專利名稱：采用階躍電容的壓控振蕩器調(diào)諧曲線的確定方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明屬于射頻集成電路技術(shù)領域，具體涉及一種采用階躍電容的壓控振蕩器調(diào)諧曲線的確定方法。
背景技術(shù)：
隨著集成電路技術(shù)的持續(xù)迅速發(fā)展，采用CMOS工藝的射頻(RF)集成電路研究得到了廣泛關(guān)注。同時，無線通信技術(shù)的發(fā)展也推動了低成本、低功耗的無線收發(fā)機的研究。而無線收發(fā)模塊中的一種重要的單元電路就是壓控振蕩器(VCO)。隨著片上電感和片上可變電容的實現(xiàn)問題的逐漸明朗，近十年中出現(xiàn)了大量關(guān)于電感電容壓控振蕩器設計的技術(shù)。
片上可變電容的實現(xiàn)方式主要有三種PN結(jié)，反型MOS管電容，累積型MOS管電容。PN結(jié)可變電容是反偏結(jié)電容在其反偏電壓的控制下實現(xiàn)壓控電容特性的。而MOS管電容的電容特性卻截然不同，呈現(xiàn)出階躍特性(如圖3所示)。MOS管電容根據(jù)其壓控電壓的不同而工作在兩個不同的區(qū)域反型MOS管電容只工作在反型和耗盡兩個區(qū)域，而累積型MOS管只工作在累積和耗盡兩個區(qū)。在反型區(qū)或累積區(qū)的MOS管電容有最大電容值Cox＝ε/tox；在耗盡區(qū)的電容為最小電容值柵氧化電容Cox與耗盡層電容Cd的串聯(lián)。壓控電壓在MOS管的閾值電壓Vth附近時，電容在最大值與最小值之間過渡。因此與PN結(jié)電容不同的是，MOS管的電壓—電容(C-V)曲線的壓控范圍比較小。正因為這種原因，早期出現(xiàn)在壓控振蕩器中的片上可變電容都采用PN結(jié)，隨著對MOS管電容的C-V曲線特性的不斷認識，知道振蕩器的實際等效電容是諧振電壓波形對MOS管電容的C-V曲線的一個周期內(nèi)平均值。因此，階躍MOS管可變電容也能夠?qū)崿F(xiàn)對振蕩器的調(diào)諧特性，這樣MOS管可變電容慢慢被學術(shù)界和工藝界所接受。由于累積型MOS管的C-V曲線比反型MOS管要緩一些，人們就普遍認為緩變的累積型MOS管電容比陡變反型MOS管電容性能更好，能夠得到更加線性的頻率—電壓(F-V)調(diào)諧曲線。而事實上，本發(fā)明通過對采用階躍電容的電感電容壓控振蕩器的調(diào)諧特性分析，可以知道陡變反型MOS管電容也能夠?qū)崿F(xiàn)近似線性的調(diào)諧特性。
圖1為一種采用負阻產(chǎn)生電路結(jié)構(gòu)的電感電容壓控振蕩器電路，其中負阻產(chǎn)生電路可以是互補交叉耦合差分對，也可以是單NMOS或PMOS交叉耦合差分對。近幾年對這種結(jié)構(gòu)的壓控振蕩器調(diào)諧特性問題進行分析的方法主要是通過諧波平衡近似分析的方法，求得基波頻率上的等效電容。由于諧波近似方法忽略了高次諧波分量對等效電容的影響，因此在一定程度上會引入精度誤差。通過數(shù)值計算的方法可以得到頻率—電壓(F-V)調(diào)諧曲線，但是數(shù)值計算是一個復雜而且費時的方法。特別是在改變偏置電流的情況下，整個數(shù)值計算結(jié)果需要重新進行計算。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提出一種計算時間省、分析精度高的階躍電容壓控振蕩器調(diào)諧曲線的確定方法。該方法從時間域角度對電感電容諧振電路的諧振周期進行了理論推導，從而得到壓控振蕩器的頻率—電壓調(diào)諧曲線。
