CN102780453A - 用于压控振荡器的开关电容器阵列 - Google Patents

用于压控振荡器的开关电容器阵列 Download PDF

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Abstract

一种系统，包括：压控振荡器，具有电感器和可变电容器；以及控制电容器阵列，与可变电容器并联连接。控制电容器阵列进一步包括：多个电容器组，其中，采用温度计编码来控制每个电容器组。另外，当通过n位温度计编码控制开关电容器阵列时，开关电容器阵列提供用于压控振荡器的振荡频率的N个调节步骤。

Description

用于压控振荡器的开关电容器阵列
技术领域
本发明涉及电路领域，更具体地，本发明涉及用于压控振荡器的开关电容器阵列。
背景技术
在射频电路中(例如，接收器或收发器)，将压控振荡器(VCO)用作频率合成器，从而对射频信号进行降频变换或升频变换。频率合成器可以包括：振荡器，被设计为通过由频率合成器控制系统所生成的接收到的电压控制频率，其中，该控制系统由分频器、频率和相位检测器、充电泵、以及低通滤波器形成。在频率合成器控制系统中，将分频器的输出与在频率和相位检测器处的基准信号进行比较。将频率和相位检测器的输出连接至低通滤波器，并且进一步连接至振荡器。因此，响应于来自低通滤波器的电压，振荡器生成期望信号。
CMOS VCO可以包括：第一电感器LP1、第二电感器LP2、一对反向型NMOS可变电容器、一对n沟道金属氧化物半导体(NMOS)晶体管M1和M2、以及偏置电流源Ibias。第一电感LP1和第二电感LP2可由通过诸如方形螺旋电感器的晶圆对方形区域的感应作用而产生。可以通过一对NMOS晶体管来实施这对反向NMOS可变电容器。更具体地来说，将这对NMOS晶体管的漏极端和源极端连接在一起作为控制端，用于微调这对反向NMOS可变电容器的电容。通过将不同控制电压施加在控制端，该对反向NMOS可变电容器的电容进行相应改变。因此，来自L-C储能电路(tank)的振荡频率可能变换范围，其中，L-C储能电路由第一电感器LP1、第二电感器LP2、以及一对反向型NMOS可变电容器形成。例如，当控制电压从0伏改变为1伏时，来自L-C储能电路的振荡频率可以从50GHz至54GHz改变4GHz。
为了进一步微调L-C储能电路的振荡频率，可以将额外的开关电容器阵列与这对反向型NMOS可变电容器并联连接。通过导通或关断开关电容器阵列的电容器组，可以实现L-C储能电路的微调步骤。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种系统，包括：压控振荡器，包括电感器和可变电容器；以及开关电容器阵列，与可变电容器并联连接，包括：多个电容器组，其中，采用温度计编码来控制每个电容器组。
其中，电容器组包括：第一电容器；第二电容器，经由开关与第一电容器串联连接，其中，开关的栅极连接至温度计编码的位；反相器，其输入端连接至温度计编码的位；第一偏置电阻器，连接在开关的漏极和反相器的输出端之间；以及第二偏置电阻器，连接在开关的源极和反相器的输出端之间。
其中，反相器的输出端连接至第一偏置电阻器和第二偏置电阻器，并且反相器被配置为使得：当将逻辑高状态施加给温度计编码的位时，从开关的栅极至源极之间为正电压；以及当将逻辑低状态施加给温度计编码的位时，从开关的栅极至源极之间为负电压。
其中，压控振荡器为交叉连接的振荡器，包括：L-C储能电路，由第一电感器、第二电感器、第一电容器、以及第二电容器形成；交叉连接的晶体管对，其中，第一晶体管的栅极连接至第二晶体管的漏极，并且第二晶体管的栅极连接至第一晶体管的漏极；以及偏置电流源，被连接在交叉连接的晶体管对和一电压电势之间。
其中，第一电容器和第二电容器是通过漏极端连接至源极端的NMOS晶体管对形成的。
其中，第一电容器和第二电容器具有响应于施加给控制端的控制电压而改变的电容值，控制端位于在第一电容器和第二电容器之间的接合点处。
其中，控制电压从零伏改变至电压电势。
此外，本发明还提供了一种开关电容器阵列，包括：电容器组，包括：第一电容器；第二电容器，经由开关与第一电容器串联连接，其中，开关的栅极连接至温度计编码的位；反相器，其输入端连接至温度计编码的位；第一偏置电阻器，连接在开关的漏极和反相器的输出端之间；以及第二偏置电阻器，连接在开关的源极和反相器的输出端之间。
其中，第一电容器的电容值等于第二电容器的电容值。
其中，当将逻辑高状态施加给连接至开关的栅极的温度计编码的位时，第一电容器和第二电容器与L-C储能电路的可变电容器并联连接。
其中，由反相器、第一偏置电阻器和第二偏置电阻器形成的偏置电路配置为使得：当将逻辑高状态施加在温度计编码的位时，从开关的栅极至源极之间为正电压；以及当将逻辑低状态施加在温度计编码的位时，从开关的栅极至源极之间为负电压。
开关为NMOS晶体管。
其中，当通过n位温度计编码控制开关电容器阵列时，开关电容器阵列包括N个电容器组。
