q值是很重要的。


圖1顯示了典型振蕩器的結(jié)構(gòu)，在這種振蕩器中放大器10是由無源的相移網(wǎng)絡(luò)20進行反饋的。振蕩器5在滿足巴克好森(Barkhausen)條件，即環(huán)路增益精確地為1且環(huán)路相移為0或2π的倍數(shù)時的頻率上開始振蕩。振蕩器5被優(yōu)選地設(shè)計成使相位條件發(fā)生在諧振器的相位特性中最陡的部分。更精確地，網(wǎng)絡(luò)20的Q值和相位導(dǎo)數(shù)或諧振器的群延時δ/δf的關(guān)系為

其中fo為諧振頻率，單位為Hz(赫茲)。
通過將振蕩器5模型化為能濾除反饋環(huán)路中噪聲的極窄帶濾波器，可確定振蕩器5的輸出頻譜。因此，輸出Sv的噪聲功率譜密度與環(huán)路中的白噪聲密度Sn成正比而與諧振裝置中Q2成反比，為

其中V＝f/f0-f0/f。
提高振蕩器穩(wěn)定度的一種技術(shù)是通過將多個無源相移網(wǎng)絡(luò)級聯(lián)在一起而提高有效Q值。然而，在實際使用時，在無源相移網(wǎng)絡(luò)20中使用的諧振器既可以是兩端的亦可以是三端的器件，它通常不是單向的。將這些網(wǎng)絡(luò)級聯(lián)導(dǎo)致電的相互作用，因此不會導(dǎo)致級聯(lián)電路中有效Q值的提高。由于網(wǎng)絡(luò)的特性，在實際使用時不能將諧振器簡單地按電路級聯(lián)在一起。因此，希望提供一種把振蕩器的選頻電路級聯(lián)起來的方法，用以防止諧振器之間的相互作用和加載。
發(fā)明概要本發(fā)明的目的是提供一種通過級聯(lián)多個單元而提高振蕩器Q值的裝置和方法，其中每個單元都包含無源選頻電路及有源放大器以得到呈現(xiàn)穩(wěn)定度凈增加的振蕩器。
本發(fā)明的另一個目的是通過提高振蕩器的Q值和由此實現(xiàn)的穩(wěn)定度凈增益，從而實現(xiàn)具有構(gòu)成振蕩環(huán)路的無源諧振器及有源放大器的振蕩器的穩(wěn)定度的凈增益。
本發(fā)明的這些目的是通過提供一種包含多個無源選頻電路及多個通過所述無源選頻電路進行反饋的有源放大器的振蕩器來實現(xiàn)的，這種反饋是將多個單元級聯(lián)在一起，其中每個單元都包括由一個所述無源選頻電路和一個所述有源放大器而組成的一對所形成的一個振蕩環(huán)路。因為各單元內(nèi)的噪聲是非相干的而總的Q值是增加的，所以將所有的無源選頻電路/有源放大器單元級聯(lián)就得到振蕩器穩(wěn)定度的凈增益。級聯(lián)這些單元時，有源放大器起著隔離器的作用以防止級聯(lián)的諧振器間相互作用，從而獲得振蕩器穩(wěn)定度的凈增益。
本發(fā)明的這些目的也通過提供增強振蕩器穩(wěn)定度的方法而實現(xiàn)，這種方法包括級聯(lián)多個單元的步驟，其中每個單元都包括由一個無源選頻電路及一個有源放大器而組成的一對，以及在由所述多個級聯(lián)單元組成的振蕩環(huán)路中通過所述無源選頻電路對所述有源放大器進行反饋的步驟。本方法通過級聯(lián)多個單元，也提高了振蕩器的有效Q值，所以有源放大器起到緩沖器的作用以防止在級聯(lián)的諧振器之間的相互作用。
從下文詳細的說明中可顯見本發(fā)明進一步的適用范圍。然而應(yīng)當明白，所有說明本發(fā)明優(yōu)選實施例的詳細說明和具體例子僅是作為說明給出的，因為在本發(fā)明的主旨和范圍內(nèi)，從該詳細說明所作的各種變化和改進對本領(lǐng)域的技術(shù)人員是很顯然的。