本發(fā)明提出的采用階躍電容的壓控振蕩器調(diào)諧曲線的確定方法，是根據(jù)有效控制電壓Veff(下面將要提及的公式1)的不同，將振蕩器的電壓控制過程分為四種情況討論。在每種情況下，電感電容諧振電路的可變電容值會出現(xiàn)不同的情況，從而使諧振電壓波形和諧振頻率發(fā)生變化。根據(jù)實際情況，對于每一種情況下的諧振電壓波形分別用片上電感的電流—電壓軌跡圖表示，并分別建立這四種情況下片上電感的電流—電壓軌跡的橢圓方程。求解方程得到相應的諧振頻率。為便于建立橢圓方程和求解諧振周期，提出了橢圓相似系數(shù)θ的概念。綜合四種情況下頻率和電壓的關(guān)系，得到整個控制電壓范圍內(nèi)振蕩器的振蕩頻率—電壓曲線，即壓控振蕩器的調(diào)諧曲線。
電壓控制過程根據(jù)有效控制電壓Veff的不同分為四種情況，具體如下(1)當Veff≤Vdc-Amin時，也就是說有效控制電壓很低，電感電容諧振電路的可變電容始終是最大電容值Cmax，諧振波形是一個最小幅值Amin的正弦波，振蕩頻率為最小頻率ωmin，其中Vdc為差分振蕩電壓的直流分量；(2)當Veff≥Vdc+Amax時，也就是說有效控制電壓很高，電感電容諧振電路的可變電容始終是最小電容值Cmin，諧振波形是一個最大幅值Amax的正弦波，振蕩頻率為最大頻率ωmax；(3)當Vdc-Amin≤Veff≤Vdc時，在電壓Veff以上可變電容為最大電容值Cmax，諧振波形是最小幅值Amin的正弦波的一部分，頻率為最小頻率ωmin；在電壓Veff以下可變電容為最小電容值Cmin，振蕩波形是幅值為θAmax(θ為橢圓相似系數(shù))的正弦波的一部分，頻率為最大頻率ωmax；(4)當Vdc≤Veff≤Vdc+Amax時，在電壓Veff以上可變電容為最大電容值Cmax，幅值為θAmin(θ為橢圓比例系數(shù))的正弦波形的一部分，頻率為最小頻率ωmin；在電壓Veff以下可變電容為最小電容值Cmin，振蕩波形是最大幅值Amax的正弦波形的一部分，頻率為最大頻率ωmax。
對每種情況可以分別得到電感電容諧振電路的諧振電壓波形圖(如圖4)和諧振電路中電感11的電流—電壓軌跡圖(如圖5)。建立圖5所示的I-V軌跡圖的橢圓方程，并分別求解出上述四種情況下對應的諧振周期，即可得到壓控振蕩器的調(diào)諧曲線(見圖6)。


圖1為負阻結(jié)構(gòu)壓控振蕩器電路圖；圖2為半電路等效電感電容串聯(lián)回路；圖3為階躍可變電容的電容—電壓(C-V)曲線；圖4為諧振電壓波形；圖5為片上電感的電流—電壓(I-V)軌跡圖；圖6為壓控振蕩器的頻率—電壓(F-V)調(diào)諧曲線。
圖中標號11、13為片上螺旋電感，12、14為階躍MOS管可變電容。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖進一步具體描述本發(fā)明。
圖3的電容—電壓曲線為一個階躍函數(shù)Css(V)=CmaxV≥VeffCminV≤Veff---(1)]]>其中Cmax為最大電容值，Cmin為最小電容值。
MOS管可變電容的有效控制電壓Veff＝VG-Vctrl-VTH，其中VG、VTH分別為MOS管可變電容12的柵電壓和閾值電壓，Vctrl為控制電壓。
片上電感11的I-V軌跡圖見圖5。從圖上可以看到I-V軌跡是由兩個橢圓軌跡拼接而成。隨著有效控制電壓的變化，兩個橢圓分別滿足兩個不同的橢圓軌跡方程。對不同的Veff情況分別進行討論(1)當Veff≤Vdc-Amin時，片上電感的I-V軌跡滿足橢圓軌跡方程(V-VdcAmin)2+(IωminCmaxAmin)2=1---(2)]]>諧振周期T=Tmax=2πLCmax,]]>其中，L為片上電感的電感值。
(2)當Veff≥Vdc+Amax時，片上電感的I-V軌跡滿足橢圓軌跡方程(V-VdcAmax)2+(IωmaxCminAmax)2=1---(3)]]>諧振周期T=Tmin=2πLCmin.]]>(3)當Vdc-Amin≤Veff≤Vdc時，片上電感的I-V軌跡滿足兩個橢圓軌跡方程
