Настраиваемый генератор с последовательно и параллельно настроенными резонансными контурами
Изобретение относится к генераторам, управляемым напряжением, и может использоваться для преобразования постоянного напряжения в сигнал радиочастоты. Достигаемый технический результат - увеличение эффективной динамической нагруженной добротности, что приводит к уменьшению фазового шума. Генератор, управляемый напряжением, содержит активное устройство, две настроечных схемы, два резонансных контура, причем резонансные частоты первого резонансного контура, второго резонансного контура и второй настроечной схемы выбираются таким образом, чтобы частота генерации генератора совпадала с самым крутым участком кривой фазовой характеристики генератора. 2 н. и 13 з.п. ф-лы, 13 ил.
Перекрестная ссылка на родственные заявки
Настоящая заявка испрашивает приоритет даты подачи предварительной заявки №60/683533 на патент США, поданной 20-го мая 2005 г., раскрытие которой включено в данный документ посредством ссылки.
Уровень техники
Настоящее изобретение относится к генераторам, управляемым напряжением (ГУН), или генераторным схемам, и в частности к настраиваемым генераторным схемам с низким шумом и низким уровнем паразитных скачков фазы. Генератор, управляемый напряжением, или генератор представляет собой компонент, который может использоваться для преобразования напряжения постоянного тока в напряжение или сигнал радиочастоты. В общем, ГУН конструируются, чтобы производить колебательный сигнал на конкретной частоте 'f', которая соответствует заданному напряжению настройки. Частота колебательного сигнала зависит от величины напряжения Vtune настройки, прилагаемого к настроечной схеме параллельно резонансному контуру. Частота 'f' может варьировать в пределах от fmin до fmax, и эти граничные величины определяют диапазон или полосу настройки ГУН. Чувствительность настройки ГУН определяется как изменение частоты в зависимости от изменения напряжения настройки. Как правило, целесообразно иметь возможность настраивать ГУН по широкому диапазону частот при малом диапазоне изменения напряжения настройки.
Величина выходного сигнала ГУН зависит от конструкции схемы ГУН. Рабочая частота частично определяется резонатором, который предоставляет входной сигнал. В схемах генерации тактового сигнала и восстановления тактового сигнала, как правило, ГУН используются в системе фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ), чтобы генерировать тактовый сигнал либо из внешнего эталона, либо из потока входящих данных. ГУН часто имеют решающее значение для характеристики ФАПЧ. В свою очередь, системы ФАПЧ обычно рассматриваются как важнейшие компоненты в сетях связи, поскольку генерируемый тактовый сигнал, как правило, используется, чтобы либо передавать, либо восстанавливать служебную информацию, так чтобы эта информация могла быть использована по назначению. Системы ФАПЧ имеют особенно важное значение в беспроводных сетях, поскольку они предоставляют возможность оборудованию связи относительно быстро синхронизироваться с частотой несущей (на которой осуществляется связь).
Популярность мобильной связи вызвала интерес и привлекла больше внимания к беспроводным архитектурам и приложениям. Эти приложения, как правило, доступны в различных беспроводных приборах или устройствах, включающих в себя пейджеры, персональные цифровые ассистенты (PDA), беспроводные телефоны, мобильные телефоны и системы глобального позиционирования. Такие приложения можно встретить в сетях для передачи голоса или данных. Популярность мобильной связи дополнительно породила интерес к проектированию генераторов с относительно низким уровнем шума и без паразитных скачков фазы, которые также имеют возможность настройки по довольно широкому диапазону частот (например, настраиваемые по широкой полосе частот). Фазовый шум на определенном сдвиге от частоты несущей, диапазон настройки частоты и энергопотребление обычно рассматриваются как ключевые критерии характеристики генератора. Тем не менее, при заданном относительно небольшом количестве активных и пассивных устройств в схеме ГУН, проектирование ГУН обычно оценивается как достаточно легкая задача. Аналогично, оптимизация вышеупомянутых критериев обычно рассматривается как задача с прямым решением. Но ограничения по фазовому шуму и возможности настройки по широкой полосе частот требуют рабочих характеристик, представляющих компромиссные решения. Кроме того, необходимость в предоставлении решения без паразитных фазовых скачков требовалась в течение относительно долгого периода времени.
В частности, несмотря на постоянные улучшения в технологии производства генераторов/ГУН, требования в части низкого энергопотребления, низкого фазового шума, малого теплового дрейфа, низкого уровня паразитных скачков фазы и компактных размеров являются причиной сложности задачи проектирования ГУН. Динамическая средняя по времени добротность (Q) резонатора и вклад настроечного диода в шум обычно определяют шумовую характеристику ГУН. Динамическая добротность под нагрузкой обратно пропорциональна диапазону частот или полосе настройки ГУН. По существу, постоянно допускаются компромиссы между факторами, которые могут воздействовать на Q генератора, такие как, например, мощность, энергопотребление, шумовая характеристика, стабильность частоты, диапазон настройки, чувствительность к помехам, физическое пространство, и экономическими соображениями. Для удовлетворения компромиссных требований в большинстве генераторов применяется некая форма транзисторной активной схемы или элемента. Однако транзисторы усложняют конструкцию генератора из-за свойственных им нелинейности, шумовых характеристик и изменений температуры.
В этом отношении конструкторы часто не решаются использовать новые топологии генераторов, основной причиной чего является их неуверенность в том, как эти генераторы будут действовать с точки зрения фазового шума, угла отсечки, диапазона настройки, коэффициентов гармоник, выходной мощности и т.п. По существу, большинство конструкторов имеют некий небольшой набор генераторных схем, которые они адаптируют для удовлетворения изменяющихся и будущих требований.
Традиционно конструкторы в области радиотехники, как правило, используют резонансные контуры LC (Индуктор/Конденсатор), чтобы получить характеристику с низким уровнем фазового шума. Резонансный контур абсолютно без потерь был бы идеальным выбором для генератора, но элементы абсолютно без потерь, такие как индукторы и конденсаторы, сложно изготовить. Одним из потенциально привлекательных способов проектирования генераторов, которые удовлетворяют проектным требованиям, является преодоление потерь энергии, являющихся следствием конечной добротности реального резонатора, за счет действия ввода энергии активного элемента. Чтобы гарантировать стабильное поддержание колебаний, обычно желательно поддерживать отрицательное сопротивление на резонансном контуре LC генераторной схемы. Отрицательное сопротивление, генерируемое активным устройством (биполярным транзистором с тремя выводами/полевым транзистором), обычно используется для компенсации положительного сопротивления (сопротивления потерь) в реальном резонаторе, таким образом, преодолевая потери из-за затухания и усиливая стабильное колебание в течение определенного периода.
Одной из основных сложностей в проектировании системы приемопередатчика является синтез частот сигнала локального генератора. Синтез частот обычно выполняется с помощью ФАПЧ. ФАПЧ, как правило, содержит делитель, фазовый детектор, фильтр и ГУН. Действие обратной связи контура приводит к тому, что выходная частота является неким кратным предоставленной эталонной частоты. Эта эталонная частота генерируется посредством ГУН, выходная частота которого является переменной в некотором диапазоне в зависимости от входного управляющего напряжения, как описано выше.
