[发明专利]提高压控振荡器性能的方法、压控振荡器、锁相环电路及其应用

说明书

技术领域    

   [0001] 本发明涉及无线通信电路，特别涉及频率范围需求宽的压控振荡器。应用于无线终端设备上；具体地说涉及到提高压控振荡器性能的方法、压控振荡器、锁相环电路及其应用。

背景技术    

    压控振荡器(VCO)，是无线终端设备中必不可少的部件。压控振荡器是构成锁相环(PLL)的主要电路之一。由压控振荡器构成的锁相环电路在发射机中提供载波信号，在接收机中提供本振信号与射频信号进行混频。在无线通信中，尤其在专业无线通信领域，要求压控振荡器在保证相位噪声性能的同时，还要有宽的频率范围。 

　　　一般地，压控振荡器主要由频率可调节的调频电路、放大电路、反馈电路以及缓冲电路构成，其中，调频电路和放大电路及反馈电路共同组成振荡电路，用于产生振荡信号；缓冲电路一方面对振荡电路产生的信号进行放大，另一方面隔离负载与振荡电路之间的直接联系，减小负载对振荡电路的影响。

在无线通信中，有多种可行的振荡器拓扑都可用于构建一个实用的射频压控振荡器。特别地，在专业无线通信领域，为了得到灵活、廉价、并具有足够高性能的压控振荡器，更多采用的是基于考毕兹模型的电容三点式振荡电路。

常见的电容三点式振荡电路的等效电路如图１所示：

不考虑分布参数，并假定Cc>>C1和C2，并有C1>Cπ (Cπ为三极管基-射结电容)。

振荡频率(fO)可以按以下公式计算：

 其谐振电路的品质因数(QT)可按下式计算：

 在缓冲放大器之前的振荡幅度(VO) 估算方程：

 振荡电路增益A=(gm×REQ)/n，其中n=(C1+C2)/C2

振荡器的起振条件：

 假定距离输出信号的中心频率fO的m频率宽处的频率为fm，那么在fm处的相位噪声为：

 基于上述考毕兹拓扑的压控振荡器，分析可知，在满足起振荡的前提下，L为常数，CV在一定范围内，其输出信号fO范围也是一定的，谐振电路的品质因数QT与频率频段有反比的关系。另外，频率频段范围增大，相位噪声PN也随之变大。因此，在无线设备中，宽频带范围的压控振荡器与低相位噪声是设计的难点。另外，压控振荡器的频率范围在控制电压的有限范围内增大，使得压控灵敏度也增大，从而导致了FM剩余调制频偏也相应的变大使通信设备信噪比变差。

为了解决上述问题，在无线通信中，尤其在专业无线通信中，在压控振荡器具有满足要求的相位噪声的前提下，要求发射机与接收机的压控振荡器达到几十兆赫兹，甚至上百兆赫兹的自由振荡范围。现有技术常见的一种设计方案是通过提高分立器件的Q值(如电容器、电感器、变容二极管)保证相位噪声的同时来提高压控振荡器的频段；另一种设计方案是基于前面一种现有方案的基础上，在同一个锁相环路内部使用多个压控振荡器，即在同一个锁相环路内部使用多个压控振荡器，同时通过各种方法提高分立元件的Q值。

现有技术的一种实现方案是通过提高分立器件的品质因数Q值，如变容二极管，电容器，电感器等常与振荡的分立器件，提高压控振荡器整体的相位噪声，在保证相位噪声满足设计要求的前提下，提高压控振荡器的频段。

其具体现电路模型如图２所示：选频电路以及反馈电路的品质因数Q值直接影响了压控振荡器的Q值，现有技术方案一主要通过增大选频电路，或者同时增大反馈电路的Q值来提高压控振荡器整体的相位噪声。

解决现有问题的另外一种方案是在同一个锁相环路内部使用多个压控振荡器。假定压控振荡器的频率频段要求为70MHz，如果在同一个锁相环路内部使用两个压控振荡器，那么每个压控振荡器的频段为35MHz。频段减小，每个压控振荡器的相位噪声就降低，从而整个70MHz频率频段内的相位噪声得到了降低。其具体现电路模型如图３所示，图３中，VCO1为第一个压控振荡器，VCO2为第二个压控振荡器，VCOn为第n个压控振荡器。

现有技术方案的主要缺点是：现有技术方案一通过提高分立器件的品质因数保证相位噪声的同时来提高压控振荡器的频段，改变不了牺牲压控振荡器相位噪声来提高频率频段的本质，然而分立器本身Q值的提高有限，而且高Q值分立器件成本高也是一个很大的限制因素；现有技术方案二在同一个锁相环路内部使用多个压控振荡器，相位噪声和频段都得到了充分的保证，但是此方案由于分立器件数量较大，很难应用于无线终端设备。

发明内容