第8期王 欢等:

具有稳定工作状态的无线接收用超再生振荡器

1609

图2 具有锁相环控制的超再生振荡器原理图

Fig.2 Principlediagramofsuper regenerativeoscillatorwithphase lockedloop

图4 vout(k)与 (k-1),vout(k-1)的关系

Fig.4 Relationsofvout(k), (k-1)andvout(k-1)

泵的充电和放电.稳态时,电荷泵的充放电过程达到平衡,低通滤波器输出为稳定的直流电压.振荡器的起振时间被稳定在由电荷泵的充放电电流比例决定的某个时间上.由于环路的负反馈作用,这种稳定的起振状态对输入信号不敏感,导致振荡器的稳定性和系统接收灵敏度发生矛盾.利用时分复用的原理,通过统一的时钟控制前级LNA和环路的逻辑电路,将接收和环路控制在时间上分开来,互不干扰,可以避免这种矛盾.

其中 G<0;!=-.可见,随着G往负值方向

C4C增加,振荡器的起振时间减小,起振时间与G成单调控制关系.G中的Ga与有源器件MOS管的gm成正比,而gm又与D成正比,对于MOS管而言,电流iD又受栅源电压vGS的控制,因此,由(2)式可以得到

=f(vGS)(3)

可见, 和控制电压vGS之间为确定的函数关系,但该函数是非线性函数.可以将该函数作局部线性化处理,于是有

=f (vGS)|vGS=VGSQ vGS=KSRO vGS(4)其中KSRO为与VGSQ有关的常数.

由于环路处于周期性间歇振荡状态,且周期固定,当该周期足够小,即熄灭频率足够快时(相对于环路的稳定时间),可以将环路连续的工作过程划分为以熄灭周期T为间隔的离散过程.在图2中,将环路从低通滤波器输出点开环,开环点后振荡器的控制电压vGS作为输入电压vin,电荷泵的输出电压作为输出电压vout.假设在第k-1个抽样点的输入为vin(k-1)(离散时间轴上的第k-1个T),比较器输出的低电平脉冲宽度存在与之相对应的 (k-1),即振荡器起振时间.根据(4)式, (k-1)和vin(k-1)之间存在确定的函数关系

(k-1)=f(vin(k-1))(5)

起振时间 (k-1)通过控制电荷泵的充放电状态,在第k-1个抽样点的输出电压vout(k-1)的基础上又决定了下一个抽样点的输出电压vout(k).若电荷泵充放电电流比例为1#n,vout(k)与 (k-1),vout(k-1)的关系可以用图4进行说明.

从图中可以看到,如果忽略电容上由充放电产生的纹波电压,仅考虑相邻抽样点的差值的话,vout(k)与 (k-1),vout(k-1)存在如下关系

vout(k)=vout(k-1)+ V

(6)=vout(k-1)+

C

结合(5)式可以得到

1invout(k)=vout(k-1)+

C

=vout(k-1)+f2(vin(k-1))(7)

(7)式就是将环路看作离散系统后得到的开环特性.该3 环路稳定性分析

图2中的环路将振荡器的起振时间锁定在由环路中电荷泵充放电电流比例设置的某个时间上,而振荡器的起振时间与偏置电流之间存在严重的非线性关系,且环路工作在开关状态,与传统的锁相环的稳定性分析存在较大差异.下面从环路的离散模型出发对环路稳定性进行分析.

如果将超再生振荡器看作负阻振荡器,可以用图3所示的并联谐振回路来等效.

图中G0是LC谐振回路的等效电导,表征回路自身的能量损耗,-Ga是由有源器件形成的负电导,即通过有源器件消耗能量提供负电导来弥补LC回路自身的能量损耗,使得该回路能够起振.Asin( t)是并联谐振回路得到的输入电流信号.从图中可以得到如下等式

v(t)dt+C=Asin( t)(1)v(t)G+

dtL

当输入信号频率等于回路谐振频率时,通过求解微分方程可以得到振荡信号达到Vref所需要的时间为

ref =-ln(2)G-A

图3 超再生振荡器的等效并联谐振回路

Fig.3

Equivalentparallelresonantloopofsuper regenera

t