CN204836136U - 一种频率自适应的可变电容电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型为一种频率自适应的可变电容电路，输入信号和参考信号接入鉴相鉴频器，后者比较二信号、输出信号控制电荷泵模块的s₀、s₁开关的通断，以对电容矩阵充电；电荷泵模块的输出分别连接比较器和电容矩阵；比较器的输出端连接电容矩阵的控制端和移位计数器；移位计数器输出端连接混频器；电容矩阵的输出端经电阻产生电容矩阵支路电压接入压控振荡器和比较器，压控振荡器输出端连接混频器，混频器输出参考信号接入鉴相鉴频器。电荷泵模块包括3个相同的N型MOS晶体管和2个相同的P型MOS晶体管。本电路电容矩阵的电容值可根据输入信号频率自适应地改变；结构简单,成本低廉,可以广泛应用于多模多频滤波器的设计中。

Description

一种频率自适应的可变电容电路

技术领域

本实用新型涉及自适应变电容电路结构技术,具体是指一种频率自适应的可变电容电路。

背景技术

在多模多频通信领域，多模多频滤波器结构中的电容往往需要具有随频率自适应变化的特性。由于MOS晶体管电容器阵列已经部分取代了变容二极管，并且得到快速的发展。因此基于MOS晶体管电容矩阵，构造一种电容值随频率变化的电路，具有广阔的应用前景。

2007年公开的申请号为200580033904.3中国实用新型专利申请公布说明书公开了“由MOS晶体管进行开关的电容器阵列”，是一种具有低损耗的集成可变电容，提出了一种开关阵列的拓朴布局和独立于电容的串联电阻，开关阵列完全地或部分地集成到可调谐LC滤波器和TV调谐器中。MOS晶体管电容矩阵能够实现电容值变化,但是此方案是通过数字电路对矩阵电路进行编码实现电容的自适应变化，结构较复杂，成本较高，难以广泛应用。

实用新型内容

本实用新型的目的是设计一种频率自适应的可变电容电路，包括锁相环电路与频率合成器电路，在输入信号频率与参考频率相差值固定时，重置电容矩阵和参考频率，实现本电路的电容值与输入信号频率变化自适应。

本实用新型设计的一种频率自适应的可变电容电路，包括电容矩阵和MOS晶体管构成的电荷泵模块，还包括鉴相鉴频器、比较器、压控振荡器、移位计数器和混频器,输入信号f_in和参考信号f_d接入鉴相鉴频器的输入端，鉴相鉴频器的输出端连接电荷泵模块的s₀、s₁开关，控制其通断；电荷泵模块的输出端分别连接比较器的输入端和电容矩阵的输入端；比较器的输出端连接电容矩阵的控制端和移位计数器的输入端；该移位计数器输出端连接混频器输入端；电容矩阵的输出端经电阻R_p产生电容矩阵支路电压V_cp接入压控振荡器的输入端和比较器的输入端，压控振荡器输出端连接混频器输入端，混频器输出端输出参考信号f_d接入鉴相鉴频器，鉴相鉴频器比较参考信号f_d与输入信号f_in。

所述鉴相鉴频器包括D触发器和与门逻辑门。

所述的电荷泵模块包括3个相同的N型MOS晶体管，还有2个相同的P型MOS晶体管；所述的第一P型MOS晶体管和第一N型MOS晶体管串联，即它们的漏极相连；第一P型MOS晶体管和第二P型MOS晶体管的栅极相连接并连接第一P型MOS晶体管和第一N型MOS晶体管的漏极，其接点引出电荷泵模块的参考电压V_ref输出端、接入比较器输入端；第一、第二和第三N型MOS晶体管的栅极相连接并连接第一、第二P型MOS晶体管的源极；第一、第二和第三N型MOS晶体管的源极相连接、接地，并连接电容矩阵的输出端；所述的第二P型MOS晶体管的漏极连接电荷泵模块的PMOS开关s₀，通过开关s₀和电阻R_p连接到电容矩阵的输入端；第二N型MOS晶体管的漏极连接电荷泵模块的NMOS开关s₁，通过开关s₁和电阻R_p连接到电容矩阵的输入端。s₀的活动接点与s₁的固定接点连接，并连接比较器的另一个输入端。

