CN1146101C - 单片高频压控振荡器微调电路 - Google Patents

单片高频压控振荡器微调电路 Download PDF

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Abstract

单片高频压控振荡器微调电路包括有选择地连接在电压振荡器有源网络(110)的第一(120)和第二(130)差分输入端之间的多个电容环路(140)。与这些电容环路(140)串联连接的多个二极管(159，160)在被正偏压时有选择地将相应的电容环路(140)连接在第一(120)和第二(130)差分输入端之间。按照同样的方式，这些二极管在被反偏压时使相应的电容环路(140)与第一(120)和第二(130)差分输入端断开。控制器(180)把正偏压施加给被选定电容环路(140)的二极管(159，160)，以便把该电容环路(140)连接到压控振荡器的有源网络(110)，把反偏压施加给被选定电容环路(140)的二极管(159，160)，以便使该电容环路(140)与该有源网络(110)断开。电容环路(140)中使用的二极管(159，160)构成可高频工作的开关，它们都是双极互补金属氧化物半导体静电放电保护二极管。

Description

单片高频压控振荡器微调电路
本发明总的来说涉及压控振荡器的微调电路，尤其涉及可高频操作并可与压控振荡器集成在一片半导体集成电路芯片上的微调电路。
通常利用外部微调电路完成对压控振荡器中心频率的微调。微调电路在分立电路上位于压控振荡器之外，以简化对谐振频率的调整。然而，现在不断要求减小特别是无线电电话工业中的无线电设备的尺寸并降低其成本。为了减小无线电设备的尺寸和降低其成本，要求把越来越多的功能度集中在一片集成电路芯片上。为此，需要把微调电路与压控振荡器集成在一片电路芯片上。
目前利用可变电容器可把微调电路与压控振荡器集成在一片半导体芯片上。数-模变换器与可变电容器连接，把与所需中心频率相关的所需电容值编程入数-模变换器之中。根据编程的电容值，数-模变换器的模拟输出调整可变电容器，由此改变微调电路的谐振频率。新的谐振频率再调整压控振荡器的中心频率。
但随着电源电压的减小或在微调频率范围较宽时会出现问题。在无线电电话设备越来越广泛使用低电源电压的情况下，例如在2.7伏的情况下，用目前已有的“片上”可变电容器来获得所需的微调频率范围将变得非常困难。此外，随着所需微调频率范围的增大，用来调整可变电容器的数-模变换器产生的噪声将成为一个问题。随着微调频率范围的增大，微调电路和相关的压控振荡器的输入变得对噪声越来越敏感，这就要求数-模变换器产生的噪声的电平非常低。因此，随着微调频率范围的增大，设计和制造数-模电路变得越来越难，成本越来越高。
改变微调电路电容量的另一种做法是使用二极管开关。虽然已用二极管开关来连接和断开微调电路的不同的电容量，但这些二极管是用与其余振荡器功能度分离的分立PIN二极管构成的。由于制造PIN二极管所需的特殊工艺不利于大量集成，所以PIN二极管不与振荡器集成在半导体芯片上。
因此，需要设计出具有高的操作频率和能够与压控振荡器集成在一片半导体芯片上的微调电路。如果包含二极管开关的这种电路能够工作在2千兆以上，并且能够与压控振荡器集成在双极金属氧化物半导体上，就将更加可取。
本发明涉及单片高频压控振荡器微调电路。该电路包括有选择地连接在电压振荡器有源网络的第一和第二差分输入端之间的多个电容环路。与这些电容环路串联连接的多个二极管在被正向偏压时有选择地连接在第一和第二差分输入端之间的相应的电容环路。按照同样的方式，这些二极管在被反向偏压时有选择地断开第一和第二差分输入端之间的相应的电容环路。控制器把正向偏压施加给被选定电容环路的二极管，使该电容环路与压控振荡器的有源网络连接，把反向偏压施加给被选定电容环路的二极管，使该电容环路断开与有源网络的连接。电容环路中使用的二极管是双极互补金属氧化物半导体静电放电保护二极管，构成了可高频工作的开关。
为了更彻底理解本发明，以下参看附图作详细的描述，附图中：
图1是包含可高频工作的二极管开关的高频压控振荡器微调电路的功能方框图；
图2是图1所述压控振荡器微调电路另一实施例的功能方框图。
现在参看图1，该图是高频压控振荡器微调电路100的功能方框图。微调电路100通过包括第一差分输入信号120和第二差分输入信号130的差分信号对与高频压控振荡器的有源网络110连接。微调电路100包括多个电容环路140。每一电容环路包括第一电容器150、第二电容器155、第一二极管159和第二二极管160。通过连接有源网络110的第一差分输入信号120至第一电容器150的第一端子形成每一电容环路140。第一电容器150的第二端子与第一二极管159的第一端子连接，该二极管159的第二端子与第二二极管160的第一端子连接。第二二极管160的第二端子与第二电容器155的第一端子连接，该第二电容器155的第二端子与有源网络110的第二差分输入信号130连接。
