CN103001621A - 一种调谐范围宽品质因数高的开关电容阵列结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种调谐范围宽、品质因数高的开关电容阵列结构。相对于传统开关电容阵列结构，本开关电容阵列结构主要进行了如下改进：将每个开关电容单元的开关控制信号通过一个反相器和一个电阻连接到开关管的漏极，优化了开关管的开关特性。改进后的开关电容阵列具有寄生效应低、品质因数高以及调谐范围宽的特性。

Description

一种调谐范围宽品质因数高的开关电容阵列结构

技术领域

本发明主要涉及离散电容设计领域，尤其指一种调谐范围宽、品质因数高的开关电容阵列结构。

背景技术

由于射频系统中本振电路对调谐范围以及相位噪声性能要求越来越严格，LC振荡器设计实现逐渐成为众多研究热点之一。为了获得足够宽的调谐范围，A.Kral等人于1998年第一次提出了采用开关电容阵列实现谐振器的电容部分。但是由于各种寄生效应，导致有效容值范围减小，品质因数降低，使得开关电容的调谐范围和相位噪声性能存在很大程度的减小。因此，如何减弱开关电容阵列的寄生效应、增大调谐范围和品质因数是开关电容阵列设计时亟待解决的难题。

图1和图3分别展示了一种由NMOS开关管和金属电容实现的传统开关电容结构以及其对应的开关电容阵列结构，图1所示NMOS管N1为射频开关管，N1的栅极为开关控制信号D的输入端，漏极连接金属电容C的一端，电容的另一端为输出端OUT。对于任意一个开关电容单元，当开关控制信号D_i为低电平时，开关管N_i不开启，开关电容处于关闭状态，此时开关电容结构的等效电路如图5所示，其寄生电容可以表示为：

$C_{\mathrm{iOFF}}=C_{\mathrm{Di}}//(C_{\mathrm{Nipar}}+C_{\mathrm{Dipar}})=\frac{C_{\mathrm{Di}}\·(C_{\mathrm{Nipar}}+C_{\mathrm{Dipar}})}{C_{\mathrm{Di}}+(C_{\mathrm{Nipar}}+C_{\mathrm{Dipar}})}---\left(1\right)$

其中C_Dipar为金属电容C_Di的下极板与地形成的寄生电容，C_Nipar为NMOS开关管漏极产生边缘电容，其值等于W_iswC_dd，其中W_isw是开关管的宽度，C_dd为漏端边缘单位宽度电容值，单位为fF/μm。由于开关断开时，金属电容并没有被完全隔离在谐振器之外，而是与寄生电容串联后接入谐振器中，这一效应大大降低振荡器的最高频率。

当开关控制信号D_i为高电平时，开关管N_i开启，开关电容处于工作状态，此时开关电容等效电路如图6所示，其中R_iON为开关管导通时的等效电阻。此时开关电容容值大小可以表示为：

C_iON≈C_i                    (2)

其品质因数Q_i可以表示为：

$Q_i=\frac{1}{{\mathrm{\ω}}_0{C}_i{R}_{\mathrm{iON}}}\∝\frac{W_{\mathrm{iSW}}}{{\mathrm{\ω}}_0{C}_i}---\left(3\right)$

式中ω₀为工作频率，R_iON=[(μ_nC_ox)(W_i/L)(V_GS-V_TH)]^-1开关管N_i的导通电阻。从式(3)中可以得出，由于导通时开关管的导通电阻R_iON的存在，开关电容的有效Q_i值降低，从而降低LC振荡器的相位噪声性能。

针对传统单端开关电容结构存在的缺陷，设计人员提出了图2所示的一种调谐范围宽、品质因数高的改进型开关电容结构及图4所示其对应的开关电容阵列结构。开关控制信号D同时接到NMOS开关管N1的栅极和反相器INV的输入端，NMOS开关管N1的漏极接电容C的一端，电容C的另一端为输出端OUT，反相器INV的输出与电阻R₀的一端相接，电阻R₀的另一端连接NMOS开关管N1的漏端。

图7给出了改进型开关电容结构的开关关闭时的等效电路结构。由于晶体管N_i断开，晶体管的漏极通过电阻R₀被偏置到电源V_DD，此时晶体管漏极——衬底PN结呈现较大反偏，使得PN结的耗尽区增大，大大减小了漏极的寄生电容对开关电容的影响。因此，关闭状态下改进型开关电容结构呈现出低通滤波特性，其传输函数表示为：

