CN113364454A - 压控振荡器 - Google Patents

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CN113364454A
CN113364454A CN202010144343.0A CN202010144343A CN113364454A CN 113364454 A CN113364454 A CN 113364454A CN 202010144343 A CN202010144343 A CN 202010144343A CN 113364454 A CN113364454 A CN 113364454A
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varactor
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units
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邓晓东
谢阔
丁万新
沈国平
陈东坡
董佩伟
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    • H03L—AUTOMATIC CONTROL, STARTING, SYNCHRONISATION OR STABILISATION OF GENERATORS OF ELECTRONIC OSCILLATIONS OR PULSES
    • H03L7/00—Automatic control of frequency or phase; Synchronisation
    • H03L7/06—Automatic control of frequency or phase; Synchronisation using a reference signal applied to a frequency- or phase-locked loop
    • H03L7/08—Details of the phase-locked loop
    • H03L7/099—Details of the phase-locked loop concerning mainly the controlled oscillator of the loop
    • H03L7/0991—Details of the phase-locked loop concerning mainly the controlled oscillator of the loop the oscillator being a digital oscillator, e.g. composed of a fixed oscillator followed by a variable frequency divider
    • H03L7/0992—Details of the phase-locked loop concerning mainly the controlled oscillator of the loop the oscillator being a digital oscillator, e.g. composed of a fixed oscillator followed by a variable frequency divider comprising a counter or a frequency divider

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  • Inductance-Capacitance Distribution Constants And Capacitance-Resistance Oscillators (AREA)

Abstract

本发明提供一种压控振荡器，包括：相并联的开关电容阵列及开关变容管阵列；开关电容阵列包括相互并联的第一固定电容单元及多个第二固定电容单元，开关变容管阵列包括相互并联的第一变容管单元及多个第二变容管单元；第一固定电容单元与第一变容管单元相对应，多个第二固定电容单元依次与多个第二变容管单元一一对应；第二变容管单元的电容值随压控振荡器的输出频率降低而增加。本发明采用开关电容阵列将压控振荡器的输出频率划分为多个区域以获得较低的调谐增益；采用开关变容管阵列用来均衡调谐增益，使得调谐增益在整个频率范围内保持恒定，并且使得每个区域之间的频率间隔相等，极大地降低了自动频率校正电路设计的复杂度。

Description

压控振荡器
技术领域
本发明涉及一种压控振荡器领域，特别是涉及一种恒定调谐增益和区域间距的压控振荡器。
背景技术
压控振荡器是构成锁相环电路的非常重要的组成模块之一，而调谐增益是衡量压控振荡器性能的重要参数，调谐增益的变化会造成电路对幅度噪声更加敏感，从而恶化了压控振荡器的相位噪声性能。
