[发明专利]一种Class-F压控振荡器

说明书

本发明属于无线通信技术领域，涉及锁相环中的电压控制振荡器(VCO)，具体为一种Class‑F压控振荡器。本发明包括：第一谐振腔，交叉耦合管对及第二谐振腔，其中，第一谐振腔谐振于ω₁处，则第二谐振腔谐振于3ω₁处；即采用两个分离的电感形成两个谐振腔的设计，将三次谐波与基波分离开来，在交叉耦合管漏源两极依然形成一个近似方波的波形；并且，本发明中两个谐振腔代替变压器结构，避免了反复调节变压器的尺寸来确保电路的性能需求，大大简化设计过程，使得实际设计更为方便；同时，本发明中去除了尾电流源与滤波电容，使电路结构更加简单，并且有效避免了由于尾电流源和滤波电容在电路中带入的相噪恶化的问题。

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，涉及锁相环中的电压控制振荡器(VCO)，具体为一种Class-F压控振荡器。

背景技术

锁相环作为无线通信技术的重要组成部分，随着无线通信技术的飞速发展，对锁相环的要求也越来越高；电压控制振荡器(VCO)作为锁相环的关键电路，其性能是最受关注的问题；其中，最主要的性能指标是VCO的相位噪声和功耗。

为了改善压控振荡器的相噪性能，研究者提出了许多的新结构。传统的Class-F电压控制振荡器通过一个具有中等耦合谐振绕组的变压器，增加基本振荡电压的三次谐波得到一个附加阻抗峰值，得到输出电压是一个伪方波的电压波形；如图1所示，M₁、M₂交叉耦合管在电路中用来产生负阻，变压器初级线圈L_p以及变容管C₁和次级线圈L s以及变容管C₂构成两个谐振腔用来产生两个阻抗峰；尾电流源M_T用来保证流经整个电路的总电流保持不变，从而降低整个电路的电源敏感性，除此之外，M_T可以提供一个大的阻抗，防止谐振腔的Q值降低；尾电容C_T用来滤除电路产生的噪声。如图2所示为上述传统Clas s-F电压控制振荡器的时域以及频域的振荡波形图，电流I_d是方波，理想情况下，一次谐波和三次谐波是方波的主要成分，二次谐波小到可以忽略；一般电感组成的LC谐振腔阻抗只有一个谐振峰，而Class-F结构采用变压器结构，可以有两个谐振峰；假设电路振荡在ω₁，若把第二个谐振峰调整到3ω₁处，则电路输出电压可以形成伪方波，减小了交叉耦合管进入线性区的时间从而改善了VCO的相噪性能。但是，传统的Class-F电压控制振荡器也存在如下问题：

(1)传统Class F压控振荡器含有变压器，增加了设计难度：变压器结构本身会增大V CO的调节范围，并且变压器结构本身的Q值较高，会提高相噪性能；并且变压器在实际电路中是通过两个电感耦合得到的，导致变压器的耦合系数的调节只能根据经验值；除此之外，在得到了所需要的变压器尺寸之后，若电路后仿真与前仿真的结果差异过大，如振荡频率发生很大的变化，此时还需要重新设计变压器的尺寸，导致电路灵活性不够；

(2)传统结构由于需要一个额外的大晶体管作为尾电流源到地，其会限制输出电压的摆幅并且此晶体管会引入热噪声；而且，此晶体管不是理想的电流源，所以其阻抗不是无穷大；由于输出电压摆幅很大，当M1或M2进入三极管区时会等效为一个电阻，这样会使谐振腔的Q值有一个到地的通路，使电路的相位噪声性能变差；

(3)传统结构中与尾电流源并联的电容要选择大电容才会起到滤波作用，但是当M1或M2进入三极管区时会等效为一个电阻，此时电容很大，等效于短路，进一步恶化电路的相噪性能。

发明内容

本发明的目的在于针对上述传统Class-F压控振荡器的缺点，提供一种新型的Class-F压控振荡器；本发明采用两个分离的电感形成两个谐振腔的设计，降低了设计难度，并且去掉了尾电流源以及滤波电容，不存在上述相位噪声恶化的问题。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种Class-F压控振荡器，包括：第一谐振腔，交叉耦合管对及第二谐振腔，其特征在于：