CN109792230B - 用于调谐差分电路的开关电容器装置 - Google Patents

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Abstract

公开了一种用于调谐差分电路的开关电容器装置(200)。开关电容器装置(200)包括第一节点(211)，第二节点(212)和第三节点(213)。开关电容器装置(200)还包括耦接在第一节点(211)和第二节点(212)之间的第一电容器(C1)、耦接在第二节点(212)和第三节点(213)之间的第二电容器(C2)以及第一开关支路，第一开关支路包括耦接在第二节点(212)和信号地节点之间的第一开关(S1)。第一开关(S1)具有接通状态和断开状态。第一节点(211)和第三节点(213)被配置为连接到差分电路的相应差分节点(Vtank，‑Vtank)。开关电容器装置(200)被配置为通过控制第一开关(S1)的状态来调谐差分电路。

Description

用于调谐差分电路的开关电容器装置
技术领域
本文的实施例涉及用于调谐差分电路的开关电容器装置。特别地，本文的实施例涉及差分数控振荡器的数字频率调谐、数字时间转换器的时延调谐以及电子设备中的差分数控滤波器的频率调谐，电子设备例如是频率合成器、收发机、无线通信设备、基站、移动终端。
背景技术
无线通信系统通常包含收发机，收发机包括接收机和发射机。发射机通常将基带信号上变频为射频(RF)信号以进行传输，以及接收机将接收的RF信号下变频为基带信号以进行处理。这种频率转换需要产生可靠的混频信号，通常称为本地振荡器(LO)信号，用于在无线通信设备中的RF集成电路中使用。频率合成器中的锁相环(PLL)通常用于提供这种混频信号。
较为强烈趋势在于频率合成器中更多数字架构用于收发机中的本地振荡器生成。一些好处是增加了使用自适应数字滤波器在不影响信号质量的情况下获得更快的频率变化的机会以及使用数字信号处理来减轻各种损毁和干扰的影响的可能性。对于需要低相位噪声的类似蜂窝通信系统中的收发机等高性能应用，可以使用全数字锁相环(ADPLL)。
ADPLL的关键构建模块是数控振荡器(DCO)。对于高性能应用，使用具有电感器和电容器(LC)谐振回路的振荡器，其通常为差分类型，因为差分信号在集成电路中是优选的。DCO和在常规PLL中使用的压控振荡器(VCO)之间的关键区别在于DCO具有数字频率控制输入而不是频率控制电压输入。该数字输入将通过改变LC谐振回路中的有效电容来控制频率。这是通过数控开关晶体管装置选择性地将电容器组连接到谐振回路来实现的。当电容器连接到振荡器谐振回路时，频率将逐步降低。在操作中，这些步长(step)必须非常小，以免降低信号质量。非常小的频率步长对应于要开关的极小电容，例如1aF。此外，必须能够覆盖大的频率范围而没有不切实际的大量的步长。因此通常使用若干个电容器调谐组，具有不同的范围和分辨率。图1示出现有技术DCO 100的一个实例。DCO 100包括负电阻电路110，负电阻电路110包括交叉耦接的差分晶体管对，以产生负电阻来补偿LC谐振回路储能损耗以产生振荡。LC谐振回路包括电感器Ltank和若干电容器组120、130、140，用于对由相应的数字控制字F0，...Fn1，M0，...Mn2，C0，...Cn3控制的频率进行微调、中等调谐和粗调。
在电容器组中获得足够精细的频率分辨率以进行频率微调是一项挑战。通常，所需的电容步长小于工艺设计套件中的最小电容器。为了获得这样小的电容步长，由此在LC谐振回路处看到的有效电容步长必须远小于切换的实际电容。这可以按照不同方式实现，例如在开关电容器之前使用电容分压器以降低开关电容器内部的信号能量。利用较少的能量，开关电容器将提供较低的有效电容。问题是这种分压器将使用大尺寸元件来充分衰减信号，即需要大电容器来实现足够高的衰减。
