CN110138339A - 一种低成本的压控振荡器 - Google Patents

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Abstract

一种低成本的压控振荡器，包括负阻电路和谐振网络，所述谐振网络包括用于谐振的固定电容部分、粗调电容部分和细调电容部分，所述固定电容部分包括两个可变电容，所述两个可变电容的正极分别接在谐振节点N和谐振节点P上，所述两个可变电容的负极接在一起与地相连。本发明所设计的压控振荡器VCO通过将VCO里所用的部分电容或全部用可变电容来替代实现，其结构简单，既节约了版图面积又简化了设计步骤，并且同时满足粗调和细调的功能，本发明特别有助于满足低成本的要求，尤其适于面向低成本低功耗的NB‑IoT应用。

Description

一种低成本的压控振荡器
技术领域
本发明涉及压控振荡器。
背景技术
目前较为常用的压控振荡器(VCO)结构如图1所示，分别为Class B架构(a)和Class C架构(b)，包括负阻电路和谐振网络两个部分。谐振网络通常为电感电容谐振，通过改变电容值来改变谐振频率。用于谐振的电容可分为三部分，固定电容(Cfix)、粗调电容(Ccoarse)、细调电容(Cfine)。固定电容通常用金属电容(MIM或MOM)实现。粗调电容则由开关金属电容实现，如图2所示。细调电容用可变电容(varactor)实现。
对于图2所示的开关金属电容，当控制信号EN为低电平时，MOS管M1截止，金属电容不接入谐振网络，当EN为高电平时，M1导通，金属电容接入谐振网络。这种结构有以下缺点：第一，占用版图面积大，图3所示为相同电容值(2pF)的金属电容和可变电容(varactor)版图面积对比，可以看出金属电容(MIM)的面积远远大于可变电容(varactor)，对于低成本的设计来说，版图面积越小越有利。第二，设计过程繁琐，出于电容品质因素的考虑，MOS管M1的尺寸较大，造成较大的寄生电容，这就需要改变金属电容的容值来抵消寄生电容的影响，通常需要提取版图的寄生参数才能较准确地知道寄生电容的大小从而调整金属电容的容值，这样便使得设计的步骤繁琐，甚至需要多次迭代。
发明内容
本发明的主要目的在于克服现有技术的不足，提供一种具有低成本的电容设计的压控振荡器。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种低成本的压控振荡器，包括负阻电路和谐振网络，所述谐振网络包括用于谐振的固定电容(Cfix)部分、粗调电容(Ccoarse)部分和细调电容(Cfine)部分，所述固定电容(Cfix)部分包括两个可变电容，所述两个可变电容的正极分别接在谐振节点N和谐振节点P上，所述两个可变电容的负极接在一起与地相连。
进一步地：
所述粗调电容(Ccoarse)部分包括粗调电容阵列，所述粗调电容阵列具有多个电容单元，每个所述电容单元均包括两个可变电容，所述两个可变电容的负极分别接在谐振节点N和谐振节点P上，所述两个可变电容的正极接在一起受数字控制信号CB控制，利用所述数字控制信号CB控制所述粗调电容阵列的电容值。
所述粗调电容阵列的各个电容单元的电容值以2为倍数递增。
所述粗调电容阵列具有6个所述电容单元，实现6比特粗调电容阵列，所述数字控制信号CB＝“111111”时控制所有电容接入谐振网络，对应的谐振频率最小，所述数字控制信号CB＝“000000”时控制电容阵列不接入谐振网络，对应的谐振频率最大。
所述细调电容(Cfine)部分包括两个可变电容，所述两个可变电容的负极分别接在谐振节点N和谐振节点P上，所述两个可变电容的正极接在一起与控制电压Vtune相连。
所述压控振荡器为ClassB架构或ClassC架构。
所述压控振荡器为ClassC架构，包括接在电流源节点和地之间的额外电容，所述额外电容为可变电容，所述可变电容的负极接地，正极接所述电流源节点。
