CN101924534A - 晶体振荡器的数字控制电容开关阵列单调调谐方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种晶体振荡器的数字控制电容开关阵列单调调谐方法，其特征在于：数字译码电路将输入数字控制位转变为开关阵列的实际控制信号，开关阵列中每个开关对应控制多层金属叉指电容阵列的一个电容单元，通过开关阵列中各开关的打开与关断调节多层金属叉指电容阵列中接入晶体振荡器的电容单元的数量，即调节晶体振荡器中总电容大小，从而实现晶体震荡器的单调调谐。本发明无需D/A变换器，直接通过对基带多位数字控制信号的译码控制多层金属叉指电容开关阵列实现单调调谐.此调谐方法及振荡器系统适用于无线移动通信集成电路，满足产品小体积、低成本和大批量生产的要求，可作为商用无线移动通信集成电路终端锁相环电路的高精度参考基准。
Description
技术领域
本发明涉及一种数字控制电容开关阵列单调调谐方法，特别涉及一种无线移动通信集成电路中使用的高精度晶体振荡器的数字控制电容开关阵列单调调谐方法。
背景技术
在无线移动通信终端应用中，稳定的频率基准源是锁相环电路的重要组成部分。GSM、WCDMA标准对载波频率精度要求达到0.1ppm以下，TD-LTE标准对载波频率精度提出了更高的要求。作为同步基站和终端频率精度的自动频率控制(AFC)调谐电路，必须满足此要求。
通常情况下，终端的AFC校准由基带多位数字控制信号经过D/A变换器转变为模拟电压调谐变容二极管从而改变晶体振荡器的频率，完成频率校准。对于需求高精度载波频率的无线通信标准，高精度、低输出噪声的D/A变换器设计难度增加，而且会使用大量的版图面积，增加额外功耗，从而提高成本。
而单纯的采用数字控制二进制电容阵列的方法，在产生多位开关跳变的情况下(如从01111111111111变化至10000000000000)，由于寄生电容的影响，导致频率的跃变或非单调性。这将严重影响频率精度和自动频率控制调谐的完成。
发明内容
本发明的目的在于提供一种不采用D/A变换，直接通过对基带多位数字控制信号的译码控制多层金属叉指电容开关阵列实现单调调谐的方法。
为了实现上述发明目的，本发明所采用的技术方案如下：一种晶体振荡器的数字控制电容开关阵列单调调谐方法，采用数字译码电路直接将输入的基带多位数字控制信号译码，转变为开关阵列的实际控制信号，开关阵列中每个开关对应控制多层金属叉指电容阵列的一个电容单元，通过开关阵列中各开关的打开与关断调节多层金属叉指电容阵列中接入晶体振荡器的电容单元的数量，即调节晶体振荡器中总电容大小，从而实现晶体振荡器的单调调谐。
所述晶体振荡器由Colpitts类型单端晶体接入振荡器实现。
所述数字译码电路采用温度计译码器实现。
所述多层金属叉指电容阵列中每个电容单元的电容大小一致，以实现调谐的单调上升或下降。
所述电容单元采用多层金属CMOS工艺，在遵循工艺所要求的DRC规则下，利用同层金属实现最小间距的金属指交叉，氧化物作为介质。
所述多层金属叉指电容单元的层间用通孔连通，以获取单位面积电容效率最大化。
所述多层金属叉指电容单元，其电容在几个fF量级。
所述开关阵列中的开关采用MOS管。
本发明无需使用D/A变换器，直接通过对基带多位数字控制信号的译码控制多层金属叉指电容开关阵列实现单调调谐.高精度集成晶体振荡器系统由Colpitts类型单端晶体接入振荡器实现，相对于商用Pierce双端晶体接入振荡器具有节省Pin使用数量，从而具有降低成本的优点。本发明适用于无线移动通信集成电路，满足产品小体积、低成本和大批量生产的要求，可作为商用无线移动通信集成电路终端锁相环电路的高精度参考基准。
附图说明
