专利名称：压控振荡器装置及压控振荡器的校正方法
技术领域：
本发明涉及压控振荡器装置及压控振荡器的校正方法，更具体涉及高线性度和大线性范围的压控振荡器装置。
背景技术：
压控振荡器是现代通信系统中锁相环电路的非常重要基本组成模块之一，压控振荡器的性能很大程度上决定了锁相环电路的技术性能，而锁相环电路的技术性能很大程度上决定了现代通信系统的技术性能，因此压控振荡器的性能很大程度上决定了现代通信系统的技术性能。随着集成电路工艺的不断进步，器件和金属连线的特征尺寸也在不断地缩小，器件的线性范围和线性度受到了限制。图1示出了传统的压控振荡器(VCO)Il的示意性框图。在传统的压控振荡器11 中，输入电压Vin直接施加到压控振荡器11的输入端，并在压控振荡器11的输出端输出振荡频率为f的输出信号，如下式所示f = f0+k*vin(1)其中，f是压控振荡器输入控制信号电压值为vin时的输出信号的振荡频率；f0是压控振荡器输入控制信号电压值为0时的输出电压信号的频率；vin是压控振荡器输入控制信号的电压值；k是压控振荡器的输出信号的振荡频率的控制因子。图2示出了图1所示的传统的压控振荡器11的输入电压与振荡频率之间的理想关系曲线。传统的压控振荡器11的线性范围为-Vinmax ^ Vin ^ +Vinfflax的线性范围，其中 k是仅仅依赖于压控振荡器11电路的电学特性的常数。然而，压控振荡器11的线性范围只是忽略了器件高阶效应的近似线性范围，而非真正的理想线性范围。即使在-Vinmax ^ vin ^ +Vinfflax的线性范围，k也不是真正的常数， 如图3中虚线所示。为了提高压控振荡器的线性度以及扩展其线性范围，就不能将k近似为常数。
发明内容
本发明的目的是提供一种高线性度和大线性范围的压控振荡器装置及压控振荡器的校正方法。根据本发明的一方面，提供一种压控振荡器装置，包括预失真模块，用于对输入电压进行预失真处理以获得预失真的电压(predistortedvoltage)；以及压控振荡器，用于根据预失真的电压产生具有相应振荡频率的输出信号，其中，预失真模块对压控振荡器的非线性特性进行校正，使得输入电压和输出信号的振荡频率之间为线性关系。根据本发明的另一方面，提供一种压控振荡器的校正方法，包括测量压控振荡器的预失真函数；在预失真模块中存储预失真函数；利用预失真模块对输入电压进行预失真处理以获得预失真的电压；将预失真的电压提供给压控振荡器；以及利用压控振荡器根据预失真的电压产生具有相应振荡频率的输出信号，其中，预失真模块对压控振荡器的非线性特性进行校正，使得输入电压和输出信号的振荡频率之间为线性关系。本发明的压控振荡器装置利用预失真模块对压控振荡器的非线性特性进行校正， 从而可以提高压控振荡器的线性度和/或扩展压控振荡器的线性范围。
图1示出了传统的压控振荡器的示意性框图。图2示出了图1所示的传统的压控振荡器的输入电压与振荡频率之间的理想关系曲线。图3示出了图1所示的传统的压控振荡器的输入电压与振荡频率之间的实际关系曲线。图4示出了根据本发明的用于产生压控振荡器的预失真函数的测量电路的示意性框图。图5示出了根据本发明的压控振荡器装置的示意性框图。图6示出了图5所示的压控振荡器装置的输入电压与振荡频率之间的实际关系曲线。图7示出了在图5所示的压控振荡器装置中使用的预失真模块的第一实例的示意性框图。图8示出了在图5所示的压控振荡器装置中使用的预失真模块的第二实例的示意性框图。
