CN102111151A

CN102111151A - 一种高分辨率高线性数控振荡器

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Publication number: CN102111151A
Application number: CN2009102007983A
Authority: CN
Inventors: 何捷
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2009-12-25
Filing date: 2009-12-25
Publication date: 2011-06-29

Abstract

本发明属于集成电路领域，所涉及数控振荡器是构成全数字集成锁相环的核心模块。本发明基于阶跃电容的压控振荡器线性原理，提出了实现更高频率分辨率的数控振荡器的技术和电路结构。在相同工艺的条件下，可以将现有的数控振荡器的分辨率的分辨率提高至少两个比特，并且降低了寄生电容对数控振荡器线性度的影响。本发明也可以作为采用Sigma-Delta技术实现具有分数分辨率的数控振荡器核心，降低数控振荡器量化噪声。

Description

一种高分辨率高线性数控振荡器

技术领域

本发明属于射频集成电路领域，所涉及数控振荡器是构成全数字集成锁相环的核心模块。本发明基于阶跃电容的压控振荡器线性原理，提出了实现更高频率分辨率的数控振荡器的技术。该技术在相同工艺的条件下，可以将现有的数控振荡器的分辨率的分辨率提高至少两个比特，并且能降低寄生电容对数控振荡器线性度的影响。本发明也可以作为采用Sigma-Delta技术实现具有分数分辨率的数控振荡器核心，并且降低数控振荡器量化噪声。

现有技术背景

全数字锁相环(All Digital Phase Locked Loop)在深亚微米射频集成电路领域正逐渐成为替代模拟集成锁相环的主流技术。数控振荡器英文称通常为Digitally Controlled Oscillator(DCO)，是全数字锁相环核心模块。数控振荡器频率由电感和电容组成的谐振腔谐振频率决定。在数控振荡器中，通常电感是不变的，只有通过改变电容值的大小来改变振荡频率。电容是单位电容单元和开关组成的电容阵列构成，而电容值是通过数字开关选择并联到谐振电路中电容阵列的总电容[1]。数控振荡器频率分辨率(即精度)取决于开关电容阵列中单位电容单元的大小。要实现最高频率分辨率就必须采用工艺所能实现的最小电容单元，但是由于工艺本身的失配和寄生电容存在，采用最小电容单元会使得数控振荡器的线性度下降，反而影响了数控振荡器精度，结果导致数控振荡器精度和线性度受限于工艺的精度和稳定性。在130nm工艺水平下能达到的数控振荡器精度在23kHz左右[1]。

发明的目的

为了突破工艺对数控振荡器精度和线性度，本发明将介绍基于阶跃电容原理的高线性压控可变电容器结构，与开关电容阵列一起组成谐振电容；在保证线性度的情况下，能进一步提高数控振荡器频率分辨率。

发明内容

本发明包括一个具有高度线性压控可变电容器新结构，和采用该类压控变容器的数控振荡器结构。

可变电容器结构是基于采用阶跃电容的压控振荡器调谐曲线的确定方法[2]所作的发明。可变电容器的结构如图1所示，其核心思想是由电容和开关构成，ctrl是电压控制端，a，b是变容器端口；电容是集成电路工艺中MIM电容或者Poly电容，开关是NMOS或者PMOS变容器的结构可以是图1中所示的任一种形式或任何类似由电容和开关组成形式。

图2(1)所示的变容器电压控制端有差分结构，其对应的差分压控变容器一种结构如图2(2)所示，其形式可以是由图1中所示任何一对NMOS和PMOS作为开关的变容器的组合。

数控振荡器由1单端或者差分压控变容器、2负跨导单元、3微调开关电容阵列、4精调开关电容阵列、5粗调开关电容阵列、6电感和7数模转换器组成及8微调控制寄存器组、9精调控制寄存器组及10粗调控制寄存器组，如图3所示。

数控振荡器的控制单元由三组控制寄存器组成：10粗调控制寄存器，9精调控制寄存器，8微调控制寄存器。10粗调控制寄存器通过控制5粗调开关电容阵列来选择振荡器的频率段，最小分辨率通常大于1MHz；9精调控制寄存器6精调开关电容阵列来调整振荡器频率，其最小分辨率通常大于100kHz；8微调控制寄存器组用于控制3微调开关电容阵列和7数模转换器来调整振荡器频率，其最小分辨率是由7数模转换器来控制可变电容器来实现的，通常最小分辨率低于10kHz。