图1为本发明中一种多层金属叉指电容的示意图；
图2为本发明中另一种多层金属叉指电容的示意图；
图3为本发明中多层金属叉指电容等效电路模型；
图4为本发明所组成晶体振荡器系统原理框图；
图5为采用本发明进行单调调谐的调谐曲线。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。
本发明所述的数字控制电容开关阵列单调调谐方法为：采用数字译码电路直接将输入的基带多位数字控制信号译码，转变为开关阵列的实际控制信号，开关阵列中每个开关对应控制多层金属叉指电容阵列的一个电容单元，通过开关阵列中各开关的打开与关断调节多层金属叉指电容阵列中接入晶体振荡器的电容单元的数量，即调节晶体振荡器中总电容大小，从而实现晶体振荡器的单调调谐。
所述多层金属叉指电容阵列中每个电容单元的电容大小一致，以实现调谐的单调上升或下降。
本发明涉及的多层金属叉指电容采用多层金属CMOS工艺，在遵循工艺所要求的DRC规则下，利用同层金属实现最小间距的金属指交叉，氧化物作为介质。层间用通孔连通以获取单位面积电容效率最大化。实现的多层金属叉指电容单元每个大约在几个fF量级，以实现晶体振荡器对于高精度调谐步进的要求。使用MOS管做为此金属电容单元的开关。整体的精细调谐范围与所使用的单元电容阵列数目成正比。
如图1、图2所示为两种多层金属叉指电容的平面俯视示意图，图中示有X标志的为通孔。第一种多层金属叉指电容奇数金属层如图1所示，偶数层为图1旋转90度可得，层间以通孔连接。第二种多层金属叉指电容金属层如图2所示，各层为图2的相同堆叠。在实际应用中可根据不同的应用选取不同的结构。参数分别为横向指数fx，纵向指数fy，金属层数目N，为获取单位面积的最大电容值，金属线宽和线间距都使用最小工艺允许值，也可根据实际情况做适当调整。可通过自定义横向指数fx，纵向指数fy，金属层数目N来获得希望的电容值。电容值分别与fx，fy，N成正比例关系。实现高精度集成晶体振荡器系统的每个多层金属叉指电容，一个电容单元大约在fF量级，以实现晶体振荡器对于高精度调谐步进的要求。整体调谐范围由电容阵列的总数目决定，一般对于11-14位数字输入控制，可实现25-60ppm总调谐范围。
如图3所示为多层金属叉指电容的等效电路模型，其中Cm为指间电容有效值，Cc为金属指到衬底间的耦合电容。计算这两个电容值时都要考虑边缘效应产生的电容，以免引起较大的电容偏差。在设计晶体振荡器时，可以比较手工计算值与版图验证工具提取值之间的偏差，以验证模型的有效性。
本发明所组成晶体振荡器系统原理框图如图4，包括：温度检测电路305、温度补偿电路306、恒温电流源303、晶体X1、晶体管MP1、电阻R1、R2、R3、粗调二进制电容阵列304、温度计译码器302、多层金属叉指电容调谐阵列301。晶体振荡器由Colpitts类型单端晶体接入振荡器实现，晶体管MP1为振荡器的放大单元，Colpitts振荡器中的电容分别由电容C1连接晶体管MP1的栅极和源极，用于粗调振荡器频率的二进制电容阵列304连接MP1的栅极和漏极，多层金属叉指电容调谐阵列301连接MP1的源极和漏极。温度计译码器302将n位输入数字控制位译为2n位温度计码分别控制多层金属叉指电容调谐阵列中的每个调谐单元。m位数字控制位控制粗调二进制电容阵列进行频率粗调。X1为芯片外部单端接入的晶体。R1，R2为MP1栅极电压偏置分压电阻。R3电阻为MP1栅极提供高阻抗。恒温电流源303输出与温度系数无关的电流为晶体振荡器提供工作电流，与MP1的漏极相连。温度检测电路305检测芯片与晶体环境的温度变化，并将输出模拟电压传递给温度补偿电路306，温度补偿电路306与MP1的栅极相连，将模拟电压量转换为数字控制信号，随后通过相应的译码电路补偿因温度变化而引起的频率漂移。