Варьирование эталонной частоты источника колебательного сигнала является важным для беспроводных систем второго и третьего поколений. По существу, сосуществование беспроводных систем второго и третьего поколений требует наличия мультирежимных, мультидиапазонных и мультистандартных систем мобильной связи, которые в свою очередь требуют настраиваемых источников сигнала с низким фазовым шумом и низким уровнем паразитных скачков фазы. Потребность в мобильной связи увеличивается быстрыми темпами, в этой системе настраиваемые ГУН используются как компонент синтезатора частот, который предоставляет выбор желаемого канала.
Паразитный скачок фазы может быть определен как случайное, внезапное, неуправляемое изменение фазы источника сигнала, которое длится, как правило, в течение долей секунды. Он может быть вызван температурными изменениями от разнородных металлов, которые расширяются и сжимаются с различной скоростью, а также от вибрации или ударов. Микрофонные эффекты, которые представляют собой акустические вибрации, которые проходят через корпус и схемы генератора, могут вызвать изменение фазы и частоты. Микрофонные эффекты обычно нейтрализуются путем использования режима гибридного резонанса в распределенной среде (микрополосковой линии, полосковой линии, подвешенной полосковой линии).
Паразитные фазовые скачки, как правило, происходят нечасто. Но они могут вызвать деградацию сигнала в высокопроизводительных системах связи. Результирующий эффект паразитных фазовых скачков увеличивается вместе с увеличением скорости передачи данных. Если паразитный фазовый скачок не может быть поглощен устройством (например, приемником) в системе связи, линия связи может отказать, что приведет к потере данных. В результате актуальной остается задача уменьшения или устранения паразитных фазовых скачков. Несмотря на то что паразитные фазовые скачки остаются причиной многочисленных проблем в оборудовании связи, при сегодняшних высоких скоростях передачи эта проблема особо акцентируется, поскольку паразитный фазовый скачок может привести к потере большого объема данных.
Характеристика низкого фазового шума и возможность настройки в широкой полосе частот расценивались как взаимоисключающие требования из-за проблемы, связанной с управлением параметрами контура и динамической нагруженной добротностью резонатора в процессе работы в широкой полосе частот. Резистивные потери, в частности, имеющие место в индукторах и варакторах, имеют большую значимость и определяют добротность резонансного контура. Ранее предпринимался ряд попыток разрешить проблему с этими противоречивыми, но желательными качествами генератора. Одним из способов улучшения характеристики фазового шума генератора является применение высококачественных компонентов резонатора, таких как компоненты резонаторов на поверхностных акустических волнах (ПАВ) и керамических резонаторов. Однако эти резонаторы более подвержены микрофонным эффектам и паразитным фазовым скачкам. Кроме того, эти резонаторы, как правило, имеют ограниченный диапазон настройки, чтобы компенсировать дрейфы частоты, происходящие из-за изменений температуры или других параметров в диапазоне настройки.
Генераторы, основанные на керамическом резонаторе, широко используются в беспроводных приложениях, поскольку они, как правило, имеют очень низкий фазовый шум на фиксированных частотах до 4 ГГц. Генераторы, основанные на керамическом резонаторе, также известны благодаря высокой добротности и характеристике низкого фазового шума. Как правило, керамический коаксиальный резонатор содержит диэлектрический материал, сконфигурированный в форме прямоугольной призмы с коаксиальным отверстием, продольно проходящим сквозь призму, и электрический соединитель, соединенный с одним концом. Внешние и внутренние поверхности призмы, за исключением концевой части, соединенной с электрическим соединителем, и, возможно, противоположной концевой части, покрыты металлом, таким как медь или серебро. Устройство, сформированное таким образом, по существу, содержит резонансный радиочастотный контур, включающий в себя емкость, индуктивность и сопротивление потерь, который генерирует колебания поперечной электромагнитной моды (волна типа TEM), при условии, что сопротивление потерь компенсируется.
Тем не менее, генераторы, основанные на керамических резонаторах, имеют ряд недостатков, включающих в себя ограниченный диапазон рабочей температуры и ограниченный диапазон настройки (который ограничивает величину коррекции, которая может быть выполнена для компенсации допусков других компонентов в генераторной схеме). Кроме того, генераторы, основанные на керамических резонаторах, как правило, подвержены паразитным фазовым скачкам (вследствие расширения и сжатия с различными скоростями с сопутствующим изменением температуры внешнего металлического корпуса керамического резонатора и других компонентов генераторной схемы).
По существу, разработчик схемы, как правило, должен при проектировании цифрового генератора, основанного на керамическом резонаторе, учитывать необходимость преодоления вышеупомянутых проблем, в противном случае могут возникнуть большие паразитные фазовые скачки. Кроме того, поскольку проектирование нового генератора на керамическом резонаторе во многом сходно с проектированием интегральной схемы (ИС), при разработке генератора с нестандартной частотой в добавление к затратам на проектирование генераторов потребуются единовременные затраты на проектирование и внедрение.
Соответственно, существует необходимость в способах и схемах, которые преодолевают вышеописанные трудности и улучшают рабочую характеристику генератора или генераторной схемы, включая способность поглощения паразитных фазовых скачков в рабочем диапазоне настройки.
Сущность изобретения
В одном аспекте настоящее изобретение представляет собой генератор, управляемый напряжением. Генератор предпочтительно содержит активное устройство с первым, вторым и третьим выводами, схему смещения, соединенную с первым выводом, и настроечную схему, соединенную со вторым выводом. Сверх того, генератор предпочтительно содержит первый резонатор, соединенный со вторым выводом последовательно с настроечной схемой, и второй резонатор, соединенный со вторым выводом параллельно настроечной схеме.
Согласно этому аспекту настоящего изобретения первый резонатор предпочтительно работает на первой резонансной частоте, и второй резонатор предпочтительно работает на второй резонансной частоте. При этом вторая резонансная частота отличается от первой резонансной частоты. Первая и вторая резонансные частоты могут отличаться друг от друга в пределах от нескольких процентов до коэффициентов, равных 1000 и более.
Согласно этому аспекту настоящего изобретения каждый из первого и второго резонаторов содержит пару индуктор-конденсатор с сосредоточенными параметрами. В частности, сосредоточенная пара индуктор-конденсатор первого резонатора содержит первый индуктор, соединенный последовательно с первым конденсатором. Кроме того, предпочтительно сосредоточенная пара индуктор-конденсатор второго резонатора содержит второй индуктор, соединенный параллельно со вторым конденсатором.
Кроме того, согласно этому аспекту настоящего изобретения активное устройство предпочтительно содержит электрический элемент, обеспечивающий сдвиг фазы на 180° между первым и вторым выводами. Более предпочтительно активное устройство выбирается из группы, в которую входят биполярный транзистор и полевые транзисторы.
Кроме того, согласно этому аспекту настоящего изобретения настроечная схема предпочтительно выбирает настраиваемый источник напряжения для регулирования основной частоты работы генератора.
Кроме того, согласно этому аспекту настоящего изобретения схема смещения подсоединена между первым и вторым выводами и возвращает посредством обратной связи выбранную величину фазового шума во второй вывод.
