CN117277968B - 一种用于压控振荡器的差分互补型可变电容 - Google Patents
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Abstract
本发明属于射频芯片技术领域，具体涉及一种用于压控振荡器的差分互补型可变电容，包括PMOS管、NMOS管、电感L1以及可变电容阵列Var。通过MOS管在饱和区和截至区产生两个不同的电容值，通过分割方法得到一系列工作在两个电容值的单元电容通过对这些单元电容设置不同的偏置电压，得到线性化的可变电容。可变电容阵列Var中的两个电容阵列是互补型阵列组成的差分可变电容，其对可变电容两端的共模噪声调制是互相抵消的，有效地提高了可变电容的线性度，及线性调节电压的范围，减小可变电容两端的共模干扰产生的调制相位噪声，在射频芯片中极大提高了通信系统能够的抗干扰能力。
Description
技术领域
本发明属于射频芯片技术领域，具体涉及一种用于压控振荡器的差分互补型可变电容。
背景技术
现有的可变电容电路，大都采用芯片代工厂提供的标准可变电容器件，比如：用二极管的结电容做成的可变电容。AMOS可变电容也就是NMOS管做在NWELL中的可变电容，这个是特殊MOS器件，也是目前芯片比较通用的可变电容器件。AMOS器件截面图，如图2所示。其电容增益曲线如图8所示。
现有技术不管是用二极管结电容，还是用AMOS可变电容，电容的线性度都不好，电压调节范围窄，如图8所示的可变电容增益曲线，在压控振荡器用到的控制电压0.4～1V区间，增益曲线体现很大的非线性，变化范围达到一倍左右。另外其没法避免噪声或干扰调制可变电容，恶化压控振荡电路的相位噪声。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于压控振荡器的差分互补型可变电容，过电容互补技术，抑制了噪声调制。采用可变电容阵列，极大提高了可变电容的线性度，通过设计及电路参数的调整使电压和电容的控制斜率非常平坦，而且范围很宽，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：一种用于压控振荡器的差分互补型可变电容，包括PMOS管、NMOS管、电感L1以及可变电容阵列Var，其中，PMOS管，其P1管和P2管的源极接电源VS，所述P1管的栅极接所述P2管的漏极接连接线RF_P，所述P2管的栅极接P1管的漏极接连接线RF_N；NMOS管，其N1管和N2管的源极接地，所述N1管的栅极接N2管的漏极接连接线RF_N，所述N2管的栅极接N1管的漏极接连接线RF_P；电感L1，其两端跨接在RF_N和RF_P之间；可变电容阵列Var，其跨接在RF_N和RF_P之间，其电源接VS，地接GND，可变电容阵列Var的VTN和VTP为差分控制电压；所述可变电容阵列Var包括nvar可变电容阵列、pvar可变电容阵列、nvar可变电容单元以及pvar可变电容单元。
优选地，所述VTN和VTP的电压关系为VTP＝VS-VTN。
优选地，所述pvar可变电容阵列包括：电阻串一，所述电阻串一包括串联的电阻Rp0，Rp1，Rp2～Rp20，Rp21，Rp22；镜像管PN_0和镜像管PN_1，所述镜像管PN_0和镜像管PN_1的电流流过所述电阻串一产生偏置电压一，所述偏置电压一包括Bp<0>，Bp<1>，Bp<2>～Bp<21>，Bp<22>，Bp<23>；其中，所述偏置电压一连接所述pvar可变电容阵列的偏置电阻阵列的BIAS端口。
优选地，所述nvar可变电容阵列包括：电阻串二，所述电阻串二包括串联的电阻Rn0，Rn1，Rpn2～Rn20，Rn21，Rn22；镜像管PN_2，所述镜像管PN_2的电流流过所述电阻串二产生偏置电压二，所述偏置电压二包括Bn<0>，Bn<1>，Bn<2>～Bn<21>，Bn<22>，Bn<23>；其中，所述偏置电压二连接所述nvar可变电容阵列的偏置电阻阵列的BIAS端口。
优选地，所述pvar可变电容阵列的VTP，gnd，P，N端口都接在一起，B IAS端口分别接偏置电压一；所述nvar可变电容阵列的P，N端口和nvar可变电容阵列的P，N分别接一起。