还有一种技术使用可调电容源退化进行精细频率调谐，如在L.Fanori等的“3.3GHz DCO with a frequency resolution of 150Hz for All-digital PLL(频率分辨率为150Hz用于全数字PLL的3.3GHz DCO)”(IEEE ISSCC，pp.48-49，2010)中所讨论的。在该解决方案中，微调电容器组耦接在DCO中的差分对晶体管的源极端子之间。尽管该技术为微调电容器提供衰减电压，但它降低了差分对晶体管的跨导，从而也降低了DCO的重要环路增益。此外，频率调谐灵敏度是非线性的并且取决于晶体管参数。
发明内容
本文的实施例的目的是提供一种用于差分电路的数字微调的改进的电路装置。
根据本文实施例的一个方面，该目的通过用于调谐差分电路的开关电容器装置来实现。
根据第一实施例，开关电容器装置包括第一节点、第二节点和第三节点。开关电容器装置还包括：耦接在第一节点和第二节点之间的第一电容器，耦接在第二节点和第三节点之间的第二电容器，包括耦接在第二节点和信号地节点之间的第一开关的第一开关支路。第一开关具有接通状态和断开状态。第一节点和第三节点被配置为连接到差分电路的相应差分节点。开关电容器装置被配置为通过控制第一开关的状态来调谐差分电路。
根据第二实施例，开关电容器装置包括第一电容器支路。第一电容器支路包括第一节点、第二节点和第三节点。第一电容器支路还包括：耦接在第一节点和第二节点之间的第一电容器，耦接在第二节点和第三节点之间的第二电容器。开关电容器装置还包括第二电容器支路。第二电容器支路包括第一节点、第二节点和第三节点。第二电容器支路还包括：耦接在第一节点和第二节点之间的第三电容器，耦接在第二节点和第三节点之间的第四电容器。开关电容器装置还包括第一开关支路，第一开关支路包括耦接在第一电容器支路的第二节点和第二电容器支路的第二节点之间的第一开关。第一开关具有接通状态和断开状态。第一电容器支路的第一节点和第三节点和第二电容器支路的第一节点和第三节点被配置为连接到差分电路的相应差分节点。开关电容器装置被配置为通过控制第一开关的状态来调谐差分电路。
本文的实施例基于跨差分电路的差分谐振器使用电容分压器。根据本文实施例的开关电容器装置的一些优点是：
如果在谐振器的具有正电压和负电压的差分节点之间串联连接两个相同尺寸或几乎相同尺寸的电容器，则中间节点将具有接近零的电压。因此，可以在不需要大电容器比的情况下实现小信号电压。
与在常规结构(即，跨差分电路节点直接连接开关电容器，其中开关与电容器串联)中切换电容相比，对开关的要求可以相当宽松。由于中间节点上的电压接近零，因此与常规结构中的开关相比，根据本文实施例的连接到中间节点的开关在其接通状态下将具有相当少的信号电流。因此，对于相同的差分电容器品质因子，开关中的导通电阻可以更高。
对于第二实施例，开关电容器装置耦接到差分电路的相应差分节点，并且开关耦接在两个串联连接的电容器的中间节点之间。以这种方式，跨差分电路的差分节点放置开关电容器装置，即，不使用将会引入对晶体管参数的依赖性的差分电路的任何其他节点。
可以以高分辨率控制差分电路的调谐，例如DCO的频率调谐，同时仍然使用有限范围的电容器尺寸，即不小于设计套件中的现有电容器，但也不是非常大以节省芯片面积。
因此，这里的实施例提供了用于差分电路的数字微调的改进的电路布置。
附图说明
参考附图更详细地描述了本文的实施例的示例，其中：
图1是说明DCO的基本结构的示意性框图；
图2a和2b是说明根据本文实施例的开关电容器装置的示意图；
图2c是示出基波和二次谐波波形的波形；
图3a和3b是说明根据本文实施例的开关电容器装置的示意图；以及
图4是示出其中可以实现本文实施例的差分电路的示意性框图。
图5是示出其中可以实现本文实施例的电子设备的框图。
具体实施方式
为了实现电路(例如DCO)中的小电容控制步长的同时仍然使用有限范围的电容器尺寸(即不小于设计套件中的现有电容器，但也不是非常大以节省芯片面积)，根据本文实施例可以使用跨在差分电路的差分节点上的电容分压器。以这种方式，可以实现小信号电压而无需大电容器比率。如果在差分电路的正电压和负电压之间串联连接两个相同尺寸或几乎相同尺寸的电容器，则中间节点将具有接近零的信号电压。这可以以不同方式被利用从而导致不同的实施例。
