本发明涉及电路设计领域，特别是一种多段位宽调谐范围的lc振荡器。
背景技术：
环形振荡器易于集成，但其相位噪声性能比lc振荡器差。cmos反相器级联的环形振荡器，假设电路开始工作时每个结点的初始电压为反相器的逻辑阈值vtrip。如果各级反相器相同并且器件没有噪声，那么电路将永远保持这个状态，但噪声成分会扰动每个结点的电压，结果产生不断放大的波形，最终信号达到电源电压摆幅。其基本原理为，假设电路开始时，第一级反相器的输出电压vx＝vdd，此时vy＝0，vz＝vdd，当电路开始工作时，第一级反相器的输入是vz即高电平，vx开始降到零，迫使vy在经过一个反相器延时td后上升到vdd，而vz在经过一个反相器延时td后降到零。那么电路在连续结点电压之间以td延时振荡，产生的振荡周期为6td，频率为1/(6td)。环路反相的次数必须是奇数次，否则电路会锁定。
差分形式级联的环形振荡器，与cmos反相器级联的环形振荡器相比最大的优势在于其计数可以为偶数，只需要将其中一级接成不反相的即可，电路更加灵活。
然而，现有技术虽然能达到一定的频率输出要求，但其输出频率较低，调谐范围较窄，调谐增益较大，噪声性能不优，使得经过分频后不能提高良好的频率指标。
技术实现要素：
本发明主要是提供一种多段位宽调谐范围的lc振荡器，解决了现有技术中输出频率较低，调谐范围较窄，噪声性能差的问题。
为了解决上述问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种多段位宽调谐范围的lc振荡器，包括可变电容模块，其包括第一压控输出电压端、第一隔直电容、第一可变电容、第二压控输出电压端、第二隔直电容、第二可变电容、偏置电压端、第一偏置电阻、第二偏置电阻以及控制电压端，其中第一压控输出电压端经第一隔直电容连接第一可变电容，第二压控输出电压端经第二隔直电容连接第二可变电容，偏置电压端与第一偏置电阻的一端和第二偏置电阻的一端连接，控制电压端与第一可变电容的一端和第二可变电容的一端连接；权位电容模块，其包括多组开关电容阵列，其中一组开关电容阵列包括第一权位电容、第二权位电容、第一负载电阻、第二负载电阻、第一反相器、第二反相器、第一晶体管、第二晶体管、第三晶体管以及第四晶体管，其中，第一晶体管与第三晶体管为同类型的晶体管，第二晶体管与第四晶体管为与第一晶体管互补类型的晶体管，电路端子连接第一晶体管和第三晶体管的栅极，电路端子经第一反相器和第二反相器分别连接第二晶体管和第四晶体管的栅极，第一压控输出电压端经第一权位电容连接第一晶体管的漏极，第二晶体管的漏极经第一负载电阻连接第一晶体管的漏极，第二压控输出电压端经第二权位电容连接第三晶体管的漏极，第四晶体管的漏极经第二负载电阻连接第三晶体管的漏极。
本发明的技术方案可以达到的有益效果是：本发明设计了一种多段位宽调谐范围的lc振荡器。lc振荡器的输出频率很高，版图面积小，带偏置电压的可变电容结构使调谐曲线线性度高，多位的权位电容结构使调谐范围广，频率裕度大，调谐增益较小，噪声性能好。
附图说明
图1是本发明一种多段位宽调谐范围的lc振荡器的一个具体实施方式的示意图；
图2是本发明一种多段位宽调谐范围的lc振荡器的一个具体实例的示意图；
图3是本发明一种多段位宽调谐范围的lc振荡器的另一个具体实例的示意图；
图4是本发明一种多段位宽调谐范围的lc振荡器的另一个具体实例的示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括……”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
图1示出了本发明一种多段位宽调谐范围的lc振荡器的一个具体实施方式。在该具体实例方式中，本发明的多段位宽调谐范围的lc振荡器，包括可变电容模块以及权位电容模块。为了使本发明的技术方案便于理解，结合图2、图3以及图4对本发明的多段位宽调谐范围的lc振荡器进行说明。
