CN1758530A - 压控振荡器 - Google Patents
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Abstract
通过反馈电阻(1)、放大器(2)和石英振动器(3)构成的振荡器电路具有负荷电阻。在源极和漏极端被短路的MOS晶体管(5、6)具有在源极－漏极端(source－drain terminal)和栅极端之间产生的、作为可变电容的电容。在石英振动器(3)的一个和其它端子以及交流地端子(AC ground terminal)之间配置了DC截断电容(8、9)和可变电容(MOS晶体管(5、6))的串联。例如，用于MOS晶体管(5、6)的门限电压控制信号通过高频去除电路(10、11)被输入到源极－漏极端。同时，向栅极端输入温度补偿控制信号和外部电压频率控制信号被叠加在一起的信号。这使得也可能按照期望来确定到温度补偿控制电路和外部电压频率控制电路的输出偏压。
Description
技术领域
本发明涉及压控振荡器，具体涉及一种用作在电压控制下的温度补偿的石英振荡器的压控振荡器。
背景技术
近来，由于诸如蜂窝电话这样的移动通信装置的迅速进步，那些通信装置需要许多增加的功能，包括温度补偿性能、尺寸减小、提高使用频率等。因此，在这样的通信装置中，对于被用作通信频率的基准的石英振荡器需要温度补偿性能、尺寸减小、提高使用频率等。
温度补偿石英振荡器是具有温度补偿功能并且减小由于温度变化而导致的频率变化的石英振荡器，它被广泛地用作蜂窝电话等的基准频率源。压控振荡器具有作为在振动环中的可变电容的可变电容元件，它能够根据电压来改变电容值。通过控制可变电容元件的端电压，通过改变负荷电容值而在频率方面控制振荡器。温度补偿石英振荡器包括这样的振荡器：通过控制压控振荡器的可变电容端电压来消除石英振荡器(压电振动器)的温度特性。
近来，对于温度补偿石英振荡器，除了相位噪声减小、启动时间减少、温度补偿精度提高等之外，还进行减小尺寸的努力。石英振荡器的尺寸减小是实现石英振荡器的尺寸减小所必需的。但是，有一个总的趋势：频率变化与可变电容变化的比值随着石英振荡器的尺寸的减小而减小。
因此，需要对于被用作负荷电容的可变电容，增加相对于控制电压的电容变化量。例如，如在JP-A-2003-318417和JP-A-11-220329中所示，通过使用在其源极和漏极端短路的MOS晶体管的源极-漏极端(source-drain terminal)和栅极端之间引起的电容，可以对于控制电压变化获得大的电容值变化，因此改善了在石英振荡器上的频率变化中的灵敏度的增加(见图7)。
例如，如图8中的压控振荡器的示例所示，提出了一种压控振荡器，它具有放大器，它具有反馈电阻1和反相器2；压电振动器3以及第一和第二MOS晶体管5、6，所述第一和第二MOS晶体管5、6作为可变电容而连接到压电振动器的相应端子。在可变电容中，第一和第二MOS晶体管5、6在源极-漏极端被短路。在第一和第二MOS晶体管的源极-漏极端和栅极之间产生的电容由连接到栅极端的电压源7来控制。
在压控振荡器中，在MOS晶体管的源极-漏极端和栅极端之间产生的电容作为可变电容而直接连接到振荡电路的放大器和石英振动器(压电振动器)。由于MOS晶体管的栅极电压的控制，通过改变在源极-漏极端和栅极端之间出现的电容来控制频率。在这种情况下，当MOS晶体管的栅极电压变为(源极-漏极端电压+门限电压)时，在栅极氧化膜下形成沟道以增加在栅极端和所述沟道、即源极-漏极端之间的电容。(这个电压被当作电容切换电压(capacitance switch-over voltage))。
作为如上所述的传统压控振荡器的第一问题，存在一个问题：因为在振荡器电路的放大器端上确定在漏极端处的DC偏压，因此不能将电容切换电压设置到期望值，因而使得不可能控制关于期望的栅极电压的频率。
同时，作为第二问题，在通常的CMOS处理中，电容切换电压根据MOS晶体管门限变化和温度特性而改变。在现有技术中，要求温度补偿控制信号和外部电压频率控制信号具有用于消除MOS晶体管门限变化的特性和温度特性。