具体实施例方式本发明人认识到通过对压控振荡器11的输入电压进行预失真处理，可以补偿控制因子k的变化，从而提供压控振荡器11的线性输出。为了进行预失真处理，需要预先获得压控振荡器11的预失真函数 Vedistortion(vin) ο预失真函数vpredistOTti。n(vin)表示输入电压Vin和预失真的电压vin’之间的关系。尽管可能存在着控制因子k的变化，但在输入电压vin和压控振荡器11的振荡频率f之间仍然符合线性关系。以下将参照附图更详细地描述本发明。图4示出了根据本发明的用于产生压控振荡器11的预失真函数的测量电路10的示意性框图。在压控振荡器11的输入端连接可控电压源12，用于为压控振荡器11的输入端提供可变的输入电压vin，该输入电压vin的范围是设计的线性范围，并且可以大于压控振荡器11自身特性的线性范围，例如-vin’max ^ vin ^ +vin’max，其中vinmax’ > vinmax。在压控振荡器11的输出端连接信号频率测试仪13，用于测量压控振荡器11的输出信号的振荡频率f。压控振荡器11可以是RC压控振荡器、LC压控振荡器、晶体压控振荡器或有源压控振荡器。
对于选择的采样点，设定输入电压vin，按照公式⑴计算出对应的输出信号的振荡频率f。然后，在调整可控电压源12的输出电压的同时，利用信号频率测试仪13测量压控振荡器11的输出信号的实际振荡频率。在压控振荡器11的输出信号的实际振荡频率为计算的输出信号的振荡频率f时，将可控电压源12的实际输出电压作为预失真的电压vin’。 从而，对于选择的采样点，获得输入电压vin和预失真的电压vin’之间的关系。在-vin’max ( vin ( +vin'fflax的范围内，对于每一个选择的采样点重复上述调整和测量步骤。从而，对于设计的工作区的多个采样点获得输入电压vin和预失真的电压vin’ 之间的关系，作为压控振荡器11的预失真函数。可以进行均勻采样，即按照均勻的电压间隔获得输入电压vin和预失真的电压 vin’的值。也可以进行非均勻采样，即根据压控振荡器11的线性特征选择采样点。在vin 绝对值越小采样点密度越低，在vin绝对值越接近vin’ max时采样点密度越高。可以通过数字查表方式实现预失真函数Vpredisteti。n(v)，其中在表格中保存vin以及对应的vin’，即建立vin-vin’的映射关系。图5示出了根据本发明的压控振荡器装置20的示意性框图。与传统的压控振荡器11相比，本发明的压控振荡器装置20在输入电压Vin和压控振荡器11之间增加了预失真模块(predistortion module) 14。预失真模块14用于执行电压变换，按照前述的预失真函数Vpralistotim(V)对输入电压vin作预失真处理，产生预失真的电压vin’，并提供给压控振荡器11。在预失真模块14进行预失真处理时，首先判断输入电压vin是否超出设计的线性范围，即-vin’ max彡vin彡+vin' _。如果超出设计的线性范围，则预失真模块14不对该输入电压vin进行预失真处理。图6示出了图5所示的压控振荡器装置20的输入电压vin(即输入电压)与振荡频率f之间的实际关系曲线(实线)，其中还示出了压控振荡器11的实际输入电压vin’(预失真的电压)与振荡频率f之间的实际关系曲线(虚线)。如图6中的虚线所示，如果压控振荡器11的实际输入电压超出压控振荡器11的线性范围，则k已经不是常数。传统的压控振荡器11的线性范围仅限于-Vinmax ^ vin ^ +Vinfflax,并且在该线性范围仍然受到压控振荡器11的高阶效应的影响， 而不能获得理想的线性特性。然而，正如图6中的水平点线所示，对于输入电压vin，预失真模块14根据预失真函数产生预失真的电压vin’。由于压控振荡器11的实际输入电压是预失真的电压vin’， 因此压控振荡器11的输出信号的振荡频率为f = f0+k0*vin，也即，在输入电压vin和输出信号的振荡频率f之间是线性关系。由于预失真模块14补偿了压控振荡器11的非线性特性，因此， 在-vin’max ^ vin ^ +vin’max的范围内，压控振荡器装置20的输入电压vin和输出信号的振荡频率f之间是线性关系。压控振荡器装置20的线性范围不仅比压控振荡器11的线性范围更大，而且线性度比压控振荡器11更高。