FR2867921A1 - Oscillateur cmos commande par la tension, a modulation directe - Google Patents
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Abstract
Ce modulateur à condensateur variable destiné à être utilisé dans un oscillateur commandé par la tension comprend un bloc différentiel (10) de varactors, des condensateurs de couplage (20) pour connecter des noeuds (12) dudit bloc de varactors à un circuit bouchon (14), et des moyens (26) connectés entre lesdits noeuds respectifs et la masse pour ajuster le gain du modulateur à condensateur variable.Application notamment aux oscillateurs CMOS VCO à modulation directe.
Description
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La présente invention concerne le domaine des systèmes de communication saris fil et en particulier un oscillateur commandé variable destiné à être utilisé dans de tels systèmes.
Le marché en croissance rapide des systèmes de communication personnels, des systèmes radiomédicaux implantés et des systèmes d'assistance acoustique sans fil conduit à une demande croissante de circuits intégrés (IC) à fréquence radio (RF) plus intégrés et plus efficaces. Il est exigé que ces circuits intégrés fonctionnent avec des tensions d'alimentation inférieures à 2 V et quelquefois avec une tension réduite jusqu'à 1 V avec une consommation minimale de courant à des fréquences atteignant jusqu'à plusieurs GHz Les récents progrès de la technologie CMOS ont amélioré considérablement la fréquence d'émission des dis-positifs CMOS et ont fait de la technologie CMOS un choix viable pour des circuits intégrés RF en permettant une solution monopuce rentable.
L'émetteur est l'un des blocs consommant le plus de puissance de systèmes sans fil. Pour réaliser une économie de courant, il est avantageux d'utiliser un oscillateur commandé par la tension (VCO) à modulation directe, qui fonctionne à la vitesse d'émission en tant que générateur de signaux pour l'émetteur. Le signal modulé délivré par l'oscillateur VCO peut être amplifié par l'étage de sortie et être appliqué à une antenne directement ou bien par l'intermédiaire d'un filtre.
Cette architecture est simple, mais très souple étant donné que l'étage de sortie peut commander la puissance de sortie dans une gamme étendue et que les paramètres d'antennes peuvent varier avec l'application.
Un bon exemple de cette architecture d'émission est présenté par un "émetteur FM à 1 GHz" fonctionnant dans n'importe quelle bande de 26 MHz de 100 à 1000 MHz, décrit dans le document NT2800 CHIP-MITTER, www. numatechnologies.com/pdf/NT2800.
Dans certains cas, lorsque l'antenne est réalisée sous la forme d'une inductance à valeur Q élevée, la fré- quence d'auto-résonances supérieures à 70 % à la fréquence d'émission, il est possible que l'oscillateur VCO lui-même puisse fonctionner en tant qu'émetteur. Cela permet de réaliser une économie sur le courant utilisé dans l'étage de sortie.
Dans cette solution, la gamme de puissances de sortie est limitée à 12-20 dB en fonction des paramètres de l'antenne et de la tension d'alimentation. C'est pourquoi une puissance élevée est déterminée par l'alimentation en tension alors que la puissance faible est définie par le niveau minimum d'oscillations entretenues.
L'inconvénient principal de l'oscillateur VCO d'émission est que l'indice de modulation tend à dépendre de la puissance d'émission. C'est pourquoi, la cellule à varactors basée sur un condensateur MOS possède une gamme relativement étroite de commande de tension, qui est en étroite corrélation avec la tension de seuil du transistor MOS. La gamme typique est +/- 0,5 V, tandis que l'excursion de tension aux bornes du circuit bouchon pourrait atteindre jusqu'à plusieurs volts. De ce fait la fréquence de l'oscillateur VCO est sensible non seulement à la tension de commande appliquée à la cellule à varactors, mais également à l'excursion de tension aux:bornes du circuit bouchon de l'oscillateur VCO. Ceci conduit à la limitation de la gamme de puissances ou à des variations de l'indice de modulation.
Les configurations les plus répandues de l'oscil- lateur CMOS VCO sont basées sur la solution différentielle (Andreani, S. Mattisson "On the use of CMOS varactors in RF VCO's". IEEE J.Solid State Circuits, Vol. 35, pages 905- 910, 20 Juin), dans laquelle deux varactors connectés de 2867921 3 façon différentielle ou un pont complet de varactors sont utilisés pour la commande de la fréquence (figure 1, annexée à la présente demande).
La solution différentielle fournit le moyen le plus efficace pour obtenir une puissance élevée et un rapport signal/bruit élevé moyennant une limitation de l'alimentation en tension. De même la tension de commande est appliquée aux noeuds avec une tension RF nulle de sorte que la source de tension de commande n'entraîne aucune perte additionnelle dans le résonateur LC.