所述N型MOS晶体管和P型MOS晶体管的沟道宽长比不同，N型MOS晶体管的沟道宽长比与P型MOS晶体管的沟道宽长比的比值为0.2～0.5，在电路正常工作时，流过MOS晶体管漏极电流值均为i。

输入信号f_in和参考信号f_d同时输入鉴相鉴频器,f_d＝f₀+f_m，f₀为压控振荡器输出信号频率。鉴相鉴频器比较f_in和f_d，输入信号f_in和参考频率f_d的频率差值产生控制电荷泵模块的控制信号，控制信号控制电荷泵模块使之产生的输出信号作用于电容矩阵，决定电容矩阵支路电压V_cp的值。比较器比较输入的参考电压V_ref和电容矩阵支路电压V_cp，V_cp随电容充电逐渐增大，电容值改变的同时V_cp也随之改变，当V_Cp≥V_ref时，产生一个计数脉冲使得移位计数器重置电容矩阵并控制混频器。与此同时，电容矩阵支路电压V_cp控制压控振荡器输出信号频率f₀与输入信号频率f_in相同。当移位计数器的控制信号输入混频器后，触发混频器产生输出频率为f_d＝f₀+f_m的参考信号送入鉴相鉴频器，同时也送入电容矩阵；电容矩阵一方面根据电荷泵模块的控制信号进行动态变换,并利用接入混频器的信号频率f_m的可调特性，调节频率间隙△f的取值为(0.2～1.2MHz)，则最终使得重置的电容矩阵对应的电容值与参考信号频率f_d相适应。

所述鉴相鉴频器对输入信号f_in和参考信号f_d进行相位比较，它的输出端的输出信号连接电荷泵模块的s₀、s₁开关，控制其通断，以对电容矩阵充电,电流值为i。

压控振荡器输出电压为：△θ＝θ₀u(t)，θ₀为参考信号起始相位，c为当前接入本电路的电容矩阵电容值，s是拉普拉斯变换后的变量参数；w是输入信号角频率，j为虚数单位，拉普拉斯变换后的变量参数s＝jw。

N型MOS晶体管导通电阻简化表达式为：

$R_{on}=\frac{1}{U_n{C}_{ox}\frac{W}{L}(V_{gs}-Vth)}$

其中,W和L分别是N型MOS晶体管的沟道宽度和长度,V_gs、V_th分别是栅极电压和开启电压，U_n和C_ox是lC技术相关常数；U_n为电子迁移率，C_ox为单位面积的栅氧化层电容。

V_cp＝V_R+V_C；V_ref＝iR_on。

V_R是电阻R_P的电压，V_C是电容矩阵的电压，临界分析当V_cp＝V_ref且V_ref＝kV_R时，k为比例系数，即C'是电容矩阵的电容值，Q为电容矩阵的电荷量。

比较器输出计数脉冲。所述移位计数器得到比较器的计数脉冲信号后，输出重置电容矩阵和控制混频器的信号。

所述电容矩阵的输出端R_p连接到压控振荡电路的输入端，压控振荡电路的输出端连接混频器输入端。混频器获得频率为f_d的参考信号，f_d＝f₀+f_m。当输入信号频率f_in小于参考信号频率f_d+f_m时，计数器无控制信号，电容矩阵的电容值保持不变。而当输入信号频率f_in达到参考信号频率f_d+f_m时，计数器发出控制信号送入电容矩阵和混频器，重置电容矩阵和触发混频器，同时改变电容值和参考频率，此时输入信号频率f_in为f_d+f_m≤f_in≤f_d+2f_m。

与现有技术相比，本实用新型一种频率自适应的可变电容电路的优点为：1、电容矩阵的电容值可根据输入信号频率自适应地改变；2、结构简单,成本低廉,可以广泛应用于多模多频滤波器的设计中。