在本发明的一个具体实例中，多段位宽调谐范围的lc振荡器可产生频率高达1000mhz以上的波形信号。多段位宽调谐范围的lc振荡器有变压器反馈式、电感三点式和电容三点式三种。这三种均采用lc谐振回路作为选频网络，而且一般采用lc并联回路，品质因数是lc并联回路的重要指标，也称q值。q值越大，lc并联电路阻抗的相角随频率变化的程度越急剧，选频效果越好。
在本发明的一个具体实施方式中，可变电容模块，其包括第一压控输出电压端、第一隔直电容、第一可变电容、第二压控输出电压端、第二隔直电容、第二可变电容、偏置电压端、第一偏置电阻、第二偏置电阻以及控制电压端，其中第一压控输出电压端经第一隔直电容连接第一可变电容，第二压控输出电压端经第二隔直电容连接第二可变电容，偏置电压端与第一偏置电阻的一端和第二偏置电阻的一端连接，控制电压端与第一可变电容的一端和第二可变电容的一端连接。
在本发明的一个具体实施例中，第一信号源的一端经过分压电阻后连接第一压控输出电压端，第一信号源的另一端直接连接第二压控输出电压端。第一信号源不仅可以为第一压控输出电压端和第二压控输出电压端提供电压，还可以输出各种波形。
在本发明的一个具体实施例中，第二信号源提供控制电压端的电压，第三信号源提供偏置电压端的电压。分开的信号源分别为不同的电压端提供各自的电压有利于控制电路的信号走向。
在本发明的一个具体实例中，图2是本发明一种多段位宽调谐范围的lc振荡器的一个具体实例的示意图，在如图2所示的可变电容结构中，控制电压端vctrl为可变电容两端提供电压，控制可变电容的电容值，偏置电压端vbias提供的电压经过偏置电阻给可变电容提供电压偏置，第一信号源为第一压控输出电压端vco1和第二压控输出电压端vco2提供电压，第二信号源为控制电压端vctrl提供电压，第三信号源为偏置电压端vbias提供电压，其中，第一信号源还可以提供各种波形。
在本发明的一个具体实施例中，通过第一偏置电阻提供的电压偏置控制第一可变电容的电容值，使得第一可变电容的电容值在第一电容线性变化范围；以及通过第二偏置电阻提供的电压偏置控制第二可变电容的电容值，使得第二可变电容的电容值在第二电容线性变化范围。电容线性变化可以准确预计，方便用于电路设计，并且还可以得到比较宽的可变电容的电容值范围。
在本发明的一个具体实例中，通常情况下可变电容是通过改变电容两端的电压来改变电容值的，通常可变电容两端的电压在实际电路中不会刚好在可变电容的电容线性变化区域范围内，比如电容两端电压需要在1.5v到2v区域内，可变电容的电容值是线性变化的，在其余电压区域内，可变电容的电容值是非线性变化的，而电路只能工作在0.5v到1v这个电压区域，此时，偏置电压端经过偏置电阻可以给可变电容提供一个1v的电压偏置，使可变电容工作在电容线性变化的范围内，电容线性变化可以准确预计，方便用于电路设计，并且还可以得到比较宽的可变电容的电容值范围。
在本发明的一个具体实例中，如图2所示的可变电容结构，有两个可变电容，两个偏置电阻以及两个隔直电容。一般情况下可变电容cvar是100～500ff的值，隔直电容c0是起到耦合作用，不能对可变电容cvar有较大的影响，因此隔直电容c0的值通常是10pf这个量级。rbias是偏置电阻，起到一个直流偏压的作用，来控制可变电容cvar的工作范围，即起到一个断路偏置点，因此偏置电阻的阻值要大，但是偏置电阻的阻值过大，会引入热噪声，所以通常偏置电阻的阻值在5～10kω。
在本发明的一个具体实例中，控制电压vctrl用来控制可变电容的电容值；隔直电容c0使得可变电容的偏置电路独立于其他电路，使得偏置电路与其他电路互不影响。