除了常规的数模转换器的实现方法外，7数模转换器的输出电平值及比特数可由控制可变电容器的控制电压Vctrl电平数或者Vctrl+/Vctrl-电平对个数来决定。电平或电平对的选择可以参考图4所示。图4所示波形为振荡器信号一个周期，振荡信号的最高电平为Vh，最低电平为Vl。那么对于采用NMOS作为开关的可变压控电容而言，控制电压的有效范围是[Vl-Vthn，Vh-Vthn]，Vthn为NMOS的阈值电压或者NMOS开关的开启电压；那么对于采用PMOS作为开关的可变压控电容而言，控制电压的有效范围是[Vl+Vthp，Vh+Vthp]，Vthp为PMOS的阈值电压绝对值或者PMOS开关的开启电压绝对值。这样，对于NMOS可变电容控制电压而言，至少存在四个有效离散电平值：Vh-Vthn，Vl+Vthp，V1，Vl-Vthn，所对应的7数模转换器就有2个比特。同样对于PMOS可变电容控制电压而言，也至少存在四个有效离散电平值：Vh+Vthp，Vh，Vh-Vthp Vl+Vthn，所对应的7数模转换器就有2个比特。对于差分可变电容控制电压而言，有效离散电平值可以由一个NMOS可变电容控制电压减去一个PMOS可变电容控制电压组合而成，这样就至少存在16种组合；但是考虑到16个组合中存在相同值，所以实际电平数少于16个，所对应的7数模转换器在介于3～4比特之间。如果要增加数模转换器比特数(即提高振荡器的频率分辨率)，可以在Vh-Vthn和Vl+Vthp再多选择若干个电平，例如选择一个电平Vh/2+Vl/2，这样差分可变电容控制电压就有25种组合，去除相同项，可以得到16个离散值；由于阶跃电容变容器优异的线性度，只要选取的差分控制电平值之间保证高线性度，则得到的振荡频率之间就继承了高线性度。在工艺允许的电压较低的情况下(例如1.2V)，通常数模转换器的精度能达到3比特。如果工艺允许的电压较高的情况下(例如1.8V或以上)，通常数模转换器的精度能达到4比特以上。采用多比特的数模转换器能够在3微调开关电容阵列中采用较大的最小电容单元，这样可以降低工艺偏差和寄生效应导致的数控振荡频率非线性；同样，由于采用了多比特的数模转换器，与单比特控制的最小电容单元相比，增加了控制寄存器的位数，也即提高了数控振荡器的精度(分辨率)。

发明或实用新型与现有技术相比具有的优点、特点或积极效果

现有数控振荡器采用的全数字开关电路阵列，其精度和线性度受到工艺的限制。而本发明采用数模转换器来控制阶跃电容变容器技术，提高了数控振荡器的频率分辨率，并且阶跃电容变容器优异的线性度保证了数控振荡器的线性度。突破了工艺对数控振荡器分辨率和线性度的限制。分辨率的提高将降低数控振荡器在输入控制端的量化噪声。

全数字锁相环采用本发明所涉及的数控振荡器，将具有更低的频率量化噪声及输出相位噪声。全数字锁相环应用如图5所示。

本发明也适用于基于Sigma-Delta技术的分数数控振荡器，其应用实例如图6所示。

附图说明

单控制端压控可变电容器的结构如图1所示，是由电容和开关构成，ctrl是电压控制端，a，b是变容器端口；电容是集成电路工艺中MIM电容或者Poly电容，开关是NMOS或者PMOS；变容器的结构可以是图1中所示的(1)(2)(3)(4)任一种形式或任何类似由电容和开关组成形式。

差分控制端压控可变电容器的结构如图2，但不仅限于图2所示结构，其它形式还包括其形式可以是由图1中所示任何一对NMOS和PMOS作为开关的单端变容器的组合。

图3所示为数控振荡器的结构图，数控振荡器由1单端或者差分压控变容器、2负跨导单元、3微调开关电容阵列、4精调开关电容阵列、5粗调开关电容阵列、6电感和7数模转换器及8微调控制寄存器组、9精调控制寄存器组及10粗调控制寄存器组组成。

图4所示波形为振荡器信号一个周期，振荡信号的最高电平为Vh，最低电平为Vl。那么对于采用NMOS作为开关的可变压控电容而言，控制电压的有效范围是[Vl-Vthn，Vh-Vthn]，Vthn为NMOS的阈值电压或者NMOS开关的开启电压；那么对于采用PMOS作为开关的可变压控电容而言，控制电压的有效范围是[Vl+Vthp，Vh+Vthp]，Vthp为PMOS的阈值电压绝对值或者PMOS开关的开启电压绝对值。这样，对于NMOS可变电容控制电压而言，至少存在四个有效离散电平值：Vh-Vthn，Vl+Vthp，Vl，Vl-Vthn，所对应的7数模转换器就有2个比特。同样对于PMOS可变电容控制电压而言，也至少存在四个有效离散电平值：Vh+Vthp，Vh，Vh-Vthp Vl+Vthn，所对应的7数模转换器就有2个比特。对于差分可变电容控制电压而言，有效离散电平值可以由一个NMOS可变电容控制电压减去一个PMOS可变电容控制电压组合而成，这样就至少存在16种组合；