Кроме того, согласно этому аспекту настоящего изобретения шумовой фильтр соединен с третьим выводом. Более предпочтительно шумовой фильтр имеет возможность настройки в полосе частот генератора в ответ на изменение напряжения настройки.
Кроме того, согласно этому аспекту настоящего изобретения первый или второй резонатор может содержать множество сосредоточенных резонаторов, соединенных параллельно друг с другом.
Кроме того, генератор, управляемый напряжением, может содержать дополнительный активный элемент, соединенный с активным устройством в каскадной конфигурации.
Кроме того, согласно этому аспекту настоящего изобретения генератор может включать в себя динамический следящий фильтр, который соединен с первым выводом. Выходной сигнал передается через динамический следящий фильтр.
В еще одном аспекте настоящее изобретение содержит генератор, управляемый напряжением. Генератор предпочтительно содержит транзистор с выводами коллектора, эмиттера и базы; первый конденсатор обратной связи, подсоединенный между выводами эмиттера и базы; второй конденсатор обратной связи, соединенный с выводом эмиттера; радиочастотный дроссельный индуктор, подсоединенный параллельно с резистором к выводу эмиттера; последовательно настроенный резонансный контур, соединенный с выводом базы; и параллельно настроенный резонансный контур, соединенный с выводом базы.
Кроме того, согласно этому аспекту настоящего изобретения генератор включает в себя настроечную схему, соединенную с выводом базы через последовательно настроенный резонансный контур.
Генератор может содержать схему обратной связи, подсоединенную между выводами коллектора и эмиттера, причем эта схема обратной связи действует, чтобы передавать через обратную связь выбранную величину фазового шума, генерируемого на коллекторном выводе, на вывод базы.
В еще одном аспекте настоящее изобретение может содержать устройство связи. Устройство предпочтительно содержит систему фазовой автоподстройки частоты для генерации тактового сигнала, чтобы передавать или восстанавливать информацию, передаваемую от или в устройство, причем система автоподстройки частоты включает в себя генератор, управляемый напряжением, для генерации тактового сигнала, и генератор, управляемый напряжением, предпочтительно содержит транзистор с выводами коллектора, эмиттера и базы; первый конденсатор обратной связи, подсоединенный между выводами эмиттера и базы; второй конденсатор обратной связи, соединенный с выводом эмиттера;
радиочастотный дроссельный индуктор, подсоединенный параллельно с резистором к выводу эмиттера;
последовательно настроенный резонансный контур, соединенный с выводом базы, причем последовательно настроенный резонансный контур имеет первую резонансную частоту;
и параллельно настроенный резонансный контур, соединенный с выводом базы, причем параллельно настроенный резонансный контур имеет вторую резонансную частоту.
Устройство связи может предпочтительно содержать беспроводное устройство, такое как мобильный телефон, персональный цифровой ассистент (PDA) или лэптоп или компьютер.
В еще одном аспекте настоящее изобретение предоставляет возможность значительного сокращения фазового шума путем модифицирования передаточной функции резонансного контура. Это достигается путем включения дополнительного резонансного контура в резонансную схему. В этом отношении передаточная функция при резонансе параллельного режима может быть модифицирована путем добавления к частоте генерации генераторной схемы сдвигов резонанса последовательного режима, что улучшает групповую задержку, основанную на величинах компонентов последовательно настроенного резонансного контура. Таким образом, сдвинутая частота генерации может, по существу, совпадать с самым крутым участком кривой фазы генераторной схемы. Работа генераторной схемы около этой точки приводит к работе схемы в области низкого фазового шума кривой фазовой характеристики, посредством чего улучшается эффективная динамическая нагруженная добротность. Это увеличение эффективной динамической нагруженной добротности непосредственно приводит к уменьшению фазового шума.
Краткое описание чертежей
Вышеупомянутые аспекты настоящего изобретения, а также детали его иллюстративных вариантов осуществления будут очевидны посредством ссылки на чертежи, на которых:
Фиг.1 - принципиальная схема, которая иллюстрирует генератор/ГУН предшествующего уровня техники, который работает в режиме параллельного резонанса;
Фиг.2 - принципиальная схема, которая иллюстрирует генератор/ГУН предшествующего уровня техники, который работает в режиме последовательного резонанса;
Фиг.3 - принципиальная схема, которая иллюстрирует генератор согласно аспекту настоящего изобретения;
Фиг.4 - принципиальная схема, которая иллюстрирует генератор согласно аспекту настоящего изобретения;
Фиг.5 - график моделированного фазового шума генератора предшествующего уровня техники (например, по Фиг.1 и 2) и генератора, реализованного согласно настоящему изобретению (например, по Фиг.3);
Фиг.6 - график измеренного фазового шума генератора предшествующего уровня техники (по Фиг.1 и 2) и генератора, реализованного согласно аспекту настоящего изобретения (например, по Фиг.3);
Фиг.7 - принципиальная схема, которая иллюстрирует генератор/ГУН согласно аспекту настоящего изобретения;
Фиг.8 - принципиальная схема, которая иллюстрирует генератор/ГУН согласно аспекту настоящего изобретения;
Фиг.9 - график моделированного фазового шума генератора/ГУН предшествующего уровня техники и согласно настоящему изобретению;
Фиг.10 - график измеренного фазового шума генератора/ГУН согласно аспекту настоящего изобретения и генератора/ГУН предшествующего уровня техники;
Фиг.11 - принципиальная схема генератора/ГУН согласно аспекту настоящего изобретения;
Фиг.12 - график моделированного фазового шума генератора/ГУН согласно аспекту настоящего изобретения;
Фиг.13 - график измеренного фазового шума генератора/ГУН согласно аспекту настоящего изобретения.
Подробное описание
Фиг.1 представляет собой принципиальную схему, которая иллюстрирует генератор 100 Колпица предшествующего уровня техники, работающий в режиме параллельного резонанса. Генератор 100 содержит транзистор 104 с выводом C коллектора, соединенным с источником Vcc питания через индуктор Lc и резистор Rb0. Первый резистор Rb1 смещения соединен между резистором Rb0 и базой B транзистора 104. Дополнительный резистор Rb2 смещения подсоединен между базой B и землей. Первый конденсатор C1 обратной связи подсоединен между выводами базы B и эмиттера Е. Второй конденсатор C2 обратной связи подсоединен между выводом E эмиттера и землей. Дроссельный индуктор Le и резистор Re подсоединены между эмиттером E и землей. Резисторы Rb1 и Rb2 смещения используются, чтобы поддерживать напряжение смещения на базе B транзистора 104 во время работы генератора. Дроссельный индуктор Le, по существу, удаляет резистор Re из схемы с точки зрения радиочастотного спектра. Очевидно, что транзистор 104 и конденсаторы C1 и C2 образуют ячейку генератора Колпица, которая представляет отрицательное сопротивление.
Параллельно настроенный резонатор 108 соединен с базой B транзистора 104 через конденсатор Cc1 связи. Настроечная схема 110 соединена с резонатором 108 через конденсатор Cc2. В процессе работы путем изменения напряжения (Vtune) настройки можно регулировать нагрузочный импеданс на резонаторе 108, что приводит к изменению частоты генерации схемы и выходного сигнала Pout.