Le bloc de varactors peut être connecté au circuit bouchon LC directement ou par l'intermédiaire de condensateurs de couplage (brevet US 6621365), qui sont censés réduire le gain de l'oscillateur VCO (figure 2, annexée à la présente demande).
Ces condensateurs de couplage réduisent également l'excursion de tension RF dans les varactors et contribuent à réduire la sensibilité de la fréquence à la puissance.
Dans l'oscillateur VCO à modulation directe, on peut obtenir une modulation en appliquant une tension de modulation au bloc de varactors en plus de la tension de commande qui règle la fréquence porteuse centrale (figure 3, annexée à la présente demande).
L'inconvénient de cette solution réside dans le fait que le gain élevé de l'oscillateur VCO (-19 MHz/V) requis pour la boucle PLL (boucle à verrouillage de phase) signifie que l'excursion de la tension de modulation nécessaire pour un écart de fréquence crête-à-crête (0,5-2 MHz à 400 MHz) doit être de 0,05-0,2 V crête-à-crête. Un niveau trop faible de la tension de modulation rend difficile une commande précise de l'indice de modulation. De même ce faible niveau de la tension de modulation signifie un faible rapport signal/bruit. La variation du gain de l'oscillateur VCO avec l'excursion de tension RF (puissance RF) affecte également l'indice de modulation.
Un autre moyen de réaliser une modulation est d'ajouter un bloc additionnel de varactors, qui est connecté au circuit bouchon LC en parallèle avec le bloc de varactors utilisé pour la commande de la fréquence porteuse. Le bloc additionnel possède une entrée séparée pour la tension de commande et un gain plus faible (figure 4, annexée à la présente demande). Le gain plus faible permet une tension de modulation plus élevée et un rapport signal/bruit plus élevé. L'indice de modulation peut être commandé non seulement par une excursion de la tension de modulation, mais en outre au moyen d'une sensibilité variable du bloc de varactors de modulation à la capacité variable, ce qui conduit à un gain élevé approprié requis pour la boucle PLL.
Comme cela a été mentionné précédemment, le gain plus faible peut être obtenu avec le bloc de varactors connecté au circuit bouchon LC par l'intermédiaire de condensateurs de couplage. Cependant des condensateurs de couplage ne peuvent pas être utilisés pour ajuster le gain dans le bloc de varactors de modulation étant donné qu'à la fois leurs broches alimentées par une tension assez élevée et des interrupteurs CMOS utilisés pour connecter des segments de condensateurs de couplage sont moins efficaces en raison d'une tension grille-source plus faible et d'une valeur résistive plus élevée, alors qu'ils sont situés dans le trajet de courant RF. Ainsi ils annulent le facteur Q du résonateur ou ajoutent un nombre beaucoup trop élevé de parasites. Des condensateurs commutés connectés en parallèle avec le bloc de varactors de modulation ne sont égale- ment pas appropriés pour la même raison.
Un moyen connu (Chi-Wa Lo, H.C. Luong "A 1,5V 900-MHz Monolithic CMOS Fast-Switching Frequency Synthesi- zer for Wireless Applications", IEEE J. Solid-State Cir- cuits, Vol. 37, N 4, pp. 459-470, Avril 2002) est utilisé pour ajuster la fréquence porteuse RF d'une manière appro- 2867921 5 ximative avec des condensateurs commutés connectés entre des sorties de l'oscillateur VCO et la masse (figure 5, annexée à la présente demande).
Cette solution n'est pas appropriée pour ajuster la sensibilité du bloc de varactors de modulation étant donné que ces condensateurs commutés affectent la capacité totale connectée au circuit bouchon LC, mais n'affectent pas la grandeur dC/dV. On peut voir que le gain de modulation est encore affecté par ces condensateurs étant donné que la fréquence dépend de l'écart de capacité relative du circuit bouchon dC/C, qui dépend également du dénominateur, mais la boucle PLL maintient en réalité constante la capa-cité totale du circuit bouchon LC pour une certaine fréquence porteuse RF, de sorte que le dénominateur est en réalité constant.