优选地，所述nvar可变电容阵列的VTN，vs，P，N端口分解接在一起，B IAS端口分别接偏置电压二；所述nvar可变电容阵列的P，N端口和pvar可变电容阵列的P，N分别接一起。
优选地，所述nvar可变电容单元，包括：本征MOS管、电容C1、电容C2、电阻R1以及电阻R2，其中：所述电容C1一端接端口P，另一端接电阻R1的一端和本征MOS管N1的栅极；所述电容C2一端接端口N，另一端接电阻R2的一端和本征MOS管N2的栅极；所述电阻R1和电阻R2的另外一端接nvar的端口BIAS，所述本征MOS管的N1和N2的漏极，源极都接在VTN端口，所述本征MOS管N1和N2的衬底接地。
优选地，所述端口P和端口N为可变电容的两端，VTP为控制电压，用来调节可变电容两端P和N的电容值。
优选地，所述pvar可变电容单元，包括：电容C3、电容C4、电阻R3以及电阻R4，其中：所述电容C3一端接端口P，另一端接电阻R3的一端和PMOS管P1的栅极；所述电容C4一端接端口N，另一端接电阻R4的一端和PMOS管P2的栅极；所述电阻R3和R4的另外一端接nvar的端口BIAS；所述PMOS管的P1和P2的漏极，源极都接在VTP端口，所述PMOS管P1和P2的NWLL接端口vs。
本发明的技术效果和优点：本发明提出的一种用于压控振荡器的差分互补型可变电容，与现有技术相比，具有以下优点：
本发明通过MOS管在饱和区和截至区产生两个不同的电容值，通过分割方法得到一系列工作在两个电容值的单元电容通过对这些单元电容设置不同的偏置电压，得到线性化的可变电容。可变电容阵列Var中的两个电容阵列是互补型阵列组成的差分可变电容，其对可变电容两端的共模噪声调制是互相抵消的，有效地提高了可变电容的线性度，及线性调节电压的范围，减小可变电容两端的共模干扰产生的调制相位噪声，在射频芯片中极大提高了通信系统能够的抗干扰能力。
附图说明
图1为传统的压控振荡器电路图；
图2为传统可变电容器件的物理截面图；
图3为本发明可变电容阵列设计的压控振荡器电路图；
图4为本发明的可变电容阵列的整体电路图；
图5为本发明的nvar可变电容单元电路图；
图6为本发明pvar可变电容单元电路图；
图7为本发明本征MOS器件物理结构截面图；
图8为传统的AMOS的电容增益曲线图；
图9为本发明可变电容阵列的电容增益曲线图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供了如图3所示的一种用于压控振荡器的差分互补型可变电容，包括PMOS管、NMOS管、电感L1以及可变电容阵列Var。
其中，PMOS管的P1管和P2管的源极接电源VS，所述P1管的栅极接所述P2管的漏极接连接线RF_P，所述P2管的栅极接P1管的漏极接连接线RF_N。NMOS管的N1管和N2管的源极接地，所述N1管的栅极接N2管的漏极接连接线RF_N，所述N2管的栅极接N1管的漏极接连接线RF_P。电感L1两端跨接在RF_N和RF_P之间。
可变电容阵列Var，其跨接在RF_N和RF_P之间，其电源接VS，地接GND，可变电容阵列Var的VTN和VTP为差分控制电压，其电压关系为Vtp＝VS-Vtn。Var可变电容阵列为本实施例中所要重点阐述的电路。具体如下。
示例性地，所述可变电容阵列Var由nvar可变电容阵列、pvar可变电容阵列、nvar可变电容单元以及pvar可变电容单元四部分构成。
如图4所示的，所述pvar可变电容阵列包括：电阻串一、镜像管PN_0和镜像管PN_1。
所述电阻串一包括串联的电阻Rp0，Rp1，Rp2～Rp20，Rp21，Rp22。所述镜像管PN_0和镜像管PN_1的电流流过所述电阻串一产生偏置电压一，所述偏置电压一包括Bp<0>，Bp<1>，Bp<2>～Bp<21>，Bp<22>，Bp<23>，这些偏置电压分别接24个pvar电容阵列的B IAS端口。
进一步的，由于图3中PMOS管P1和P2在不同的偏压下存在倍栅效应，因而每个电阻Rp0，Rp1，Rp2～Rp20，Rp21，Rp22的电阻值要根据P1和P2管的阈值电压的变化做相应的调整，才能保证每个单元的电容值的跳变比较一致，从而提高电容的线性度，以及互补nvar电容的一致性。
继续参照图4，所述nvar可变电容阵列包括：电阻串二和镜像管PN_2。