Генераторная схема по Фиг.1 работает при относительно низкой величине реактивного сопротивления или большой емкости между базой B и эмиттером E для преодоления температурных изменений и нелинейностей транзистора 104. К сожалению, это приводит к относительно низкой нагруженной добротности. В добавление, ненагруженная добротность резонатора должна быть увеличена, чтобы компенсировать нагрузку. Это увеличивает размер или стоимость резонирующей структуры и компонентов устройства, связанных со схемой генератора 100. Как описано более подробно ниже, генератор, реализованный согласно аспекту настоящего изобретения, может рассматриваться как генератор Колпица, основанный на резонаторе, где генерирующее активное устройство с отрицательным сопротивлением работает в режиме напряжения или высокого импеданса, а не в режиме тока или низкого импеданса.
На Фиг.2 изображен генератор 118 предшествующего уровня техники, подобный генератору 100 по Фиг.1, за исключением того, что резонатор 120 настроен последовательно, а не параллельно как на Фиг.1. Различие в работе из-за использования последовательно настроенного резонатора 120 на Фиг.2 заключается в том, что генератор по Фиг.1 работает в режиме последовательного резонанса, тогда как генератор по Фиг.2 работает в режиме параллельного резонанса. Например, несмотря на то что генератор по Фиг.2 предоставляет более широкий диапазон настройки, это происходит за счет деградации характеристики фазового шума. В отличие от этого генератор по Фиг.1 предоставляет более хорошую характеристику фазового шума, но не предоставляет такого же большого диапазона настройки.
Фиг.3 представляет собой иллюстрацию генератора 300 согласно аспекту настоящего изобретения. Генератор 300 содержит транзистор 304 с выводом C коллектора, выводом B базы и выводом E эмиттера. Вывод C коллектора соединен с источником питания или шиной Vcc через индуктор Lc и резистор Rb0. Первый резистор Rb1 смещения подсоединен между выводом В базы транзистора 304 и резистором Rb0. Второй резистор Rb2 смещения подсоединен между выводом В базы и землей. Пара конденсаторов C1 и C2 отрицательной обратной связи подсоединены последовательно между выводом В базы и землей. Специалистам в данной области техники будет очевидно, что транзистор 304 и конденсаторы C1 и C2 вместе образуют ячейку отрицательного сопротивления генератора Колпица.
Дроссельный индуктор Le и резистор Re подсоединены между выводом E эмиттера и землей. Как дополнительно проиллюстрировано на Фиг.3, выходной сигнал Pout снимается емкостным способом с вывода C коллектора транзистора 304.
Первый резонатор 310 соединен параллельно с выводом B базы транзистора 304 через первый конденсатор Cc1 связи. Таким образом, резонатор 310 сконфигурирован, чтобы работать в режиме параллельного резонанса. Согласно аспекту настоящего изобретения генератор 300 также включает в себя второй резонатор 316, имеющий первый узел n1 и второй узел n2. Второй узел n2 второго резонатора 316 подсоединен последовательно с конденсатором Cc1 связи к выводу B базы транзистора 304. Настроечная диодная схема 320 соединена с первым узлом n1 второго резонатора 316 через конденсатор Cc2 связи. Согласно аспекту настоящего изобретения последовательно настроенный резонатор 316 приводит к изменению фазовой характеристики всего резонансного контура, что модифицирует передаточную функцию параллельно настроенного резонатора 310, в результате чего получается более крутой график фазовой нагрузки, посредством чего увеличивается эффективная добротность генератора. Увеличение эффективной нагрузочной добротности непосредственно приводит к уменьшению фазового шума. Как описано более подробно ниже, было измерено улучшение характеристики фазового шума на величину в диапазоне 6-10 дБ для генераторных схем, работающих на частоте 622 МГц, 1000 МГц и 2488 МГц, что также возможно при других частотах путем соответствующего выбора компонентов схемы.
Генератор, реализованный согласно принципиальной схеме по Фиг.3, может рассматриваться как генератор Колпица, основанный на резонаторе, где генерирующее активное устройство с отрицательным сопротивлением (например, транзистор 304) работает в режиме напряжения или высокого импеданса, а не в режиме тока или низкого импеданса. Генератор по Фиг.3 работает в режиме гибридного резонанса путем объединения резонаторов, работающих в режимах последовательного и параллельного резонанса, таким образом, что не только оптимизируется передаточная функция шумового импеданса, но также улучшается основная мода, скорость изменения фазы и групповая задержка. В частности, параллельно настроенный резонатор 310 резонирует на частоте f1, а последовательно настроенный резонатор 316 резонирует на частоте f2. Разность между f1 и f2, Δf, может быть положительной или отрицательной в зависимости от рабочей частоты, диапазона настройки, коэффициентов гармоник, режекции гармоник и фазового шума. Несмотря на то что разность между частотами f1 и f2, Δf, зависит от выбранных компонентов частоты, она может отличаться как на несколько процентов, на десятки процентов (например, 20%), так и на коэффициент величиной до 10, 100 и т.п.
В общем, схема по Фиг.3 предпочтительно работает следующим образом. Когда транзистор 304 должным образом смещен и возникает обратная связь для создания условий колебаний, передаточная функция схемы 300, основанной на параллельно настроенном резонаторе 310, модифицируется посредством последовательно настроенного резонансного контура 316, так что скорость изменения фазы улучшается относительно частоты колебания. Это эффективно улучшает групповую задержку, посредством чего уменьшается фазовый шум. В частности, модифицирование передаточной функции резонансного контура 310 параллельного режима путем использования последовательно настроенного резонансного контура 316 сдвигает колебательную частоту генераторной схемы, но улучшает групповую задержку, основанную на выборе величин компонентов последовательно настроенного резонансного контура 316. Следовательно, частота генерации, сдвинутая вследствие добавления резонансного контура 316 последовательного режима, по существу, совпадает с самым крутым участком кривой фазовой характеристики генераторной схемы. Работа генераторной схемы около этой точки приводит к работе схемы в области самого низкого фазового шума кривой фазовой характеристики, посредством чего улучшается эффективная динамическая нагруженная добротность. Это увеличение эффективной динамической нагруженной добротности непосредственно приводит к уменьшению фазового шума. Коэффициент добротности задается как:
где f0 и φ представляют собой частоту резонанса и фазу сигнала генератора, соответственно.
На Фиг.4 проиллюстрирована принципиальная схема генератора 400 согласно еще одному аспекту настоящего изобретения. Генератор 400 аналогичен генератору, показанному на Фиг.3, за исключением того, что генератор 400 включает в себя резонатор 410 параллельного режима, который состоит из сосредоточенных элементов. Как показано, резонатор 410 содержит индуктор Lp и конденсатор Cb, соединенные параллельно. Схема также включает в себя дополнительный последовательный конденсатор Cs связи между вторым узлом и последовательно настроенным резонатором 316, а также конденсатор Cc1 связи. Включение в состав последовательно настроенной схемы снижает нагрузку параллельно настроенного резонатора 410, и наоборот, в зависимости от режима работы генератора (последовательно настроенный и параллельно настроенный). Используя способ моделирования схемы, генераторная схема по Фиг.3 была модифицирована путем регулирования величин Ls и Cs последовательно настроенного контура, так что резонансная частота генератора, по существу, совпадает с точкой перегиба самого крутого участка кривой фазовой характеристики. Работа генераторной схемы около этой точки, как правило, приводит к тому, что схема работает в области наименьшего фазового шума на кривой в сравнении с независимым последовательным режимом генерации или параллельным режимом генерации (например, как показано на Фиг.1 и 2).
