CN111988034A - 一种毫米波数控振荡器的可变电容器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种毫米波数控振荡器的可变电容器及其制备方法，其中可变电容器包括n个并联的电容模块，每个电容模块包括一个第一固定电容、一个第二固定电容和一个开关电路单元，所述开关电路单元的第一输出端连接所述第一固定电容，第二输出端连接所述第二固定电容，控制端输入控制开关电路单元导通和截止的控制信号；同一电容模块的第一固定电容和第二固定电容的电容值相等，不同电容模块的第一固定电容的电容值按照并联顺序依次为：C_p、2C_p、…、2^n‑1C_p。本发明频率调谐范围更大、寄生电容更小、版图占用芯片面积更小。

Description

一种毫米波数控振荡器的可变电容器及其制备方法

技术领域

本发明涉及集成电路，尤其涉及一种毫米波数控振荡器的可变电容器及其制备方法。

背景技术

随着半导体工艺的发展，特征尺寸的下降，MOS管的转换速度越来越高，当前的主流工艺的MOS管能达到数十皮秒的水平。以至于在深亚微米工艺下，电路数字域的时间精度要远高于模拟域的电压精度。根据这个原则，2002年，美国德州仪器(TI)公司的Staszewski博士提出了数字射频(Digital RF)的新思路，开拓了射频电路数字化的全新领域。全数字锁相环作为数字射频中的关键模块，从其提出之日起就受到了广泛的关注和研究。全数字锁线环中大部分模块是由数字电路构成，且信号都是用数字形式表示，这也给环路设计带来了许多优势。数控振荡器是全数字锁相环中最重要的一部分，对数字振荡器的研究一种是全数字锁相环中一个关键点环节。

毫米波频段内数控振荡器的设计需要考虑各种寄生电容。寄生电容会直接影响谐振腔Q值、工作频率、带宽等重要指标。因此在毫米波频段内设计数控振荡器，需要尽可能减小寄生电容。传统的数控振荡器采用数控介电常数差分传输线(DiCAD)技术实现电容可变，由于这种技术下极板金属极板对之间的长度相等，固定电容组的容值相等，电容通过MOS开关的通断以累加或累减的方式接入谐振腔，频率调谐范围较小。而且需要大量的MOS开关，引入大量的MOS管，增大了电路的寄生电容。

发明内容

发明目的：本发明针对现有技术存在的问题，提供一种频率调谐范围更大、寄生电容更小、版图占用芯片面积更小的毫米波数控振荡器的可变电容器及其制备方法。

技术方案：本发明所述的毫米波数控振荡器的可变电容器，包括n个并联的电容模块，每个电容模块包括一个第一固定电容、一个第二固定电容和一个开关电路单元，所述开关电路单元设有控制端、第一输出端和第二输出端，所述开关电路单元的第一输出端连接所述第一固定电容，第二输出端连接所述第二固定电容，控制端输入控制开关电路单元导通和截止的控制信号；同一电容模块的第一固定电容和第二固定电容的电容值相等，不同电容模块的第一固定电容的电容值按照并联顺序依次为：C_p、2C_p、…、2^n-1C_p，C_p为第一个电容模块的第一固定电容的电容值。

进一步的，所述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、第二MOS管和第三MOS管的栅极连接在一起，并连接至控制端，第一MOS管的漏极连接第二MOS管的漏极，第三MOS管的漏极连接第二MOS管的源极，第一MOS管和第三MOS管的源极接地，第二NMOS管的源极连接第一输出端，漏极连接第二输出端。

进一步的，所述第一MOS管、第二MOS管和第三MOS管均为NMOS管。

本发明所述的可变电容器的制备方法，包括以下步骤：

(1)准备一块上极板、一块介质板和n块下极板，其中，n块下极板分别为第一下极板、第二下极板、…、第n下极板，其宽度都相同，长度依次为d、2d、…、2^n-1d，d为第一下极板的长度，且d+2d+…+2^n-1d<L，L为上极板的长度；

(2)将介质板固定在上极板下方，将n块下极板按序依次等间隔固定在介质板下方，形成包括所有电容模块第一固定电容的第一固定电容组，即上极板和第一下极板构成并联顺序中第一个电容模块的第一固定电容，上极板和第二下极板构成并联顺序中第二个电容模块的第一固定电容，直至上极板和第n下极板构成并联顺序中第n个电容模块的第一固定电容；

(3)按照步骤(1-)(2)制备第二固定电容组；

(4)准备n个开关电路单元，将第i个开关电路单元的第一输出端连接第一固定电容组的第i下极板，第二输出端连接第二固定电容组的第i下极板，i＝1,2,…,n，形成可变电容器。

进一步的，所述第二固定电容组与所述第一固定电容组对称设置。上极板和n块下极板的材料为金、铂、银、铜、铝或钛。介质板的材料为绝缘材料。

有益效果：本发明与现有技术相比，其显著优点是：

1、本发明提供的可变电容器，n个固定电容容值之间呈二进制权重关系，相较于传统可变电容器固定电容组容值之间的等权重关系，消耗更少的MOS开关，大量的减少了毫米波振荡器电路中MOS管的使用，减小了寄生电容，增大了数控振荡器频率调谐范围；