具体的实施方式

图5是本发明所涉数控振荡器在全数字锁相环中的应用实例。11数控振荡器即为本发明所涉电路。全数字锁相环通常由11数控振荡器，12数字环路滤波器，13数字鉴相器和14分频器组成。

图6是本发明所涉数控振荡器用于分数数控振荡器的应用实例。分数数控振荡器采用15Sigma-Delta调制器产生控制信号输入16寄存器组中的8微调寄存器组或者8微电寄存器组和9精调寄存器组。

参考文献

[1]中国专利CN1645740，采用阶跃电容的压控振荡器调谐曲线的确定方法

[2]Robert Bogdan Staszawski，“Digitally Controlled Oscillator Based Architecture for RF Frequency Synthesis ina Deep-Submicrometer CMOS Process”

IEEE Trans.CAS-II，Vol.50，No.11，2003

Claims

本发明包括一个具有高度线性压控可变电容器新结构，和采用该类压控变容器的数控振荡器结构。

1.权利1是由电容和金属氧化物半导体(MOS)开关串联组成的单控制端压控可变电容器结构。ctrl是电压控制端，a，b是变容器信号端口；电容是集成电路工艺中可以实现的电容结构：如MIM电容或者Poly电容，开关是N型金属氧化物半导体(NMOS)或者P型金属氧化物半导体(PMOS)；变容器的结构可以是图1中所示的任一种形式或任何类似由电容和开关组成形式。
2.权利2是由电容和金属氧化物半导体(MOS)开关串联组成的差分双控制端压控可变电容器结构。差分压控变容器结构形式可以是由权利2所涉单控制端可变电容器结构中任何一对NMOS和PMOS作为开关的单端变容器之组合。
3.权利3是由权利1或者权利2所涉压控变容器构成的基于电感电容谐振结构的压控振荡器。
4.权利4是采用权利3作为核心的数控振荡器。数控振荡器由1单端或者差分压控变容器、2负跨导单元、3微调开关电容阵列、4精调开关电容阵列、5粗调开关电容阵列、6电感和7数模转换器组成及8微调控制寄存器组、9精调控制寄存器组及10粗调控制寄存器组。其中7数模转换器将数字控制信号转换为电压控制信号指控权利1或2所涉压控变容器，从而改变振荡器的振荡频率。
5.权利4所涉数控振荡器的控制单元由三组控制寄存器组成：10粗调控制寄存器，9精调控制寄存器，8微调控制寄存器。10粗调控制寄存器通过控制5粗调开关电容阵列来选择振荡器的频率段，最小分辨率通常大于1MHz；9精调控制寄存器6精调开关电容阵列来调整振荡器频率，其最小分辨率通常大于100kHz；8微调控制寄存器组用于控制3微调开关电容阵列和7数模转换器来调整振荡器频率，其最小分辨率是由7数模转换器来控制可变电容器来实现的，通常最小分辨率低于10kHz。
6.权利6是权利5所涉多比特7数模转换器的一种简单实现方案。数模转换器的输出电平值及比特数由控制可变电容器的控制电压Vctrl电平数或者Vctrl+/Vctrl-电平对个数来决定。采用多比特的数模转换器能够在3微调开关电容阵列中采用较大的最小电容单元，这样可以降低工艺偏差和寄生效应导致的数控振荡频率非线性；同样，由于采用了多比特的数模转换器，与单比特控制的最小电容单元相比，增加了控制寄存器的位数，也即提高了数控振荡器的精度(分辨率)。
7.权利7全数字锁相环采用权利5所涉及的数控振荡器，将具有更低的频率量化噪声及输出相位噪声。全数字锁相环通常由11数控振荡器，12数字环路滤波器，13数字鉴相器和14分频器组成。
8.权利8是采用权利5所涉数控振荡器核心和Sigma-Delta技术的高分辨率分数数控振荡器。分数数控振荡器采用15Sigma-Delta调制器产生控制信号输入16寄存器组中的8微调寄存器组或者8微电寄存器组和9精调寄存器组。