图2a示出了根据一个实施例的用于调谐差分电路(例如，调谐DCO的频率)的开关电容器装置200。开关电容器装置200包括第一节点211、第二节点212和第三节点213。开关电容器装置200还包括耦接在第一节点211和第二节点212之间的第一电容器C1、耦接在第二节点212和第三节点213之间的第二电容器C2、以及第一开关支路，第一开关支路包括耦接在第二节点212和信号地节点之间的第一开关S1。第一开关S1具有接通状态和断开状态。第一节点211和第三节点213被配置为连接到差分电路的相应差分节点Vtank、-Vtank，并且开关电容器装置200被配置为通过控制第一开关S1的状态来调谐差分电路。
该调谐技术的优点是可以使用相同尺寸的电容器，即第一电容器C1和第二电容器C2可以具有相同的电容。因此可以实现更好的匹配。该技术依赖于来自用于调谐机制的差分电路的波形的偶数阶谐波含量。具有相同大小的电容器的情况下，在中间节点212处将仅存在共模电压。在第一开关S1断开的情况下，中间节点212处的电压将由二次谐波支配。有效电容将是两个电容器C1和C2的串联连接，即等于C1/2。当图2a中的第一开关S1闭合时，由于二次谐波电压，电容器C1和C2两端的电压Vc1和Vc2将不再相等。这在图2c中示出，其中示出了差分节点211、213的基本波形和中间节点212处的二次谐波波形。
当开关闭合时，二次谐波共模电压将加到电容器电压上。从图2c中可以看出，二次谐波在前半周期t1与正振荡器基波电压“同相”。那么，第一电容器C1两端的信号电压将减小，导致存储能量较少。而第二电容器C2两端的电压将变大，存储能量增加。在后半周期t2中，情况相反，第一电容器C1存储更多能量，第二电容器C2存储更少能量。由于电容能量与电压的二次相关性，一个电容中的能量的增加将大于另一个电容的相应减小，导致当第一开关S1闭合时电容器中的总能量净增加。如在J.Groszkowski的“The interdependence offrequency variation and harmonic content，and the problem of constant-frequency oscillators(频率变化和谐波含量的相互依赖性，以及恒定频率振荡器的问题)”(Proc.Of the IRE，vol.22，pp.958-981，1933)中所述，当由于谐波而使LC谐振器的电容能量增加时，必须增加电感中的能量以保持平衡，这将导致振荡频率降低。这通常被称为Groszkowski效应，即由流入谐波振荡器的LC谐振回路的高次谐波电流引起的振荡频率的变化。因此，这种调谐机制可以通过以下来解释：将二阶谐波信号切换到谐振器的电容部分的可编程部分，这由于Groszkowski效应而导致振荡频率降低。
根据一些实施例，第一开关支路还可包括与第一开关S1串联耦接的第三电容器C3。这已在图2b中示出。当图2b中的第一开关S1闭合时，二次谐波电流将在C3以及C1和C2中流动。对于较小的C3值，C1和C2中的二次谐波电流量将与C3成比例。这为设置调谐灵敏度提供了新的自由度。
根据一些实施例，开关电容器装置200还可包括耦接在第二节点212和信号地节点之间的多个开关支路，其中每个开关支路包括与开关串联耦接的电容器，如图2b虚线框中所示。每个开关支路中的电容器可以具有相同的电容，或者一些开关支路中的一些电容器可以具有不同的电容。该实施例可以根据多个开关支路中的电容器的不同组合提供不同的调谐电容和分辨率。
在下文中，将描述使用串联连接在差分电路的正电压和负电压之间的两个几乎相同尺寸的电容器作为电容分压器的实施例。
图3a示出了根据一个实施例的用于调谐差分电路(例如，调谐DCO的频率)的开关电容器装置300。开关电容器装置300包括第一电容器支路310。第一电容器支路310包括第一节点311，、第二节点312和第三节点313。第一电容器支路310还包括耦接在第一节点311和第二节点312之间的第一电容器314，耦接在第二节点312和第三节点313之间的第二电容器315。