2、本发明提供的可变电容器，下极板n个子下极板之间的面积呈二进制权重关系，相较于传统可变电容器下极板子下极板之间的等权重关系，实现相同的容值变化，本发明提供的可变电容器使用了更少的金属板，从而节约了数控振荡器的版图面积。

附图说明

图1是本发明提供的毫米波数控振荡器的可变电容器的电路图；

图2是图1中开关电路单元的电路图；

图3是本发明提供的毫米波数控振荡器的可变电容器的实际结构图；

图4是图1的分布参数等效电路图；

图5是图4中的单位等效电路图；

图6是简化LC负阻型振荡器电路图。

具体实施方式

本实施例提供了一种毫米波数控振荡器的可变电容器，如图1所示，包括n个并联的电容模块，按照并联顺序分别为电容模块1到电容模块n，电容模块1包括一个第一固定电容C_1,1、一个第二固定电容C_1,2和一个开关电路单元S₁，第一固定电容C_1,1、一个第二固定电容C_1,2容值相等，都为C_p，开关电路单元S₁设有控制端P_C、第一输出端P₁和第二输出端P₂，开关电路单元S₁的第一输出端P₁连接第一固定电容C_1,1，第二输出端P₂连接第二固定电容C_1,2，控制端P_C输入控制开关电路单元S₁导通和截止的控制信号K₁，控制信号K₁由控制字电路输出，其他电容模块的结构和连接方式与电容模块1相同。电容模块1到电容模块n的第一固定电容(第二固定电容)的电容值依次为：C_p、2C_p、…、2^n-1C_p。

如图2所示，每个开关电路单元包括第一MOS管M₁、第二MOS管M₂和第三MOS管M₃，三者均为NMOS管。第一MOS管M₁、第二MOS管M₂和第三MOS管M₃的栅极连接在一起，并连接至控制端P_C，第一MOS管M₁的漏极连接第二MOS管M₂的漏极，第三MOS管M₃的漏极连接第二MOS管M₂的源极，第一MOS管M₁和第三MOS管M₃的源极接地，第二NMOS管M₂的源极连接第一输出端P₁，漏极连接第二输出端P₂。

本实施例还提供了一种可变电容器的制备方法，包括以下步骤：

(1)准备一块上极板1、一块介质板2和n块下极板，其中，n块下极板分别为第一下极板3.1、第二下极板3.2、…、第n下极板3.n，其宽度都相同，长度依次为d、2d、…、2^n-1d，d为第一下极板的长度，且d+2d+…+2^n-1d<L，L为上极板的长度；上极板1和n块下极板的材料为金、铂、银、铜、铝或钛。介质板2的材料为绝缘材，例如二氧化硅；

(2)如图3所示，将介质板2固定在上极板1下方，将n块下极板按序依次等间隔固定在介质板2下方，形成包括所有电容模块第一固定电容的第一固定电容组，即上极板1和第一下极板3.1构成电容模块1的第一固定电容C_1,1，上极板1和第二下极板3.2构成电容模块2的第一固定电容C_2,1，直至上极板1和第n下极板3.n构成电容模块n的第一固定电容C_n,1；

(3)按照步骤(1-)(2)制备第二固定电容组；第二固定电容组与第一固定电容组对称设；

(4)准备n个开关电路单元S₁～S_n，将第i个开关电路单元S_i的第一输出端连接第一固定电容组的第i下极板，第二输出端连接第二固定电容组的第i下极板，i＝1,2,…,n，形成可变电容器。

本实施例提供的可变电容器的工作原理如下：

n位控制信号K₁、K₂、…K_n由控制字电路产生。控制信号输入的高电平或低电平使MOS管工作在饱和区或者截止区，当MOS管工作在饱和区时，开关电路单元导通，与该开关电路单元串联的两个固定电容接入谐振腔，改变谐振频率；当MOS管工作在截止区时，开关电路单元断开，与该开关电路单元串联的两个固定电容未接入谐振腔，不改变谐振频率。

本实施例的可变电容器的等效电路图如图4所示，图中的L₁、L₂、…L_n为上极板作为差分传输线分布在各电容模块的寄生电感，其中L₂是L₁的两倍，…，L_n是L_n-1的两倍，C₁、C₂、…C_n为第一固定电容组上极板和第二固定电容组上极板的之间水平方向的极板寄生电容，其中C₂是C₁的两倍，…，C_n是C_n-1的两倍。图4等效电路中电容模块1的等效电路如图5所示，C_eff为开关导通时单位电容接入电路等效电容。开关断开时，C_eff从电路中断开，传输线特征阻抗为：

开关导通时，固定电容接入到电路中，传输线的特征阻抗为：

由式(1)和式(2)可知，开关导通引入的电容使得特征阻抗减小，当开关全部接通，传输线的特征阻抗达到最小，介质的相对介电常数达到最大，此时差分传输线间的等效电容最大，当所有开关全部断开，传输线的特征阻抗达到最大，介质的相对介电常数达到最小，差分传输线间的等效电容最小。