Фиг.5 представляет собой графики моделированного фазового шума генераторов предшествующего уровня техники (например, по Фиг.1 и 2) и генератора, реализованного согласно настоящему изобретению (например, по Фиг.3). Как показано, компоненты элементов схем, показанных на Фиг.1, 2 и 3, подобраны так, что схема генерирует на частоте примерно 622 МГц (например, на сигнальной скорости оптической несущей OC-12 синхронной оптической сети). Кривая, обозначенная буквой S, соответствует работе резонатора последовательного режима, такого как, например, показанный на Фиг.2. Кривая, обозначенная буквой P, соответствует работе резонатора параллельного режима, такого как, например, показанный на Фиг.1. Кривая, обозначенная буквой H, отображает характеристику генератора с гибридно настроенным резонатором согласно аспекту настоящего изобретения, как показано, например, на Фиг.3. Как показано на Фиг.5, характеристика генератора с гибридным резонатором приводит к улучшению характеристики фазового шума генератора 30 по сравнению с генераторами 100, 118.
На Фиг.6 показано сравнение измерений фазового шума генераторов предшествующего уровня техники (показанных, например, на Фиг.1 и 2) и генератора с гибридным резонатором, реализованного согласно вышеупомянутым аспектам настоящего изобретения (например, по Фиг.3). Как показано на Фиг.6, по сравнению с генераторами предшествующего уровня техники измеренный фазовый шум генератора с гибридным резонатором, реализованного согласно аспектам настоящего изобретения, был лучше на величину от 6 до 10 дБ. Графики фазового шума по Фиг.6 были построены на основании измерений в схемах, в которых компоненты были подобраны так, что частота генерации была равна примерно 622 МГц. Специалистам в данной области техники будет очевидно, что элементы схемы вышеупомянутых генераторов могут быть подобраны так, что схема будет генерировать на частотах, отличающихся от 622 МГц. В добавление, настроечная схема может использоваться для настройки частоты генерации в диапазоне настройки.
Фиг.7 представляет собой иллюстрацию генератора 700 согласно дополнительному аспекту настоящего изобретения. Генератор 700 предпочтительно содержит транзистор 710 с выводом C коллектора, выводом B базы и выводом E эмиттера. Генератор 700 также включает в себя первый и второй конденсаторы C1 и С2 обратной связи, подсоединенные последовательно между базой В транзистора 710 и землей. Как показано, последовательно настроенный резонатор 714 и параллельно настроенный резонатор 718 соединены с выводом В базы.
Резистор Rtc температурной компенсации подсоединен между выводом E эмиттера и конденсаторами C1, C2 обратной связи. Резистор Rtc обычно используется, чтобы компенсировать тепловой дрейф во время работы генератора. На выводе Е эмиттера обеспечивается двухуровневая фильтрация посредством первого фильтра 720 и второго фильтра 722. Как показано, первый фильтр 720 предпочтительно содержит фильтр LC, а второй фильтр 722 предпочтительно содержит фильтр RC. Совместно первый и второй фильтры 720 и 722 действуют для обеспечения двухуровневой регенеративной фильтрации, которая уменьшает спектральную плотность шума транзистора 710.
Схема 730 обратной связи шума и смещения постоянного тока подсоединена между выводом С коллектора и выводом В базы транзистора 710. Схема 730 обратной связи шума и смещения постоянного тока действует, чтобы поддерживать на коллекторе С постоянное напряжение смещения. По существу, температурные изменения, которые могут произойти и вызвать изменение напряжения смещения в течение работы генератора 700, не будут воздействовать на работу транзистора и, следовательно, генератора 700. В предпочтительном варианте осуществления схема 730 обратной связи шума и смещения постоянного тока включает в себя один или более транзисторов, таких как транзисторы 732, 733. Эти транзисторы 732, 733 и другие элементы схемы 730 передают посредством обратной связи выбранную величину фазового шума, генерируемого на выводе С коллектора, на вывод В базы. Поскольку условия смещения транзистора 710 изменяются вследствие изменения рабочей температуры, схема 730 регулирует фазовый шум, подаваемый обратно на вывод В, и, таким образом, компенсирует изменения температуры.
Генератор 700 также включает в себя настроечную схему 740. Настроечная схема 740 включает в себя источник Vtune напряжения настройки. Изменение напряжения Vtune приводит к изменению генерируемой частоты схемы 700 и выходного сигнала Pout. Настроечная схема 740 также включает в себя конденсатор Cv, соединенный параллельно с первым и вторым диодами 742, 743 через индуктор L3. Как показано, третий диод 744 и четвертый диод 745 соединены параллельно между индуктором L3 и индуктором L2. Схема 750 фильтрации шума соединена параллельно настроечной схеме 740 и фильтру 722.
Генератор 700 работает в соответствии с принципами гибридного режима, описанными выше, но также включает в себя дополнительные функции температурной компенсации посредством схемы 730 и резистора Rtc. Кроме того, генератор 700 преимущественно включает в себя схему двухуровневой регенеративной фильтрации и схему фильтрации шума, как описано выше. Эти дополнительные функции служат для улучшения шумовой характеристики генератора 700 по сравнению с генераторами, показанными на Фиг.3 и 4.
Генератор по Фиг.7 работает в динамически управляемом режиме двойного резонанса благодаря наличию схемы гибридного резонанса и схемы фильтрации шума, так что передаточная функция импеданса шума оптимизируется для широкого диапазона настройки. По существу, он предоставляет определяемые пользователем источники сигнала с низким шумом для различных диапазонов частот в отличие от фиксированных ГУН, основанных на керамических/ПАВ резонаторах, которые чувствительны к паразитным фазовым скачкам и имеют высокую стоимость. Блок 714 последовательного резонанса обеспечивает лучший диапазон настройки за счет нагрузки, из-за чего деградирует характеристика фазового шума. Блок 718 работает в режиме параллельного резонанса, таким образом, обеспечивая низкую характеристику фазового шума за счет ограниченного диапазона настройки. Несмотря на то что путем комбинирования блоков 714 и 718 может быть достигнут лучший диапазон настройки и вместе с тем низкая характеристика фазового шума, это достигается только для фиксированных частот. Путем добавления блока 722 фильтрации в сочетании с блоками 714 и 718 генератор 700 обеспечивает больший диапазон настройки и характеристику минимального фазового шума и улучшенную режекцию гармоник. Например, на Фиг.6, 9 и 10 показаны характеристики фазового шума для различных режимов (последовательного, параллельного и гибридного). Путем динамического управления Δf (f1-f2; где f1 является резонансной частотой блока 714, а f2 является резонансной частотой блока 718) рабочая частота может быть динамически расширена без значительного ухудшения выходной мощности и характеристики фазового шума. Следовательно, Фиг.7 иллюстрирует определяемую пользователем и нечувствительную к фазовым скачкам генераторную схему, которая обеспечивает улучшенную характеристику фазового шума по сравнению с отдельным резонансом в последовательном режиме или резонансом в параллельном режиме, которые обычно реализуются с помощью дорогих керамических резонаторов и резонаторов на ПАВ.
