CN111786672A - 一种变压器耦合开关电容阶梯电路 - Google Patents

一种变压器耦合开关电容阶梯电路 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种变压器耦合开关电容阶梯电路,包括片上变压器、接地电容模块和若干级并联的开关电容阶梯电路模块,所述片上变压器主线圈的两个端口连接谐振腔,次级线圈的两个端口连接第一级开关电容阶梯电路模块,最后一级开关电容阶梯电路模块连接接地电容模块,每一级开关电容阶梯电路模块由多个固定电容和开关电容以特定结构连接构成且电容值大小有特定比例关系。本发明的电路结构具有新颖性和通用性,主要用于全数字锁相环中数控振荡器的频率调节电路。本发明的主要优点是相比于其他的数控振荡器频率调节电路其工作频率更高、频率分辨率更好、频率调节线性度更好。

Description

一种变压器耦合开关电容阶梯电路
技术领域
本发明涉及集成电路设计领域,尤其涉及一种变压器耦合开关电容阶梯电路。
背景技术
随着卫星通信和汽车雷达等领域的快速发展,毫米波频段下的无线收发机有着广泛的应用前景,以锁相环为核心的频率综合器又是决定无线收发机性能的关键部分。2003年德州仪器公司的Robert Bogdan等人先提出了全数字锁相环的构想,其相比于传统的锁相环有更小的芯片面积和更低的噪声。但目前全数字锁相环中最核心的部分数控振荡器的实现依然需要使用模拟电路的方法,其频率调谐精度是最为重要的指标之一。
传统的数控振荡器的频率调节大多使用开关电容阵列结构,它是多个容值相同或容值呈二进制比例关系的开关电容相互并联构成。受工艺水平的限制,目前所能制造的最小电容值是有极限的,特别当电路工作频率较高时,最小开关电容值与电路中的寄生电容值非常接近。所以在毫米波频段使用传统的开关电容阵列结构来作为数控振荡器的精调电路有频率调谐精度低、频率线性度差等诸多缺点。本发明所提出的带变压器耦合的开关电容阶梯电路则能很好地克服这些缺点。
发明内容
发明目的:本发明针对现有技术存在的工作频率低、频率分辨率差等问题,提供了一种变压器耦合开关电容阶梯电路作为数控振荡器的频率调节电路。相较于传统频率调节电路,本发明更适合工作于毫米波频段、有更高频率灵敏度和更好的频率线性度。
技术方案:本发明所述的变压器耦合开关电容阶梯电路包括片上变压器、接地电容模块和若干级并联的开关电容阶梯电路模块,所述片上变压器主线圈的两个端口连接谐振腔,次级线圈的两个端口连接第一级开关电容阶梯电路模块,最后一级开关电容阶梯电路模块连接接地电容模块,其中,每一级开关电容阶梯电路模块包括第一固定电容、第二固定电容、第三固定电容、第四固定电容、第一开关电容、第二开关电容、第三开关电容、第四开关电容、第一开关电路单元和第二开关电路单元,所述第一固定电容的一端连接上一级开关电容阶梯电路模块的第一固定电容,另一端连接下一级开关电容阶梯电路模块的第一固定电容,所述第二固定电容的一端连接上一级开关电容阶梯电路模块的第二固定电容,另一端连接下一级开关电容阶梯电路模块的第二固定电容,所述第三固定电容一端接地,另一端连接至第一固定电容,所述第四固定电容一端接地,另一端连接至第二固定电容,所述第一开关电路单元的第一端口通过串联的第一开关电容并联在第三固定电容后方,第二端口通过串联的第二开关电容并联在第四固定电容后方,所述第二开关电路单元的第一端口通过串联的第三开关电容并联在第一开关电容后方,第二端口通过串联的第四开关电容并联在第二开关电容后方。电路中的固定电容和开关电容均为片上MOM电容。
进一步的,所述片上变压器的主线圈和次级线圈为正八边形金属电感线圈,均使用工艺下的顶层金属构建,主次线圈采用平面耦合结构且次级线圈内径大于主线圈,主线圈采用中心抽头结构馈电,变压器的耦合系数为0.25或小于0.25。
进一步的,所述第一开关电路单元包括第一MOS管、第二MOS管和第三MOS管,所述第一MOS管的源极连接该单元的第一端口,漏极连接该单元的第二端口,栅极分别连接第二MOS管的栅极和第三MOS管的栅极,所述第二MOS管的源极连接电源,漏极连接第三MOS管的源极,还通过第一电阻连接至第一MOS管的源极,以及通过第二电阻连接至第一MOS管的漏极,第三MOS管的漏极接地,控制信号输入至第一MOS管的栅极。所述第二开关电路单元与所述第一开关电路单元的电路结构相同。所述第一MOS管和第三MOS管为NMOS管,所述第二MOS管为PMOS管。