数字译码电路采用温度计译码表将输入数字控制位转变为控制多个多层金属电容开关阵列的实际控制信号，由于每个多层金属电容开关的打开与关断对应着调谐频率的降低与提高，从而实现调谐的单调性。工艺的偏差不会影响调谐的单调性。如果采用传统二进制电容阵列将不具备此特点。
通过温度检测和补偿电路补偿温度变化引起的频率漂移，整体高精度晶体振荡器的频率温漂性能可达到±2ppm以内(-20℃～75℃)。
在实际应用中，需选定数字控制n位的数值为全部开启和全部关闭所对应电容值的中心值。调整m位数字控制对二进制粗调电容阵列进行调整，将谐振回路中所有作为晶体并联等效电容负载值调整为接近晶体指标所对应的负载电容值。在使用集成电路制造工艺良好的情况下，可以固定m位数字控制位的值。基带数字控制位直接连接控制译码电路就可以进行纯数字单调调谐。
在振荡器使用过程中环境温度出现变化，温度检测电路会将温度变化转换为模拟电压值，温度补偿电路会对模拟电压进行模数转换，再经过译码电路调整电容以校准相对应的频率。本发明所采用温度检测电路与温度补偿电路均为现有技术，故不再赘述。
图5为单调调谐量测图。由于n位输入数字控制位对应2n个单调调谐点，此图中仅选择了31个调谐点示意单调调谐的可实现性。
晶体振荡器系统为Colpitts类型，晶体单端接入节省Pin的使用数量，频率粗调利用普通二进制电容开关阵列实现。AFC频率控制及校准使用数字译码电路配合多层金属叉指电容开关阵列的实现，温度检测和补偿电路实现最终的频率温漂指标。
上述实施例仅为本发明应用于晶体振荡器系统的实施案例，本发明数字控制电容开关阵列单调调谐方法并非仅可用于晶体振荡器系统，还可应用于其它可通过控制电容大小进行调谐的振荡器系统，原理同上。
凡运用本发明的说明书及附图内容所作的等同与相似的结构变化，均应包含在本发明的保护范围内。
Claims (8)
1.一种晶体振荡器的数字控制电容开关阵列单调调谐方法，其特征在于：采用数字译码电路直接将输入的基带多位数字控制信号译码，转变为开关阵列的实际控制信号，开关阵列中每个开关对应控制多层金属叉指电容阵列的一个电容单元，通过开关阵列中各开关的打开与关断调节多层金属叉指电容阵列中接入晶体振荡器的电容单元的数量，即调节晶体振荡器中总电容大小，从而实现晶体振荡器的单调调谐。
2.根据权利要求1所述的晶体振荡器的数字控制电容开关阵列单调调谐方法，其特征在于：所述晶体振荡器由Colpitts类型单端晶体接入振荡器实现。
3.根据权利要求1所述的晶体振荡器的数字控制电容开关阵列单调调谐方法，其特征在于：所述数字译码电路采用温度计译码器实现。
4.根据权利要求1所述的晶体振荡器的数字控制电容开关阵列单调调谐方法，其特征在于：所述多层金属叉指电容阵列中每个电容单元的电容大小一致，以实现调谐的单调上升或下降。
5.根据权利要求4所述的晶体振荡器的数字控制电容开关阵列单调调谐方法，其特征在于：所述多层金属叉指电容单元采用多层金属CMOS工艺，在遵循工艺所要求的DRC规则下，利用同层金属实现最小间距的金属指交叉，氧化物作为介质。
6.根据权利要求1所述的晶体振荡器的数字控制电容开关阵列单调调谐方法，其特征在于：所述多层金属叉指电容单元的层间用通孔连通，以获取单位面积电容效率最大化。
7.根据权利要求6所述的晶体振荡器的数字控制电容开关阵列单调调谐方法，其特征在于：所述多层金属叉指电容单元，其电容在几个fF量级。
8.根据权利要求1所述的晶体振荡器的数字控制电容开关阵列单调调谐方法，其特征在于：所述开关阵列中的开关采用MOS管。
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