附圖簡述通過下文給出的詳述以及僅作為說明給出的附圖可更充分地理解本發(fā)明，且本發(fā)明并不受限于此，其中圖1顯示了一般振蕩器的簡單模型；圖2(a)顯示了現(xiàn)有技術(shù)中多個諧振器的振蕩器的信號模型；圖2(b)顯示了具有級聯(lián)放大級的多個諧振器的振蕩器的信號模型；圖2(c)顯示了通過使用根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的分布式放大器的多個諧振器的振蕩器的信號模型；圖3(a)顯示了單個并聯(lián)諧振的振蕩器的模型；圖3(b)顯示了根據(jù)本發(fā)明的實施例中的多個并聯(lián)諧振的振蕩器的模型；圖4顯示了科爾皮特(Colpitt)型雙諧振器的振蕩器；圖5(a)顯示了含有并聯(lián)LC諧振器的平衡振蕩器；圖5(b)顯示了圖5(a)的平衡振蕩器的等效電路；圖5(c)顯示了通過雙諧振器特性具體化的圖5(b)的平衡振蕩器的等效電路；圖6顯示了具有并聯(lián)LC諧振器的四重諧振器。
詳細說明圖2(a)顯示了現(xiàn)有技術(shù)中多個諧振器的振蕩器的一個例子。在圖2(a)中，放大器10被連接到級聯(lián)的多個無源相移網(wǎng)絡(luò)201，202，......20n。如果將兩個相移網(wǎng)絡(luò)20級聯(lián)(其中n＝2)，則總的Q值(或相位導(dǎo)數(shù)或群延時)提高為原來的兩倍，假定相移網(wǎng)絡(luò)201，202，......20n之間沒有相互作用和加載。盡管環(huán)路中的被認為是由相移網(wǎng)絡(luò)20(非相干)的實部產(chǎn)生的總噪聲功率密度Sn也提高到原來的兩倍，由等式2可看出在輸出端的譜功率密度Sv中實現(xiàn)了由因子2表示的凈減小量。由等式2提供的這種關(guān)系可推廣至圖2(a)所示級聯(lián)的N個諧振器。應(yīng)用和在式(2)中相同原理，這樣噪聲功率密度Sn和環(huán)路品質(zhì)Q增加N倍，及在輸出端處的譜功率密度為

如等式3所顯示的關(guān)系，隨著更多的諧振器(隨著N增加)級聯(lián)在一起，振蕩器輸出端的載波/噪聲比也會提高。
在圖2(a)中，假定相移網(wǎng)絡(luò)20是一個單向的四端網(wǎng)絡(luò)。然而，實際上相移網(wǎng)絡(luò)既可以是一端接地的兩端器件也可以是非單向的三端器件。對于兩端器件，將器件級聯(lián)會導(dǎo)致既不會提高Q值也不會提高噪聲性能的并聯(lián)。對三端器件，相移網(wǎng)絡(luò)不能被認為是獨立的，因此相移網(wǎng)絡(luò)20相互加載，根據(jù)等式3，它不會提供Q值的增加。在圖1中，無源諧振器中的損耗L(以dB表示)會由放大器的增益A(以dB表示)補償。在圖2(a)中，每個無源諧振器都有損耗L，這對N個級聯(lián)的諧振器來講將導(dǎo)致總損耗為NL(dB)。必須由放大器來補償總損耗，由此該放大器的放大量必須增加到N×A(dB)。在圖2(b)中，增加的放大量是由每個放大量為A的N個放大器級聯(lián)而獲得的。在本發(fā)明的具體實施例中，將放大作用分配到整個環(huán)路中以至如圖2(c)所示每個諧振器后都跟有放大量為A的放大級。每個諧振器/放大器單元都可看作一個單元。因為放大器是用來隔離諧振器以防止諧振器間的加載及電干擾的單向元件，所以將這些眾多的單元級聯(lián)是沒有任何問題的。
當認為諧振器是含放大單元和相移網(wǎng)絡(luò)的環(huán)路時，振蕩器諧振在環(huán)路中的總相移為360°的整數(shù)倍的頻率上。每個相移網(wǎng)絡(luò)20優(yōu)先地在諧振頻率附近有快速的相位改變，以使環(huán)路噪聲在輸出頻率變化時(相位抖動)具有更少的重要性。在諧振頻率附近相位變化的斜度正比于相移網(wǎng)絡(luò)20的品質(zhì)或Q值?？梢酝ㄟ^將多個相移網(wǎng)絡(luò)級聯(lián)提高振蕩器的總Q值。盡管因增加的相移網(wǎng)絡(luò)的噪聲提高了反饋環(huán)路中的噪聲，但依然得到了振蕩器穩(wěn)態(tài)時的凈增加量。振蕩器的輸出譜密度正比于反饋環(huán)路中的總噪聲功率而與Q2成反比。因為認為相移網(wǎng)絡(luò)中的噪聲源是非相干的，所以噪聲功率隨相移網(wǎng)絡(luò)的數(shù)目而線性增加。有效Q值也隨相移網(wǎng)絡(luò)的數(shù)目而成比例地增加，結(jié)果振蕩器輸出的譜功率密度與所用的相移網(wǎng)絡(luò)的數(shù)目成反比而減少。