(V-VdcAmin)2+(IωminCmaxAmin)2=1,V≥Veff]]>(V-VdcAmax)2+(IωmaxCminAmax)2=θ2,V<Veff,]]>橢圓相似系數(shù)θ滿足Amin/Amax≤θ≤1 (4)特別地，當有效控制電壓Veff＝Vdc，橢圓相似系數(shù)θ＝1時，Imax＝ωminCmaxAmin＝ωmaxCminAmax(5)其中Imax是片上電感11和可變電容12中的最大電流值。
諧振周期為諧振波形在兩個橢圓上的時間之和T＝T1+T2。T1為在幅值Amin的橢圓上的時間，T2為在幅值θAmax的橢圓上的時間。如圖5所示，在交接點處片上電感11上電壓和電流分別是Veff和Ieff，求解式子(4)中的兩個方程，可以得到橢圓相似系數(shù)θ。
由式子(4)的第一個橢圓方程可以得到Ieff=±ωminCmaxAmin1-(Veff-VdcAmin)2]]>代入第二個橢圓方程得θ2=(Veff-VdcAmax)2+(ωminCmaxAminωmaxCminAmax)2(1-(Veff-VdcAmin)2)]]>由式子(5)有AmaxAmin=CmaxCmin]]>θ=1-(Veff-VdcAmin)2+(Veff-VdcAmax)2]]>可以計算出在兩個橢圓上的時間分別為T1=π2+arcsin(|Veff-Vdc|Amin)πTmax,T2=π2-arcsin(|Veff-Vdc|θAmax)π=Tmin]]>則諧振周期為T=T1+T2=π2+arcsin(|Veff-Vdc|Amin)πTmax+π2-arcsin(|Veff-Vdc|θAmax)πTmin]]>
=12(Tmax+Tmin)+1π(arcsin(|Veff-Vdc|Amin)Tmax-arcsin(|Veff-Vdc|θAmax)Tmin)]]>(4)當Vdc≤Veff≤Vdc+Amax時，片上電感11的I-V軌跡滿足兩個橢圓軌跡方程(V-VdcAmin)2+(IωminCmaxAmin)2=θ2,V<Veff,]]>橢圓相似系數(shù)θ滿足1≤θ≤Amax/Amin。
(V-VdcAmax)2+(IωmaxCminAmax)2=1,V≥Veff---(6)]]>與第3種情況相同的方法，求解式子(6)的兩個方程可以得到橢圓相似系數(shù)θ和諧振周期θ=1-(Veff-VdcAmax)2+(Veff-VdcAmin)2]]>T=12(Tmax+Tmin)+1π(-arcsin(|Veff-Vdc|θAmin)Tmax+arcsin(|Veff-Vdc|Amax)Tmin)]]>為了驗證上述周期計算方法的正確性，我們在HSPICE軟件下仿真了圖3的電感電容串聯(lián)諧振電路。電路參數(shù)分別是L＝10nH，Cmax＝4pF，Cmin＝1pF，Amin＝0.5V。頻率—電壓(F-V)調(diào)諧曲線的計算結(jié)果(實線)與SPICE仿真的結(jié)果(十字交叉)如圖6所示當壓控振蕩器的振幅很大，接近電源電壓時，振蕩器的周期是最大周期Tmax和最小周期Tmin的插值。壓控振蕩器的頻率—電壓(F-V)調(diào)諧曲線在振蕩器幅值范圍之內(nèi)與有效控制電壓Veff近似成線性關(guān)系。即使MOS管可變電容的電容—電壓(C-V)曲線是階躍的，壓控振蕩器的頻率—電壓(F-V)壓控曲線仍然是線性的。這一點與通常人們所認為的緩變C-V曲線會導致緩變F-V調(diào)諧曲線是相反的，因此MOS管C-V曲線并沒有必要具有線性特性。
最后應說明的是，以上實施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管參照較佳實施例對本發(fā)明進行了詳細說明，本領域的普通技術(shù)人員應當理解，可以對本發(fā)明的技術(shù)方案進行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍，其均應涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當中。