与每一电容环路140连接的是第一电阻175和第二电阻176。控制器180也与第一二极管159的第二端子和第二二极管160的第一端子连接，以便提供偏压。第一电阻175的第一端子与第二二极管160的第二端子和第二电容器155的第一端子连接，而第一电阻175的第二端子与电压源190连接。第二电阻176的第一端子与第一二极管159的第一端子和第一电容器150的第二端子连接，而第二电阻176的第二端子与电压源190连接。
电压源190通过第一电阻175和第二电阻176把基准电压施加给第二二极管160的第二端子和第一二极管159的第一端子。为了有选择地将一个或多个电容环路140连接到有源网络110，控制器180这样把电压施加给第一二极管的第二端子和第二二极管的第一端子，即由控制器180、第一电阻175和第二电阻176提供的电压在第一二极管159和第二二极管160两端施加了正偏电压。
在正偏压状态下，第一二极管159和第二二极管160导电，使得第一电容器150和第二电容器155被有选择地连接在有源网络110的差分信号对之间。除了为微调电路提供电容外，第一电容器150和第二电容器155还起到阻止由控制器180、第一电阻175和第二电阻176产生的直流电压被提供给第一差分输入信号120和第二差分输入信号130的作用。阻断这些电压就防止了来自一个电容环路140的直流电压施加给另一个电容环路140的第一二极管159和第二二极管160。
在反偏压状态下，第一二极管159和第二二极管160不导电。此外，这样选择第一电阻175和第二电阻176的值，即第一电阻175和第二电阻176的电阻值相当大，例如为几千欧姆的量级。因此，尽管在第一二极管159和第二二极管160被反偏时，通过第一电阻175和第二电阻176在第一差分输入信号120和第二差分输入信号130之间形成了完整的电通路，但大的电阻值使得电容环路140实际上与差分输入对断开。
为了以相当高的频率、例如2千兆以上进行工作，第一二极管159和第二二极管160需要特定的操作特性。在这种应用中使用的理想二极管具有如下特性：在正偏压状态工作期间串联电阻rs较小，过渡时间1/τ较长，并且反偏结电容Cjo较小。虽然可用昂贵的半导体器件如砷化镓(GaS)制造包含微调电路和压控振荡器的集成电路芯片，但这种器件价格将高到令人无法接受。
在本发明的最佳实施例中，利用双极互补金属氧化物半导体(BiCMOS)制造工艺制造满足这些要求的便宜的二极管。虽然未被用作电路开关，但目前用于双极互补金属氧化物半导体的静电放电保护(ESD)的二极管具有所需的特性。例如，在飞利浦Qubic 1硅芯片制造工艺中，被归类为DB100W的静电放电保护二极管在正偏压状态下的串联电阻rs为3欧姆，τ为5纳秒，而反偏结电容Cjo为126毫微微法。这些数值足以满足本发明最佳实施例高于300兆赫的操作。在反偏压状态下，这种二极管的结电容在约1伏的反向偏压下约为50毫微微法。有关这种静电放电保护二极管的设计和操作的其它信息可参看飞利浦Qubic 1设计手册或类似的双极互补金属氧化物半导体设计手册。
除按照所需的频率进行操作外，这种双极互补金属氧化物半导体静电放电保护二极管的制造成本不高，并且容易与其它收发信机的功能度一起集成在一片半导体芯片上。虽然双极互补金属氧化物半导体二极管用于静电放电保护是从所周知的，但到目前为止业界尚未认识到其作为提供高速“片上”开关功能度的二极管的应用。
现在再参看图2，该图是图1所示压控振荡器定时电路一替代实施例的功能方框图。
图1描述的实施例说明了第一二极管159和第二二极管160的使用。虽然两个二极管的使用提供了第一差分输入信号120和第二差分输入信号130之间的平衡，还提供了更好的隔离，但一替代实施例可只使用一个二极管。去除第一二极管159和相关的第二电阻176就实现了一个二极管的使用。
该替代实施例增加了电阻170，其第一端子与控制器180连接，其第二端子与第二二极管160的第一端子连接。该替代实施例的操作类似于图1所述第一实施例的操作，但具有所需元件较少和因只使用一个二极管而串联电阻较小的优点。相反地，第一实施例具有能提供更好的隔离和能够平衡差分信号的优点。
图1和2的最佳实施例说明第一二极管159的阴极和第二二极管160的阴极分别与控制器180或电阻170的端子连接，在另一替代实施例(未示出)中，第一二极管159的阳极和第二二极管160的阳极与控制器180或电阻170的端子连接。在该实施例中，相应地反向由控制器180和电压源190施加给第一二极管159和第二二极管160的电压的极性。
虽然参看附图详细描述了本发明的方法和设备的最佳实施例，但应当懂得本发明不限于所述这些实施例，而是可在不超出权利要求书限定的范围的情况下作出各种改进。