在本发明的一个具体实施方式中，权位电容模块，其包括多组开关电容阵列，其中一组开关电容阵列包括第一权位电容、第二权位电容、第一负载电阻、第二负载电阻、第一反相器、第二反相器、第一晶体管、第二晶体管、第三晶体管以及第四晶体管，其中，第一晶体管与第三晶体管为同类型的晶体管，第二晶体管与第四晶体管为与第一晶体管互补类型的晶体管，电路端子连接第一晶体管和第三晶体管的栅极，电路端子经第一反相器和第二反相器分别连接第二晶体管和第四晶体管的栅极，第一压控输出电压端经第一权位电容连接第一晶体管的漏极，第二晶体管的漏极经第一负载电阻连接第一晶体管的漏极，第二压控输出电压端经第二权位电容连接第三晶体管的漏极，第四晶体管的漏极经第二负载电阻连接第三晶体管的漏极。
在本发明的一个具体实施例中，第一晶体管和第三晶体管为nmos，第一晶体管与第三晶体管的源极接地。
在本发明的一个具体实施例中，第二晶体管和第四晶体管为pmos，第二晶体管与第四晶体管的源极接外部电源。
在本发明的一个具体实施例中，按照预设比例的顺序依次改变多组开关电容阵列中的权位电容值，其中，预设比例包括幂次方比例。
在本发明的一个具体实例中，权位电容可以按1:2:4:8……，这样的比例去改变电容值，从而增加压控输出电压的调谐频率范围，并且在整个范围内保持品质因数相对不变，其中最主要就是可以增加压控输出电压调谐频率范围。
在本发明的一个具体实例中，权位电容的设计如图3所示，图3展示出了多组开关电容阵列中的一组开关电容阵列。b0是第一组开关电容阵列的开关电路端子，开关电容阵列采用对称的结构形式，即在两个开关电路端子之间使用虚线连接两个开关电容电路。第一组开关电容阵列由两个相同结构的开关电容电容构成。第一组开关电容阵列包含两个相同类型的反相器，两个相同类型的电容，两个相同类型的电阻，两个n沟道mos管以及两个p沟道mos管。开关电路端子b0连接外部信号，输入高电位，连接在第一晶体管的栅极，第一晶体管的源极接地，在栅源之间形成电压ugs1。当ugs1大于第一晶体管的开启电压时，第一晶体管导通，此时第一晶体管的漏极和源极之间有内阻，并且这个电阻阻值不能忽略不计，即为第一晶体管的导通电阻。第一压控输出电压端的输出电压为低电位时，经过第一权位电容后，连接在第一晶体管的漏极，在第一晶体管的漏极和源极之间形成电压uds1。在uds1约为零，ugs1远远大于第一晶体管的开启电压的情况下，第一晶体管的导通电阻近似的与ugs1成反比，为了得到较小的导通电阻，应取尽可能大的ugs1值。开关电路端子b0输入的高电位经第一反相器后变成低电位，输入到第二晶体管的栅极，第二晶体管的源极接高电位在栅源之间形成电压ugs2。当ugs2小于第二晶体管的开启电压时，第二晶体管通。第一压控输出电压端的输出电压为低电位，经过第一权位电容和第一负载电阻后，连接在第二晶体管的漏极，在第二晶体管的漏极和源极之间形成电压uds2。同样的，开关电路端子b0输入的高电位，连接到第三晶体管的栅极，第三晶体管的源极接地，在栅源之间形成电压ugs3。当ugs3大于第三晶体管的开启电压时，第三晶体管导通。第二压控输出电压端的输出电压为低电位时，经过第二权位电容后，连接在第三晶体管的漏极，在第三晶体管的漏极和源极之间形成电压uds3。开关电路端子b0输入的高电位经第一反相器后变成低电位，输入到第四晶体管的栅极，第四晶体管的源极接高电位，在栅源之间形成电压ugs4。当ugs4小于第四晶体管的开启电压时，第四晶体管导通。第二压控输出电压端的输出电压为低电位时，经过第二权位电容和第二负载电阻后，连接在第四晶体管的漏极，在第四晶体管的漏极和源极之间形成电压uds4。