对于频率调谐范围为3.6GHz～4GHz的压控振荡器，考虑到PVT(Process,Voltageand Temperature，工艺、电压和温度，简称PVT)对压控振荡器频率的影响，设计时需要留有一定的余量，选择频率调谐范围为3.52GHz～4.12GHz。压控振荡器的压控电压为2.5V，如果直接采用单独容管，则调谐增益高达300MHz/V，如此大的调谐增益必然恶化压控振荡器的相位噪声性能，振荡器的调谐增益KVCO∝Cv，max-Cv，min，并且由于变容管的非线性而导致的AM-PM噪声的转换灵敏度KAM-FM∝Cv，max-Cv，min，所以大的调谐增益必然会导致电路对幅度噪声更加敏感，从而恶化了压控振荡器的相位噪声性能。根据公式：
Figure BDA0002400199720000011
由式1可以看出，对于给定的环路带宽，如果Kvco过大，因为环路滤波器决定环路的稳定性，所以可以调节只有电荷泵电流Icp和分频器的分频比N，加大分频器分频比N会使得锁相环带内相位噪声恶化，而减小电荷泵电流会使得电荷泵失配变得更加严重，参考杂散和小数杂散性能恶化，所以为了获得良好的噪声性能和杂散性能，传统的二进制权重计算方法通常采用一个开关电容阵列，压控电压调谐一个可变电容来获得一个连续的频率调谐范围，4bit数字信号控制开关电容阵列来离散地改变输出频率的区域。虽然传统的二进制开关电容阵列可以拓宽压控振荡器的调谐范围，并且能够获得较低的调谐增益，但是其有两个缺点。首先，压控振荡器调谐增益我们可以写成如式2所示：
Figure BDA0002400199720000012
由式2可以看出，如果谐振腔仅仅采用一个可变电容，则无论高频段或者低频段
Figure BDA0002400199720000013
均不变，调谐增益跟C-3/2成正比，所以当输出频率发生变化时，即总的谐振腔电容发生变化，调谐增益发生改变。
其次，每个区域之间的频率间隔大小不等，导致自动频率校正电路设计的复杂度大幅增加。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种压控振荡器，用于解决现有技术中仅采用一个二进制开关电容阵列，造成每个区域之间的频率间距不等，调谐增益不恒定，导致自动频率校准电路设计的复杂度增加的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种压控振荡器，包括：相并联的开关电容阵列及开关变容管阵列；
所述开关电容阵列包括相互并联的第一固定电容单元及多个第二固定电容单元，
所述开关变容管阵列包括相互并联的第一变容管单元及多个第二变容管单元；
所述第一固定电容单元与所述第一变容管单元相对应，多个所述第二固定电容单元依次与多个所述第二变容管单元一一对应；
所述第二变容管单元的电容值随所述压控振荡器的输出频率降低而增加。
于本发明的一实施例中，所述第一固定电容单元包括2个相串联的第一固定电容；
每个所述第二固定电容单元包括2个相串联的第二固定电容，两个所述第二固定电容之间接有控制开关；
每个所述第二固定电容对应有第一系数，所述第二固定电容的电容值为第一系数乘以所述第一固定电容的容值；其中，所述第一系数为αi，其中i＝1,2…，15。
于本发明的一实施例中，所述第一变容管单元包括2个相串联的第一变容管，串联后的中心节点接有第一电压；
每个所述第二变容管单元包括2个相串联的第二变容管，两个所述第二变容管之间接有切换开关；其中所述切换开关为单刀双掷开关，所述切换开关的一个静触点接第一电压，另一个静触点接第二电压；
每个所述第二变容管对应有第二系数，所述第二变容管的电容值为第二系数乘以所述第一变容管的容值；其中，所述第二系数为βi，其中i＝1,2…，15。
于本发明的一实施例中，所述第一电压低于所述第二电压；所述第一电压为所述第二变容管维持最小电容值时所对应的电压值。
于本发明的一实施例中，所述开关电容阵列将所述输出频率从高到低划分为多个区域，每个所述区域依次与所述第一固定电容单元及多个所述第二固定电容单元相对应；其中，频率最高的区域对应所述第一固定电容单元。
于本发明的一实施例中，所述第二固定电容单元的接入数量随所述输出频率降低而增加；
当所述输出频率最高时，接入所述第一固定电容单元；所述第一变容管单元及全部所述第二变容管单元均接入所述第一电压；
当所述输出频率最低时，接入所述第一固定电容单元及全部所述第二固定电容单元；所述第一变容管单元接所述第一电压，全部所述第二变容管单元均接入所述第二电压；
当所述输出频率对应第六个区域时，接入所述第一固定电容单元及依次接入10个所述第二固定电容单元；所述第一变容管单元接所述第一电压，10个所述第二变容管单元均接入所述第二电压，其余所述第二变容管单元均接入所述第一电压。
于本发明的一实施例中，所述第二系数βi(i＝1,2…，15)由以下公式推导出：
Figure BDA0002400199720000031
其中，调谐增益KVCO，n、区域间距和频率调谐范围为所述压控振荡器给定的参数；