圖3(a)顯示了單個并聯(lián)諧振振蕩器的已知結(jié)構(gòu)的例子。圖3(a)顯示了包含一個電流源50、電阻60、電感70、電容80及跨導(dǎo)放大器90的單個并聯(lián)諧振振蕩器100。電流源50代表了在諧振器中及跨導(dǎo)放大器中產(chǎn)生的噪聲，它被表示為一個和諧振器并聯(lián)的等效噪聲源In。因子γ是一個比例常數(shù)，該常數(shù)給出了在壓控電流源的電流和控制電壓V之間的關(guān)系。因而，γ為壓控電流源所體現(xiàn)的跨導(dǎo)放大器90的跨導(dǎo)。為了得到本發(fā)明所描述的多諧振器振蕩器，并聯(lián)諧振振蕩器100的反饋環(huán)路在跨導(dǎo)輸出端是開路的，以至為形成一如圖3(b)所示的多個并聯(lián)諧振的振蕩器而可將網(wǎng)絡(luò)100級聯(lián)起來。圖3(b)是將多個并聯(lián)諧振的振蕩器網(wǎng)絡(luò)1001，1002，......100n級聯(lián)在一起，即將一個相移網(wǎng)絡(luò)的輸出和下一個相移網(wǎng)絡(luò)的輸入連接起來并將最后一個跨導(dǎo)放大器90n的輸出反饋至第一網(wǎng)絡(luò)1001。假定等效噪聲電流源是非相干的，則具有N級的多個諧振的振蕩器將呈現(xiàn)比圖3(a)所示的單個諧振振蕩器低10logN dB的譜功率密度。
諧振器/放大器的結(jié)構(gòu)可以有很多種可能的類型，圖4顯示了再一個實施例即具有類似于科爾皮特的結(jié)構(gòu)的雙諧振器振蕩器。圖4顯示了兩個諧振器/放大器結(jié)構(gòu)2001和2002，其中每個都包含第一電容2101和2102、電感2201和2202、第二電容2301和2302及電阻2401和2402。電阻2401和2402表示跨導(dǎo)。第一級的輸出端和第二級的輸入端相連，第二級的輸出反饋回第一級的輸入端。在形成反饋電路時，總相移必須保持為360°的倍數(shù)。因此，這種雙諧振器振蕩器可通過將反饋環(huán)路保持在360°的倍數(shù)而擴展成多個諧振器的振蕩器。比如，如果諧振器/放大器單元產(chǎn)生一180°的相移，則必須用偶數(shù)個諧振器/放大器單元來閉合反饋電路，但如果諧振器/放大器單元的相移為360°，則可使用偶數(shù)個或奇數(shù)個諧振器/放大器單元。
圖5(a)顯示了使用并聯(lián)LC諧振器的已知平衡振蕩器。這已知的并聯(lián)LC諧振器包括以平衡結(jié)構(gòu)連到電容310及電感300的兩個電阻320及330。無論如何，也可將這已知的并聯(lián)LC諧振器看作是雙諧振器振蕩器，如圖5(b)所示的本發(fā)明的另一個實施例的雙諧振器振蕩器。在圖5(b)中，如圖5(a)所示的電容300和電感310會被分成串聯(lián)的兩個部分以形成電感302及304和電容312及314，且在交叉點處接地。因為圖5(b)和圖5(c)是等效的，圖中清楚地顯示了根據(jù)本發(fā)明的一個具體實施例的雙諧振器特性，所以這顯示了平衡振蕩器實際上是雙諧振振蕩器。
如圖5(a)，5(b)和5(c)所示的雙諧振振蕩器的結(jié)構(gòu)可用再一個平衡結(jié)構(gòu)擴展，這就產(chǎn)生了如圖6所示的四重諧振器振蕩器。使用和如圖5(a)，5(b)和5(c)所示的相同的技術(shù)，圖6的四重諧振器振蕩器可被看作為四個并聯(lián)諧振器/放大器單元的級聯(lián)。四重諧振器振蕩器包含由電感400及電容410和電感490及電容480組成的兩個并聯(lián)諧振器。四個電阻420，430，460和470被排列成共發(fā)射極結(jié)構(gòu)，且串聯(lián)連接以形成一環(huán)路。這種四重諧振器振蕩器的結(jié)構(gòu)比圖3(a)中的單諧振器振蕩器有6dB的噪聲改進。
