阅读说明：本技术 一种小型化、宽线性调频范围的射频振荡器 (Miniaturized radio frequency oscillator with wide linear frequency modulation range ) 是由 李秀萍 李昱冰 谭韬 陈德阳 杨农军 于 2019-12-09 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种小型化、宽线性调频范围的射频振荡器,其属于射频芯片电路设计技术领域。振荡器包括信号放大子模块、延迟调节子模块和双调频控制电压产生模块。通过在第四MOS管和第五MOS管的源极引入电容来提高振荡器振荡频率,同时通过双调频控制电压产生模块生成两个控制电压同时控制电路延迟,使调频成宽带、线性特性。在相同的功耗下,本发明具有比传统环形振荡器高41％的振荡频率,高83％的调频范围,比传统谐振型振荡器的调频范围宽3.4倍,并且在调频范围内保持线性调节特性。本发明具有的小型化的特性,为集成电路生产节约了成本。(The invention discloses a miniaturized radio frequency oscillator with a wide linear frequency modulation range, and belongs to the technical field of radio frequency chip circuit design. The oscillator comprises a signal amplification submodule, a delay adjustment submodule and a double-frequency-modulation control voltage generation module. The oscillation frequency of the oscillator is improved by introducing capacitors into the source electrodes of the fourth MOS tube and the fifth MOS tube, and two control voltages are generated by the double-frequency-modulation control voltage generation module and delay of the circuit is controlled at the same time, so that frequency modulation is broadband and linear characteristics. The invention has 41% higher oscillation frequency, 83% higher frequency modulation range, 3.4 times wider frequency modulation range than traditional resonance oscillator, and maintains linear regulation characteristic in frequency modulation range. The invention has the characteristic of miniaturization, and saves the cost for the production of the integrated circuit.)

一种小型化、宽线性调频范围的射频振荡器

技术领域

本发明涉及射频振荡电路设计技术领域，特别是涉及一种小型化、宽线性调频范围的射频前端集成电路设计方法，尤其包括压控振荡器、电流模式逻辑分频器模块。

背景技术

随着射频集成电路工艺及技术的发展，高速率通信、雷达探测等领域采用射频集成电路替代传统的PCB分立元件射频电路，振荡器作为锁相环中的核心部件，需要有高的调频线性度来保证锁相环的稳定性，传统单控制电压环形振荡器的调频线性度较差。

调频连续波雷达广泛应用于多普勒雷达目标探测领域，用于对目标进行测距，调频连续波的测距精度与调频带宽成正比，如图1所示，是传统谐振型振荡器的电路原理图，传统的谐振型振荡器调频带宽窄，同时调频的非线性将退化调频连续波雷达性能，导致调频连续波很难满足厘米级的测距精度。

物联网时代的到来，意味着大量的传感器将应用于我们的生活中，芯片成本往往决定了产品的竞争力，要求对射频振荡器设计时避免使用大尺寸器件，传统的LC片上振荡器，由于存在大尺寸电感，很难做到振荡器小型化，导致了芯片生产成本高。如图2a-2b所示，是传统环形振荡器的电路原理图，环形振荡器在设计时不需要使用电感等大尺寸器件，有效地减小了电路生产制造成本。

发明内容

本发明为了解决现有射频振荡器调频线性度差、调频范围窄、尺寸大的技术问题，本发明提供调频线性度好、调频范围宽、尺寸小的射频振荡器集成电路。

本发明提供一种小型化、宽线性调频范围的射频振荡器，包括两个振荡器单元模块和双调频控制电压产生模块，振荡器单元模块包括信号放大子模块和延迟调节子模块，两个振荡器单元模块相互连接，双调频控制电压产生模块同时与两个振荡器单元模块连接；