下面对本实施例提供可变电容器性能进行分析。

负阻型LC数控振荡器的简化电路结构如图6所示。电感L和可变电容器C构成谐振网络，负阻-R为谐振网络提供能量，保证谐振网络正常起振。振荡器的工作频率为：

其中，C_r为谐振腔寄生电容；C为可变电容器电容。

假设可变电容器C的最大值为C_max，最小值为C_min。则由式(3)可得最大输出频率f_max和最小输出频率f_min分别为：

令a＝C_max/C_min，b＝C_r/C_max。调谐频率比为R(a,b),则

将调谐频率比分别对参数a,b求微分得

由式(7)和(8)可知，可变电容器容值比越大(a越大)，寄生电容相对于可变电容器容值越小，所能得到的频率调谐范围也就越大。

本实施例提供的可变电容器C的计算公式如下：

C＝K₁*C_p+K₂*2C_p+…+K_n*2^n-1C_p (9)

其中，K₁、K₂、…K_n为控制字电路发出的控制信号。由式(3)可知，K₁、K₂、…K_n-1的权重依次为1、2、…2^n-1。

而传统的可变电容器等效电容容值C’，

C’＝K₁*C_p+K₂*C_p+…+K_n*C_p (10)

由式(10)知，传统可变电容器的控制字权重为等权重关系。

本实施例提供的可变电容器由于n个第一固定电容(第二固定电容)容值呈二进制权重关系，n位控制字K₁、K₂、…K_n可以实现2ⁿ个频点调节。传统固定电容采用等权重关系的可变电容器，n位控制字K₁、K₂、…K_n只能实现n个频点的调节。由于每个固定电容需要一个MOS开关控制，同样实现2ⁿ个频点调节，本实施例提供的可变电容器比传统可变电容器节约2ⁿ-n个MOS开关，极大地降低了谐振腔的寄生电容，提高了频率调谐范围。

从版图的角度考虑，本实施例提供的可变电容器下极板之间的面积呈二进制权重关系，n+1个极板(上极板和n个下极板)可以实现2ⁿ个频点调节。传统可变电容器n个下极板之间的面积呈等权重关系，n+1个极板对只能实现n个频点的调节。将下极板两个相邻极板之间的间距用d_d表示，则同样实现2ⁿ个频点调节，本实施例提供的可变电容器比传统可变电容器节约(2ⁿ-n)d_d的长度，从而节约了数控振荡器的版图面积。

以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (7)

1.一种毫米波数控振荡器的可变电容器，其特征在于：包括n个并联的电容模块，每个电容模块包括一个第一固定电容、一个第二固定电容和一个开关电路单元，所述开关电路单元设有控制端、第一输出端和第二输出端，所述开关电路单元的第一输出端连接所述第一固定电容，第二输出端连接所述第二固定电容，控制端输入控制开关电路单元导通和截止的控制信号；同一电容模块的第一固定电容和第二固定电容的电容值相等，不同电容模块的第一固定电容的电容值按照并联顺序依次为：C_p、2C_p、…、2^n-1C_p，C_p为第一个电容模块的第一固定电容的电容值。

2.根据权利要求1所述的毫米波数控振荡器的可变电容器，其特征在于：所述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、第二MOS管和第三MOS管的栅极连接在一起，并连接至控制端，第一MOS管的漏极连接第二MOS管的漏极，第三MOS管的漏极连接第二MOS管的源极，第一MOS管和第三MOS管的源极接地，第二NMOS管的源极连接第一输出端，漏极连接第二输出端。

3.根据权利要求2所述的毫米波数控振荡器的可变电容器，其特征在于：所述第一MOS管、第二MOS管和第三MOS管均为NMOS管。

4.一种权利要求1所述可变电容器的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)准备一块上极板、一块介质板和n块下极板，其中，n块下极板分别为第一下极板、第二下极板、…、第n下极板，其宽度都相同，长度依次为d、2d、…、2^n-1d，d为第一下极板的长度，且d+2d+…+2^n-1d<L，L为上极板的长度；

(2)将介质板固定在上极板下方，将n块下极板按序依次等间隔固定在介质板下方，形成包括所有电容模块第一固定电容的第一固定电容组，即上极板和第一下极板构成并联顺序中第一个电容模块的第一固定电容，上极板和第二下极板构成并联顺序中第二个电容模块的第一固定电容，直至上极板和第n下极板构成并联顺序中第n个电容模块的第一固定电容；

(3)按照步骤(1-)(2)制备第二固定电容组；

(4)准备n个开关电路单元，将第i个开关电路单元的第一输出端连接第一固定电容组的第i下极板，第二输出端连接第二固定电容组的第i下极板，i＝1,2,…,n，形成可变电容器。

5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于：所述第二固定电容组与所述第一固定电容组对称设置。

6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于：所述上极板和n块下极板的材料为金、铂、银、铜、铝或钛。

7.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于：所述介质板的的材料为绝缘材料。

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