所述电阻串二包括串联的电阻Rn0，Rn1，Rpn2～Rn20，Rn21，Rn22。所述镜像管PN_2的电流流过所述电阻串二产生偏置电压二，所述偏置电压二包括Bn<0>，Bn<1>，Bn<2>～Bn<21>，Bn<22>，Bn<23>；这些偏置电压分别接24个nvar电容阵列的B IAS端口。
进一步的，由于NMOS管存在倍栅效应，因而每个电阻Rn0，Rn1，Rpn2～Rn20，Rn21，Rn22的电阻值要根据本征场效应晶体管的阈值电压的变化做相应的调整，才能保证每个单元的电容值的跳变比较一致，从而提高电容的线性度，以及和互补pvar电容的一致性。
所有的pvar可变电容阵列的VTP，gnd，P，N端口都接在一起，B IAS端口分别接Bp<23:0>；所述pvar可变电容阵列的P，N端口和nvar可变电容阵列的P，N分别接一起。
同理，所有的nvar可变电容阵列的VTN，vs，P，N端口分解接在一起，B IAS端口分别接Bn<23:0>；所述nvar可变电容阵列的P，N端口和pvar可变电容阵列的P，N分别接一起。
如图5所示，nvar可变电容单元电路组成的nvar可变电容阵列,本设计有24个子单元。
所述nvar可变电容单元，包括：本征MOS管、电容C1、电容C2、电阻R1以及电阻R2。其中：所述电容C1一端接端口P，另一端接电阻R1的一端和本征MOS管N1的栅极。所述电容C2一端接端口N，另一端接电阻R2的一端和本征MOS管N2的栅极。所述电阻R1和电阻R2的另外一端接nvar的端口B IAS，所述本征MOS管的N1和N2的漏极，源极都接在VTN端口，所述本征MOS管N1和N2的衬底接地。
通过仿真测试比较，本征MOS管相对普通NMOS管对设计的可变电容的线性度和互补性有比较好的改善。本征MOS是特殊器件如图7所示，MOS管直接做在PSUB衬底上，而不是标准NMOS管坐在PWELL。这一器件做法的不同使本征MOS具有比较小的VTH，再通过设计电容阵列，通过刻意的偏置使可变电容的调节范围得到很大的扩宽，线性度也有很大提升，如图9所示电容增益曲线。另外，所述端口P和端口N为可变电容的两端，VTP为控制电压，用来调节可变电容两端P和N的电容值。
如图6所示，pvar可变电容单元电路组成的pvar可变电容阵列，本设计有24个子单元。
所述pvar可变电容单元，包括：电容C3、电容C4、电阻R3以及电阻R4，其中：所述电容C3一端接端口P，另一端接电阻R3的一端和PMOS管P1的栅极。所述电容C4一端接端口N，另一端接电阻R4的一端和PMOS管P2的栅极。所述电阻R3和R4的另外一端接nvar的端口BIAS。所述PMOS管的P1和P2的漏极，源极都接在VTP端口。所述PMOS管P1和P2的NWLL接端口vs。
本实施例中通过电容互补技术，抑制了噪声调制。采用可变电容阵列，极大提高了可变电容的线性度，通过设计及电路参数的调整使电压和电容的控制斜率非常平坦，而且范围很宽。
电路采用的器件主要为电阻，电容,PMOS管(P型场效应管)和Nat iveMOS(本征场效应晶体管)。本征场效应晶体管是耗尽管，其导通阈值电压很低接近0V，设计上通过本征场效应晶体管电容阵列和不同的偏置电压达到非常宽的电压调节范围和极高的调节线性度。本征场效应晶体管器件的物理截面图如图7所示。这种器件的MOS管直接坐在PSUB衬底上，由于PSUB衬底的参杂不同，因而实现了很低的MOS开启电压，实现较稳定的MOS电容。图9所示的新的可变电容阵列架构，体现了非常好的线性度及电压调节范围，从测试的曲线看在0.4～1V的可用控制电压范围内，电容增益曲线非常平坦。
通过MOS管在饱和区和截至区产生两个不同的电容值，通过分割方法得到一系列工作在两个电容值的单元电容通过对这些单元电容设置不同的偏置电压，得到线性化的可变电容。本发明设计了两组24个单元电容阵列，这两个电容阵列是互补型阵列组成的差分可变电容，其对可变电容两端的共模噪声调制是互相抵消的。比如：
对本征场效应晶体管管(nat iveNMOS)做成的可变电容阵列Kf＝40MHZ/V,而PMOS管做成的可变电容阵列为-40MHZ/V，把这两个电容组合起来，由于这两个电容对共模干扰的Kf是相反的，因而干扰的电容调制会互相抵消，所以可变电容两端的共模噪声就不会被调制到信号上，提高了信号的相位噪声性能。总体来讲：