Cv为所述第一变容管的容值；
L为所述压控振荡器的谐振腔差分电感感值的一半；
Ctot，n为当输出频率为第n个区域的中心频率时，单端总的电容值；
fvco，n为第n个区域调谐电压中点所对应的振荡频率；
Vtune为所述压控振荡器的压控电压；其中，所述压控电压为2.5V；
Figure BDA0002400199720000032
为所述第一变容管在所述压控电压中点的电容–电压曲线的斜率，此时，Vtune＝1.25V。
于本发明的一实施例中，所述第一系数αi(i＝1,2…，15)由以下公式推导出：将Ctot，n、Cf、Cv，min、Cv(1.25)及βi代入下式，
Figure BDA0002400199720000041
其中，Cf为所述第一固定电容的容值；
Cp为寄生电容；
Coff，i为所述第二固定电容单元断开时接入谐振腔的固定电容的变化值；
Cv，min为所述第一变容管的最小值；
Cv(1.25)为所述第一变容管在压控振荡器的压控电压中点所对应的容值；其中，所述压控电压为2.5V；
Ctot，n为当输出频率为第n个区域的中心频率时，单端总的电容值；
βi为每个所述第二变容管对应的第二系数，其中，所述第二变容管单元包括2个相串联的第二变容管。
于本发明的一实施例中，Ctot，n由以下公式推导出：
Figure BDA0002400199720000042
如上所述，本发明的压控振荡器，采用开关电容阵列将压控振荡器的输出频率划分为多个区域以获得较低的调谐增益；采用开关变容管阵列用来均衡调谐增益，使得调谐增益在整个频率范围内保持恒定，并且使得每个区域之间的频率间隔相等；在获得恒定压控振荡器的调谐增益和区域间距的同时，还极大地降低了自动频率校正电路设计的复杂度。
附图说明
图1显示为本发明的整体结构框图。
图2显示为本发明的接线示意图。
图3显示为本发明的原理框图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
请参阅图1，本发明提供一种压控振荡器，包括：相并联的开关电容阵列及开关变容管阵列；
开关电容阵列包括相互并联的第一固定电容单元及多个第二固定电容单元，
开关变容管阵列包括相互并联的第一变容管单元及多个第二变容管单元；
第一固定电容单元与第一变容管单元相对应，多个第二固定电容单元依次与多个第二变容管单元一一对应；
传统开关电容阵列方法采用二进制码，本发明使用温度计码方式。4bit的开关电容阵列(digital controlled capacitor array，DCCA)将整个压控振荡器的输出频率调谐范围划分为16个区域以获得较低的调谐增益；
4bit的开关变容管阵列(digital controlled varactor array，DCVA)用来均衡调谐增益，使得调谐增益在整个频率范围内保持恒定，并且使得每个区域之间的频率间隔相等。
开关电容阵列根据输出频率从高到低分为16个区域；16个区域依次与第一固定电容单元及多个第二固定电容单元相对应；其中，频率最高的区域对应第一固定电容单元。
请参阅图2，第一固定电容单元包括2个相串联的第一固定电容；
每个第二固定电容单元包括2个相串联的第二固定电容，两个第二固定电容之间接有控制开关；
每个第二固定电容对应有第一系数，第二固定电容的电容值为第一系数乘以第一固定电容的容值；其中，第一系数为αi(i＝1,2…，15)。
第一变容管单元包括2个相串联的第一变容管，串联后的中心节点接有第一电压；
每个第二变容管单元包括2个相串联的第二变容管，两个第二变容管之间接有切换开关；其中，切换开关为单刀双掷开关，切换开关的一个静触点接第一电压，另一个静触点接第二电压；
需要说明的是，第一电压低于第二电压；第一电压为第二变容管维持最小电容值时所对应的电压值。本实施例中，第一电压的范围为0-2.5V，第二电压为2.5V。
每个第二变容管对应有第二系数，第二变容管的电容值为第二系数乘以第一变容管的容值；其中，第二系数为βi(i＝1,2…，15)。
需要说明的是，第一固定电容、第二固定电容、第一变容管及第二变容管均为累积型MOS管。
继续说明，第二固定电容单元的接入数量随输出频率降低而增加；
当输出频率最高时，接入第一固定电容单元；第一变容管单元及全部第二变容管单元均接入第一电压；
当输出频率最低时，接入第一固定电容单元及全部第二固定电容单元；第一变容管单元接第一电压，全部第二变容管单元均接入第二电压；
当输出频率对应第六个区域时，接入第一固定电容单元及依次接入10个第二固定电容单元；第一变容管单元接第一电压，10个第二变容管单元均接入第二电压，其余第二变容管单元均接入第一电压。
继续说明，对于给定的调谐增益KVCO，n、区域间隔和频率调谐范围，本发明还提供了第一系数αi(i＝1,2…，15)、第二系数βi(i＝1,2…，15)的计算步骤：
步骤一：给定最高区域中心频率，最低区域中心频率，区域数目以及电感值，然后根据频率范围和区域数得到每个区域的中心频率fvco，n，将中心频率代入式3得到Ctot，n；