權(quán)利要求
1.一種采用階躍電容的壓控振蕩器諧振周期的確定方法，其特征在于根據(jù)有效控制電壓Veff的不同，將振蕩器的電壓控制過程分為下述4種情況。對于每一種情況下的諧振電壓波形分別用片上電感的電流-電壓軌跡圖來表示，并建立相應的橢圓軌跡方程；求解方程，得到相應的諧振頻率和諧振周期，最終得到整個控制電壓范圍內(nèi)的振蕩器振蕩頻率-電壓曲線；壓控過程的4種情況如下(1)Veff≤Vdc-Amin；(2)Veff≥Vdc+Amax；(3)Vdc-Amin≤Veff≤Vdc；(4)Vdc≤Veff≤Vdc+Amax；其中，Vdc為直流工作電壓，Amin為諧振波形的最小幅值，Amax為諧振波形的最大幅值。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的確定方法，其特征在于(1)當Veff≤Vdc-Amin時，片上電感的I-V軌跡滿足橢圓軌跡方程(V-VdcAmin)2(IωminCmaxAmin)2=1]]>諧振周期T=Tmax=2πLCmax,]]>其中，L為片上電感的電感值；(2)當Veff≥Vdc+Amax時，片上電感的I-V軌跡滿足橢圓軌跡方程(V-VdcAmax)2(IωmaxCminAmax)2=1]]>諧振周期T=Tmin=2πLCmin]]>(3)當Vdc-Amin≤Veff≤Vdc時，片上電感的I-V軌跡滿足兩個橢圓軌跡方程(V-VdcAmin)2(IωminCmaxAmin)2=1,V≥Veff]]>(V-VdcAmax)2(IωmaxCminAmax)2=θ2,V<Veff,]]>θ滿足Amin/Amax≤θ≤1諧振周期為T=12(Tmax+Tmin)+1π(arcsin(|Veff-Vdc|Amin)Tmax-arcsin(|Veff-Vdc|θAmax)Tmin)]]>其中，θ=1-(Veff-VdcAmin)2+(Veff-VdcAmax)2]]>(4)當Vdc≤Veff≤Vdc+Amax時，片上電感的I-V軌跡滿足兩個橢圓軌跡方程(V-VdcAmin)2(IωminCmaxAmin)2=θ2,V≥Veff,]]>θ滿足1≤θ≤Amax/.Amin。(V-VdcAmax)2(IωmaxCminAmax)2=1,V<Veff]]>諧振周期為T=12(Tmax+Tmin)+1π(-arcsin(|Veff-Vdc|θAmin)Tmax+arcsin(Veff-VdcAmax)Tmin)]]>其中，θ=1-(Veff-VdcAmax)2+(Veff-VdcAmin)2;]]>上述式子中，參數(shù)Tmax、Tmin分別為諧振波形的最大、最小周期；Cmax、Cmin分別為階躍電容的最大、最小電容值；ωmax、ωmin分別為諧振波形的最大和最小頻率。
全文摘要
本發(fā)明屬于射頻集成電路技術(shù)領域，具體為一種電感電容壓控振蕩器的調(diào)諧曲線的確定方法。該方法涉及的電路是采用階躍電容實現(xiàn)近似線性調(diào)諧的壓控振蕩器。根據(jù)有效控制電壓的大小可以將壓控過程劃分為四種不同情況，在每種情況下壓控振蕩器的諧振電壓波形是由兩個大小不同的橢圓軌跡相拼接構(gòu)成，對片上電感的電流－電壓軌跡建立橢圓軌跡方程。通過求解在每種情況下的兩個相交橢圓軌跡方程，可以計算出諧振電路的諧振周期，從而得到振蕩器頻率－電壓調(diào)諧曲線。在諧振幅值范圍之內(nèi)，該方法計算的調(diào)諧曲線的諧振頻率與有效控制電壓近似成線性關(guān)系。
文檔編號H03B7/02GK1645740SQ20051002330
公開日2005年7月27日 申請日期2005年1月13日 優(yōu)先權(quán)日2005年1月13日
發(fā)明者唐長文, 何捷, 廖友春, 閔昊 申請人:復旦大學