信号放大子模块用于提供足够大的电压增益和基础的电路延迟以实现电路起振过程；

延迟调节子模块用于提供负阻与负电容，从而提升振荡器工作频率，同时提供控制电压接口，以实现控制电压对频率的宽频带线性调节；

双调频控制电压产生模块用于将单控制电压转换成双控制电压，双控制电压对振荡器具有相同极性的调频效果。

优选地，信号放大模块包括第一电阻、第二电阻、第一MOS管、第二MOS管和第三MOS管。

优选地，延迟调节子模块包括第三电阻、第四电阻、第四MOS管、第五MOS管、第六MOS管、第七MOS管、第一电容、第二电容、第三电容和第四电容。

优选地，双调频控制电压产生模块包括第五电阻、第六电阻、第七电阻、第八电阻和运算放大器。

优选地，振荡器单元模块包括第一振荡器单元模块和第二振荡器单元模块，第一振荡器单元模块和第二振荡器单元模块内部结构相同，第一振荡器单元模块的第一输出端口与第二振荡器单元模块的第一输入端口相连，第一振荡器单元模块的第二输出端口与第二振荡器单元模块的第二输入端口相连，第二振荡器单元模块的第一输出端口与第一振荡器单元模块的第二输入端口相连，第二振荡器单元模块的第二输出端口与第一振荡器单元模块的第一输入端口相连；

第一电阻的第一端连接到电源电压，第一电阻的另一端作为振荡器单元模块的第二输出端口，同时与第一MOS管的漏极、第四MOS管的漏极、第一电容的第一端相连；

第二电阻的第一端连接到电源电压，第二电阻的另一端作为振荡器单元模块的第一输出端口，同时与第二MOS管的漏极、第五MOS管的漏极、第二电容的第一端相连；

第一MOS管的栅极作为振荡器单元模块的第一输入端口，第二MOS管的栅极作为振荡器单元模块的第二输入端口，第一MOS管的源极与第三MOS管的漏极、第二MOS管的源极相连；

第三MOS管的栅极与第一偏置相连，第三MOS管的源极直接接地；

第一电容的另一端与第四电阻的第一端、第五MOS管的栅极相连，第二电容的另一端与第三电阻的第一端、第四MOS管的栅极相连；

第三电阻的另一端与第四电阻的另一端、第二控制电压相连；

第四MOS管的源极与第三电容的第一端、第六MOS管的漏极相连，第五MOS管的源极与第四电容的第一端、第七MOS管的漏极相连；

第三电容的另一端与第四电容的另一端、第一控制电压相连；

第六MOS管的栅极与第七MOS管的栅极、第二偏置电压相连，第六MOS管的源极直接接地，第七MOS管的源极直接接地；

第五电阻的第一端与外部参考直流电压相连，第五电阻的另一端与第六电阻的第一端、运算放大器的第一输入端相连，第六电阻的另一端直接接地；

第七电阻的第一端与第一控制电压相连，第七电阻的另一端与第八电阻的第一端、运算放大器的第二输入端相连，第八电阻的另一端与运算放大器输出端、第二控制电压相连。

优选地，第三电容、第四电容为压控可变电容。

本发明提供一种射频前端集成电路，其包括上述任一的射频振荡器。

本发明还提供一种宽线性调频方法，其包括上述的第一控制电压与第二控制电压产生方法，运算放大器的两个输入端输入高阻，当两个输入端保持相等的电压时，调整第五电阻、第六电阻、第七电阻和第八电阻能够调整射频振荡器得调频线性度和调频范围。

本发明的有益效果是：

本发明设有延迟调节子模块，通过在第四MOS管和第五MOS管的源极加入第三电容、第四电容，引入负电容消除了输出端口的寄生电容，从而降低了信号的传输延迟，在不提高功耗的情况下大大提高了该振荡器的工作频率。

本发明的延迟调节子模块，采用两个控制电压分别控制负电容大小与负阻大小，控制负阻大小获得了较宽的调频范围，控制负电容大小获得了线性调频效果，两者结合获得了压控振荡器的宽线性调频范围，解决了宽调频下非线性严重的问题，同时能够应用在调频连续波雷达中获得更高的测距精度。