进一步的,所述接地电容模块包括第一接地电容和第二接地电容,所述第一接地电容一端接地,另一端连接至最后一级开关电容阶梯电路模块的第一固定电容,所述第二接地电容一端接地,另一端连接至最后一级开关电容阶梯电路模块的第二固定电容。
进一步的,所述第三固定电容和所述第四固定电容的电容值均为C,所述第一固定电容和所述第二固定电容的电容值均为2C,所述第三开关电容和所述第四开关电容的电容值均为ΔC,所述第一开关电容和所述第二开关电容的电容值均为2ΔC,且ΔC<<C。所述第一接地电容和所述第二接地电容的电容值均为C。
有益效果:本发明与现有技术相比,其显著优点是:
1、本发明提供的变压器耦合开关电容阶梯电路,采用开关电容阶梯作为频率调节电路,相比传统的开关电容阵列引入更少的寄生电容,并且显著降低了最小可变电容,使得本发明拥有更高的工作频率和更好的频率分辨率。
2、本发明提供的变压器耦合开关电容阶梯电路,采用变压器结构将开关电容阶梯电路耦合到谐振腔中,相比于已有的不带变压器结构的频率调节电路,本发明进一步提高了频率分辨率,同时弱耦合系数的变压器还优化了频率调节曲线的线性度。
3、本发明提供的变压器耦合开关电容阶梯电路,采用的开关电容阶梯电路可根据实际需要级联任意级,相比于其他频率调节电路具有电路可移植性强,电路设计灵活的优点。
附图说明
图1是本发明提供的变压器耦合开关电容阶梯电路的电路图;
图2是图1中第一开关电路单元B1-1的电路图;
图3是电容阶梯电路与缩小系数k的简要关系图;
图4是单级单端口开关电容阶梯电路的电路图;
图5是n级两端口对称的开关电容阶梯电路的电路图;
图6是本发明所使用的片上变压器平面结构简图。
具体实施方式
本实施例提供了一种变压器耦合开关电容阶梯电路,如图1所示,包括片上变压器、接地电容模块和n级并联的开关电容阶梯电路模块,片上变压器主线圈L1的两个端口连接谐振腔,次级线圈L2的两个端口连接第一级开关电容阶梯电路模块,最后一级开关电容阶梯电路模块连接接地电容模块。下面对各模块进行详细介绍。
片上变压器主线圈L1和次级线圈L2为正八边形金属电感线圈,均使用工艺下的顶层金属构建,主次线圈采用平面耦合结构且次级线圈内径大于主线圈,主线圈L1采用中心抽头结构馈电,变压器的耦合系数为0.25或小于0.25。
开关电容阶梯电路模块可以为多级,每一级的开关电容阶梯电路模块相同,如图1所示,第一级开关电容阶梯电路模块包括第一固定电容C1-1、第二固定电容C1-2、第三固定电容C1-3、第四固定电容C1-4、第一开关电容C1-5、第二开关电容C1-6、第三开关电容C1-7、第四开关电容C1-8、第一开关电路单元B1-1和第二开关电路单元B1-2,电容均为片上MOM电容。第一固定电容C1-1的一端连接次级线圈L2的一端(如果为该模块为2级以上的开关电容阶梯电路模块,则连接上一级模块的第一固定电容),另一端连接下一级开关电容阶梯电路模块的第一固定电容(如果为该模块为最后一级开关电容阶梯电路模块,则连接接地电容模块的第一接地电容),第二固定电容C1-2的连接方式与第一固定电容C1-1的连接方式对称。第三固定电容C1-3一端接地,另一端连接至第一固定电容C1-1,第四固定电容C1-4一端接地,另一端连接至第二固定电容C1-2。第一开关电路单元B1-1的第一端口通过串联的第一开关电容C1-5并联在第三固定电容C1-3后方,第二端口通过串联的第二开关电容C1-6并联在第四固定电容C1-4后方,第二开关电路单元B1-2的第一端口通过串联的第三开关电容C1-7并联在第一开关电容C1-5后方,第二端口通过串联的第四开关电容C1-8并联在第二开关电容C1-6后方。接地电容模块包括第一接地电容Cd-1和第二接地电容Cd-2,第一接地电容Cd-1一端接地,另一端连接至最后一级开关电容阶梯电路模块的第一固定电容,第二接地电容Cd-2一端接地,另一端连接至最后一级开关电容阶梯电路模块的第二固定电容。第三固定电容C1-3、第四固定电容C1-4、第一接地电容Cd-1和第二接地电容Cd-2的电容值均为C,第一固定电容C1-1、第二固定电容C1-2的电容值均为2C,是上述电容的两倍,第三开关电容C1-7、第四开关电容C1-8的电容值均为ΔC,第一开关电容C1-5、第二开关电容C1-6的电容值均为2ΔC,且ΔC<<C。开关电容阶梯电路模块使用工艺下的顶层金属来作传输线,电路整体使用40nm CMOS工艺来构建。