Figure BDA0002400199720000061
其中，Ctot，n为当输出频率为第n个区域的中心频率时，单端总的电容值；
L为所述压控振荡器的谐振腔差分电感感值的一半；
步骤二：将调谐增益和Ctot，n代入式4得到第二系数βi；
Figure BDA0002400199720000062
其中，Cp为寄生电容，包括MOS管寄生电容以及负载的寄生电容；
Cv为所述第一变容管的容值；
Figure BDA0002400199720000063
为所述第一变容管在所述压控电压中点的电容–电压曲线的斜率，此时，Vtune＝1.25V。
步骤三：将Ctot，n、Cp、Cf、Cv，min、Cv(0.9)以及系数βi代入式5，得到系数αi。通过合理地选择系数αi和βi，可以得到任意且恒定的调谐增益和区域间距；根据选用材料的资料估计交叉耦合MOS管的本征电容和版图寄生电容决定Cp的值；根据选用材料的资料估计MOS管断开时衬底电容以及栅漏电容的值，另外，根据选用材料的资料通过仿真可变电容单元得到Cv，min和Cv(1.25)；
Figure BDA0002400199720000071
其中，Cf为所述第一固定电容的容值；
Coff，i为MOS管断开时，由于MOS管衬底电容Cdb和栅漏电容Cgd的存在而导致的接入谐振腔的固定电容的变化，即接入谐振腔的固定电容为Cdb+Cgd与αiCf的串联值；
Cv，min为所述第一变容管的最小值；
Cv(1.25)为所述第一变容管在压控振荡器的压控电压中点所对应的容值；
需要说明的是，若采用MOS管来实现固定电容和变容管，则工艺的特征尺寸，即MOS管的最小沟道长度会限制固定电容和变容管的最小值，因此也就限制了能够实现的调谐增益和区域间距的范围。
实际设计中，这些系数应当被取成为工艺允许的最接近的值。在这里应当注意因为这些系数只是比值，它们对工艺、电压和温度(Process,Voltage and Temperature，简称PVT)均不敏感。
实施例一：本实施例的压控振荡器的输出频率范围是3.52GHz～4.12GHz，将频率范围划分为16个区域，最高区域和最低区域的频率范围分别为3.47GHz～3.6GHz，4.07GHz～4.17GHz，则调谐增益为55MHz/V，区域中心频率分别为3.12GHz和4.12GHz，谐振腔差分电感感值为1.21nH，则最高区域和最低区域的总电容分别为Ctot，1＝1.234p，Ctot，16＝1.69p，根据最高区域的调谐增益表达式：
Figure BDA0002400199720000072
选择第一变容管满足
Figure BDA0002400199720000081
根据最高区域的频率范围，选择变容管最大值与最小值需要满足
Figure BDA0002400199720000082
即至少需要满足Cv，max-Cv，min＞1.37，并且根据振荡器中变容管电容电压特性：
Figure BDA0002400199720000083
其中a＝Vout-Vtune+Vth，根据
Figure BDA0002400199720000084
可以得到Cmax-Cmin＞300fF。其中Vout是振荡器输出电压，Vth是MOS变容管阈值电压。根据每个区域的中心频率可求得每个区域的总的电容，然后根据调谐增益的表达式，求得第二系数βi，具体请参照表一。
表一：实施例一中每个区域所对应的总的电容值及第二系数βi的数值
i C<sub>tot，i</sub>(pF) β<sub>i</sub> i C<sub>tot，i</sub>(pF) β<sub>i</sub> i C<sub>tot，i</sub>(pF) β<sub>i</sub>
1 1.258 0.0297 6 1.391 0.0363 11 1.547 0.0448
2 1.283 0.0309 7 1.420 0.0378 12 1.581 0.0468
3 1.309 0.0321 8 1.450 0.0394 13 1.616 0.0489
4 1.336 0.0334 9 1.481 0.0411 14 1.653 0.0511
5 1.363 0.0348 10 1.513 0.0429 15 1.690 0.0534
仿真变容管电容电压特性得到Cv，max＝141fF，Cv，min＝69fF，Cv，0.9＝102fF，通过仿真得到每个区域所对应的固定电容值以及算出第一系数αi的值，具体请参照表二。
表二：实施例一中每个区域所对应的固定电容值及第一系数αi的数值
Figure BDA0002400199720000091
请参阅图3，为覆盖超过3.52～4.12GHz的频率调谐范围，使用4bit数字控制位将整个输出频率范围划分成16个区域，调谐增益为55MHz/V，各个区域之间的重叠率达到50％。用编码器将二进制码转换成温度计码以控制数字位。
当控制信号en(i＝1,…,15)为高时，所对应的MOS管断开，即所对应的开关电容阵列断开，与之相配套的开关变容管接第一电压；