而且，作为第三问题，存在一个问题：因为当等于或小于电容切换电压时电容值大，因此频率可变范围窄。这是因为频率对电容特性描述了指数曲线，因此在当等于或小于电容切换电压时电容值大的情况下相对于电容变化的频率可变范围窄。
为此，为了便于使用在MOS晶体管的源极-漏极端和栅极端之间引起的电容的石英振荡器的设计和投入使用，需要增加在MOS晶体管端子之间出现的电容或者通过使用阵列结构来增加电容，并且独立于温度补偿控制信号和外部电压频率控制信号而控制MOS晶体管门限电压控制信号。
发明内容
本发明考虑到上述情况而被做出，其目的是提供一种压控振荡器，它可以在尺寸上减小而不减小在压控振荡器中的频率可变范围。
即，目的是提供一种压控振荡器，它能够通过防止在MOS晶体管端子之间出现的电容的电容值在电容切换电压或更低的电压上增加的改进，而独立于温度补偿控制信号和外部电压频率控制信号来控制MOS晶体管的门限电压。
为了实现上述目的，按照本发明的压控振荡器包括：放大器，具有反相器和反馈电阻；压电振动器；和可变电容部件，它由可变电容和第一和第二DC截断电容形成，所述可变电容被提供作为在压电振动器的两端之间的负荷电容；其中，通过第一和第二MOS晶体管来配置可变电容；第一MOS晶体管在源极-漏极端被短路，第一和第二MOS晶体管的源极-漏极端和栅极端用于产生电容；具有相反相位的振荡电压被施加到所述源极-漏极端和栅极端，按照被输入到第一MOS晶体管的源极-漏极端的第一控制信号和被输入到第二MOS晶体管的栅极端的第二控制信号来控制振荡频率。
按照这种配置，因为通过仅仅改变第一和第二MOS晶体管的连接，可以最小化电容值和可以在电容切换电压或更低的电压上增加频率可变量而不用增加元件的数量，因此，所述器件本身被保持在减小的尺寸。同时，通过使用独立可控的第一和第二控制信号，可以通过控制MOS晶体管门限电压来控制电容切换电压，使得有可能改变关于期望的控制电压值的频率。同时，因为在第一和第二MOS晶体管的栅极和源极-漏极端之间有180度的相差，因此MOS可变电容(变抗器)由于镜像效应而具有等于两倍的电容值的电容值。因此，有可能使得MOS变抗器的频率变化与控制电压变化的比值--称为频率可变灵敏度——大。同时，因为控制电压的动态范围宽，因此可以使得频率变化宽度大。这可以减小第一和第二MOS晶体管的尺寸，因此使得芯片尺寸减小。
同时，在按照本发明的压控振荡器中，可变电容部件与在反相器的两端之间和压电振动器的两端之间的第一和第二DC截断电容连接。
按照这种配置，因为就从压电振动器来考虑的电容值而言，所述可变电容以及第一和第二DC截断电容并联，因此作为可变电容的第一和第二MOS晶体管可以在电容宽度绝对值上被增加。
同时，本发明的压控振荡器包括：通过在压电振动器的两端之间配置的第一DC截断电容、可变电容和第二DC截断电容的串联而形成可变电容部件。
按照这种配置，因为从压电振动器考虑的电容值被提供为第一DC截断电容、可变电容和第二DC截断电容的串联，因此，虽然作为可变电容的第一和第二MOS晶体管在电容宽度绝对值上减小，但是有增加负电阻以减少启始时间的优点。
同时，本发明的压控振荡器包括：第一控制信号是温度补偿控制信号和外部电压频率控制信号重叠在一起的信号，第二控制信号是MOS晶体管门限电压控制信号。
按照这种配置，有可能抑制在压电振动器温度补偿和外部电压频率中的变化。
同时，本发明的压控振荡器包括：第一控制信号是MOS晶体管门限电压控制信号，第二控制信号是温度补偿控制信号和外部电压频率控制信号重叠在一起的信号。
按照这种配置，可以抑制在温度补偿和外部电压频率中的变化。
同时，本发明的压控振荡器包括：可变电容部件具有多个可变电容，以通过输入彼此独立的控制信号来控制振荡频率。
按照这种配置，可以加宽电容可变宽度。
同时，本发明的压控振荡器包括：第一和第二控制信号要被输入的端子具有包括MOS晶体管门限电压变化消除功能的电路。
按照这种配置，有可能消除在MOS晶体管门限电压中的变化和增加输出。
同时，本发明的压控振荡器包括：第一和第二控制信号要被输入的端子具有包括温度特性变化消除功能的电路。
按照这种配置，有可能消除在MOS晶体管门限电压中的变化和增加输出。