附图说明

图1为本频率自适应的可变电容电路实施例基本结构框图；

图2为本频率自适应的可变电容电路实施例电路连接示意图；

图3为本频率自适应的可变电容电路实施例电容矩阵结构示意图；

图4为本频率自适应的可变电容电路实施例电容矩阵电容值随频率变化曲线图。

图中标号为：

J、鉴相鉴频器、B、比较器，C、电容矩阵；

N₀、第一N型MOS晶体管，N₁、第二N型MOS晶体管，N₂、第三N型MOS晶体管，P₁、第一P型MOS晶体管，P₂、第二P型MOS晶体管。

具体实施方式

为了能够更清楚地描述本实用新型的技术内容,特举以下实施例和附图进一步详细说明。

本频率自适应的可变电容电路实施例基本结构如图1所示，包括电容矩阵C、5个MOS晶体管N₀、N₁、N₂、P₁和P₂构成的电荷泵模块、鉴相鉴频器J、比较器B、压控振荡器、移位计数器和混频器,输入信号f_in和参考信号f_d接入鉴相鉴频器J的输入端，鉴相鉴频器J的输出端连接电荷泵模块的s₀、s₁开关，控制其通断；电荷泵模块的输出端分别连接比较器B的输入端和电容矩阵C的输入端；比较器B的输出端连接电容矩阵C的控制端和移位计数器的输入端；该移位计数器输出端连接混频器输入端；电容矩阵C的输出端经电阻R_p产生电容矩阵支路电压V_cp接入压控振荡器的输入端和比较器B的输入端，压控振荡器输出端连接混频器输入端，混频器输出端输出参考信号f_d接入鉴相鉴频器J，鉴相鉴频器J比较参考信号f_d与输入信号f_in。

本例所述鉴相鉴频器J包括D触发器和与门逻辑门。

本例电容矩阵为8位矩阵，其结构如图3所示，矩阵中各支路包括电容C₀～C₇和MOS管开关b₀～b₇，移位计数器输出控制电压信号，各支路的MOS管开关高电平导通、低电平关断，各支路电容值如表1所示。

表1本实施例电容矩阵中各支路对应电容值(单位：pf)

C0	C1	C2	C3	C4	C5	C6	C7
								0.5	0.8	1.2	1.5	1.8	2.5	2.8	3.0

本例对应的移位计数器为8进制。

如图2所示，接入本例电路的直流电压为V_DD，本例电荷泵模块包括3个相同的N型MOS晶体管N₀、N₁和N₂，还有2个相同的P型MOS晶体管P₁和P₂；本例N型MOS晶体管沟道宽W长L，P型MOS晶体管的沟道宽Wp长Lp，它们的宽长比如下： $\frac{W}{L}:\frac{W_p}{L_p}=1:4.$

本例第一P型MOS晶体管P₁和第一N型MOS晶体管N₁串联，即它们的漏极相连；、第一P型MOS晶体管P₁和第二P型MOS晶体管P₂的栅极相连接并连接第一P型MOS晶体管P₁和第一N型MOS晶体管N₁的漏极，其接点引出电荷泵模块的参考电压V_ref输出端、接入比较器输入端；第一N型MOS晶体管N₀、第二N型MOS晶体管N₁和第三N型MOS晶体管N₂的栅极相连接并连接第一、第二P型MOS晶体管P₁和P₂的源极；第一、第二和第三N型MOS晶体管N₀、N₁和N₂的源极相连接、接地，并连接电容矩阵C的输出端；所述的第二P型MOS晶体管P₂的漏极连接电荷泵模块的PMOS开关s₀，通过开关s₀和电阻R_p连接到电容矩阵C的输入端；第二N型MOS晶体管N₂的漏极连接电荷泵模块的NMOS开关s₁，通过开关s₁和电阻R_p连接到电容矩阵C的输入端。s₀的活动接点与s₁的固定接点连接，并连接比较器B的另一个输入端。在电路正常工作时，流过各MOS晶体管漏极电流值均为i。