当控制信号en(i＝1,…,15)为低时，所对应的开关电容阵列接入谐振腔，与之相配套的开关变容管接接第二电压。
综上所述，本发明采用开关电容阵列将整个频率调谐范围划分为16个区域以获得较低的调谐增益；采用开关变容管阵列用来均衡调谐增益，使得调谐增益在整个频率范围内保持恒定，并且使得每个区域之间的频率间隔相等；能同时恒定压控振荡器的调谐增益和区域间距，且极大地降低了电路设计的复杂度。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (9)

1.一种压控振荡器，其特征在于，包括：相并联的开关电容阵列及开关变容管阵列；
所述开关电容阵列包括相互并联的第一固定电容单元及多个第二固定电容单元，
所述开关变容管阵列包括相互并联的第一变容管单元及多个第二变容管单元；
所述第一固定电容单元与所述第一变容管单元相对应，多个所述第二固定电容单元依次与多个所述第二变容管单元一一对应；
所述第二变容管单元的电容值随所述压控振荡器的输出频率降低而增加。
2.根据权利要求1所述的压控振荡器，其特征在于：
所述第一固定电容单元包括2个相串联的第一固定电容；
每个所述第二固定电容单元包括2个相串联的第二固定电容，两个所述第二固定电容之间接有控制开关；
每个所述第二固定电容对应有第一系数，所述第二固定电容的电容值为第一系数乘以所述第一固定电容的容值；其中，所述第一系数为αi，其中i＝1,2…，15。
3.根据权利要求1所述的压控振荡器，其特征在于：
所述第一变容管单元包括2个相串联的第一变容管，串联后的中心节点接有第一电压；
每个所述第二变容管单元包括2个相串联的第二变容管，两个所述第二变容管之间接有切换开关；其中所述切换开关为单刀双掷开关，所述切换开关的一个静触点接第一电压，另一个静触点接第二电压；
每个所述第二变容管对应有第二系数，所述第二变容管的电容值为第二系数乘以所述第一变容管的容值；其中，所述第二系数为βi，其中i＝1,2…，15。
4.根据权利要求3所述的压控振荡器，其特征在于：所述第一电压低于所述第二电压；所述第一电压为所述第二变容管维持最小电容值时所对应的电压值。
5.根据权利要求1所述的压控振荡器，其特征在于：所述开关电容阵列将所述输出频率从高到低划分为多个区域，每个所述区域依次与所述第一固定电容单元及多个所述第二固定电容单元相对应；其中，频率最高的区域对应所述第一固定电容单元。
6.根据权利要求5所述的压控振荡器，其特征在于：所述第二固定电容单元的接入数量随所述输出频率降低而增加；
当所述输出频率最高时，接入所述第一固定电容单元；所述第一变容管单元及全部所述第二变容管单元均接入所述第一电压；
当所述输出频率最低时，接入所述第一固定电容单元及全部所述第二固定电容单元；所述第一变容管单元接所述第一电压，全部所述第二变容管单元均接入所述第二电压；
当所述输出频率对应第六个区域时，接入所述第一固定电容单元及依次接入10个所述第二固定电容单元；所述第一变容管单元接所述第一电压，10个所述第二变容管单元均接入所述第二电压，其余所述第二变容管单元均接入所述第一电压。
7.根据权利要求3所述的压控振荡器，其特征在于，所述第二系数βi(i＝1,2…，15)由以下公式推导出：
Figure FDA0002400199710000021
其中，调谐增益KVCO，n、区域间距和频率调谐范围为所述压控振荡器给定的参数；
Cv为所述第一变容管的容值；
L为所述压控振荡器的谐振腔差分电感感值的一半；
Ctot，n为当输出频率为第n个区域的中心频率时，单端总的电容值；
fvco，n为第n个区域调谐电压中点所对应的振荡频率；
Vtune为所述压控振荡器的压控电压；其中，所述压控电压为2.5V；
Figure FDA0002400199710000022
为所述第一变容管在所述压控电压中点的电容–电压曲线的斜率，此时，
Vtune＝1.25V。
8.根据权利要求2所述的压控振荡器，其特征在于，所述第一系数αi(i＝1,2…，15)由以下公式推导出：将Ctot，n、、Cf、Cv，min、Cv(1.25)以及βi代入下式，
Figure FDA0002400199710000023
其中，Cf为所述第一固定电容的容值；
Cp为寄生电容；
Coff，i为所述第二固定电容单元断开时接入谐振腔的固定电容的变化值；
Cv，min为所述第一变容管的最小值；
Cv(1.25)为所述第一变容管在压控振荡器的压控电压中点所对应的容值；其中，所述压控电压为2.5V；
Ctot，n为当输出频率为第n个区域的中心频率时，单端总的电容值；
βi为每个所述第二变容管对应的第二系数，其中，所述第二变容管单元包括2个相串联的第二变容管。
9.根据权利要求7或8任一项所述的压控振荡器，其特征在于，Ctot，n由以下公式推导出：
Figure FDA0002400199710000031
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