Дополнительное преимущество режима гибридного резонанса заключается в том, что тепловой дрейф (изменение генерируемой частоты вследствие изменения рабочей температуры и других параметров) может быть значительно минимизирован путем оптимизации Δf в большую или меньшую сторону, в зависимости от температурного градиента. Например, в зависимости от температурного градиента Δf может иметь положительное значение, отрицательное значение или быть равной нулю. Еще одним аспектом настоящего изобретения является то, что путем использования двух резонаторов с низкой Q в плоской области, таких как 714, 718 (или, как показано на Фиг.11, 1130 и 1140), предоставляется энергоэффективный генератор с высокой Q и требуемым диапазоном настройки, который может заменить дискретные, дорогостоящие, громоздкие керамические резонаторы или резонаторы на ПАВ, обеспечивая при этом лучшую характеристику фазового шума. Такая характеристика показана, например, на Фиг.12.
Фиг.8 представляет собой иллюстрацию генератора 800 согласно дополнительному аспекту настоящего изобретения. Большей частью генератор 800 включает в себя те же функциональные блоки, что и показанные на Фиг.7. В этом отношении такие одинаковые блоки обозначены так же, как на Фиг.7. На Фиг.8, однако, параллельно настроенный генератор 830 содержит печатный связанный резонатор в распределенной области, такой как микрополосковая линия, полосковая линия или подвешенная полосковая линия. Технология полосковой линии обычно относится к специальной линии передачи на печатной плате, где сигнальная дорожка скрыта в печатной плате и расположена с зазорами сверху и снизу между земляным слоем, причем зазоры заполнены диэлектрическим материалом, таким как FR-4 или материал Roger. Микрополосковая линия обычно относится к плоскому волноводу, изготовленному аналогичным образом в форме интегральной схемы или даже напечатанному на подложке. Подвешенная полосковая линия по структуре аналогична обычной полосковой линии, но вместо размещения земляного слоя на диэлектрической подложке, как в полосковой линии, диэлектрическая подложка подвешивается в пространстве, обычно в воздухе, между двумя земляными слоями. Путем замены сосредоточенного резонатора на резонатор в распределенной области средняя нагруженная добротность улучшается, и генератор становится менее подверженным фазовым скачкам.
На Фиг.9 изображены характеристики моделированного фазового шума двух генераторов предшествующего уровня техники по Фиг.1 и 2, а также характеристика генератора по Фиг.7. Как и раньше, кривая, обозначенная буквой S, отображает характеристику для резонатора последовательного режима, P - для резонатора параллельного режима и H - для резонатора гибридного режима, такого как показанный на Фиг.7. На Фиг.10 показана измеренная фаза для таких схем. Результаты, показанные на Фиг.9 и 10, получены для генераторов, в которых компоненты были подобраны так, что схема работает на частоте примерно 1000 МГц.
Фиг.11 представляет собой принципиальную схему генератора согласно дополнительному аспекту настоящего изобретения. Генератор по Фиг.11 включает в себя два транзистора 1110, 1120, установленные в каскадной конфигурации вместе со схемой смещения обратной связи шума, динамически следящим фильтром на выходе (который берется с коллектора), динамически настраиваемым углом отсечки, фильтрацией шума и интегрированными связанными резонаторами 1130, 1140. Резонаторы 1130, 1140 могут быть реализованы в форме полосковой линии, микрополосковой линии или подвешенной полосковой линии, как описано выше. На Фиг.12 и 13 показано сравнение характеристики генератора 2,488 ГГц, реализованного согласно настоящему изобретению, с характеристикой генераторов предшествующего уровня техники, работающих на той же частоте.
В одном аспекте настоящее изобретение предоставляет способ и систему для уменьшения и/или устранения паразитных фазовых скачков, которые могут возникать в генераторе, без ухудшения характеристики фазового шума и диапазона настройки генератора. Этот генератор основан на топологии, которая поддерживает быструю сходимость путем использования динамически настраиваемого распределенного связанного резонатора/индуктора для оптимальной шумовой характеристики в определенной полосе частот.
Согласно еще одному аспекту настоящего изобретения топология схемы и компоновка резонатора выбраны так, что она поддерживает равномерное отрицательное сопротивление в диапазоне настройки. Кроме того, резонатор (керамический или на ПАВ) с высокой Q предпочтительно заменяется печатным связанным резонатором в распределенной области (микрополоской линии, полосковой линии, подвешенной полосковой линии). Это приводит к относительному улучшению средней по времени нагруженной добротности по сравнению с несвязанным сосредоточенным или рассредоточенным резонатором. Кроме того, такой резонатор, как правило, менее подвержен паразитным фазовым скачкам (печатные планарные связанные резонаторы не содержат керамического материала, который подвержен паразитным фазовым скачкам) в диапазоне настройки.
Согласно этому аспекту настоящего изобретения распределенные связанные резонаторы (РСР), которые в эквивалентной схеме обозначены так же, как и планарные резонаторы с высокой добротностью, могут достигать характеристик фазового шума генератора на керамическом резонаторе, но в более широких диапазонах настойки и рабочем диапазоне при более низкой стоимости. По сравнению с керамическими резонаторами или резонаторами на ПАВ они могут быть изготовлены с малыми размерами, особенно при частотах 1000 МГц и ниже, они могут быть с легкостью спроектированы для стандартных и обычных частот до 10 ГГц без больших единовременных затрат на проектирование и внедрение.
Несмотря на то что сосредоточенный или печатный связанный резонатор может занимать большую площадь на печатной плате и при одинаковом пространстве проявляет гораздо более низкие Q по сравнению с генераторами на керамических резонаторах, эти недостатки преодолеваются посредством топологии РСР согласно дополнительному аспекту настоящего изобретения. Топология РСР действует как умножитель Q, который использует режим гибридного резонанса, схему регенеративной фильтрации шума и схему смещения обратной связи шума. Схема обратной связи шума включена в топологию, чтобы уменьшить тепловой дрейф в широком диапазоне температур. В добавление, подход объединения режимов включает в себя методологию для РСР, чтобы улучшать динамическую нагруженную добротность и уменьшать или устранять паразитные фазовые скачки, при этом уменьшая чувствительность к микрофонным эффектам до крайне низкого уровня и сохраняя низкий фазовый шум и возможность настройки в широкой полосе частот.
В еще одном аспекте настоящее изобретение предоставляет устройство и способ для увеличения величины Q печатного планарного резонатора путем каскадирования множества блоков, которые включают в себя пассивную схему выбора частоты, такую как распределенные связанные резонаторы с множеством связанных линий, чтобы получить генератор на резонаторе с относительно высокой Q по сравнению с несвязанными печатными резонаторами.