同时，本发明的压控振荡器包括：第一和第二控制信号要被输入的端子具有包括调整电路的电路，所述调整电路包括非易失性存储介质，用于存储调整电压。
按照这种配置，在预先确定的调整门限电压被存储在非易失性存储介质中的情况下有可能进行精确的调整，以便可以通过读出非易失性存储介质来进行调整。
以这种方式，可以最小化电容值，并且可以由于压电振动器负荷电容和频率特性而在电容切换电压或更低的电压上增加频率可变量。可以通过独立于温度补偿控制信号和外部电压频率控制信号而控制MOS晶体管门限电压来控制电容切换电压，因此使得能够改变关于期望的控制电压值的频率。
按照本发明，通过在电容切换电压或更低的电压上将电容值最小化，有可能进行频率扩展。同时，通过独立于温度补偿控制信号和外部电压频率控制信号而控制MOS晶体管门限电压，可以控制电容切换电压，因此使得能够改变关于期望的控制电压值的频率。
同时，可以独立于温度补偿控制信号和外部电压频率控制信号而输入用于消除MOS晶体管门限电压变化和温度特性的信号，因此有助于温度补偿控制电路和外部电压频率控制电路的设计。
以这种方式，提供了将使用在MOS晶体管端子之间的电容的压控振荡器投入实际应用的效果。
附图说明
图1是示出在本发明的实施例1中的压控振荡器的示意配置的电路图。
图2是示出在本发明的实施例2中的压控振荡器的示意配置的电路图。
图3是示出在本发明的实施例3中的具有多个可变电容部件的压控振荡器的示意配置的电路图。
图4是示出在本发明的实施例4中的具有多个可变电容部件的压控振荡器的示意配置的电路图。
图5是示出在本发明的实施例5中的具有变化消除电路的压控振荡器的示意配置的电路图。
图6是示出在本发明的实施例6中的具有调整电路的压控振荡器的示意配置的电路图。
图7是示出说明实施例1的C-V特性和f-V特性的图。
图8是示出在现有技术中的压控振荡器的示意配置的电路图。
具体实施方式
现在参照附图来说明本发明的实施例。
图1是示出在本发明的实施例1中的压控振荡器的示意配置的电路图。
(实施例1)
在实施例1的压控振荡器中，提供了例如作为可变电容的第一MOS晶体管13，在其源极和漏极端短路，第二MOS晶体管14在其源极端与第一MOS晶体管13的源极和漏极端短路。第一和第二MOS晶体管13、14具有后栅极端子(back-gate terminal)，它们与第二MOS晶体管14的源极端短路。同时，第一和第二MOS晶体管13、14具有短路在一起的栅极端。因此，使用在第一MOS晶体管13的源极和漏极端、第二MOS晶体管14的漏极端以及第一和第二MOS晶体管的栅极端之间的电容来构成可变电容器件。
即，所述压控振荡器示出了由放大器、石英振荡器3和负荷电阻构成的振荡器电路，所述放大器具有形成反馈电路的反馈电阻1和反相器2，如图1所示。所述负荷电阻由可变电容构成，所述可变电容使用在第一MOS晶体管的源极和漏极端、第二晶体管的漏极端以及第一和第二MOS晶体管的栅极端之间的电容。
图7示出了在那些MOS晶体管的端子之间出现的电容的C-V特性和f-V特性。使用传统MOS晶体管之间的特性由虚线示出。从图7可以看出，电容C在将把施加于一个端子的电压加上门限电压所得到的电压上迅速变化。因为可以按照被施加到另一个端子的MOS晶体管门限电压控制信号来按照期望选择电压V，因此可以按照期望选择电容切换电压、即在其上的频率被切换的电压。这使得有可能按照期望来确定到温度补偿控制电路和外部电压频率控制电路的输出偏压，因而有助于设计。
同时，通过采用与变化和温度特性相反的特性中的电压来作为MOS晶体管门限电压控制信号，可以消除温度特性。可以独立于温度补偿信号和外部频率控制信号而消除电容切换电压变化和温度特性。而且，使得温度补偿控制电路和外部电压频率控制电路容易设计。
同时，在实施例1中，在MOS晶体管的栅极和源极-漏极端之间有180度的相变。在这种情况下，由于镜像效应，MOS可变电容(变抗器)在电容上变得等于双倍的电容值，有可能使得在MOS变抗器上的频率变化与控制电压变化的比值——被称为频率可变灵敏度——大。同时，因为控制电压使得其动态范围加宽，因此可以使得频率变化宽度大。这可以减小第一和第二MOS晶体管13、14的尺寸，这有助于减小芯片大小。
(实施例2)