其中，当通过n位温度计编码控制开关电容器阵列时，开关电容器阵列提供了N个调节步骤。
此外，还提供了一种方法，包括：将开关电容器阵列与压控振荡器的L-C储能电路的可变电容器并联连接；在包括N个电容器组的开关电容器阵列处接收n位温度计编码，其中，通过n位温度计编码中的一位控制每个电容器组；以及根据n位温度计编码的相应位导通或关断开关，开关与电容器组的第一电容器和第二电容器串联连接。
该方法进一步包括：当将逻辑高状态施加在温度计编码的位时，提供正栅极至源极电压；以及当将逻辑低状态施加在温度计编码的位时，提供负栅极至源极电压。
该方法进一步包括：根据选择的温度计编码微调压控振荡器。
该方法进一步包括：根据控制电压调节压控振荡器。
该方法进一步包括：当n位温度计编码的相应位为逻辑高状态时，导通开关，开关与电容器组的第一电容器和第二电容器串联连接；以及当n位温度计编码的相应位为逻辑低状态时，关断开关，开关与电容器组的第一电容器和第二电容器串联连接。
该方法进一步包括：提供偏置电路，偏置电路由反相器、第一偏置电阻器和第二偏置电阻器形成；当将逻辑高状态施加在温度计编码的位时，提供从开关的栅极端至源极端之间的正电压；当将逻辑低状态施加在温度计编码的位时，提供从开关的栅极端至源极端之间的负电压。
附图说明
为了更好地理解本发明及其优点，现在将结合附图所进行的以下描述作为参考，其中：
图1示出了根据实施例的交叉连接的压控振荡器的原理图；
图2示出了根据实施例的n位开关电容器阵列的原理图；
图3示出了根据实施例的电容器组的原理图；
图4详细示出了根据实施例的7位开关电容器阵列的原理图；
图5详细示出了在图4中所示的温度计编码控制7位开关电容器阵列的操作；以及
图6示出了基于在图4中所示的温度计编码控制7位开关电容器阵列的实验结果。
除非另有说明，否则在不同图中的相应数值和符号通常指的是相应部件。为了清楚示出各个实施例的相关方面绘制了附图，但是没有必要按比例绘制。
具体实施方式
下面，详细讨论本发明优选实施例的制造和使用。然而，应该理解，本发明提供了许多可以在各种具体环境中实现的可应用的发明概念。所讨论的具体实施例仅仅示出制造和使用本发明的具体方式，而不用于限制本公开的范围。
在具体上下文中，将关于用于微调交叉连接压控振荡器(VCO)的温度计编码控制开关电容器阵列的优选实施例描述本发明。然而，还可以将本发明应用于各种VCO电路。
首先，参照图1，根据实施例示出了交叉连接的压控振荡器的原理图。交叉连接的压控振荡器100包括：第一电感器LP1、第二电感器LP2、第一可变电容器CP1、第二可变电容器CP2、一对n沟道金属氧化物半导体(NMOS)晶体管M1和M2、以及偏置电流源Ibias。经由在一端处的偏置电流源Ibias将第一电感器LP1和第二电感器LP2连接至电压电势VDD。第一电感器LP1具有连接至第一可变电容器CP1的另一端。同样地，第二电感器LP2具有连接至第二可变电容器CP2的另一端。
此外，串联连接第一可变电容器CP1和第二可变电容器CP2，并且在第一可变电容器CP1和第二可变电容器CP2之间的接合点用作电压控制端Vctrl。如本领域中已知的，通过将不同电压施加在电压控制端，每个可变电容器(例如，第一可变电容器CP1)的电容会随之改变。应该注意，电感LP1和LP2可以由通过诸如方形螺旋电感器的晶圆对方形区域的感应作用的产生。通过将每个NMOS晶体管的漏极和源极连接在一起，这两个可变电容器CP1和CP2可以由作为一对反向NMOS可变电容器运行的一对NMOS晶体管产生。反向NMOS可变电容器的工作原理在本领域中众所周知，故本文中不再赘述。
L-C储能电路由第一电感器LP1、第二电感器LP2、第一可变电容器CP1、以及第二可变电容器CP2形成，将该储能电路进一步连接至一对NMOS晶体管M1和M2。将NMOS晶体管M1和NMOS晶体管M2交叉连接至相对端部。更具体地来说，将NMOS晶体管M1的栅极连接至NMOS晶体管M2的漏极，并且将NMOS晶体管M2的栅极连接至NMOS晶体管M1的漏极。将NMOS晶体管M1和M2的源极连接在一起并且接地。如本领域中已知的，通过由调节在Vctrl处的电压微调可变电容器CP1和CP2的值，交叉连接的VCO 100能够具有更宽的调节范围。然而，为了进一步微调交叉连接的VCO 100的振荡频率，需要为开关电容器阵列110提供额外的微调步骤。
图2示出了根据实施例的n位开关电容器阵列的原理图。如图2所示，将n位开关电容器阵列与交叉连接的VCO 100的可变电容器并联连接。可能具有传输控制信号的n个控制位，将其连接至每个相应的电容器组。应该注意，整数n大于等于2。如图2所示，每个电容器组可以具有相同结构。将所有的n个电容器组并联连接，从而形成开关电容器阵列110。响应于连接至电容器组的控制信号的逻辑状态，电容器组与可变电容器CP1和CP2并联连接，或者从交叉连接的VCO 100的L-C储能电路去除该电容器组。因此，在具体控制电压施加在Vctrl处的时候，具有通过使n位开关电容器阵列110与L-C储能电路并联连接可用的至少n个额外的调节步骤。