Согласно этому аспекту настоящего изобретения множество распределенных резонаторов каскадируются, чтобы увеличить производную фазы или групповую задержку [∂φ/∂ω] резонатора. Таким образом, фазовое состояние генераторной схемы возникает на самом крутом участке фазовой характеристики резонатора. В добавление, модифицирование передаточной функции резонанса параллельного режима путем обеспечения последовательно настроенного резонанса сдвигает генерируемую частоту генераторной схемы, но улучшает групповую задержку, основанную на выборе величин компонентов последовательно настроенного резонансного контура. Следовательно, частота генерации, сдвинутая вследствие добавления резонанса последовательного режима, по существу, совпадает с самым крутым участком кривой фазовой характеристики генераторной схемы. Работа генераторной схемы около этой точки приводит к работе схемы в области низкого фазового шума кривой фазовой характеристики, посредством чего улучшается эффективная динамическая нагруженная добротность. Это увеличение эффективной динамической нагруженной добротности непосредственно приводит к уменьшению фазового шума. Коэффициент добротности задается как:
где f0 и φ представляют собой частоту резонанса и фазу сигнала генератора соответственно.
Генератор, реализованный согласно этому аспекту настоящего изобретения, может быть применен без какого-либо ухудшения в части размеров компонентов или экономических факторов. Следовательно, в попытке содействовать удовлетворению давно существующей и возрастающей потребности в этой области аспект настоящего изобретения предоставляет генератор, имеющий относительно низкие паразитные фазовые скачки для заданного физического размера вместе с другими атрибутами, желательными в данной области техники.
Последние тенденции выявили потребность в генераторе с низким фазовым шумом и низким уровнем паразитных фазовых скачков. Как описано выше, паразитные фазовые скачки обычно приписываются шуму из-за микрофонного эффекта и связанной с ним схеме. Схема, которая уменьшает шум из-за микрофонного эффекта, как правило, уменьшает и связанные с этой схемой паразитные фазовые скачки. Низкий шум из-за микрофонного эффекта обычно предполагает, что резонансный контур должен быть без керамических материалов. Настоящее изобретение раскрывает топологию для обеспечения низкого фазового шума и минимальных паразитных фазовых скачков, по сравнению с генераторами, основанными на керамических резонаторах и резонаторах на ПАВ. Эта топология основана на схеме гибридного резонанса, которая улучшает нагруженную добротность сосредоточенного или печатного резонатора, настроенного в режиме параллельного резонанса, путем включения в состав схемы последовательного режима резонанса. В одном аспекте топология настоящего изобретения предпочтительно устраняет использование керамического материала в генераторной схеме, посредством чего предоставляется возможность работы генераторной схемы в среде относительно низкой Q при более высокой генерируемой частоте. Это предоставляет более широкий диапазон настройки, чем при генераторной схеме, основанной на керамическом резонаторе, без ухудшения характеристики фазового шума.
Улучшения характеристики фазового шума, которые, как правило, требуют резонансный контур с большой Q, такой как резонаторы на ПАВ и керамические резонаторы, могут быть получены согласно вышеупомянутым аспектам настоящего изобретения путем включения в состав параллельно настроенной генераторной схемы дополнительной настроечной схемы последовательного резонанса. Это предоставляет возможность, чтобы самая крутая фазовая область совпадала с точкой перегиба самого крутого участка фазовой характеристики. Это приводит к увеличению нагруженной добротности, что непосредственно преобразуется в уменьшение фазового шума. Улучшение, которое можно получить с помощью способа согласно настоящему изобретению, как правило, составляет 6-10 дБ.
В предпочтительном варианте осуществления предоставлен генератор, который включает в себя резонансную структуру, рассчитанную для резонанса на некоторой частоте, и активное устройство, соединенное параллельно с резонансной структурой. Активный импеданс, создаваемый активным устройством, включает в себя действительную часть с действительной величиной и мнимую часть с мнимой величиной. Действительная величина является функцией от мнимой величины, и мнимая величина выбирается так, чтобы действительная величина компенсировала потери в резонаторе, совпадая при этом с точкой перегиба на самом крутом участке кривой фазовой характеристики для улучшенной групповой задержки. Резонансная структура предпочтительно представляет собой резонатор, такой как сосредоточенный резонатор, который предпочтительно содержит параллельную индуктивность и емкость, или печатный резонатор в распределенной среде (микрополосковая линия, полосковая линия, подвешенная полосковая линия и т.п.).
В еще одном аспекте настоящего изобретения резонансная структура выбирается так, чтобы иметь частоту параллельного резонанса, которая ниже желаемой или номинальной рабочей частоты генератора. Путем включения в состав схемы последовательно настроенного резонатора в сочетании со схемой параллельно настроенного резонатора уровень импеданса на частоте генератора улучшается. Это поддерживает относительно большой размах напряжения и улучшение отношения сигнал-шум генераторной схемы.
В еще одном аспекте настоящее изобретение представляет собой способ создания широкополосной генераторной схемы с фазовыми требованиями для одновременной настройки условий последовательного и параллельного резонансов в диапазоне настройки. Это достигается согласно этому способу путем частотной синхронизации первого параллельно настроенного резонатора с, по меньшей мере, вторым последовательно настроенным резонатором, чтобы обеспечить самые крутые фазовые характеристики и более широкий диапазон настройки.
Еще одним аспектом настоящего изобретения является предоставление эффективного и технологичного способа. Поскольку благодаря плоской конструкции (распределенный связанный резонатор) РСР относительно прост в изготовлении по сравнению с генераторами на керамических резонаторах и резонаторах на ПАВ, его возможно интегрировать в форме чипа. Настоящее изобретение преимущественно предоставляет возможность генерации колебательных сигналов с низким фазовым шумом для приложений ФАПЧ.
В еще одном аспекте настоящее изобретение предлагает энергетически эффективную и рентабельную альтернативу генераторам, основанным на керамических резонаторах и резонаторах на ПАВ. В частности, согласно этому аспекту настоящего изобретения подход гибридной настройки (комбинации режимов параллельного и последовательного резонанса) применяется путем использования каскадной конфигурации активного устройства, регенеративной фильтрации, которая, по существу, улучшает отношение сигнал-шум и фильтрует шум на основной частоте, посредством чего улучшается средняя по времени нагруженная добротность резонатора.
Свобода в выборе частоты, низкий фазовый шум, низкий уровень паразитных фазовых скачков, низкий уровень энергопотребления, компактный размер и стабильность в диапазоне рабочих температур делают генераторы, реализованные согласно аспектам настоящего изобретения, решением для систем высокочастотной мобильной связи следующего поколения.
В еще одном аспекте настоящее изобретение представляет собой способ для улучшения нагруженной добротности генератора путем независимого резонанса первой параллельно настроенной схемы со второй последовательно настроенной схемой и комбинирования выводов первой и второй схем. Способ предпочтительно реализуется и достигается посредством генераторной схемы, содержащей, по меньшей мере, две независимые настроечные схемы. Последовательно и параллельно связанные резонансные контуры или схемы улучшают среднюю по времени Q в диапазоне частот.
Способ согласно настоящему изобретению может также включать в себя настройку генератора/ГУН с учетом различий температуры или вариаций компонентов.
В еще одном аспекте настоящее изобретение предоставляет средство для подачи энергии в параллельно настроенный резонатор в генераторной схеме путем использования дополнительной настроенной в последовательном режиме схемы. Использование схемы последовательного резонанса или низкоимпедансной настроенной схемы приводит к кратковременному резкому изменению фазы относительно рабочей частоты генератора, посредством чего улучшается характеристика фазового шума.