所述可变电容为NMOS可变电容或PMOS可变电容。
一种低成本的压控振荡器，包括负阻电路和谐振网络，所述谐振网络包括用于谐振的固定电容(Cfix)部分、粗调电容(Ccoarse)部分和细调电容(Cfine)部分，所述粗调电容(Ccoarse)部分包括粗调电容阵列，所述粗调电容阵列具有多个电容单元，每个所述电容单元均包括两个可变电容，所述两个可变电容的负极分别接在谐振节点N和谐振节点P上，所述两个可变电容的正极接在一起受数字控制信号CB控制，利用所述数字控制信号CB控制所述粗调电容阵列的电容值。优选地，所述粗调电容阵列的各个电容单元的电容值以2为倍数递增。
一种低成本的压控振荡器，包括负阻电路和谐振网络，所述谐振网络包括用于谐振的固定电容(Cfix)部分、粗调电容(Ccoarse)部分和细调电容(Cfine)部分，所述细调电容(Cfine)部分包括两个可变电容，所述两个可变电容的负极分别接在谐振节点N和谐振节点P上，所述两个可变电容的正极接在一起与控制电压Vtune相连。
本发明具有如下有益效果：
本发明所设计的压控振荡器VCO通过将VCO里所用的部分电容或全部用可变电容来替代实现，其结构简单，既节约了版图面积又简化了设计步骤，并且同时满足粗调和细调的功能，本发明特别有助于满足低成本的要求，尤其适于面向低成本低功耗的NB-IoT应用。
在优选方案中，本发明将两个可变电容的正极分别接在谐振节点N和谐振节点P上，将两个可变电容的负极接在一起与地相连，来实现谐振网络中的固定电容(Cfix)部分，这种接法(如图5所示)使可变电容以最大容值接入谐振网络。对于图1所示的两种VCO架构，N、P节点的共模电压为VDD，因此如图5所示的接法利用图4曲线的数字控制部分高电平段，最大限度地利用了可变电容容值。
以上及其他优选方案的优点将结合附图和实施例进一步详述。
附图说明
图1为常用的两种VCO架构图，其中(a)表示Class B架构；(b)表示Class C架构；
图2为传统的开关金属电容结构图；
图3表示各种电容的版图大小(容值均为2pF)，其中(a)表示MIM电容；(b)表示MOM电容；(c)表示射频可变电容；(d)表示普通可变电容；
图4为可变电容的电容-电压变化曲线图；
图5为本发明一种实施例中用可变电容实现固定电容(Cfix)的结构示意图；
图6为本发明一种实施例中用可变电容实现粗调电容(Ccoarse)阵列的结构示意图；
图7为本发明一种实施例中用可变电容实现细调电容(Cfine)的结构示意图；
图8为本发明一种实施例中用可变电容实现Ctail电容的结构示意图。
具体实施方式
以下对本发明的实施方式作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。
参阅图5，在一种实施例中，一种低成本的压控振荡器，包括负阻电路和谐振网络，所述谐振网络包括用于谐振的固定电容(Cfix)部分、粗调电容(Ccoarse)部分和细调电容(Cfine)部分，所述固定电容(Cfix)部分包括两个可变电容，所述两个可变电容的正极分别接在谐振节点N和谐振节点P上，所述两个可变电容的负极接在一起与地相连。
参阅图6，在优选的实施例中，所述粗调电容(Ccoarse)部分包括粗调电容阵列，所述粗调电容阵列具有多个电容单元，每个所述电容单元均包括两个可变电容，所述两个可变电容的负极分别接在谐振节点N和谐振节点P上，所述两个可变电容的正极接在一起受数字控制信号CB控制，利用所述数字控制信号CB控制所述粗调电容阵列的电容值。
在优选的实施例中，所述粗调电容阵列的各个电容单元的电容值以2为倍数递增。
如图6所示，在较佳的实施例中，所述粗调电容阵列具有6个所述电容单元，实现6比特粗调电容阵列，所述数字控制信号CB＝“111111”时控制所有电容接入谐振网络，对应的谐振频率最小，所述数字控制信号CB＝“000000”时控制电容阵列不接入谐振网络，对应的谐振频率最大。