图2是示出在本发明的实施例2中的压控振荡器的示意配置的电路图。
实施例2示出了一个振荡电路，它由形成反馈电路的反馈电阻1、放大器2和石英振荡器3构成。使用串联104作为负荷电容，所述串联104具有第一DC截断电容8、由上述的实施例的MOS晶体管13、14形成的可变电容和第二DC截断电容9的直接连接。
同时，作为电容的第一和第二MOS晶体管13、14具有栅极端和源极-漏极端，通过高频去除电阻15、16向所述栅极端和源极-漏极端输入MOS晶体管门限值控制信号或温度补偿控制信号和外部电压频率控制信号中的任何一个。
其它的类似于实施例1，并且省略说明，因此向相同的元件附上相同的附图标号。
按照这种配置，虽然频率可变范围比具有实施例1的配置的压控振荡器的频率可变范围减小，但是从压电振荡器考虑的负荷电容减小。因此，所述振荡电路减小了其负电阻，使得能够改善用于压控振荡电路的启动时间。
即，因为使用MOS晶体管作为可变电容来进行配置，本实施例将频率相对于控制电压改变100ppm或更大，因此保证了足以进行温度补偿和外部频率控制的频率变化宽度。因为不需要增加元件的数量，因此使得尺寸减小成为可能。这使得能够实现小尺寸的石英振荡器。
顺便提及，可以使得实施例1和2通过高频去除电阻15、16来向作为电容的MOS晶体管的栅极端和源极-漏极端输入MOS晶体管门限电压控制信号或温度补偿信号和外部电压频率控制信号中的任何一个。这可以减小在温度特性中的变化和进行外部频率控制。
图3是示出在本发明的实施例3中的压控振荡器的示意配置的电路图。
实施例3的特征在于所述MOS晶体管被划分为多个，如图3所示，以便形成两组可变电容，该配置使得能够在与在上述的第一和第二实施例中所示出的类似地执行控制的同时，通过温度补偿控制信号和外部电压频率控制信号来独立地控制电容切换电压。
在这个实施例中，除了实施例2之外，由第一MOS晶体管13和第二MOS晶体管14形成的可变电容元件还被提供作为第一可变电容。与此同时，第三MOS晶体管13S在其源极端S3和漏极端D3短路，以进一步将其与第四MOS晶体管14S的漏极端D4短接。第三和第四MOS晶体管13S、14S的后部栅极端BG3、BG4与第四MOS晶体管14S的源极端S4短路。同时，第三和第四MOS晶体管13S、14S的栅极端G3、G4被短路在一起。因此，使用在第三MOS晶体管13S的源极和漏极端S3、S4、第四MOS晶体管14S的漏极端D2以及第三和第四MOS晶体管的栅极端G3、G4之间的电容来构成第二可变电容器件。
同时，取代在实施例2中向可变电容输入的第一控制信号S1，这个实施例通过变化消除电路41向第一可变电容器件的栅极端输入第三控制信号，所述变化消除电路41用于消除来自第一控制信号产生电路21的温度特性。同时，取代第二控制信号S2，这个实施例通过用于控制外部电压频率的外部电压频率控制电路42从第二控制信号产生电路22向第一可变电容器件的源极-漏极端输入第四控制信号，并且通过用于控制MOS晶体管门限电压的MOS晶体管门限电压控制电路43来从第三控制信号产生电路23向第二可变电容器件的源极-漏极端输入第五控制信号。其它的类似于实施例2的压控振荡器。即，压控振荡器示出了由放大器、石英振荡器3和负荷电阻构成的振荡器电路，所述放大器包括形成反馈电路的反馈电阻1和反相器2，如图3所示。如上所述的第一和第二电容器件连接来作为负荷电容。
这种配置用于在与在第一和第二实施例中所示出的类似地执行控制的同时，消除在诸如第一和第二MOS晶体管的电路元件上的温度特性和外部电压频率变化。而且，它可以独立地控制压电振动器的温度补偿。
(实施例4)
图4是示出在本发明的实施例4中的压控振荡器的示意配置的电路图。
实施例4在下面的方面类似于实施例3：MOS晶体管被划分为多个以形成两组可变电容。但是，其特征在于独立的控制信号也要被分别输入到第一和第二电容器件的栅极端，如图4所示。