本发明提高了可变电容的线性度，及线性调节电压的范围。通过图8和图9的对比，可看出新的可变电容阵列架构具有非常大的优势。减小可变电容两端的共模干扰产生的调制相位噪声，在射频芯片中极大提高了通信系统能够的抗干扰能力。通过碎片化电容技术，利用MOS管在截至区和饱和区体现的两个电容值，通过不同的偏压，扩宽了电容的调节范围，并使其线性度得到了极大提高。设计中采用新的本征MOS器件对可变电容的线性度及调节范围有很大改善。通过PMOS和本征MOS管的电容互补特性，极大消除共模干扰调制的噪声。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种用于压控振荡器的差分互补型可变电容，其特征在于，包括PMOS管、NMOS管、电感L1以及可变电容阵列Var，其中，
PMOS管，其P1管和P2管的源极接电源VS，所述P1管的栅极接所述P2管的漏极接连接线RF_P，所述P2管的栅极接P1管的漏极接连接线RF_N；
NMOS管，其N1管和N2管的源极接地，所述N1管的栅极接N2管的漏极接连接线RF_N，所述N2管的栅极接N1管的漏极接连接线RF_P；
电感L1，其两端跨接在RF_N和RF_P之间；
可变电容阵列Var，其跨接在RF_N和RF_P之间，其电源接VS，地接GND，可变电容阵列Var的VTN和VTP为差分控制电压；所述可变电容阵列Var包括nvar可变电容阵列、pvar可变电容阵列、nvar可变电容单元以及pvar可变电容单元；
所述pvar可变电容阵列包括：电阻串一，所述电阻串一包括串联的电阻Rp0，Rp1，Rp2～Rp20，Rp21，Rp22；镜像管PN_0和镜像管PN_1，所述镜像管PN_0和镜像管PN_1的电流流过所述电阻串一产生偏置电压一，所述偏置电压一包括Bp<0>，Bp<1>，Bp<2>～Bp<21>，Bp<22>，Bp<23>；其中，所述偏置电压一连接所述pvar可变电容阵列的偏置电阻阵列的BIAS端口；
所述nvar可变电容阵列包括：电阻串二，所述电阻串二包括串联的电阻Rn0，Rn1，Rpn2～Rn20，Rn21，Rn22；镜像管PN_2，所述镜像管PN_2的电流流过所述电阻串二产生偏置电压二，所述偏置电压二包括Bn<0>，Bn<1>，Bn<2>～Bn<21>，Bn<22>，Bn<23>；其中，所述偏置电压二连接所述nvar可变电容阵列的偏置电阻阵列的BIAS端口；
所述pvar可变电容阵列的VTP，gnd，P，N端口，BIAS端口分别接偏置电压一；所述pvar可变电容阵列的P，N端口和nvar可变电容阵列的P，N分别接一起；
所述nvar可变电容阵列的VTN，vs，P，N端口，BIAS端口分别接偏置电压二；所述nvar可变电容阵列的P，N端口和pvar可变电容阵列的P，N分别接一起；
所述nvar可变电容单元，包括：本征MOS管、电容C1、电容C2、电阻R1以及电阻R2，其中：所述电容C1一端接端口P，另一端接电阻R1的一端和本征MOS管N1的栅极；所述电容C2一端接端口N，另一端接电阻R2的一端和本征MOS管N2的栅极；所述电阻R1和电阻R2的另外一端接nvar的端口BIAS，所述本征MOS管的N1和N2的漏极，源极都接在VTN端口，所述本征MOS管N1和N2的衬底接地；
所述pvar可变电容单元，包括：电容C3、电容C4、电阻R3以及电阻R4，其中：所述电容C3一端接端口P，另一端接电阻R3的一端和PMOS管P1的栅极；所述电容C4一端接端口N，另一端接电阻R4的一端和PMOS管P2的栅极；所述电阻R3和R4的另外一端接nvar的端口BIAS；所述PMOS管的P1和P2的漏极，源极都接在VTP端口。
2.根据权利要求1所述的一种用于压控振荡器的差分互补型可变电容，其特征在于，所述端口P和端口N为可变电容的两端，VTP为控制电压，用来调节可变电容两端P和N的电容值。
3.根据权利要求1所述的一种用于压控振荡器的差分互补型可变电容，其特征在于，所述PMOS管P1和P2的NWLL接端口vs。
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