参阅图7，在优选的实施例中，所述细调电容(Cfine)部分包括两个可变电容，所述两个可变电容的负极分别接在谐振节点N和谐振节点P上，所述两个可变电容的正极接在一起与控制电压Vtune相连。
参阅图1，在不同的实施例中，所述压控振荡器可以为ClassB架构或ClassC架构。
参阅图1和图8，所述压控振荡器为ClassC架构，包括接在电流源节点和地之间的额外电容，所述额外电容为可变电容，所述可变电容的负极接地，正极接所述电流源节点。
在不同的实施例中，所使用的可变电容为可以是NMOS可变电容或PMOS可变电容。NMOS和PMOS可变电容的电容-电压变化曲线如图4所示。
参阅图6，在另一种实施例中，一种低成本的压控振荡器，包括负阻电路和谐振网络，所述谐振网络包括用于谐振的固定电容(Cfix)部分、粗调电容(Ccoarse)部分和细调电容(Cfine)部分，所述粗调电容(Ccoarse)部分包括粗调电容阵列，所述粗调电容阵列具有多个电容单元，每个所述电容单元均包括两个可变电容，所述两个可变电容的负极分别接在谐振节点N和谐振节点P上，所述两个可变电容的正极接在一起受数字控制信号CB控制，利用所述数字控制信号CB控制所述粗调电容阵列的电容值。优选地，所述粗调电容阵列的各个电容单元的电容值以2为倍数递增。在如图6所示的具体实施例中，所述粗调电容阵列具有6个所述电容单元，实现6比特粗调电容阵列，所述数字控制信号CB＝“111111”时控制所有电容接入谐振网络，对应的谐振频率最小，所述数字控制信号CB＝“000000”时控制电容阵列不接入谐振网络，对应的谐振频率最大。
参阅图7，在又一种实施例中，一种低成本的压控振荡器，包括负阻电路和谐振网络，所述谐振网络包括用于谐振的固定电容(Cfix)部分、粗调电容(Ccoarse)部分和细调电容(Cfine)部分，所述细调电容(Cfine)部分包括两个可变电容，所述两个可变电容的负极分别接在谐振节点N和谐振节点P上，所述两个可变电容的正极接在一起与控制电压Vtune相连。
以下结合附图进一步描述本发明具体实施例的特征和优点。
NMOS和PMOS可变电容的电容-电压变化曲线如图4所示，横轴为可变电容正负极电压差，纵轴为电容值。该曲线分为两个部分，分别为数字控制部分(加粗显示)和模拟控制部分。对于数字控制部分，对应的电容值为最小和最大，所需要的控制电压分别为低电平(“0”)和高电平(“1”)；模拟控制部分的电容值可随控制电压连续变化。以NMOS可变电容为例说明本发明的设计方法，利用PMOS可变电容的设计方法类似。
1、用可变电容实现固定电容Cfix
图5所示为可变电容(varactor)实现的固定电容。将两个可变电容的正极接在谐振节点N、P上，负极接在一起与地相连，这种接法使得可变电容(varactor)以最大容值接入谐振网络。对于图1所示的两种VCO架构，N、P节点的共模电压为VDD，因此图5所示的接法利用图4曲线的数字控制部分高电平段，最大限度地利用了可变电容容值。
2、用可变电容实现粗调电容Ccoarse
图6所示为用可变电容(varactor)实现的6比特粗调电容阵列，电容值以2为倍数递增。利用数字控制信号CB<5:0>控制电容阵列的电容值，CB＝“111111”代表所有电容接入谐振网络，此时对应的谐振频率最小，CB＝“000000”代表电容阵列不接入谐振网络，对应的谐振频率最大。图1所示的VCO架构节点N、P共模电压为VDD，可变电容的负极接在谐振节点N、P上，正极接在一起受CB控制，CB为低电平时可变电容处于图4所示数字控制部分的低电平段，对应的容值最小；CB为高电平时可变电容处于图4所示数字控制部分的高电平段，对应的容值最大。CB的高电平电压应当为VDD电压的两倍，否则无法使可变电容(varactor)处于容值极大处。
3、用可变电容实现细调电容Cfine