第一开关电路单元B1-1和第二开关电路单元B1-2均用于实现开关的功能,即导通和截止的功能,其结构可以相同也可不同,能够实现开关功能即可,在本实施例中设置为相同。如图2所示,第一开关电路单元B1-1包括第一MOS管M1、第二MOS管M2和第三MOS管M3,第一MOS管M1的源极连接第一端口P1,漏极连接该单元的第二端口P2,栅极分别连接第二MOS管M2的栅极和第三MOS管M3的栅极,第二MOS管M2的源极连接电源,漏极连接第三MOS管M3的源极,还通过第一电阻R1连接至第一MOS管M1的源极,以及通过第二电阻R2连接至第一MOS管M1的漏极,第三MOS管M3的漏极接地。第一MOS管M1和第三MOS管M3为NMOS管,第二MOS管M2为PMOS管。第一MOS管M1作为控制管,第二MOS管M2和第三MOS管M3构成反相器,控制信号b1给在反相器输入端与第一MOS管M1栅极之间,两个电阻分别连在反相器输出端作为负载。
本实施例提供的变压器耦合开关电容阶梯电路相关工作原理如下:
对于一般的数控振荡器,其频率分辨率Δf可用公式表示如下:
Figure BDA0002521884720000041
式(1)中f0为电路的振荡频率,L和CA分别为电路中总电感值与总电容值,ΔC为电路中的最小可变电容值。从此公式可看出想要提高频率分辨率最简单的方法就是增大电路总电容CA,但对于工作在较高频率下的毫米波电路,总电容CA的值必须很小来提高振荡频率f0。所以目前大多数数控振荡器还是通过尽量减小ΔC来提高频率分辨率,而ΔC的值又受工艺因素限制较大,无法达到满足实际需求的极小值,这也是限制当前数控振荡器调谐精度的主要原因。
鉴于以上原因,本实施例提出了开关电容阶梯电路,通过多个开关电容阶梯电路级联来指数级地降低ΔC的实际权重,从而显著减小最小可变电容值,提高频率分辨率。假设每一级阶梯电路对电容的缩小系数为k,n级开关电容阶梯电路简要概念图如图3所示,n级开关电容阶梯电路总的等效电容由式(2)给出:
Figure BDA0002521884720000042
从式(2)可看出理论上级联阶的梯数n越大则最小可变电容越小,电路的频率分辨精度也越高。但也不能忽视当级联电路阶梯数n较大时,会引入较多的额外电容降低电路的振荡频率。所以本实施例的开关电容阶梯电路采用C-2C电容并联的主体结构,来保证开关电容阶梯多级级联时引入的额外电容基本不变,单级开关电容阶梯电路结构如图4所示,第一固定电容C1-1电容值为2C,第三固定电容C1-3电容值为C,第一开关电容C1-5电容值2ΔC,第三开关电容C1-7电容值ΔC,根据电容串并联公式可得:
Figure BDA0002521884720000051
特别当ΔC<<C时,式(3)可简化为:
Figure BDA0002521884720000052
由式(3)和(4)可看出单级阶梯电路可以使开关电容ΔC在电路中的实际权重降至四分之一。且当满足ΔC<<C的条件时,单级阶梯电路的等效电容Ceq近似等于C,这样通过将后级阶梯电路整体视为前级阶梯电路的一个负载电容,理论上可以实现多级阶梯电路级联时引入的总电容值基本不变,从而保证较高的工作频率。本实施例的n级开关电容阶梯电路级联电路如图5所示,其中每级阶梯电路的可变电容部分由包括四个容值分别为ΔC和2ΔC的开关电容,整个n级级联电路的等效电容为:
Figure BDA0002521884720000053
由式(5)可看出本实施例采用n级级联的开关电容阶梯电路理论上可使最小可变电容从ΔC减小到(1/22n)ΔC,从而达到显著提高频率分辨率的效果。另对式(5)变形可得式(6),式中b1、b2、……、b2n代表控制信号来控制开关通断状态,只能取值为0或1。开关电路结构图可见图2,当bn为0时则控制管栅极输入低电平,控制管源漏极与反相器输出端均为高电平,此时控制MOS管处于断开状态,两个开关电容也无法接入电路中。同理当bn为1时则控制管栅极输入高电平,控制管源漏极与反相器输出端均为低电平,此时控制MOS管处于导通状态,两个开关电容通过导通的MOS管接入电路中。
Figure BDA0002521884720000054
从式(6)可看出采用n级级联的阶梯电路中开关电容的实际权重分别为(1/2)ΔC、(1/4)ΔC、……、(1/22n)ΔC,开关电容实际值呈比例减小,故理论上可以获得较好的频率调谐线性度。