如图2所示，输入比较器B的V_cp为电容矩阵支路电压，V_ref为参考电压；同时输入鉴相鉴频器J的输入信号f_in和参考信号f_d的频率差值决定电荷泵模块的控制信号、决定电压值V_cp的值。当电压值V_Cp≥V_ref时，比较器B产生一个计数脉冲使得移位计数器发出控制信号重置电容矩阵C并控制混频器的工作；电容矩阵C与R_p产生电容矩阵支路电压V_cp、控制压控振荡器的信号使压控振荡器输出信号频率f₀与输入频率相同。当移位计数器控制信号触发混频器产生输出频率为f_d＝f₀+f_m的信号；最终使得重置的电容矩阵C的电容值与参考频率f_d相适应，且电容矩阵C跟随输入信号进行动态变换,利用接入混频器的信号频率f_m的可调特性，调节频率间隙△f。fm为固定频率信号，可直接外接正弦信号进行仿真实验，电路的实际运行中，该fm由压控振荡器产生。本实施例频率间隙△f＝f_m＝0.6MHz。f_d初始频率为1.2MHz，电容矩阵C初始值C＝0.5p，当f_in＝f_d+△f＝1.8MHz时，电路重置,电容矩阵C和混频器使电容值和参考频率f_d同时发生改变；电容矩阵C电容值C′＝0.8p，f_d′＝2.4MHz。改变电容矩阵C接入的不同支路，电容矩阵C得到不同的电容值，本实施例电容矩阵C的电容值与频率自适应的结果如图4所示。图4中横坐标为频率f，单位为MHz；纵坐标为电容矩阵C的电容值C’，单位为pF。由图4可见，本例电路的电容矩阵C的电容值随频率的提高同步自适应增大，

上述实施例，仅为对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进一步详细说明的具体个例，本实用新型并非限定于此。凡在本实用新型的公开的范围之内所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种频率自适应的可变电容电路，包括电容矩阵(C)和MOS晶体管构成的电荷泵模块，其特征在于：

还包括鉴相鉴频器(J)、比较器(B)、压控振荡器、移位计数器和混频器,输入信号f_in和参考信号f_d接入鉴相鉴频器(J)的输入端，鉴相鉴频器(J)的输出端连接电荷泵模块的s₀、s₁开关，控制其通断；电荷泵模块的输出端分别连接比较器(B)的输入端和电容矩阵(C)的输入端；比较器(B)的输出端连接电容矩阵(C)的控制端和移位计数器的输入端；该移位计数器输出端连接混频器输入端；电容矩阵(C)的输出端经电阻R_p产生电容矩阵支路电压V_cp接入压控振荡器的输入端和比较器(B)的输入端，压控振荡器输出端连接混频器输入端，混频器输出端输出参考信号f_d接入鉴相鉴频器(J)，鉴相鉴频器(J)比较参考信号f_d与输入信号f_in。

2.根据权利要求1所述的频率自适应的可变电容电路，其特征在于：

所述鉴相鉴频器(J)包括D触发器和与门逻辑门。

3.根据权利要求1所述的频率自适应的可变电容电路，其特征在于：

所述的电荷泵模块包括3个相同的N型MOS晶体管(N₀、N₁和N₂)，还有2个相同的P型MOS晶体管(P₁和P₂)；所述的第一P型MOS晶体管(P₁)和第一N型MOS晶体管(N₁)串联，即它们的漏极相连；第一P型MOS晶体管(P₁)和第二P型MOS晶体管(P₂)的栅极相连接并连接第一P型MOS晶体管(P₁)和第一N型MOS晶体管(N₁)的漏极，其接点引出电荷泵模块的参考电压V_ref输出端、接入比较器(B)输入端；第一、第二和第三N型MOS晶体管(N₀、N₁和N₂)的栅极相连接并连接第一、第二P型MOS晶体管(P₁和P₂)的源极；第一、第二和第三N型MOS晶体管(N₀、N₁和N₂)的源极相连接、接地，并连接电容矩阵(C)的输出端；所述的第二P型MOS晶体管(P₂)的漏极连接电荷泵模块的PMOS开关s₀，通过开关s₀和电阻R_p连接到电容矩阵(C)的输入端；第二N型MOS晶体管(N₂)的漏极连接电荷泵模块的NMOS开关s₁，通过开关s₁和电阻R_p连接到电容矩阵(C)的输入端；s₀的活动接点与s₁的固定接点连接，并连接比较器(B)的另一个输入端。

4.根据权利要求3所述的频率自适应的可变电容电路，其特征在于：

所述N型MOS晶体管和P型MOS晶体管的沟道宽长比不同，N型MOS晶体管的沟道宽长比与P型MOS晶体管的沟道宽长比的比值为0.2～0.5；在电路正常工作时，流过MOS晶体管漏极电流值均为i。