在本发明的压控振荡装置20中，根据vin-vin’映射关系建立预失真模块14。图7示出了在图5所示的压控振荡器装置20中使用的预失真模块14的第一实例的示意性框图。虽然在下文中描述了预失真模块14的输入电压vin和作为其输出的预失真的电压vin’，但应当理解，在压控振荡器装置20中，预失真的电压vin’是压控振荡器11 的实际输入电压。如图7所示，预失真模块14包括依次连接的模数转换器(ADC) 1401、地址译码电路(DEC) 1402、存储器(MEM) 1403和数模转换器(DAC) 1404。在模数转换器1401的输入端提供输入电压vin，模数转换器1401将输入电压vin转换为数字信号并传送至地址译码电路1402。地址译码电路1402根据数字化的输入电压vin产生存储器1403的读操作地址， 并对存储器1403进行读操作，获得与输入电压vin相对应的预失真的电压vin’的数字值。 数模转换器1404将预失真的电压vin’的数字值转换成模拟值，并作为预失真的电压vin’ 提供给压控振荡器11。在该预失真模块14中，预失真函数存储在存储器1403中，其中输入电压vin是存储器1403的读操作地址，预失真的电压vin’是存储器1403的存储内容。图8示出了在图5所示的压控振荡器装置中使用的预失真模块14的第二实例的示意性框图。预失真模块14包括依次连接的模数转换器(ADC) 1401、微控制器单元 (MCU) 1405和数模转换器(DAC) 1404。在模数转换器1401的输入端提供输入电压vin，模数转换器1401将输入电压vin转换为数字信号并传送至微控制器单元1405。微控制器单元 1405根据数字化的输入电压vin搜索位于内存中的查找表，获得与输入电压vin相对应的预失真的电压vin’的数字值。数模转换器1404将预失真的电压vin’的数字值转换成模拟值，并作为预失真的电压vin’提供给压控振荡器11。在该预失真模块14中，预失真函数是微控制器单元1405的内存中的查找表，其中输入电压vin和预失真的电压vin’是查找表的两列。在优选的实施例中，如果预失真函数的存储内容不包括输入电压vin，预失真模块 14在预失真函数的存储内容中检索最接近的输入电压相对应的输出电压，作为该输入电压 vin相对应的预失真的电压vin’。在优选的实施例中，预失真模块14还可以包括插值电路。如果预失真函数的存储内容不包括输入电压vin，而且-vin’max ( vin ( +vin’max，则预失真模块14在预失真函数的存储内容中检索上、下近邻virk、vinH,以及相对应的预失真的电压vi ’、vinH’，并利用插值电路通过插值计算与输入电压vin相对应的预失真的电压vin’ vin，= vin，L+(vin，H_vin，L) / (vinH-vinL) ^ (vin-vinL)。以上描述只是为了示例说明和描述本发明，而非意图穷举和限制本发明。因此，本发明不局限于所描述的实施例。对于本领域的技术人员明显可知的变型或更改，均在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种压控振荡器装置，包括预失真模块，用于对输入电压进行预失真处理以获得预失真的电压；以及压控振荡器，用于根据预失真的电压产生具有相应振荡频率的输出信号，其中，预失真模块对压控振荡器的非线性特性进行校正，使得输入电压和输出信号的振荡频率之间为线性关系。
2.根据权利要求1所述的压控振荡器装置，其中压控振荡器的非线性特性包括超出线性范围的非线性特性以及在线性范围内的高阶效应。
3.根据权利要求1所述的压控振荡器装置，其中压控振荡器是选自RC压控振荡器、LC 压控振荡器、晶体压控振荡器、有源压控振荡器中的一种。
4.根据权利要求1所述的压控振荡器装置，其中预失真模块存储预失真函数，该预失真函数表示输入电压和预失真的电压之间的关系。