图3示出了根据实施例的电容器组的示意图。如以上关于图2所述的，在开关电容器阵列110中的每个电容器阻具有相同结构。因此，将电容器组(例如，第一电容器组)用于示出电容器组的工作原理。电容器组可以包括：经由开关Mswl串联连接的两个相同电容器。开关Mswl可以为NMOS晶体管，该晶体管具有：连接至一电容器的漏极；连接至另一电容器的源极、以及连接至控制信号的栅极(例如，第一控制位VB1)。开关Mswl与地线浮置。为了适当偏置开关Mswl，采用两个偏置电阻器R1、R2和反相器，从而形成用于驱动开关Mswl的偏置电路。更具体地来说，当VB1为逻辑高状态，例如，VDD时，反相器的输出为0伏。通过偏置电阻器R2，将开关Mswl的源极也设置为0伏。因此，开关Mswl的栅源电压为VDD，该栅源电压高于开关Mswl的阈值，从而保证开关Mswl接通。
另一方面，当控制信号VB1为逻辑低状态时，反相器的输出生成逻辑高状态，例如VDD。通过偏置电阻器R2，将开关Mswl的源极设置为VDD。因此，将负电压VDD施加给开关Mswl的栅极和源极。如本领域中已知的，开关Mswl的负栅源电压可以确定地使开关Mswl截止。具有图3中所示的电容器组的有益特征是可以可靠地将电容器与交叉连接的VCO 100的L-C储能电路连接或断开，从而使得振荡器可以根据n位控制信号精确地生成指定的高频信号。
图4详细示出了根据实施例的7位开关电容器阵列的原理图。开关电容器阵列110包括：七个电容器组。所有的七个电容器组具有相同结构，已经参考图3详细描述了电容器组。通过7位温度计编码来控制开关电容器阵列110的操作。如本领域中已知的，温度计编码采用多个相等权重的元素。即，通过温度计编码所控制的每个电容器组具有相等的电容器值。例如，为了实现温度计编码值“2”，使能温度计编码的最先的两个输入(例如，VB1和VB2)。因此，将最先的两个电容器组与L-C储能电路并联连接，并且每个电容器组将相等的电容值添加到L-C储能电路的可变电容器。下文中，关于图5讨论了通过7位温度计编码所控制的开关电容器阵列110的详细操作。
图5详细示出了在图4中所示的温度计编码控制7位开关电容器阵列的操作。例如，当7位温度计编码(VB1，VB2，VB3，VB4，VB5，VB6，VB7)为“0000000”时，关断七个电容器组的每个开关。因此，没有将额外的电容器添加到L-C储能电路中。另一方面，当7位温度计编码为“1111111”时，导通七个电容器组中的每个开关。因此，每个电容器组将添加到L-C储能电路。如表所示的，完全将电容值
Figure BSA00000626551000072
添加到L-C储能电路。当7位温度计编码在“0000000”和“1111111”之间时，如图5所示意性地标示出的，导通或关断多个开关。
根据温度计编码的工作原理，当按“1”增大温度计编码时，添加等量电容。即，每个电容器组可以具有相同布局，这可以简化开关电容器阵列110的设计。此外，与二进制编码控制开关电容器阵列相比较，该开关电容器阵列可能需要用于通过第nth位所控制的电容器组的电容值2NC。用于每个电容器组的等量电容进一步以在大于1GHz范围内的频率提升了开关电容器的性能。如本领域中已知的，较大电容器不足以实现诸如50GHz的额外高频的品质因数。因此，因为在诸如第nth位控制位的控制位处，需要等于C(而不是2NC)的电容值，所以温度计编码控制开关电容器阵列可以实现比通过二进制编码所控制的对应部件更好的效果。
图6示出了基于图4中所示的温度计编码控制7位开关电容器阵列110的实验结果。图6的水平轴表示在Vctrl处的控制电压。图6的垂直轴表示通过交叉连接的VCO 100所生成的振荡频率。具有与通过7位温度计编码(在图5中没有示出，但是说明了)所设置的8个不同模式相对应的八条曲线。如图6所示，在具体模式中，当控制电压从0V增大至1.0V时，交叉连接的VCO 100的振荡频率也相应地以近似线性关系增大。例如，在模式0中，当控制电压从0V增大至1.0V时，振荡频率可以从50GHz改变至54GHz。另一方面，可以通过由给出不同温度计编码值将操作模式从模式0改变至模式7来进一步调节振荡频率。例如，在固定控制电压(例如，Vctrl＝0.3V)处，通过从模式7改变至模式0，振荡频率具有从46GHz至51GHz的调节范围。
尽管已经详细地描述了本发明的实施例及其优势，但应该理解，可以在不背离所附权利要求限定的本发明主旨和范围的情况下，做各种不同的改变、替换、和更改。
而且，本申请的范围并不仅限于本说明书中描述的工艺、机器、制造、材料组分、装置、方法和步骤的特定实施例。作为本领域普通技术人员应理解，通过本发明的公开，现有的或今后开发的用于执行与本文所述的相应实施例基本相同的功能或获得基本相同结果的工艺、机器、制造，材料组分、装置、方法或步骤根据本发明可以被使用。因此，所附权利要求应该包括在这样的工艺、机器、制造、材料组分、装置、方法或步骤的范围内。