细调电容由连续的电压控制，通常要求电压越大VCO频率越高，也即电压越大Cfine的容值越小。因此Cfine的接法是可变电容(varactor)的负极接在谐振节点N、P上，另一端接在一起与控制电压Vtune相连，如图7所示。
4、Class-C架构中Ctail的实现
对于图1所示的Class-C架构VCO，需要额外的一个电容Ctail，该电容的容值较大，同样地可以用可变电容来实现，如图8所示。可变电容的负极接地，正极接电流源节点source，最大限度地利用可变电容(varactor)的容值，节省版图面积。
以上内容是结合具体/优选的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，其还可以对这些已描述的实施方式做出若干替代或变型，而这些替代或变型方式都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种低成本的压控振荡器，包括负阻电路和谐振网络，所述谐振网络包括用于谐振的固定电容(Cfix)部分、粗调电容(Ccoarse)部分和细调电容(Cfine)部分，其特征在于，所述固定电容(Cfix)部分包括两个可变电容，所述两个可变电容的正极分别接在谐振节点N和谐振节点P上，所述两个可变电容的负极接在一起与地相连。
2.如权利要求1所述的压控振荡器，其特征在于，所述粗调电容(Ccoarse)部分包括粗调电容阵列，所述粗调电容阵列具有多个电容单元，每个所述电容单元均包括两个可变电容，所述两个可变电容的负极分别接在谐振节点N和谐振节点P上，所述两个可变电容的正极接在一起受数字控制信号CB控制，利用所述数字控制信号CB控制所述粗调电容阵列的电容值。
3.如权利要求2所述的压控振荡器，其特征在于，所述粗调电容阵列的各个电容单元的电容值以2为倍数递增。
4.如权利要求2所述的压控振荡器，其特征在于，所述粗调电容阵列具有6个所述电容单元，实现6比特粗调电容阵列，所述数字控制信号CB＝“111111”时控制所有电容接入谐振网络，对应的谐振频率最小，所述数字控制信号CB＝“000000”时控制电容阵列不接入谐振网络，对应的谐振频率最大。
5.如权利要求1至4任一项所述的压控振荡器，其特征在于，所述细调电容(Cfine)部分包括两个可变电容，所述两个可变电容的负极分别接在谐振节点N和谐振节点P上，所述两个可变电容的正极接在一起与控制电压Vtune相连。
6.如权利要求1至5任一项所述的压控振荡器，其特征在于，所述压控振荡器为ClassB架构或ClassC架构。
7.如权利要求6所述的压控振荡器，其特征在于，所述压控振荡器为ClassC架构，包括接在电流源节点和地之间的额外电容，所述额外电容为可变电容，所述可变电容的负极接地，正极接所述电流源节点。
8.如权利要求1至7任一项所述的压控振荡器，其特征在于，所述可变电容为NMOS可变电容或PMOS可变电容。
9.一种低成本的压控振荡器，包括负阻电路和谐振网络，所述谐振网络包括用于谐振的固定电容(Cfix)部分、粗调电容(Ccoarse)部分和细调电容(Cfine)部分，其特征在于，所述粗调电容(Ccoarse)部分包括粗调电容阵列，所述粗调电容阵列具有多个电容单元，每个所述电容单元均包括两个可变电容，所述两个可变电容的负极分别接在谐振节点N和谐振节点P上，所述两个可变电容的正极接在一起受数字控制信号CB控制，利用所述数字控制信号CB控制所述粗调电容阵列的电容值，优选地，所述粗调电容阵列的各个电容单元的电容值以2为倍数递增。
10.一种低成本的压控振荡器，包括负阻电路和谐振网络，所述谐振网络包括用于谐振的固定电容(Cfix)部分、粗调电容(Ccoarse)部分和细调电容(Cfine)部分，其特征在于，所述细调电容(Cfine)部分包括两个可变电容，所述两个可变电容的负极分别接在谐振节点N和谐振节点P上，所述两个可变电容的正极接在一起与控制电压Vtune相连。
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