虽然在满足ΔC<<C的条件后,任意级级联的开关电容阶梯总电容都可近似为C,但在振荡频率较高的毫米波数控振荡器中额外引入一个电容C还是会明显地降低振荡频率。为了减小使用开关电容阶梯电路对振荡频率的影响,本实施例使用了基于两个平面电感线圈之间耦合效应构建的片上变压器,如图6所示。本实施例中的片上变压器采用40nm CMOS工艺,由工艺下顶层金属构建的两个正八边形电感线圈耦合而成,耦合系数k约为0.25。开关电容阶梯电路与次级线圈的两个端口S1、S2相连,再通过主线圈的两个端口P1、P2耦合接入谐振腔中。通过变压器的使用,可以减小开关电容阶梯电路的引入的额外电容对谐振腔中总电容的影响,避免振荡频率的过度降低,同时也能进一步减小实际最小可变电容值,提高数控振荡器的频率调谐精度。

Claims (9)

1.一种变压器耦合开关电容阶梯电路,其特征在于:包括片上变压器、接地电容模块和若干级并联的开关电容阶梯电路模块,所述片上变压器主线圈的两个端口连接谐振腔,次级线圈的两个端口连接第一级开关电容阶梯电路模块,最后一级开关电容阶梯电路模块连接接地电容模块,其中,每一级开关电容阶梯电路模块包括第一固定电容、第二固定电容、第三固定电容、第四固定电容、第一开关电容、第二开关电容、第三开关电容、第四开关电容、第一开关电路单元和第二开关电路单元,所述第一固定电容的一端连接上一级开关电容阶梯电路模块的第一固定电容,另一端连接下一级开关电容阶梯电路模块的第一固定电容,所述第二固定电容的一端连接上一级开关电容阶梯电路模块的第二固定电容,另一端连接下一级开关电容阶梯电路模块的第二固定电容,所述第三固定电容一端接地,另一端连接至第一固定电容,所述第四固定电容一端接地,另一端连接至第二固定电容,所述第一开关电路单元的第一端口通过串联的第一开关电容并联在第三固定电容后方,第二端口通过串联的第二开关电容并联在第四固定电容后方,所述第二开关电路单元的第一端口通过串联的第三开关电容并联在第一开关电容后方,第二端口通过串联的第四开关电容并联在第二开关电容后方。
2.根据权利要求1所述的变压器耦合开关电容阶梯电路,其特征在于:所述片上变压器的主线圈和次级线圈为正八边形金属电感线圈,均使用工艺下的顶层金属构建,主次线圈采用平面耦合结构且次级线圈内径大于主线圈,主线圈采用中心抽头结构馈电,变压器的耦合系数为0.25或小于0.25。
3.根据权利要求1所述的变压器耦合开关电容阶梯电路,其特征在于:所述第一开关电路单元包括第一MOS管、第二MOS管和第三MOS管,所述第一MOS管的源极连接该单元的第一端口,漏极连接该单元的第二端口,栅极分别连接第二MOS管的栅极和第三MOS管的栅极,所述第二MOS管的源极连接电源,漏极连接第三MOS管的源极,还通过第一电阻连接至第一MOS管的源极,以及通过第二电阻连接至第一MOS管的漏极,第三MOS管的漏极接地,控制信号输入至第一MOS管的栅极。
4.根据权利要求1所述的变压器耦合开关电容阶梯电路,其特征在于:所述第二开关电路单元与所述第一开关电路单元的电路结构相同。
5.根据权利要求1所述的变压器耦合开关电容阶梯电路,其特征在于:所述接地电容模块包括第一接地电容和第二接地电容,所述第一接地电容一端接地,另一端连接至最后一级开关电容阶梯电路模块的第一固定电容,所述第二接地电容一端接地,另一端连接至最后一级开关电容阶梯电路模块的第二固定电容。
6.根据权利要求1所述的变压器耦合开关电容阶梯电路,其特征在于:所述第三固定电容和所述第四固定电容的电容值均为C,所述第一固定电容和所述第二固定电容的电容值均为2C,所述第三开关电容和所述第四开关电容的电容值均为ΔC,所述第一开关电容和所述第二开关电容的电容值均为2ΔC,且ΔC<<C。
7.根据权利要求5所述的变压器耦合开关电容阶梯电路,其特征在于:所述第一接地电容和所述第二接地电容的电容值均为C。
8.根据权利要求1所述的变压器耦合开关电容阶梯电路,其特征在于:电路中的固定电容和开关电容均为片上MOM电容。
9.根据权利要求3所述的变压器耦合开关电容阶梯电路,其特征在于:所述第一MOS管和第三MOS管为NMOS管,所述第二MOS管为PMOS管。
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