Un condensateur de modulateur variable avec un gain ajusté peut être obtenu à l'aide d'une solution repré- sentée sur la figure 6, annexée à la présente demande, sur laquelle des broches supérieures de deux réseaux de varac- tors commutés sont connectées au circuit bouchon LC par l'intermédiaire de condensateurs de couplage. La tension de modulation est appliquée à ces broches supérieures par rapport à la masse à l'aide de résistances. Des broches inférieures des varactors commutés peuvent être commutées à la masse par l'intermédiaire d'interrupteurs NMOS en fonction du gain requis du modulateur. L'inconvénient de cette solution réside dans l'utilisation incomplète de la caractéristique C-V d'un varactor étant donné que seule une tension de modulation positive peut être appliquée par rapport à la masse. De même une tension RF de puissance complète et une tension de commande sont appliquées à la même broche supérieure du varactor, et les résistances uti- lisées pour découpler la source de tension du modulateur vis-à-vis de la tension RF entraînent des pertes et des parasites additionnels indésirables dans:Le circuit bouchon LC.
Selon un aspect, l'invention fournit un condensateur à modulation variable comportant un gain ajusté et contenant un bloc différentiel de varactors connecté au circuit bouchon LC principal par l'intermédiaire de deux condensateurs de couplage identiques comportant également deux condensateurs d'ajustement commutés, de préférence identiques, connectés chacun entre la masse et l'un des noeuds, où les condensateurs de couplage sont connectés au bloc de varactors.
Selon un autre aspect, l'invention fournit un oscillateur VCO différentiel à modulation directe comportant un bloc séparé de varactors de modulation connecté au circuit bouchon LC par l'intermédiaire de deux condensateurs de couplage de préférence identiques, comportant en outre de préférence deux condensateurs d'ajustement commutés identiques connectés chacun entre la masse et l'un des noeuds où ].es condensateurs de couplage sont connectés au bloc de varactors de modulation.
Un oscillateur VCO conforme au principe de l'invention présente tous les avantages décrits du bloc séparé de varactors de modulation: un faible gain du bloc de varactors de modulation réglé indépendamment du gain de l'oscillateur VCO principal requis pour la commande de la boucle PLL; un faible niveau de tension RF aux bornes des varactors de modulation et une action plus faible de la puissance RF sur l'indice de modulation; la tension de commande est appliquée aux noeuds ayant une tension RF nulle et n'affecte pas le facteur Q du circuit bouchon LC; et on utilise une gamme complète de tensions de commande des varactors.
En outre cette solution permet d'ajuster le gain du condensateur variable du modulateur dans une gamme très étendue avec un rapport du gain maximum au gain minimum.
Cette variation de gain due à un effet spécifique de divi- 2867921 7 sion de condensateur est apparue même lorsque la boucle PLL maintient constante la capacité totale du circuit bouchon. Des condensateurs d'ajustement sont connectés ici de manière à réduire la baisse du facteur Q: des broches inférieures de segments de condensateurs d'ajustement commutés sont toujours situées à une tension presque nulle tandis que des interrupteurs NMOS utilisés pour commuter des segments de condensateurs d'ajustement peuvent être disposés entre la masse et les broches inférieures de segments de condensateurs d'ajustement, où les segments présentent une valeur résistive minimale possible de sorte que l'on peut réduire leur taille et leurs parasites. On peut obtenir un très faible écart de la capacité de modulation avec cette solution - aussi faible que 12 fF pour une tension de modulation -1 V. Un ajustement supplémentaire de l'excursion de tension de modulation dans cette solution peut fournir une variation de capacité même plus faible et une commande très précise de l'indice de modulation.
De façon plus précise l'invention concerne un modulateur à condensateur variable destiné à être utilisé dans un oscillateur commandé par la tension, caractérisé en ce qu'il comprend un bloc différentiel de varactors, des condensateurs de couplage pour connecter des noeuds dudit bloc de varactors à un circuit bouchon, et des moyens connectés entre lesdits noeuds respectifs et la masse pour ajuster le gain du modulateur à condensateur variable.
Selon une autre caractéristique de l'invention, lesdits moyens comprennent des condensateurs d'ajustement commutés.
Selon une autre caractéristique de l'invention, lesdits condensateurs d'ajustement commutés sont identiques.
Selon une autre caractéristique de l'invention, 35 lesdits condensateurs d'ajustement commutés incluent des 2867921 8 interrupteurs NMOS.
Selon une autre caractéristique de l'invention, l'oscillateur commandé par la tension à modulation directe est caractérisé en ce qu'il comprend un bloc différentiel de varactors, des condensateurs de couplage pour connecter une paire de noeuds dans ledit bloc de varactors à un circuit bouchon; et des condensateurs d'ajustement commutés pour la connexion desdits noeuds respectifs à la masse.
Selon une autre caractéristique de l'invention, lesdits condensateurs de couplage sont sensiblement identiques.
Selon une autre caractéristique de l'invention, lesdits condensateurs d'ajustement commtués sont identiques.
Selon une autre caractéristique de l'invention, lesdits condensateurs d'ajustement commutés comprennent un réseau.
