CN102420569A

CN102420569A - 一种线性电压控制晶体振荡器

Info

Publication number: CN102420569A
Application number: CN2011103755781A
Authority: CN
Inventors: 刘斌; 王树一; 朱胜云
Original assignee: Suzhou Megana Microelectronics Co Ltd
Current assignee: Suzhou Megana Microelectronics Co Ltd
Priority date: 2011-11-23
Filing date: 2011-11-23
Publication date: 2012-04-18

Abstract

本发明公开了一种线性电压控制晶体振荡器。线性电压控制晶体振荡器包含振荡器增益电路，变容二极管阵列和偏置电压发生器。这些变容二极管大小不等，同时具有不同的偏置电压。偏置电压发生器则能够产生分布式的偏置电压，作用于变容二极管上，使变容二极管阵列能够工作在不同的偏置电压上，得到线性度较好的电容 - 频率 (C-V) 曲线，继而得到线性度较好的压控晶体振荡器。

Description

一种线性电压控制晶体振荡器

技术领域

本发明属于半导体领域，具体涉及一种线性电压控制晶体振荡器。

背景技术

通信技术在过去的几年里得到了极大的发展。越来越被广泛应用的数字调制技术，例如时分多址(TDMA)和码分多址(CDMA)等。随着信息传输密度的增加而对降低载波间距和减小调制带宽提出了更高的要求，因此通信系统中的参考振荡器的频率稳定性和精准度就变得越来越重要。压控晶体振荡器（VCXO）广泛应用于现代通信领域中, VCXO的频率或者相位必须与系统的外部时钟相匹配。最常见的例子就是数据接收器。数据由发送器的时钟按一定的比率编码后通过导线、光纤、或者无线的渠道进行发送，接收器只有在设定与发送器相同的比率与正确的相位后才能正确的解析出数据，否则通信将会中断。要能够正确的接收数据，接收器必须调整其时钟与发送器的时钟相匹配。接收器会用自己的时钟与接收到的信号中的嵌入的时钟相比较，如果有误差，则进行微调或者“拉”频率。常用的接收器利用石英晶体来产生自己的时钟，石英晶体接变容二极管做负载电容，通过施加一个模拟电压到变容二极管来控制时钟。改变该模拟电压就会改变晶体的负载电容，从而对频率进行微调。晶体振荡器振荡在其谐振频率上，该谐振频率的值取决于晶体的物理尺寸与切角方向。晶体振荡器的一个重要性质是它拥有非常高的品质因数Q，这意味着它的振荡频率被严格控制，可变化范围很小。压控晶体振荡器（VCXO），顾名思义，即在传统的晶体振荡器基础上增加电压控制的功能，通过改变外部电压来改变晶体振荡器的振荡频率。想改变晶体振荡器的频率（或“拉”）是非常困难的。事实上，一个压控晶体振荡器的频率最多能被改变几百PPM。这种狭小的牵引范围是晶体振荡器的一个重要优点。例如，在一个振荡器必须跟随外部已知频率的系统中，可以使用具有相同标称频率的压控晶体振荡器。这两个频率的初始误差很小(由于晶体振荡器只能改变几百PPM)，系统也不会锁定系统外部时钟的谐波上，因为VCXO的牵引范围小所以并不能产生这些谐波。另外，VCXO的频率增益很低(单位输入电压变化仅会带来很小的频率变化)，这一点对于VCXO应用于大型的反馈回路控制系统是很有用的。图1为一个典型的晶体振荡器电路。反相器作为增益级，提供能量使晶体起振并保持振荡。电阻Rfb是用作反馈到反相器时使其在增益区偏置。电容Cg和Cd作为晶体的负载。该电路形成一个谐振振荡器，振荡频率由晶体决定。每颗晶体都会由制造商标明其恰好振荡在fo的负载电容。当减少负载电容，晶体振荡频率会相应变高；当增加负载电容，晶体振荡频率会相应变低。此属性已被应用于传统的压控晶体振荡电路。图2为一个典型的压控晶体振荡电路。在图1中出现的固定负载电容Cg和Cd被可变电容取代，其电容是由输入电压,或称为调谐电压, VIN控制的。在集成电路的工艺中，可变电容的电容变化是相当非线性的，如图3所示，是一个典型的变容二极管的电容与外加电压的变化曲线(C-V曲线)。变容二极管C-V曲线的非线性将导致VCXO的频率控制曲线也是非线性的，如图7所示。

发明内容

本发明目的是：提供一种能够明显改善压控晶体振荡器频率牵引线性度的线性电压控制晶体振荡器。

本发明的技术方案是：一种线性电压控制晶体振荡器，包括石英晶体，提供能量使晶体起振并保持振荡的增益级，反馈到反相器使其在增益区偏置的反馈电阻Rfb，如图2所示的可变电容Cg和Cd用具有线性变化的变容二极管阵列代替，所述变容二极管阵列包括奇数个串联有电容和变容二极管的的串联电路，偏置电压产生电路产生的偏置电压通过大电阻加到所述变容二极管的一端，变容二极管另一端与增益级相连。所述大电阻提供交流阻塞，但可以提供直流路径，不会影响晶体振荡器的负载电容的Q因子。所述可变电容二极管可以是AMOS变容二极管，突变结二极管，BiCMOS或配置为二极管的NMOS和PMOS器件。