Путем использования вышеупомянутого способа генераторы со сверхнизким шумом могут быть изготовлены с той степенью точности, которая ранее была достижима только посредством гораздо более сложных и дорогих резонаторов, таких как керамические резонаторы и резонаторы на ПАВ.
Относительно современных генераторов со сверхнизким фазовым шумом в дополнительном аспекте настоящее изобретение предоставляет возможность динамического отслеживания режима резонанса, отрицательного сопротивления, фильтра шума и следящего выходного фильтра генератора, посредством чего можно динамически настраивать частотный диапазон генератора, что приводит к относительно низкому фазовому шуму и малым микрофонным эффектам. Кроме того, энергоэффективность улучшается путем уменьшения постоянного тока посредством включения в состав устройств с тремя выводами в каскадной конфигурации (транзисторы Q1 и Q2 используются в конфигурации с общим коллектором и эмиттером), так чтобы оба устройства совместно использовали один и тот же эмиттерный ток. Базовая структура может быть расширена на другие приложения, которые имеют аналогичные требования.
Генератор, управляемый напряжением, который реализован согласно настоящему изобретению, может использоваться в любом количестве устройств, которые используются для передачи данных, - в телефонах, мобильных телефонах или в общем в сетях связи. Такие устройства могут включать в себя, например, мобильные телефоны, персональные цифровые ассистенты (PDA), модемные карты, ноутбуки, спутниковые телефоны, но не ограничены перечисленным. По существу, генераторная схема, показанная на различных чертежах и описанная выше, может использоваться в ФАПЧ для генерации тактового сигнала, который может использоваться, чтобы передавать или восстанавливать информацию, переданную или принятую через сеть. В добавление к беспроводным сетям схема, соответствующая настоящему изобретению, может быть использована в проводных сетях, спутниковых сетях и т.п.
Кроме того, хотя вышеупомянутые варианты осуществления были описаны относительно транзистора, в частности биполярного транзистора, согласно настоящему изобретению может использоваться полевой транзистор или другое активное устройство с тремя выводами. В общем, активное устройство может содержать любое устройство с тремя выводами, которое может обеспечивать фазовый сдвиг на 180 градусов между любыми двумя портами.
Хотя настоящее изобретение было описано относительно конкретных вариантов осуществления, следует понимать, что эти варианты осуществления всего лишь иллюстрируют принципы и применения настоящего изобретения. Соответственно, следует понимать, что могут быть выполнены многочисленные модификации иллюстративных вариантов осуществления и что могут быть разработаны другие механизмы в рамках сущности и объема настоящего изобретения, как определено прилагаемой формулой изобретения. Специалистам в данной области техники будет очевидно, что для осуществления различных аспектов настоящего изобретения желательны и/или могут быть использованы другие элементы. Однако, поскольку такие элементы широко известны в данной области техники и поскольку они не облегчили бы понимание настоящего изобретения, описание таких элементов в данном документе опущено.
1. Генератор, управляемый напряжением, содержащий активное устройство, имеющее первый, второй и третий выводы; схему смещения, соединенную с первым выводом; настроечную схему, соединенную со вторым выводом; первый резонансный контур, соединенный со вторым выводом последовательно с настроечной схемой, причем первый резонансный контур имеет первую резонансную частоту; второй резонансный контур, соединенный со вторым выводом параллельно с настроечной схемой, причем второй резонансный контур имеет вторую резонансную частоту, отличную от первой резонансной частоты, вторую настроечную схему, подсоединенную между первым резонансным контуром и вторым резонансным контуром, упомянутая вторая настроечная схема включает в себя первый индуктор, соединенный последовательно с первым конденсатором, и имеет третью резонансную частоту; и причем первая, вторая и третья резонансная частота выбираются таким образом, чтобы частота генерации генератора, по существу, совпадала с самым крутым участком кривой фазовой характеристики генератора.
2. Генератор, управляемый напряжением, по п.1, в котором каждый из первого и второго резонансных контуров содержит сосредоточенную пару индуктор-конденсатор.
3. Генератор, управляемый напряжением, по п.2, в котором сосредоточенная пара индуктор-конденсатор первого резонансного контура содержит первый индуктор, соединенный последовательно с первым конденсатором.
4. Генератор, управляемый напряжением, по п.3, в котором сосредоточенная пара индуктор-конденсатор второго резонансного контура содержит второй индуктор, соединенный последовательно со вторым конденсатором.
5. Генератор, управляемый напряжением, по п.1, в котором первый резонансный контур содержит распределенный резонатор, сформированный в распределенной области, выбранной из группы, состоящей из микрополосковой линии, полосковой линии и подвешенной полосковой линии.
6. Генератор, управляемый напряжением, по п.1, в котором активное устройство содержит биполярный транзистор или полевой транзистор.
7. Генератор, управляемый напряжением, содержащий
транзистор, имеющий выводы коллектора, эмиттера и базы;
первый конденсатор обратной связи, подсоединенный между выводами эмиттера и базы; второй конденсатор обратной связи, соединенный с выводом эмиттера; радиочастотный дроссельный индуктор, подсоединенный последовательно с резистором к выводу эмиттера;
последовательно настроенный резонансный контур, соединенный с выводом базы, причем последовательно настроенный резонансный контур имеет первую резонансную частоту; параллельно настроенный резонансный контур, соединенный с выводом базы, причем параллельно настроенный резонансный контур имеет вторую резонансную частоту и
настроечную схему, подсоединенную между последовательно настроенным резонансным контуром и параллельно настроенным резонансным контуром, упомянутая настроечная схема включает в себя первый индуктор, соединенный последовательно с первым конденсатором.
8. Генератор, управляемый напряжением, по п.7, дополнительно содержащий настроечную схему, соединенную с выводом базы через последовательно настроенный резонансный контур.
9. Генератор, управляемый напряжением, по п.7, дополнительно содержащий схему обратной связи, подсоединенную между выводами коллектора и базы, причем схема обратной связи действует для передачи посредством обратной связи выбранной величины фазового шума, генерируемого на выводе коллектора, на вывод базы.
10. Генератор, управляемый напряжением, по п.9, в котором схема обратной связи содержит первый транзистор обратной связи и второй транзистор обратной связи.
11. Генератор, управляемый напряжением, по п.7, дополнительно содержащий первый и второй фильтры, последовательно соединенные с выводом эмиттера транзистора.
12. Генератор, управляемый напряжением, по п.11, дополнительно содержащий резистор, подсоединенный между эмиттером и первым и вторым конденсаторами обратной связи.
13. Генератор, управляемый напряжением, по п.7, в котором параллельно настроенный резонансный контур содержит резонансную схему, выбранную из группы, состоящей из полосковой линии, микрополосковой линии и подвешенной полосковой линии.
14. Генератор, управляемый напряжением, по п.7, в котором последовательно настроенный резонансный контур содержит резонансную схему, выбранную из группы, состоящей из полосковой линии, микрополосковой линии и подвешенной полосковой линии.
15. Генератор, управляемый напряжением, по п.7, в котором каждый из последовательно настроенного резонансного контура и параллельно настроенного резонансного контура содержит резонансную схему, выбранную из группы, состоящей из полосковой линии, микрополосковой линии и подвешенной полосковой линии.