在本发明的一个具体实例中，图4展示出了多组开关电容阵列中的另一组开关电容阵列。同样的，多组开关电容阵列中还有第三组，第四组开关电容阵列，开关电容阵列的组数根据用户想要获得的调谐曲线的数量决定。第一压控输出电路端和第二压控输出电路端为多组开关电容阵列提供电压。b1是第二组开关电容阵列的开关电路端子，其开关电容阵列结构与第一组开关电容阵列的结构相同，即由两个权位电容，两个负载电阻，两个反相器以及四个晶体管以相同的连接方式进行连接。在这多组开关电容阵列中，每一个开关电容电路的负载电阻的取值相同，反相器都是相同的类型。每一个开关电容电路的权位电容的取值都不同，假设有四组开关电容阵列，那么在这四组开关电容阵列中共8个开关电容电路，所以也共有8个权位电容，这8个权位电容不仅可以按照1:2:4:8:16:32:64:128的比例来设置，也可以按照1:2:3:4:5:6:7:8的比例来设置。而这四组开关电容阵列中的每一个晶体管的导通电阻的阻值要保证在该开关电容电路中的权位电容的电流能够正常流通即可。
在本发明的一个具体实例中，vco指输出频率与输入控制电压有对应关系的振荡电路，vco的工作状态或振荡回路的元件参数受输入控制电压的控制，就可构成一个压控振荡器。压控振荡电路输入电压不断减少，通过优化相位噪声，尽可能的加大输出电压时的幅值，从而会使压控增益kvco降低。
在本发明的一个具体实例中，权位电容的设计采取开关电容阵列，从而能够获得更多的调谐曲线，使得压控增益kvco减小，抖动减小，性能更优；同时调谐宽度更广，频率裕度更好。
在本发明的一个具体实施例中，将第一晶体管和第二晶体管的寄生电容值均不大于一定比例的第一权位电容值时的第一晶体管和第二晶体管的导通电阻值分别确定为第一晶体管和第二晶体管的工作导通电阻值。既保证了第一权位的电流流通，又保证了对多段位宽调谐范围的lc振荡器中谐振电路的q值和相位噪声的影响较小。
在本发明的一个具体实施例中，将第三晶体管和第四晶体管的寄生电容值均不大于一定比例的第二权位电容值时的第三晶体管和第四晶体管的导通电阻值分别确定为第三晶体管和第四晶体管的工作导通电阻值。既保证了第二权位的电流流通，又保证了对多段位宽调谐范围的lc振荡器中谐振电路的q值和相位噪声的影响较小。
在本发明的一个具体实例中，权位电容的设计即为调谐曲线的设计，权位电容设计的重点是开关结构的设计和权位电容的电容值，开关结构设计的要点是晶体管的导通电阻和关断电阻的取值。
在本发明的一个具体实例中，导通电阻的阻值理论上越小越好，但是减小导通电阻的阻值，电路会增大面积，从而会增加晶体管的寄生电容，导致开关电容阵列失去优势，因此需要折中。通常来说，当晶体管的寄生电容不超过权位电容1/10时，取这个时候晶体管的导通电阻的阻值比较合适。
在本发明的一个具体实例中，第一晶体管、第二晶体管、第三晶体管以及第四晶体管的导通电阻的阻值越小，对多段位宽调谐范围的lc振荡器中谐振电路的品质因数的影响越小。
在本发明的一个具体实例中，第一晶体管和第二晶体管作为开关导通时，其对应的导通电阻的阻值尽量小，保证权位电容的电流流通，同时导通电阻的阻值越小，对多段位宽调谐范围的lc振荡器中的组成电路的q值影响越小，对多段位宽调谐范围的lc振荡器中谐振电路的相位噪声的影响也越小。
在本发明的一个具体实施例中，第一晶体管和第二晶体管的关断电阻值分别大于第一预设阈值，使得当第一晶体管和第二晶体管断开时，第一晶体管和第二晶体管的工作状态不受第一权位电容两端电压的影响；以及第三晶体管和第四晶体管的关断电阻值分别大于第二预设阈值，使得当第三晶体管和第四晶体管断开时，第三晶体管和第四晶体管的工作状态不受第二权位电容两端电压的影响。
在本发明的一个具体实例中，第一晶体管和第二晶体管的关断电阻指的是指第一晶体管和第二晶体管作为开关关闭之后，其对应的关断电阻的阻值应尽量大，做到阻止第一权位电容影响第一晶体管和第二晶体管此时的工作状态；第三晶体管和第四晶体管的关断电阻指的是指第三晶体管和第四晶体管作为开关关闭之后，其对应的关断电阻的阻值应尽量大，做到阻止第二权位电容影响第三晶体管和第四晶体管此时的工作状态。
以上描述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