Claims (9)

1.单片高频压控振荡器微调电路，包括：
多个电容环路，其中所述多个电容环路中的每一个是通过被连接在压控振荡器有源网络的第一和第二差分输入端之间而形成的；
与这些电容环路串联连接的多个二极管，这些二极管中的每一个二极管将多个电容环路中的相应的一个电容环路连接在第一和第二差分输入端之间；和
用于提供在所述多个二极管两端的正向偏压的控制器。
2.权利要求1的电路，还包括与多个二极管中每一个的第一端子连接的电压源，该电压源把基准电压施加给这些二极管的第一端子。
3.权利要求2的电路，其中的每一个电容环路包括串联连接的第一和第二二极管。
4.权利要求3的电路，还包括：
连接在电压源和第一二极管的第一端子之间的第一电阻；和
连接在电压源和第二二极管的第二端子之间的第二电阻。
5.权利要求2的电路，还包括：
连接在电压源和多个二极管中每一个的第一端子之间的第一电阻；和
连接在控制器和多个二极管中每一个的第二端子之间的第二电阻。
6.权利要求5的电路，其中的每一个电容环路包括：
连接在第一差分输入端和二极管的第二端子之间的第一电容器，该第一电容器将第一差分输入端与施加给二极管的第二端子的直流电压隔离开来；和
连接在第二差分输入端和二极管的第一端子之间的第二电容器，该第二电容器将第二差分输入端与施加给二极管的第一端子的直流电压隔离开来。
7.权利要求1的电路，其中的多个二极管是双极互补金属氧化物半导体二极管。
8.权利要求1的电路，其中的那些二极管是双极互补金属氧化物半导体静电放电保护二极管。
9.一种单片高频压控振荡器微调电路，它包括一个可高频操作的、把一集成电路的第一部分连接到该集成电路的第二部分的开关，该开关包括：
双极互补金属氧化物半导体静电放电保护二极管；
连接在该集成电路的第一部分和该二极管的第一端子之间的第一电容器，该第一电容器将该集成电路的第一部分与施加给该二极管的第一端子的直流电压隔离开来；和
连接在该集成电路的第二部分和该二极管的第二端子之间的第二电容器，该第二电容器将该集成电路的第二部分与施加给该二极管的第二端子的直流电压隔离开来。
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