[发明专利]高功率低噪声压控振荡器

说明书

                   技术背景

本发明涉及电子振荡器和压控振荡器。

压控振荡器(VCO)是用于产生具有能够响应于控制信号而变化的频率的信号的一种器件。除了用作独立的器件，VCO经常是锁相环路、电压-频率变换器的组件。

用在蜂窝移动电话或袖珍终端中的常规发射机一般包括用于产生低功率载波信号的VCO、驱动级放大器、可以为陶瓷或表面声波(SAW)器件的内级滤波器和用于将载波功率提升到适当的水平的功率放大器。在一般的发射机中，需要驱动级放大器将VCO的低功率输出(一般为0dBm或更低)提升到功率放大器的适当的水平，同时需要内级滤波器除去由驱动级放大器产生的在感兴趣的频谱波段之外的噪声。

由驱动级放大器产生的波段外噪声功率通常相当高。如果这些噪声功率通过功率放大器的话，已被放大的波段外噪声功率将几乎不可能被符合电子工业协会要求的商用滤波器除去。因此，一般的发射机同时需要内级滤波器。

陶瓷或SAW内级滤波器是高成本的部分且不适于利用现行的集成电路(IC)技术制造。目前，除了陶瓷或SAW内级滤波器以外，能够将蜂窝发射机集成在一个单片的IC芯片上。因此，为了减少发射机的成本和将整个发射机集成在单片IC芯片上，要求消除内级滤波器。

消除内级滤波器的一个方法是采用具有更高功率输出的VCO。实际上，假设高功率VCO的噪声功率输出低的话，也允许采用高功率VCO消除驱动级放大器。VCO的噪声功率输出主要来自于两个部分：相位噪声和振幅噪声。

过去，通常忽略远离载波频率的频率(例如离开载波频率45MHz)处的VCO的噪声特性，因为远离载波的噪声将会被内级滤波器滤出。远离载波的噪声通常被作为调幅(AM)噪声对待。实际上远离载波的噪声是AM噪声和相位噪声的组合，由VCO有源器件的高非线性操作引起的内调制边带噪声也是如此。

VCO的一个最重要的特性是短期频率稳定性，即相位噪声。在噪声源中支配VCO相位噪声特性的是闪变噪声、散粒噪声和VCO有源器件的热噪声。低频噪声，或l/f噪声调制由VCO产生的信号，形成频谱非常接近于载波信号频率的噪声边带。热噪声通过从AM向相位调制的变换而成为相位噪声的一部分。

为了获得低相位噪声，需要具有其中包含了热噪声贡献的低l/f噪声和低噪声数值的有源器件。由于有源器件的l/f噪声和热噪声依赖于流过它们的DC偏置电流，VCO应该采用低偏置电流以获得低噪声。不幸的是，采用低DC偏置电流是绝大部分VCO仅仅产生受限制的输出功率的原因。

采用较大的DC偏置电流是获得具有高输出功率的VCO的常用方法。但是，对于蜂窝通信来说，VCO的噪声特性造成的缺点是必须提供昂贵的高Q谐振器以减少相位噪声。通常要确定出足够的最小的Q-系数以避免不必要地增加VCO的成本，但是成本还是增加了。

如上所述，VCO通常原用于在无线技术中产生载波信号。采用射频(RF)载波信号的模拟频率调制(FM)的蜂窝移动电话系统的一个现行标准是在美国采用具有在900MHz附近的载波信号之间有30KHz间隔宽带FM的改进的移动电话服务(AMPS)系统。数字AMPS(D-AMPS)也已被引入采用900MHz波段载波信号的美国。一些AMPS系统的特性是由电子工业协会和电信工业协会(EIA/TIA)出版的EIA/TIA-553标准限定的。

另一个模拟FM标准是采用在900MHz附近载波信号之间的25KHz间隔的英国的全访问通信系统(TACS)。第三个模拟FM标准是采用450MHz和900MHz波段的载波之间12.5KHz间隔的斯堪的那维亚北欧移动电话(NMT)系统。

这种模拟FM系统的能力可以通过减少信道带宽而增加，如在根据N-AMPS说明的窄带FM系统中。在N-AMPS系统中，通过将AMPS系统每个30KHz宽的无线信道分为三部分来获得10KHz的信道间隔。一般地，无线信道是在两个收发信机之间的双向传输路径，并且因而信道包括两个具有不同频率的载波，一个用于上行链路通信(移动站到基站)而一个用于下行链路通信(基站到移动站)。在标准系统中，任意无线信道的两个载波之间的频率间隔为45MHz。