开关电容器装置300还包括第二电容器支路320。第二电容器支路320包括第一节点321、第二节点322和第三节点323。第二电容器支路320还包括耦接在第一节点321和第二节点322之间的第三电容器324，耦接在第二节点322和第三节点323之间的第四电容器325。
开关电容器装置300还包括第一开关支路，第一开关支路包括耦接在第一电容器支路的第二节点312与第二电容器支路的第二节点322之间的第一开关S1。
第一开关S1具有接通状态和断开状态。第一电容器支路的第一节点311和第三节点313和第二电容器支路的第一节点321和第三节点323被配置为连接到差分电路的相应差分节点。开关电容器装置300被配置为通过控制第一开关S1的状态来调谐差分电路。
根据一些实施例，第一电容器支路310和第二电容器支路320可以具有相同的电容。第一电容器与第二电容器的电容比可以是1/(1+x)，第三电容器与第四电容器的电容比可以是(1+x)，其中0＜x＜1。即，如果第一电容器314具有电容C，第二电容器315可以具有电容(1+x)C，那么第三电容器324可以具有电容(1+x)C，并且第四电容器325可以具有电容C，或者是相反方式。
当第一开关S1接通时，跨差分节点的电容为
Figure BDA0002018413850000071
当第一开关S1断开时，跨差分节点的电容为
Figure BDA0002018413850000072
所以电容差值是
Figure BDA0002018413850000073
即，开关接通的情况下差分谐振回路电容与开关断开的情况下差分谐振回路电容之间的差值成为近似于
Figure BDA0002018413850000074
通过C和x的不同值可以获得不同的调谐灵敏度。
根据一些实施例，第一开关支路还可包括与第一开关S1串联的两个电容器Cs1，Cs2。如图3b所示，一个电容器Cs1可以耦接在第一电容器支路310的第二节点312与第一开关S1之间，并且另一个电容器Cs2可以耦接在第二电容器支路320的第二节点322与第一开关S1之间。
根据一些实施例，第一开关支路还可以包括与第一开关S1串联的电容器Cs。也就是说，图3b中所示的两个电容器Cs1、Cs2可以组合为一个电容器Cs并且与第一开关S1串联连接。
在这些实施例中，当第一开关S1断开时，跨差分节点的电容与等式(2)中的相同。
当第一开关S1接通时，假设Cs具有电容Ct，或者两个电容器Cs1、Cs2中的每一个具有电容2Ct，在节点311处到第一电容器支路310的信号接地的电容是：
Figure BDA0002018413850000081
在节点321处到第二电容器支路320的信号接地的电容是：
Figure BDA0002018413850000082
所以跨差分节点的电容是：
Figure BDA0002018413850000083
所以电容差值是
Figure BDA0002018413850000084
可以看出，与在差分节点处直接连接具有电容Ct的开关电容器相比，有效开关电容已经减小了因子x2/4。通过使x小，可以实现非常小的电容步长。因此，可以增加调谐分辨率，并且可以在不使用非常小的电容器的情况下降低调谐灵敏度。例如，如果x等于0.2，则调谐灵敏度因此降低到1％。
根据一些实施例，开关电容器装置300还可以包括耦接在第一电容器支路的第二节点312和第二电容器支路的第二节点322之间的多个开关支路。每个开关支路可以包括与开关串联连接的一个或两个电容器，如图3b中的虚线框所示。
根据对调谐范围和调谐灵敏度的不同要求，可以不同地选择每个开关支路的电容。例如，不同的开关支路可以具有相同的电容或不同的电容，或者一些开关支路可以具有相同的电容，而一些开关支路可以具有不同的电容。每个开关支路中的两个电容器可以具有相同的电容。
根据一些实施例，开关支路中的第一开关S1可以通过开关晶体管来实现，例如金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET/MOS)来实现。