Selon une autre caractéristique de l'invention, l'oscillateur commandé par la tension à modulation directe comporte en outre ledit circuit bouchon connecté auxdits condensateurs de couplage respectifs.
Selon une autre caractéristique de l'invention, lesdits condensateurs de couplage et lesdits condensateurs d'ajustement commutés sont formés par des cellules primi- tives de condensateurs à frange MOM.
L'invention fournit en outre un procédé pour commander un oscillateur commandé par la tension à modulation directe, caractérisé en ce qu'il consiste à prévoir un condensateur variable de modulation, et ajuster le gain dudit condensateur variable de modulation.
Selon une autre caractéristique de l'invention, ledit gain est ajusté au moyen de condensateurs d'ajustement commutés de manière à réduire la baisse du facteur Q. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention, ressortiront de la description donnée ci- 2867921 9 après, prise en référence aux dessins annexés, sur les-quels: - les figures la et lb, dont il a déjà été fait mention, représentent un oscillateur VCO de l'art antérieur 5 comportant 2 varactors (a) et un pont complet de varactors (b) connectés de façon différentielle; - les figures 2a et 2b, dont il a déjà été fait mention, représentent un bloc de varactors connecté au circuit bouchon LC (a) directement et (b) au moyen de conden- sateurs de couplage; - la figure 3, dont il a déjà été fait mention, représente un système de modulation direct utilisant le même bloc de varactors prévu pour la commande de la fréquence porteuse; - la figure 4, dont il a déjà été fait mention, représente un système de modulation directe comportant des blocs séparés de varactors pour la modulation et la commande de la fréquence porteuse; - la figure 5, dont il a déjà été fait mention, représente la syntonisation approximative de la fréquence de résonance du circuit bouchon LC, au moyen de condensateurs commutés connectés à la masse; - la figure 6, dont il a déjà été fait mention, illustre un ajustement du gain du modulateur au moyen de 25 varactors commutés connectés à la masse; - la figure 7 représente un condensateur à varactors de modulateur comportant un gain ajusté, connecté à un circuit bouchon LC conformément au principe de la pré-sente invention; - la figure 8 représente la caractéristique C-V d'une cellule à varactors AMOS; - la figure 9 représente le schéma d'un condensateur variable de modulateur; la figure 10 représente la capacité différen-35 tielle du condensateur variable de modulation de modulateur 2867921 10 en fonction de la moitié de la gamme de la tension de modulation pour 3 codes d'ajustement différents; - la figure 11 représente la caractéristique d'ajustement du condensateur variable à modulateur; et - la figure 12 représente le schéma d'un circuit d'un oscillateur commandé par la tension.
On va décrire en référence à la figure 7 un exemple d'un condensateur variable de modulateur utilisé dans l'oscillateur VCO à modulation directe réalisé selon le processus CMOS RF. Le circuit représenté sur la figure 7 comprend un bloc 10 de varactors pour la commande de la fréquence porteuse qui comprend des varactors 11 et qui est couplé, au niveau de noeuds 12, à un circuit bouchon 14. Le circuit bouchon 14 comprend un condensateur 22 et une inductance 24, d'une manière connue en soi.
Le bloc de varactors de modulation 16, qui contient des varactors 21, est: couplé, au niveau de noeuds 20, par l'intermédiaire de condensateurs de couplage identiques 20 au circuit bouchon 14.
Les noeuds 18 sont connectés à la masse par l'intermédiaire de réseaux identiques de condensateurs d'ajustement commutés 26. Les condensateurs de couplage 20 et les condensateurs commutés 26 sont tous constitués par des cellules primitives de condensateurs de la gamme MOM de 64 fF chacun. Les cellules de varactors AMOS utilisées dans les blocs 10, 16, possèdent de façon typique une caractéristique C-V telle que représentée sur la figure 8.
La capacité Cv des varactors varie de 0,15 à 0,38 pF lorsque la tension de commande varie de -1,5 V à 0,5 V, mais dans la région presque linéaire utile, la gamme est plus étroite: environ -0,9... +0,2 V. Sur la figure 9 on a représenté le schéma complet d'un exemple de condensateur variable de modulateur. Ici un condensateur d'ajustement commuté 26 est prévu pour chaque noeud. Les condensateurs d'ajustement commutés comprennent 2867921 11 des condensateurs 30 et des interrupteurs NMOS 32.