5.根据权利要求4所述的压控振荡器装置，其中预失真模块包括依次连接的模数转换器、地址译码电路、存储器和数模转换器，模数转换器将输入电压转换成数字值，地址译码电路根据数字化的输入电压产生存储器的读操作地址并对存储器进行读操作，获得预失真的电压的数字值，数模转换器将预失真的电压的数字值转换成模拟值，其中预失真函数是存储器的存储内容。
6.根据权利要求4所述的压控振荡器装置，其中预失真模块包括依次连接的模数转换器、微控制器单元和数模转换器，模数转换器将输入电压转换成数字值，微控制器单元根据数字化的输入电压检索内存中的查找表，获得预失真的电压的数字值，数模转换器将预失真的电压的数字值转换成模拟值，其中预失真函数是查找表的两列。
7.根据权利要求5或6所述的压控振荡器装置，其中预失真模块在输入电压未包括在预失真函数的存储内容中时，检索最接近的输入电压并将检索结果作为预失真的电压。
8.根据权利要求5或6所述的压控振荡器装置，其中预失真模块还包括插值电路，在输入电压未包括在预失真函数的存储内容中时，在预失真函数的存储内容中检索上、下近邻的输入电压，并对检索结果进行插值作为预失真的电压。
9.根据权利要求1所述的压控振荡器装置，其中压控振荡器装置的线性范围比压控振荡器的线性范围更大。
10.根据权利要求1所述的压控振荡器装置，其中压控振荡器装置的线性度比压控振荡器的线性度更高。
11.一种压控振荡器的校正方法，包括测量压控振荡器的预失真函数；在预失真模块中存储预失真函数；利用预失真模块对输入电压进行预失真处理以获得预失真的电压；将预失真的电压提供给压控振荡器；以及利用压控振荡器根据预失真的电压产生具有相应振荡频率的输出信号，其中，预失真模块对压控振荡器的非线性特性进行校正，使得输入电压和输出信号的振荡频率之间为线性关系。
12.根据权利要求11所述的方法，其中预失真函数表示输入电压和预失真的电压之间的关系。
13.根据权利要求11所述的方法，其中预失真函数实现为存储器的存储内容或内存中的查找表。
14.根据权利要求11所述的方法，其中测量压控振荡器的预失真函数包括针对输入电压的设定值，计算满足线性关系时的输出信号的振荡频率的计算值，该输入电压的设定值作为输入电压； 向压控振荡器施加输入电压；调整输入电压，同时测量压控振荡器的输出信号的实际振荡频率；以及在压控振荡器的输出信号的实际振荡频率等于输出信号的振荡频率的计算值时，将输入电压的实际值作为预失真的电压。
15.根据权利要求11所述的方法，其中测量压控振荡器的预失真函数包括在设计的线性范围内均勻采样。
16.根据权利要求11所述的方法，其中测量压控振荡器的预失真函数包括在设计的线性范围内非均勻采样，在输入电压接近边界值时的采样密度比接近0时的采样点密度更尚ο
17.根据权利要求11所述的方法，其中利用预失真模块对输入电压进行预失真处理包括判断输入电压是否超出设计的线性范围。
18.根据权利要求11所述的方法，其中利用预失真模块对输入电压进行预失真处理包括检索最接近的输入电压并将检索结果作为预失真的电压。
19.根据权利要求11所述的方法，其中利用预失真模块对输入电压进行预失真处理包括检索上、下近邻的输入电压，并对检索结果进行插值作为预失真的电压。
全文摘要
本申请公开了一种压控振荡器装置和压控振荡器的校正方法，压控振荡器装置，包括预失真模块，用于对输入电压进行预失真处理以获得预失真的电压；以及压控振荡器，用于根据预失真的电压产生具有相应振荡频率的输出信号，其中，预失真模块对压控振荡器的非线性特性进行校正，使得输入电压和输出信号的振荡频率之间为线性关系。该压控振荡器装置可以应用于通信系统的锁相环电路。
文档编号H03L7/099GK102340307SQ20111030316
公开日2012年2月1日 申请日期2011年10月9日 优先权日2011年10月9日
发明者吴玉平, 陈岚 申请人:中国科学院微电子研究所