为了研究根据本文实施例的频率调谐技术，已经针对不同衰减(即衰减参数x是0.1、0.2、0.3、0.4)在28nm CMOS SOI设计套件中模拟了用于5G频率合成器的DCO。当改变x时，调谐灵敏度按预期响应。有效调谐电容与衰减电压的平方成比例使得在灵敏度可编程性方面提供了较大的动态范围。例如，当x＝0.1时，灵敏度＝0.040MHz/fF，当x＝0.2时，灵敏度＝0.12MHz/fF，当x＝0.3时，灵敏度＝0.29MHz/fF，当x＝0.4时，灵敏度＝0.49MHz/fF。
本文的实施例基于跨差分电路的差分谐振器使用电容分压器。为了实现最小的调谐灵敏度，可以选择比例如最小尺寸电容器略大的分压电容器(例如，图3b中所示的开关电容器装置300中的第一和第二电容器314、315以及第三和第四电容器324、325)以实现最佳匹配。那么，开关电容器组(即耦接在第一电容器支路310的第二节点312和第二电容器支路320的第二节点322之间的多个开关支路)可以经受非常小的电压。这种小电压的精度仅受分压电容器匹配的限制，而电容器在芯片上的匹配通常非常好。通过对于最小频率步长使用用于Ct，Cs1，Cs2的最小尺寸的电容器，因此可以产生大约1％量级的精确信号电压衰减，其对应于电容步长的约10000倍的减小。此外，大尺寸分压电容器还将提供良好的调谐线性度。
总结以上讨论，根据本文的实施例的开关电容器装置200、300的一些优点包括：
首先，对于电容器装置300，由于开关电容器装置耦接到差分电路的相应差分节点，即不使用任何其他节点(例如，在差分电路中交叉耦接的差分晶体管对的源极端子将引入对晶体管参数的依赖性)，根据本文实施例的电容衰减技术在设置衰减水平和控制调谐灵敏度时完全独立于晶体管参数。也就是说，可以实现良好地控制调节灵敏度的降低。
其次，如果具有相同尺寸或几乎相同尺寸的两个电容器串联连接在谐振器的具有正电压和负电压的差分节点之间，则两个串联连接的电容器的中间节点将具有接近零的信号电压。因此，可以在不需要大电容器比率的情况下实现小信号电压。图2a和2b中所示的二次谐波调谐技术的优点是在分压器中使用相同尺寸的电容器，这增加了匹配精度。
第三，与在常规结构(即，跨电路的差分节点直接连接开关电容器，其中开关与电容器串联)中切换电容相比，对开关的要求可以相当宽松。由于中间节点上的电压接近于零，因此与在常规结构中的开关相比，根据本文实施例的连接到中间节点的开关在其接通状态下将具有相当少的信号电流，即，少1/x倍。因此在相同电容品质因子的开关中导通电阻可以更高，例如高1/x2倍。通过可以通过以下来实现良好的折衷：将常规结构开关宽度乘以x，以在闭合状态寄生电容、接通状态品质因子和芯片面积之间找到良好的平衡。
第四，可以实现非常精细的电容步长，同时仍然使用有限范围的电容器尺寸，即不小于设计套件中的现有电容器，但也不是非常大以节省芯片面积。在不使用造成困难元件要求的极端元件值的情况下，可以实现有效电容步长，所述有效电容步长小于当前技术的最小电容器的1％。与常规结构相比，这相当于电容分辨率增加了100倍。实际上，根据本文实施例的开关电容器装置200、300使用针对电容分辨率优化的电容衰减技术可能达到约1％的稳健衰减水平，相当于电容分辨率增加了10000倍。非常精细的电容步长导致非常精细的频率分辨率。
如图4所示，根据本文实施例的开关电容器装置200、300适合于调谐差分电路400。差分电路400可以是包括在任何电子设备中的DCO、数字到时间转换器或数控滤波器中的任何一个。例如，开关电容器装置200可用于调谐DCO的频率或数字时间转换器的时延。开关电容器装置300可用于调谐DCO的频率、差分数控滤波器的频率或数字时间转换器的时延。
差分电路400可以包括一个或多个开关电容器装置200、300，用于微调由数字控制字F0，...Fn1控制的差分电路400。差分电路400可以包括如在任何现有技术方案中那样由相应数字控制字C0，...Cn3，M0，...Mn2控制的粗调和中等调谐。
在多个开关电容器装置300的每个开关电容器装置中，第一电容器与第二电容器的电容比可以是1/(1+x)，以及第三电容器与第四电容器的电容比可以是(1+x)，其中0＜x＜1。衰减参数x可以对于每个开关电容器装置300是不同的，或者可以对于一些开关电容器装置300是相同的。