這種將相移網(wǎng)絡(luò)和諧振器/放大器單元級聯(lián)的技術(shù)也可應(yīng)用于電壓和電流控制振蕩器(VCO)中。對于這些VCO，一個或更多的諧振器必須包含可控器件，如與諧振電容并聯(lián)的可變電抗器(圖中未顯示)。
對電路中的多個諧振器，在不同諧振器的電感器之間會存在互感耦合。眾所周知，耦合會改變電感器的有效電感，但不會影響噪聲性能，如果噪聲僅由該諧振器產(chǎn)生的話。如果放大器也給出顯著的噪聲貢獻，那么應(yīng)當通過對并聯(lián)諧振取一個大電容值或?qū)τ诖?lián)諧振取一個大電感值而使反饋環(huán)路的Q值盡可能的大。對并聯(lián)諧振，能提高有效電感的正耦合是不希望有的。對串聯(lián)調(diào)諧，耦合會提高性能，但互耦總會使諧振頻率發(fā)生偏移，這可由電容來補償。因此，電容和電感值是基于這些考慮進行選取的。
本發(fā)明的具體實施例是針對含有無源選頻電路和有源放大器的單元的級聯(lián)，其中放大器是起緩沖器作用的單方向或單向器件。結(jié)果，避免了無源選頻電路之間的相互作用和加載，并提高了有效Q值從而獲得了振蕩器穩(wěn)定度的凈增益。
通過所述的發(fā)明，顯而易見的是這種方法可以以許多方式變化。這些變化并不被認為是偏離了該發(fā)明的精神和范圍，所有這些修改對本領(lǐng)域技術(shù)人員來講是顯而易見的，并希望被包含于權(quán)利要求書的范圍中。
權(quán)利要求書按照條約第19條的修改1.一種具有提高的穩(wěn)定度的振蕩器包括在具有輸出端的環(huán)路中級聯(lián)的多個單元，在該輸出端上提供振蕩器輸出信號，每個所述級聯(lián)單元包括，一個被調(diào)諧至最大相位導(dǎo)數(shù)的無源選頻電路，一個有源放大器；所述多個單元被級聯(lián)在一起以形成所述環(huán)路，所述環(huán)路將所述振蕩器輸出信號通過所述無源選頻電路反饋至所述有源放大器。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的振蕩器，其特征在于每個所述無源選頻電路包括一個諧振器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的振蕩器，其特征在于每個所述有源放大器是起緩沖器作用的單向或單方向的裝置，以防止所述無源選頻電路之間的相互作用。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的振蕩器，其特征在于所述無源選頻電路是單向四端部件。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的振蕩器，其特征在于振蕩器是電壓或電流控制的振蕩器。
6.根據(jù)權(quán)利要求2的振蕩器，其特征在于至少其中一個所述的諧振器包含控制元件。
7.根據(jù)權(quán)利要求2的振蕩器，其特征在于至少其中一個所述的諧振器包含與諧振電容并聯(lián)的可變電抗器。
8.一種用于提供具有提高的穩(wěn)定度的振蕩器的方法，包括以下步驟由多個級聯(lián)單元形成具有一輸出端的振蕩環(huán)路，每個所述級聯(lián)單元都包括一個被調(diào)諧至最大相位導(dǎo)數(shù)的無源選頻電路以及一個有源放大器；在所述環(huán)路的所述輸出端提供一個振蕩器輸出信號；以及由所述振蕩環(huán)路的所述多個級聯(lián)單元通過所述無源選頻電路將所述振蕩器輸出信號反饋至所述有源放大器。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的方法，其特征在于所述無源選頻電路包括諧振器。
10.根據(jù)權(quán)利要求8的方法，其特征在于所述有源放大器是起緩沖器作用的單向或單方向的裝置，以防止所述無源選頻電路之間的相互作用。