Claims (10)

1.一种系统，包括：
压控振荡器，包括电感器和可变电容器；以及
开关电容器阵列，与所述可变电容器并联连接，包括：
多个电容器组，其中，采用温度计编码来控制每个电容器组。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述电容器组包括：
第一电容器；
第二电容器，经由开关与所述第一电容器串联连接，其中，所述开关的栅极连接至所述温度计编码的位；
反相器，其输入端连接至所述温度计编码的所述位；
第一偏置电阻器，连接在所述开关的漏极和所述反相器的输出端之间；以及
第二偏置电阻器，连接在所述开关的源极和所述反相器的所述输出端之间。
3.根据权利要求2所述的系统，其中，所述反相器的输出端连接至所述第一偏置电阻器和所述第二偏置电阻器，并且所述反相器被配置为使得：
当将逻辑高状态施加给所述温度计编码的所述位时，从所述开关的所述栅极至所述源极之间为正电压；以及
当将逻辑低状态施加给所述温度计编码的所述位时，从所述开关的所述栅极至所述源极之间为负电压。
4.根据权利要求1所述的系统，其中，所述压控振荡器为交叉连接的振荡器，包括：
L-C储能电路，由第一电感器、第二电感器、第一电容器、以及第二电容器形成；
交叉连接的晶体管对，其中，第一晶体管的栅极连接至第二晶体管的漏极，并且所述第二晶体管的栅极连接至所述第一晶体管的漏极；以及
偏置电流源，被连接在所述交叉连接的晶体管对和一电压电势之间。
5.根据权利要求4所述的系统，其中，所述第一电容器和所述第二电容器是通过漏极端连接至源极端的NMOS晶体管对形成的。
6.根据权利要求4所述的系统，其中，所述第一电容器和所述第二电容器具有响应于施加给控制端的控制电压而改变的电容值，所述控制端位于在所述第一电容器和所述第二电容器之间的接合点处。
7.根据权利要求6所述的系统，其中，所述控制电压从零伏改变至所述电压电势。
8.一种开关电容器阵列，包括：
电容器组，包括：
第一电容器；
第二电容器，经由开关与所述第一电容器串联连接，
其中，所述开关的栅极连接至温度计编码的位；
反相器，其输入端连接至所述温度计编码的所述位；
第一偏置电阻器，连接在所述开关的漏极和所述反相器的输出端之间；以及
第二偏置电阻器，连接在所述开关的源极和所述反相器的所述输出端之间。
9.根据权利要求8所述的开关电容器阵列，其中，所述第一电容器的电容值等于所述第二电容器的电容值。
10.一种方法，包括：
将开关电容器阵列与压控振荡器的L-C储能电路的可变电容器并联连接；
在包括N个电容器组的所述开关电容器阵列处接收n位温度计编码，其中，通过所述n位温度计编码中的一位控制每个电容器组；以及
根据所述n位温度计编码的相应位导通或关断开关，所述开关与电容器组的第一电容器和第二电容器串联连接。
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