本发明射频振荡器通过双调频控制电压产生模块，在不需要额外提高功耗的情况下，将单控制电压与外部参考直流电压结合，实现了双调频控制电压的产生。

附图说明

图1是传统谐振型振荡器的电路原理图；

图2a是传统环形振荡器的电路原理图；

图2b是传统环形振荡器的振荡单元模块原理图；

图3是本发明集成电路模块连接图；

图4a是本发明核心部分延迟单元原理连接图；

图4b是本发明振荡单元模块内部电路原理图；

图4c是本发明双调频控制电压产生模块原理图；

图5是三种振荡器电路振荡频率随控制电压变化的仿真结果示意图；

图6是三种振荡器电路调频灵敏度随控制电压变化的仿真结果示意图。

附图符号说明：

1.第一信号放大子模块；2.第一延迟调节子模块；3.双调频控制电压产生模块；4.第二信号放大子模块；5.第二延迟调节子模块；10.第一振荡器单元模块；20.第二振荡器单元模块。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。

实施例1，如图3所示，为本发明提供的小型化、宽线性调频范围的射频振荡器模块连接图，该射频振荡器集成电路包括第一振荡器单元模块10、第二振荡器单元模块20和双调频控制电压产生模块3，第一振荡器单元模块10包括第一信号放大子模块1和第一延迟调节子模块2，第二振荡器单元模块20包括第二信号放大子模块4和第二延迟调节子模块5。第一振荡器单元模块10与第二振荡器单元模块20互相连接，双调频控制电压产生模块3同时与第一振荡器单元模块10和第二振荡器单元模块20连接。

第一信号放大子模块1、第二信号放大子模块4内部结构相同，用于提供足够大的电压增益和基础的电路延迟以实现电路起振过程；第一延迟调节子模块2、第二延迟调节子模块5内部结构相同，用于提供负阻与负电容，从而提升振荡器工作频率，同时提供控制电压接口，以实现控制电压对频率的宽频带线性调节；双调频控制电压产生模块3用于将单控制电压转换成双控制电压，双控制电压对振荡器具有相同极性的调频效果。

如图4a所示，是本发明电路原理图，本发明，第一振荡器单元模块10与第二振荡器单元模块20内部结构相同，第一振荡器单元模块10包括第一信号放大子模块1和第一延迟调节子模块2，第二振荡器单元模块20包括第二信号放大子模块4和第二延迟调节子模块5；第一振荡器单元模块10的第一输出端口OUT+即为OUTIp与第二振荡器单元模块20的第一输入端口IN+相连，第一振荡器单元模块10的第二输出端口OUT-即OUTIn与第二振荡器单元模块20的第二输入端口IN-相连，第二振荡器单元模块20的第一输出端口OUT+即为OUTQp与第一振荡器单元模块10的第二输入端口IN-相连，第二振荡器单元模块20的第二输出端口OUT-即为OUTQn与第一振荡器单元模块10的第一输入端口IN+相连。

如图4b-4c所示，是实施例集成电路原理图，其中图4b和图4c对应的Vctrl1相连，且Vctrl1同时作为电路外部输入信号，图4b和图4c对应的Vctrl2相连。图4c中的Vref为电路外部输入信号。该实施例包括：第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第四电容C4、第一MOS管M1、第二MOS管M2、第三MOS管M3、第四MOS管M4、第五MOS管M5、第六MOS管M6、第七MOS管M7、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7、第八电阻R8、运算放大器OP、第一正交信号输出端口OUTIp、第二正交信号输出端口OUTIn、第三正交信号输出端口OUTQp、第四正交信号输出端口OUTQn、第一控制电压Vctrl1、第二控制电压Vctrl2、外加参考直流电压Vref、第一偏置电压VB1、第二偏置电压VB2、电源电压Vdd；其中：

第一电阻R1的第一端连接到电源电压Vdd，第一电阻R1的另一端作为射频振荡器的输出端口OUTIn，同时与第一MOS管M1的漏极、第四MOS管M4的漏极、第一电容C1的第一端相连。

第二电阻R2的第一端连接到电源电压Vdd，第二电阻R2的另一端作为射频振荡器的输出端口OUTIp，同时与第二MOS管M2的漏极、第五MOS管M5的漏极、第二电容C2的第一端相连。