11.根據(jù)權(quán)利要求8所述的裝置，其特征在于所述無源選頻電路是單向四端部件。
12.根據(jù)權(quán)利要求8的裝置，其特征在于振蕩器是電壓或電流控制的振蕩器。
13.根據(jù)權(quán)利要求9的振蕩器，其特征在于至少一個所述的諧振器包含控制元件。
14.根據(jù)權(quán)利要求9的振蕩器，其特征在于至少一個上述的諧振器包含與諧振電容并聯(lián)的可變電抗器。
15.根據(jù)權(quán)利要求1的振蕩器，其特征在于振蕩器產(chǎn)生的總相移為360°×n，其中n為整數(shù)或零。
16.根據(jù)權(quán)利要求8的方法，其特征在于振蕩器產(chǎn)生的總相移為360°×n，其中n為整數(shù)或零。
權(quán)利要求
1.一種用于提高振蕩器穩(wěn)定度的裝置，包括多個級聯(lián)成環(huán)路的單元，每個所述單元包括一個無源選頻電路，和一個有源放大器；所述多個單元被級聯(lián)在一起以形成所述環(huán)路，所述環(huán)路通過所述無源選頻電路對所述有源放大器進行反饋。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，其特征在于每個所述無源選頻電路包括一個諧振器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，其特征在于每個所述有源放大器是起緩沖器作用的單向或單方向的裝置，以防止所述無源選頻電路之間的相互作用。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，其特征在于所述無源選頻電路是單向四端部件。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，其特征在于振蕩器是電壓或電流控制的振蕩器。
6.根據(jù)權(quán)利要求2的振蕩器，其特征在于至少一個所述的諧振器包含控制元件。
7.根據(jù)權(quán)利要求2的振蕩器，其特征在于至少一個所述的諧振器包含與諧振電容并聯(lián)的可變電抗器。
8.一種用于提高振蕩器穩(wěn)定度的方法，包括以下步驟形成一個由多個級聯(lián)單元組成的振蕩環(huán)路，這些單元包括多個無源選頻電路和多個有源放大器；以及由所述振蕩環(huán)路的所述多個級聯(lián)單元通過所述無源選頻電路對所述有源放大器進行反饋。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的方法，其特征在于所述無源選頻電路包括諧振器。
10.根據(jù)權(quán)利要求8的方法，其特征在于所述有源放大器是起緩沖器作用的單向或單方向的裝置，以防止所述無源選頻電路之間的相互作用。
11.根據(jù)權(quán)利要求8的裝置，其特征在于所述無源選頻電路是單向四端部件。
12.根據(jù)權(quán)利要求8的裝置，其特征在于振蕩器是電壓或電流控制的振蕩器。
13.根據(jù)權(quán)利要求9的振蕩器，其特征在于至少其中一個所述的諧振器包含控制元件。
14.根據(jù)權(quán)利要求9的振蕩器，其特征在于至少其中一個所述的諧振器包含與諧振電容并聯(lián)的可變電抗器。
全文摘要
提供了一種用于增加振蕩器的Q值以便獲得振蕩器穩(wěn)定度凈增益的裝置和方法。在這種裝置和方法中,有多個單元,其中每個單元都包含一個無源選頻電路及一個有源放大器,這些單元級聯(lián)在一起且通過有源放大器充當緩沖器而保持各無源選頻電路間的隔離度。結(jié)果,避免了無源選頻電路間的相互作用和加載,這樣由于增加了振蕩器的Q值而得到振蕩器穩(wěn)定度的凈增益。
文檔編號H03B5/12GK1187269SQ9619462
公開日1998年7月8日 申請日期1996年3月26日 優(yōu)先權(quán)日1995年4月19日
發(fā)明者J·哈爾特森 申請人:艾利森電話股份有限公司