$H\left(s\right)=R_0+\frac{1}{C_{\mathrm{Di}}\·s}---\left(4\right)$

图8给出了改进型开关电容开启时的等效电路结构。此时由开关管N_i引入的寄生电阻R_iON和电阻R₀并联，降低了等效寄生电阻，增大了开关电容的有效品质因数，即：

$Q_i=\frac{1}{{\mathrm{\ω}}_0{C}_i(R_{\mathrm{iON}}//R_0)}---\left(5\right)$

综上所述，改进型的开关电容阵列，降低了关闭时的寄生电容，减小了开启时的寄生电阻，提高了开关电容阵列的调谐范围，增大了开关电容阵列的品质因数。

发明内容

本发明要解决的问题在于：针对现有技术存在的问题，本发明提供一种调谐范围宽、品质因数高的开关电容阵列结构。

为实现上述技术问题，本发明提出的解决方案为：一种调谐范围宽、品质因数高的开关电容阵列结构，其特征在于：它包括N个开关电容单元。其中，每个开关电容单元的输入端接对应的开关控制信号D₁、D₂、D₃…..D_N，输出均连接开关电容阵列的输出端OUT。所述开关电容单元的NMOS开关管N_i的栅极为对应的开关控制信号D_i的输入端，漏极与电容C_Di的一端连接，源极和衬底都接地GND，第i级开关电容单元的反相器INV的输入为对应的开关控制信号D_i，输出接电阻R₀的一端，电阻R₀的另一端接NMOS开关管N_i的漏极，使得开关管N_i关闭时其漏极与衬底形成PN结呈现较大反偏，减小漏极边缘寄生电容，降低开关电容关闭时接入到谐振腔的有效电容值；同时当开关管N_i导通时降低等效寄生电阻，增大开关电容阵列的品质因数。电容C_Di的另一端为开关电容阵列的输出端OUT。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、降低了开关电容阵列的寄生效应。与传统开关电容阵列相比，本发明的开关电容阵列中开关管具有良好的开关特性。

2、增大了开关电容阵列的品质因数。与传统开关电容阵列相比，本发明的开关电容阵列寄生电阻小，增大了有效品质因数。

3、提高了开关电容阵列的调谐范围。与传统开关电容阵列相比，本发明的开关电容阵列寄生效应小，增大最大有效容值和最小有效容值的差值，从而提高了开关电容阵列的调谐范围。

附图说明

图1是传统开关电容结构示意图；

图2是本发明开关电容结构示意图；

图3是传统开关电容列示意图；

图4是本发明开关电容阵列示意图；

图5是传统开关电容关闭时等效电路示意图；

图6是传统开关电容开启时等效电路示意图；

图7是本发明开关电容关闭时等效电路示意图；

图8是本发明开关电容开启时等效电路示意图；

具体实施方式

以下将结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

如图8所示，本发明是一种调谐范围宽、品质因数高的开关电容阵列结构，它包括N个开关电容单元。其中，每个开关电容单元的输入端接对应的开关控制信号D₁、D₂、D₃…..D_N，输出都接开关电容阵列的输出端OUT。所述开关电容单元的NMOS开关管N_i栅极连接对应的开关控制信号D_i，漏极与电容C_Di的一端连接，源极和衬底都接地GND，第i级开关电容单元的反相器INV的输入为对应的开关控制信号D_i，输出接电阻R₀的一端，电阻R₀的另一端接NMOS开关管N_i的漏极，使得开关管N_i关闭时其漏极与衬底形成PN结呈现较大反偏，减小漏极边缘寄生电容，降低开关电容关闭时接入到谐振腔的有效电容值；同时开关管N_i导通时降低等效寄生电阻，增大开关电容阵列的品质因数。电容C_Di的另一端为开关电容阵列的输出端OUT。

工作原理：当某个开关控制信号D_i为高电平时，其对应的开关管N_i开启，电容C_i接入谐振器，其导通电阻为R_iON和电阻R₀并联，降低了等效寄生电阻，增加了开关电容阵列的品质因数。当开关控制信号D_i为低电平时，开关管N_i关闭，此时漏极E电压接近V_DD，使得开关管N_i的漏极与衬底PN结呈现较大反偏状态，漏极边缘寄生电容C_Nipar非常小，从而降低了开关电容阵列关闭时的接入谐振器的有效容值，增大了其调谐范围。

Claims (4)

1.一种调谐范围宽、品质因数高的开关电容阵列，其特征在于：它包括N个单端开关电容单元，所述N个单端开关电容单元输入接对应开关控制信号D₀，D₁，D₂，一直到D_N，输出均接到开关电容阵列的输出端OUT。

2.根据权利要求1所述的开关电容阵列，相邻的开关电容单元的开关管（N_i）和（N_i+1）的尺寸比例与二者对应的电容（C_Di）和（C_D(i+1)）容值比例相同。

3.根据权利要求2所述的开关电容阵列，每个开关电容单元的开关控制信号D_i接到反相器（INV）的输入端和开关管（N_i）的输入端，反相器INV输出端接到一个电阻（R₀）的一端，所述电阻（R₀）另一端接到开关管（N_i）的漏极，开关管（N_i）的漏极接到电容（C_Di）的一端，所述电容（C_Di）的另一端接到开关电容阵列的输出端OUT。

4.根据权利要求3所述的开关电容阵列，每个开关电容单元的反相器（INV）尺寸相同，电阻（R₀）取值相同。

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