第一MOS管M1的栅极与射频振荡器的输出端口OUTQn相连，第二MOS管M2的栅极与射频振荡器的输出端口OUTQp相连，第一MOS管M1的源极与第三MOS管M3的漏极、第二MOS管M2的源极相连。

第三MOS管M3的栅极与第一偏置VB1相连，第三MOS管M3的源极直接接地。

第一电容C1的另一端与第四电阻R4的第一端、第五MOS管M5的栅极相连，第二电容C2的另一端与第三电阻R3的第一端、第四MOS管M4的栅极相连。

第三电阻R3的另一端与第四电阻R4的另一端、第二控制电压Vctrl2相连。

第四MOS管M4的源极与第三电容C3的第一端、第六MOS管M6的漏极相连，第五MOS管M5的源极与第四电容C4的第一端、第七MOS管M7的漏极相连。

第三电容C3的另一端与第四电容C4的另一端、第一控制电压Vctrl1相连。

第六MOS管M6的栅极与第七MOS管M7的栅极、第二偏置电压Vctrl2相连，第六MOS管M6的源极直接接地，第七MOS管M7的源极直接接地。

第五电阻R5的第一端与外加参考直流电压Vref相连，第五电阻R5的另一端与第六电阻R6的第一端、运算放大器OP的第一输入端P相连，第六电阻R6的另一端直接接地。

第七电阻R7的第一端与第一控制电压Vctrl1相连，第七电阻R7的另一端与第八电阻R8的第一端、运算放大器OP的第二输入端N相连，第八电阻R8的另一端与运算放大器输出端O、第二控制电压Vctrl2相连。

第三电容C3、第四电容C4为压控可变电容。

本实施例的具体工作原理如下：

本实施例为中心频率工作在10.5GHz下的小型化、宽线性调频范围的射频振荡器。两个振荡器单元模块A和B输入与输出相连接，形成正反馈回路，射频输出端口OUTIp、OUTIn、OUTQp、OUTQn为四路相位差为90°的正交信号。

在信号放大子模块中，第一MOS管M1、第二MOS管M2起电压到电流转换过程，第一电阻R1、第二电阻R2为差分放大器的负载，起到电流转电压的功能，此模块提供足够的电压增益和适当的相移以满足闭环起振条件，小信号下电压增益为：

Av＝g_m[R//RL//(1/jwC_L)]，其中g_m为第一MOS管M1或第二MOS管M2的跨导，R为第一电阻R1或第二电阻R2的阻值大小，RL为延迟调节子模块引入的负阻，C_L为OUTIp或OUTIn端口的寄生电容，w为振荡角频率。

在延迟调节子模块中，第四MOS管M4、第五MOS管M5组成交叉耦合电路，从而形成负阻，负阻大小为：

RL＝-1/gm₂，其中gm₂为第四MOS管M4或第五MOS管M5的跨导，gm₂与流过延迟调节子模块的偏置电流有关，从而通过第一控制电压Vctrl1能够控制负阻大小。

同时，第三电容C3、第四电容C4将引入在OUTIp和OUTIn端口的负电容，从而抵消一部分OUTIp和OUTIn端口的寄生电容，产生的负电容为：

Cneg＝-(gm₂)²/(2w²C)，其中，w为振荡角频率，C为第三电容C3或第四电容C4的电容大小。同时，第三电容C3、第四电容C4为压控可变电容，通过调节第二控制电压Vctrl2改变第三电容C3和第四电容C4的容值便能够实现负电容的调节。

振荡器振荡频率可以表示为：

fosc＝1/[4(R//R_L)C_L]，通过引入负电容技术，降低了C_L的大小，从而提高了振荡频率，而第一控制电压Vctrl1、第二控制电压Vctrl2同时作用于电路，对R_L和C_L进行调节，从而实现了对振荡频率调节。其中，第一控制电压Vctrl1产生宽的调频范围，第二控制电压Vctrl1对调频线性度进行修正。