1.一种多段位宽调谐范围的lc振荡器，其特征在于，包括：
可变电容模块，其包括第一压控输出电压端、第一隔直电容、第一可变电容、第二压控输出电压端、第二隔直电容、第二可变电容、偏置电压端、第一偏置电阻、第二偏置电阻以及控制电压端，其中所述第一压控输出电压端经所述第一隔直电容连接所述第一可变电容，所述第二压控输出电压端经所述第二隔直电容连接所述第二可变电容，所述偏置电压端与所述第一偏置电阻的一端和所述第二偏置电阻的一端连接，所述控制电压端与所述第一可变电容的一端和所述第二可变电容的一端连接；
权位电容模块，其包括多组开关电容阵列，其中一组开关电容阵列包括第一权位电容、第二权位电容、第一负载电阻、第二负载电阻、第一反相器、第二反相器、第一晶体管、第二晶体管、第三晶体管以及第四晶体管，其中，所述第一晶体管与第三晶体管为同类型的晶体管，第二晶体管与第四晶体管为与所述第一晶体管互补类型的晶体管，电路端子连接所述第一晶体管和所述第三晶体管的栅极，所述电路端子经所述第一反相器和所述第二反相器分别连接所述第二晶体管和所述第四晶体管的栅极，所述第一压控输出电压端经所述第一权位电容连接所述第一晶体管的漏极，所述第二晶体管的漏极经所述第一负载电阻连接所述第一晶体管的漏极，所述第二压控输出电压端经所述第二权位电容连接所述第三晶体管的漏极，所述第四晶体管的漏极经所述第二负载电阻连接所述第三晶体管的漏极。
2.如权利要求1所述的多段位宽调谐范围的lc振荡器，其特征在于，所述第一晶体管和所述第三晶体管为nmos晶体管，所述第一晶体管与所述第三晶体管的源极接地。
3.如权利要求1所述的多段位宽调谐范围的lc振荡器，其特征在于，所述第二晶体管和所述第四晶体管为pmos晶体管，所述第二晶体管与所述第四晶体管的源极接外部电源。
4.如权利要求1所述的多段位宽调谐范围的lc振荡器，其特征在于，通过所述第一偏置电阻提供的电压偏置控制所述第一可变电容的电容值，使得所述第一可变电容的电容值在第一电容线性变化范围；以及
通过所述第二偏置电阻提供的电压偏置控制所述第二可变电容的电容值，使得所述第二可变电容的电容值在第二电容线性变化范围。
5.如权利要求1所述的多段位宽调谐范围的lc振荡器，其特征在于，将所述第一晶体管和所述第二晶体管的寄生电容值均不大于一定比例的所述第一权位电容值时的所述第一晶体管和所述第二晶体管的导通电阻值分别确定为所述第一晶体管和所述第二晶体管的工作导通电阻值。
6.如权利要求1所述的多段位宽调谐范围的lc振荡器，其特征在于，将所述第三晶体管和所述第四晶体管的寄生电容值均不大于一定比例的所述第二权位电容值时的所述第三晶体管和所述第四晶体管的导通电阻值分别确定为所述第三晶体管和所述第四晶体管的工作导通电阻值。
7.如权利要求1所述的多段位宽调谐范围的lc振荡器，其特征在于，所述第一晶体管和所述第二晶体管的关断电阻值分别大于第一预设阈值，使得当所述第一晶体管和所述第二晶体管断开时，所述第一晶体管和所述第二晶体管的工作状态不受所述第一权位电容两端电压的影响；以及
所述第三晶体管和所述第四晶体管的关断电阻值分别大于第二预设阈值，使得当所述第三晶体管和所述第四晶体管断开时，所述第三晶体管和所述第四晶体管的工作状态不受所述第二权位电容两端电压的影响。
8.如权利要求1所述的多段位宽调谐范围的lc振荡器，其特征在于，按照预设比例的顺序依次改变所述多组开关电容阵列中的权位电容值，其中，所述预设比例包括幂次方比例。
9.如权利要求1所述的多段位宽调谐范围的lc振荡器，其特征在于，
第一信号源的一端经过分压电阻后连接所述第一压控输出电压端，所述第一信号源的另一端直接连接所述第二压控输出电压端。
10.如权利要求1所述的多段位宽调谐范围的lc振荡器，其特征在于，第二信号源提供所述控制电压端的电压，第三信号源提供所述偏置电压端的电压。
技术总结