Les valeurs des composants d'un condensateur variable sont les suivantes: les condensateurs de couplage 20 incluent 19 condensateurs à 64 fF connectés en parallèle, ce qui fournit une capacité totale des condensateurs de couplage Cc = 1,22 pF. Chacun des deux condensateurs d'ajustement commutés 26 contient 36 cellules comportant un condensateur de 64 fF connecté à la masse par l'intermédiaire d'un transistor NMOSFET avec W/L = 3/0,35 pm. Ces 36 cellules de condensateur commutées sont regroupées en 7 sections contenant respectivement 3, 3, 4, 5, 6, 7, 8 cellules, qui sont commandées par un code thermométrique à 7 bits mir<0:6> .
Ce code thermométrique à 7 bits crée 8 états dif- férents avec 0, 3, 6, 10, 15, 21, 28 et 36 cellules primitives de condensateurs d'ajustement branchés (de 0 à 2,3 pF). Un tel sectionnement de condensateurs d'ajustement fournit une dépendance non linéaire telle de la capacité d'ajustement vis-à-vis du code, qu'elle conduit finalement à une variation presque linéaire du gain du condensateur variable de modulateur (c'est-à-dire delta C pour une certaine excursion de tension de modulation) en fonction du code de commande (figure 10). Une capacité supérieure d'ajustement fournit un gain plus faible du modulateur.
Le pont de varactors de la figure 9 contient 4 cellules varactors 21. En fonction du code d'ajustement et de la tension de commande du pont de varactors, la tension aux bornes du pont de varactors sous l'effet de division du condensateur est égale à 0,3-0,8 fois la tension RF de puissance complète aux bornes du circuit bouchon LC 14.
La capacité différentielle de sortie du condensateur variable du modulateur en fonction de la demi-tension du pont pour trois codes différents de l'ajustement est représentée sur la figure 10. Cette figure montre que des condensateurs additionnels d'ajustement (depuis la courbe 2867921 12 du bas jusqu'en haut sur la figure 10) augmentent la capacité totale, mais réduisent la partie variable de la capacité totale.
Des caractéristiques plus détaillées d'ajustement du modulateur sont représentées sur la figure 11. La variation de la capacité variable totale du modulateur de sortie en fonction du code d'ajustement (mir) sur la figure 11 est représentée par 2 courbes qui retombent avec le code d'ajustement. Pour mir=0, tous les groupes de condensateurs d'ajustement sont connectés alors qu'avec mir=7, tous les groupes sont déconnectés. Ces deux courbes sont associées à la demi-tension de modulation du pont de -0,9 V et 0,2 V respectivement correspondant aux limites de la gamme utile de tensions de commande des varactors. La variation de la capacité crête-à-crête pour la moitié de la tension de modulation du pont de -0,9 à 0,2 V en fonction du code d'ajustement est représentée sur la figure 11 par la courbe delta C (qui s'élève avec le code d'ajustement). La valeur delta C varie de façon presque linéaire de 13 à 44 fF avec le code d'ajustement allant de 0 à 7 dans cet exemple. La capacité totale du modulateur diminue d'environ 515 à 350 fF avec le code d'ajustement. Cette variation de la capacité totale en fonction du code d'ajustement est parasite, mais est annulée par la boucle PLL qui maintient constante la capacité totale du circuit bouchon LC.
Un exemple d'un schéma simplifié pour un oscillateur VCO proposé à modulation directe d'un circuit pratique avec un condensateur variable de modulateur est représenté sur la figure 12. Cette figure montre le bloc 16 de varactors de modulation, le bloc 10 de commande de la fréquence porteuse et le circuit bouchon 14.
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Claims (6)
1. Modulateur à condensateur variable destiné à être utilisé dans un oscillateur commandé par la tension, caractérisé en ce qu'il comprend: un bloc différentiel (10, 16) de varactors, des condensateurs de couplage (20) pour connecter des noeuds (12) dudit bloc de varactors à un circuit bouchon {14), et des moyens (26) connectés entre lesdits noeuds 10 respectifs (12) et la masse pour ajuster le gain du modulateur à condensateur variable.
2. Modulateur à condensateur variable selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits moyens (26) comprennent des condensateurs d'ajustement commutés.
3. Modulateur à condensateur variable selon la revendication 2, caractérisé en ce que lesdits condensateurs d'ajustement commutés (26) sont identiques.
4. Modulateur à condensateur variable selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que lesdits condensateurs d'ajustement commutés (26) incluent des interrupteurs NMOS.
5. Modulateur à condensateur variable selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que lesdits condensateurs de couplage (20) et lesdits condensateurs d'ajustement commutés (30, 32) sont formés par des cellules primitives de condensateurs de la gamme MOM.
6. Oscillateur commandé par la tension à modulation directe comprenant un circuit bouchon (14) et un modulateur à condensateur variable selon l'une quelconque des revendications 1 à 5.
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