进一步的，所述变容二极管阵列中的串联有电容和变容二极管的串联电路的个数为3个、5个或7个。

进一步的，所述偏置电压产生电路包括，第一CMOS管、第二CMOS管、基准电压模块，第一CMOS管的漏极与输入电压Vin以及输出电压Vin1相连，第一CMOS管的栅极与输入电压Vin相连，第一CMOS管的源极与第二CMOS管的栅极、漏极以及输出电压Vin2相连，第二CMOS管的源极分别与输出电压Vin3以及通过电阻R与基准电压模块相连。所述可变电容二极管阵列中的线性部分是不重叠的，但适当的间隔可以延长整体的线性范围。如图5所示的方式产生偏置电压，变量二极管领域和偏置电压的比例进行调整，根据不同的IC工艺能够在整体的可变电容二极管阵列获得最好的扩展线性范围。

本发明的优点是：

能够明显改善压控晶体振荡器频率牵引线性度。

附图说明

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

图1是已有的典型晶体振荡电路。

图2是已有的典型压控晶体振荡电路。

图3是在集成电路工艺中典型变容二极管的电容与电压的曲线。

图4是应用于本发明的VCXO的变容二极管阵列。

图5是本发明的的电容与电压的曲线。

图6是生成偏置电压Vin1,Vin2和Vin3电路的一种实现方式。

图7是已有的压控晶体振荡电路频率与输入电压的曲线。

图8是本发明的实测压控晶体振荡器的频率与输入电压的曲线。

具体实施方式

实施例：本发明的线性电压控制晶体振荡器电路，该线性电压晶体振荡器除了石英晶体外都可以用集成电路来实现。本发明的压控晶体振荡器电路包括一个增益级，一个反馈电阻Rfb和两个具有线性变化的变容二极管阵列，这两个变容二极管阵列一个接在增益级的输入端，一个接在增益级的输出端。通过控制输入电压VIN控制负载电容的变化，从而实现晶体振荡器的频率控制。如图4所示的变容二极管阵列包括多个串联有电阻和变容二极管的的串联电路，串联电路中的变容二极管一端与增益级相连，另一端分别与电容相连，串联电路中的电阻与偏置电压产生电路相连。本实施例中的串联电路为3个，也可以为5个或者7个等数量。控制变容二极管的的偏置电压可以有多种产生方式，本实施例中的产生方式如图6所示，包括，第一CMOS管、第二CMOS管、基准电压模块，第一CMOS管的漏极与输入电压Vin以及输出电压Vin1相连，第一CMOS管的栅极与输入电压Vin相连，第一CMOS管的源极与第二CMOS管的栅极、漏极以及输出电压Vin2相连，第二CMOS管的源极分别与输出电压Vin3以及通过电阻R与基准电压模块相连。通过图6所述的电路产生偏置电压，控制变容二极管。工作状态时，只要调节Vin的大小，就可以控制本发明的线性电压控制晶体振荡器。

工作原理：如图3所示，在现代IC工艺中，变容二极管的C-V曲线的非线性部分通常在低电压和高电压部分。中间的C-V曲线有足够好的线性度，虽然该范围通常很小。如图4所示，通过并联多个变容二极管，可以将C-V曲线的线性部分进行拓展，如图5所示。为了获得最佳的线性度，需要根据不同的IC制程对这些变容二极管的比例以及偏置电压进行调整，当这些提升了线性度的变容二极管加在Cg与Cd上时，VCXO的频率电压曲线将得到明显的提高，如图8所示。

以上实施例仅为本发明其中的一种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims

1.一种线性电压控制晶体振荡器，包括石英晶体，提供能量使晶体起振并保持振荡的增益级，反馈到反相器使其在增益区偏置的反馈电阻Rfb，其特征在于，还包括两个具有线性变化的变容二极管阵列，所述变容二极管阵列包括奇数个串联有电容和变容二极管的串联电路，偏置电压产生电路产生的偏置电压通过大电阻加到所述变容二极管的一端，变容二极管另一端与增益级相连。

2.根据权利要求1所述的线性电压控制晶体振荡器，其特征在于，所述变容二极管阵列中的串联有电容和变容二极管的串联电路的个数为3个、5个或7个。

3.根据权利要求2所述的线性电压控制晶体振荡器，其特征在于，所述偏置电压产生电路包括，第一CMOS管、第二CMOS管、基准电压模块，第一CMOS管的漏极与输入电压Vin以及输出电压Vin1相连，第一CMOS管的栅极与输入电压Vin相连，第一CMOS管的源极与第二CMOS管的栅极、漏极以及输出电压Vin2相连，第二CMOS管的源极分别与输出电压Vin3以及通过电阻R与基准电压模块相连。