图5示出了电子设备500，电子设备500包括差分电路400，其中可以实现根据本文实施例的开关电容器装置200、300。电子设备500可以是无线通信设备、基站、移动终端、无线收发机、频率合成器等中的任何一个。电子设备500可以包括其他单元，例如，用于产生数字控制字和信号处理等的处理单元520。
当使用词语“包括”或“包含”时，它应被解释为非限制性的，即意味着“至少包括”。
还要注意，诸如第一电容器和第二电容器之类的术语应当考虑为是非限制性的，并且不特别暗示两者之间的某种层次关系。
本文实施例不限于上述优选实施例。可以使用各种替代，修改和等同物。因此，上述实施例不应视为限制本发明的范围，本发明的范围由所附权利要求限定。

Claims (10)

1.一种用于调谐差分电路(400)的开关电容器装置(300)，包括：
第一电容器支路(310)，其中第一电容器支路包括：
第一节点(311)、第二节点(312)和第三节点(313)；
第一电容器(314)，耦接在所述第一节点(311)和所述第二节点(312)之间；
第二电容器(315)，耦接在所述第二节点(312)和所述第三节点(313)之间；
第二电容器支路(320)，其中第二电容器支路包括：
第一节点(321)、第二节点(322)和第三节点(323)；
第三电容器(324)，耦接在所述第一节点(321)和所述第二节点(322)之间；
第四电容器(325)，耦接在所述第二节点(322)和所述第三节点(323)之间；以及
第一开关支路(330)，包括耦接在所述第一电容器支路的所述第二节点(312)和所述第二电容器支路的所述第二节点(322)之间的第一开关(S1)；以及其中，
所述第一开关(S1)具有接通状态和断开状态；
所述第一电容器支路的所述第一节点(311)和所述第三节点(313)以及所述第二电容器支路的所述第一节点(321)和所述第三节点(323)被配置为连接到所述差分电路的相应差分节点；以及
所述开关电容器装置(300)被配置为通过控制所述第一开关(S1)的状态来调谐所述差分电路，
其中所述第一电容器支路(310)和所述第二电容器支路(320)具有相同的电容，
其中所述第一电容器与所述第二电容器的电容比为1/(1+x)，以及所述第三电容器与所述第四电容器的电容比为(1+x)，其中0＜x＜1。
2.根据权利要求1所述的开关电容器装置(300)，其中，所述第一开关支路(330，332)还包括与所述第一开关(S1)串联的一个电容器(Cs)或两个电容器(Cs1，Cs2)，并且其中一个电容器(Cs1)耦接在所述第一电容器支路(310)的所述第二节点(312)与所述第一开关(S1)之间，另一电容器(Cs2)耦接在所述第二电容器支路(320)的所述第二节点(322)与所述第一开关(S1)之间。
3.根据权利要求1至2中任一项所述的开关电容器装置(300)，还包括耦接在所述第一电容器支路的所述第二节点(312)和所述第二电容器支路的所述第二节点(322)之间的多个开关支路(330，331，332)，其中每个开关支路包括一个或两个与开关串联的电容器。
4.根据权利要求1至2中任一项所述的开关电容器装置(300)，其中，所述第一开关(S1)由金属氧化物半导体MOS晶体管实现。
5.一种差分电路(400)，包括根据权利要求1至4中任一项所述的一个或多个开关电容器装置(300)。
6.根据权利要求5所述的差分电路(400)，其中对于每个开关电容器装置(300)x是不同的，或者对于一些开关电容器装置(300)x是相同的。
7.根据权利要求5所述的差分电路(400)，包括差分数控振荡器和数字时间转换器中的任何一个。
8.根据权利要求5至6中任一项所述的差分电路(400)，包括差分数控振荡器、数字时间转换器和差分数控滤波器中的任何一个。
9.一种电子设备(500)，包括根据权利要求5至8中任一项所述的差分电路(400)。
10.根据权利要求9所述的电子设备(500)，包括无线通信设备、基站、移动终端、无线收发机和频率合成器中的任何一个。
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