这个实施例具有消除电路，用于与实施例3类似地消除变化，以通过用于消除温度特性的第一变化消除电路41a从第一变化控制信号产生电路21a向第一可变电容器件的栅极端输入第三控制信号。同时，通过用于消除MOS晶体管门限变化的第二变化消除电路41b从第二变化控制信号产生电路21b向第二可变电容器件的栅极端输入第六控制信号。同时，通过用于控制外部电压频率的外部电压频率控制电路42从第三控制信号产生电路22向第一可变电容器件的源极-漏极端输入第四控制信号。即，这个压控振荡器示出了由放大器、石英振荡器3和负荷电阻构成的振荡电路，所述放大器包括形成反馈电路的反馈电阻1和反相器2。上述的第一和第二电容器件连接来作为负荷电容。
这个配置可以在与在第一和第二实施例中示出的类似地执行电容切换电压的控制的同时独立地控制温度补偿控制信号、外部电压频率控制信号和电路元件温度特性变化控制信号。
(实施例5)
除了实施例2的压控振荡器之外，在实施例5中的压控振荡器还被配置为具有变化消除电路105，它具有用于消除MOS晶体管门限变化和温度特性的功能，如图5所示。
增加变化消除电路105使得可以消除MOS晶体管门限电压变化和温度特性变化。
通过形成电流镜的两个MOS晶体管32、33、连接到MOS晶体管之一的源极的电阻30、31、连接到其漏极的第三MOS晶体管34、比较器36和电阻35、47来配置变化消除电路105。其它类似于图2所示的实施例2，因此省略说明。
所述MOS晶体管具有电容切换电压，它在与MOS晶体管的门限电压相同的方向上变化。因此，通过经由变化消除电路105向电容切换控制端输入其电压在用于消除电容切换电压的变化的方向上变化的信号，可以消除MOS晶体管门限电压变化和温度特性。
(实施例6)
图6是示出在本发明的实施例6中的压控振荡器的示意配置的电路图。
实施例6的特征在于通过预先存储的从调整电路106输出的值来调整电容切换电压，如图6所示。
这种方法是通过下述方式实现的：即在发货时在非易失性存储介质PROM等中存储调整值，以便用于消除在MOS晶体管门限电压中的变化的电容切换电压可以在扩散处理期间被应用到/调整到电容切换控制端。
顺便提及，所述实施例虽然被例示为NMOS晶体管，但是也可以使用PMOS晶体管来实现。
按照本发明的压控振荡器可以通过使用在其源极和漏极端短路在一起的MOS晶体管的源极-漏极端和栅极端之间产生的、作为可变电容的电容来控制振荡频率，所述压控振荡器因此可用作压控温度补偿石英振荡器等。
Claims (9)
1.一种压控振荡器，包括：
放大器，具有反相器和反馈电阻；
压电振动器；和
可变电容部件，由可变电容以及第一和第二DC截断电容形成，所述可变电容被提供作为在压电振动器的两端之间的负荷电容；
其中，通过第一和第二MOS晶体管来配置可变电容；
第一MOS晶体管在源极-漏极端被短路，第一和第二MOS晶体管的源极-漏极端和栅极端用于产生电容；
具有相反相位的振荡电压被施加到所述源极-漏极端和栅极端，按照被输入到第一MOS晶体管的源极-漏极端的第一控制信号和被输入到第二MOS晶体管的栅极端的第二控制信号来控制振荡频率。
2.按照权利要求1的压控振荡器，其中，可变电容部件与在反相器的两端之间和压电振动器的两端之间的第一和第二DC截断电容连接。
3.按照权利要求1的压控振荡器，其中，通过在压电振动器的两端之间配置的第一DC截断电容、可变电容和第二DC截断电容的串联而形成可变电容部件。
4.按照权利要求1的压控振荡器，其中，第一控制信号是温度补偿控制信号和外部电压频率控制信号重叠在一起的信号，第二控制信号是MOS晶体管门限电压控制信号。
5.按照权利要求1的压控振荡器，其中，第一控制信号是MOS晶体管门限电压控制信号，第二控制信号是温度补偿控制信号和外部电压频率控制信号重叠在一起的信号。
6.按照权利要求1的压控振荡器，其中，所述可变电容部件具有多个可变电容，以通过输入彼此独立的控制信号来控制振荡频率。
7.按照权利要求1的压控振荡器，其中，第一和第二控制信号要被输入的端子具有包括MOS晶体管门限电压变化消除功能的电路。
8.按照权利要求1的压控振荡器，其中，第一和第二控制信号要被输入的端子具有包括温度特性变化消除功能的电路。
9.按照权利要求7的压控振荡器，其中，所述端子具有包括调整电路的电路，所述调整电路包括非易失性存储介质，用于存储调整电压。
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