[實用新型]一種低功率高性能的VCO電路

有效

• 申請號: 201720405210.8
• 申請日: 2017-04-18
• 公開（公告）號: CN206759422U
• 公開（公告）日: 2017-12-15
• 發明（設計）人: 居水榮;石徑;王天赦
• 申請（專利權）人: 江蘇信息職業技術學院
• 主分類號: H03L7/099
• 分類號: H03L7/099
• 代理公司: 無錫萬里知識產權代理事務所(特殊普通合伙)32263
• 代理人: 王傳林

技術領域

本實用新型涉及電路領域，具體涉及一種低功率高性能的VCO電路。

背景技術

振蕩器是一種用于產生正弦波、方波等重復信號的電子元件，廣泛應用于通信、電子、航空航天、醫學等各個領域；其中壓控振蕩器(VCO，Voltage-Controlled Oscillator)由于可以提供隨電壓變化的振蕩頻率，成為射頻電路的重要組成部分，也被稱為調頻其，用于產生調頻信號，在現代通信技術、藍牙技術等方面普遍采用，在電子通信技術領域，VCO與電流源、運放具有同等重要的地位。

最初的VCO都是采用分立元件組裝而成的，隨著通信領域對終端產品不斷提出輕、薄、短、小等要求，并且要求低成本、高性能、能夠大批量生產等，因此關于壓控振蕩器的研究主要集中在電路結構、性能、體積和制作成本等方面，并且發展方向是采用主流標準CMOS工藝的VCO電路的設計開發。

目前壓控振蕩器主要包括LC壓控振蕩器、晶體壓控振蕩器和RC壓控振蕩器等三大類。其中LC壓控振蕩器是將壓控元件——變容二極管放置在振蕩回路中形成的；晶體壓控振蕩器則將變容二極管和石英晶體相串接而成的，由于這兩種類型的VCO都無法兼容標準CMOS工藝，因此目前集成電路中大多采用RC壓控振蕩器，本發明針對RC壓控振蕩器。

RC壓控振蕩器包括了普通RC充放電振蕩器和環形振蕩器兩大類。

在現有技術中，線性壓控振蕩器就是一種典型的RC充放電振蕩器，這種類型的振蕩器通過將電容上的電壓與比較器的參考電壓進行比較，得到周期性的振蕩波形。RC充放電振蕩器通常利用高電源電壓來加快負載電容的充放電實現高頻率；一旦電源電壓降低，電場強度下降，半導體載流子移動速度變慢，開關速度也下降，從而導致頻率降低。另外由于這種結構的VCO中采用電阻、電容等半導體器件，受工藝變化的影響，頻率變化會比較大；另外由于增加了電阻、電容這些無源器件，導致集成電路加工過程中需要增加光刻掩膜層次，這樣會大大增加芯片的成本。

環形振蕩器中的延時單元可以是多種多樣的。第一類：全差分環形振蕩器常采用三到五級的結構。現有技術中典型的差分環形振蕩器采用了對稱負載的差分延時單元和反饋-復制偏置電路；還有一種差分環形振蕩器，其中延時單元采用了電阻等無源器件，通過調節交叉耦合晶體管對的電阻值來對壓控振蕩器進行頻率調節。由于CMOS工藝條件下很難制作阻值精確的電阻，因此也可用PMOS管代替電阻，當PMOS管處于深線性區是，其導通電阻幾乎為常數。

第二類是由反相器構成的基本環形振蕩器結構。反相器構成環形振蕩器在普通的振蕩器中非常普遍，其中反相器作為延時單元，這種振蕩器中四級環路在某種工作狀態下會出現鎖死、無法振動的情形。為解決以上問題，在延時單元中添加了鎖存器，可以打破鎖死狀態，增強了動態調節能力，實現電壓控制頻率的功能。

以上兩類環形振蕩器的結構相對較復雜，這樣導致VCO的芯片面積較大，另外以上幾種結構的VCO功耗相對較大，反相器構成的基本環形振蕩器結構盡管功耗較以上全差分環形振蕩器要小，但電路結構也較復雜，芯片面積無法做到很小。

第三類：為了簡化結構，縮小面積，降低功耗，采用一些特殊的延時單元，有在VCO中采用了CMOS傳輸門的結構作為延時單元；另外還采用了施密特觸發器，在滿足振蕩條件的情況下起到相位反轉和整形的作用。該種壓控振蕩器采用了傳輸門作為壓控電阻，但由于MOS管導通電阻取決于管子的寬長比，而管子寬長比受制于加工等因素限，這種結構的VCO其頻率可調范圍較小，很多應用情況下都無法滿足。

另外，現有技術中，VCO輸出頻率會隨著溫度的變化而變化。舉一個例子，在室溫下，輸出頻率為20MHz時，傳統的VCO的頻率變化量約為6.57M Hz，而現有的VCO相對來說變化量已經較小了，但還是有0.9MHz，按百分比計算的話也達到了4.5％，這樣的溫度特性在很多VCO應用中也是無法接受的。

發明內容

針對現有技術中存在的問題，本實用新型提供了一種低功率高性能的VCO電路，其在低電壓下輸出頻率高，隨工藝變化小，頻率可調范圍大，壓控振蕩器的輸出頻率隨溫度的變化小，芯片成本低，電路結構簡單，功耗低。