双调频控制电压产生模块3中，利用运算放大器、第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7、第八电阻R8设计减法器实现第二控制电压Vctrl2的产生，其中第一控制电压Vctrl1、第二控制电压Vctrl2对频率的调节具有相同极性的特性。

如图5所示，电路振荡频率随控制电压变化的仿真结果示意图，其横坐标为控制电压(V)，纵坐标为振荡频率(GHz)，三条曲线分别代表三种不同振荡器电路振荡频率随控制电压变化仿真结果，其中实线代表本发明射频振荡器，点划线代表传统环形振荡器，虚线代表传统谐振型振荡器。三种不同振荡器电路中设置电源电压为1.2V，设计本发明射频振荡器和传统环形振荡器电路功耗完全相同，本发明射频振荡器电路仅在传统环形振荡器电路的基础上增加第三电容C3、第四电容C4、双调频控制电压产生模块3，其中传统环形振荡器电路中MOS管M6的宽度等于本发明中第六MOS管M6与第七MOS管M7的宽度之和以保证电路直流工作状态相同。

本发明提供的小型化、宽线性调频范围的射频振荡器第一控制电压Vctrl1从0-1.2V变化，外加参考直流电压固定为0.75V，经过双调频控制电压产生模块3，生成第二控制电压Vctrl1从0.75-0.6V变化，调频范围为9.5-11.7GHz，调频带宽为2.2GHz，为了在相同控制电压条件下比较传统环形振荡器电路与本发明的调频范围，设置传统环形振荡器电路中控制电压Vctrl从0.6-0.75V变化，调频范围为6.9-8.1GHz，调频带宽为1.2GHz，证明了提供的小型化、宽线性调频范围的射频振荡器在同等功耗下能够显著提高振荡频率与调频范围。

在传统谐振型振荡器电路中设置控制电压从0-1.2V变化，调频范围为10.2-10.7GHz，调频带宽为0.5GHz，调频范围远小于本发明提供的小型化、宽线性调频范围的射频振荡器，传统谐振型振荡器电路提供的传统谐振型振荡器的尺寸远远大于本发明射频振荡器集成电路。

如图6所示，是电路调频灵敏度随控制电压变化的仿真结果示意图，其横坐标为控制电压(V)，纵坐标为调频灵敏度(GHz/V)，三条曲线分别代表三种不同振荡器电路调频灵敏度随控制电压变化的仿真结果，其中实线代表本发明射频振荡器，点划线代表传统环形振荡器，虚线代表传统谐振型振荡器。传统环形振荡器对应电路的调频灵敏度很高，同时具有很强的调频非线性，传统谐振型振荡器对应电路的调频灵敏度较小，同时调频线性度好，本发明提供的小型化、宽线性调频范围的射频振荡器具有平坦的调频线性度，证明了提供的小型化、宽线性调频范围的射频振荡器能够在宽调频范围上均保持好的调频线性度。

在具体实际应用中，本发明电路中各个MOS管可以使用三级管代替，使其具体应用环境而定，均在本申请发明的保护范围内。

本发明还提供一种射频振荡器宽线性调频方法产生方法：在运算放大器的两个输入端P和N为输入高阻，外部参考直流电压Vref经过第五电阻R5和第六电阻R6分压之后在P端电压为Vref*R6/(R5+R6)，由于所述运算放大器增益足够大，使得P端和N端会保持相等的电压，所以推导出N端的电压也为Vref*R6/(R5+R6)，流过第八电阻R8和第七电阻R7的电流相同，所以有：

(Vctrl2-Vref*R6/(R5+R6))/R8＝(Vref*R6/(R5+R6)-Vctrl1)/R7，化简得到Vctrl2＝(R8+R7)*R6/(R5+R6)/R7*Vref-Vctrl1*R8/R7，调整相应的R5、R6、R7、R8可调整射频振荡器相应的调频线性度和调频范围。

如图4a-4c所示实施例中，设R8＝100k，R7＝800k，R6＝800k，R5＝100k，上式可化简为Vctrl2＝Vref-Vctrl1/8。

以上所述仅对本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡是在本发明的权利要求限定范围内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应在本发明的保护范围之内。