一种宽电压范围调谐增益恒定的LC‑VCO的制作方法

本发明涉及无线通信电子电路技术领域，涉及电感、电容压控振荡器VCO，尤其涉及低电压、宽频率调谐范围LC-VCO在宽电压范围内调谐增益恒定的实现方法及电路模块。

背景技术：

振荡器是无线通信系统中的核心模块之一，通常应用于锁相环系统中，给收发机提供稳定的本振载波信号。多模式、多频带接收机要求本振具有很宽的频率输出范围，这对VCO(压控振荡器)提出了宽调谐范围的要求。实现宽带VCO最简单的技术是多个VCO集成在同一芯片，通过多路开关来选择相应频带的VCO，但是该方法需要多个片上电感，会大大增加芯片面积，在工程上一般不采取该方法。此外，增加VCO的调谐增益KVCO也是一种实现宽带的方法，但是该方法有几方面的问题，首先是CMOS工艺中电容可调比例有限，受器件本身限制；其次是目前主流工艺电源电压都比较低，控制电压范围比较窄，单个曲线调谐范围不大，受到电源电压限制；再次，VCO的调谐增益KVCO太大，控制电压上的噪声到频率输出的增益会增加，恶化相位噪声。目前最常用的方法是开关电容阵列法，该方法可以实现较宽频带内的VCO输出频率覆盖。理想的VCO的调谐增益在整个调谐范围内保持为常数，但是在CMOS工艺中变容管只能在一定的电压范围内使调谐增益KVCO保持基本恒定，在实际应用中为了保持环路参数的稳定，我们只使用KVCO保持恒定的一段调谐曲线，这在无形中使VCO的调谐带宽变小。在开关电容阵列方法中会付出更多的开关电容组来弥补调谐带宽的损失，但是当开关电容组较多时，开关电容引入的寄生电容会增加又会减小调谐范围。

技术实现要素：

本发明的目的是克服目前LC-VCO同一调谐曲线调谐增益恒定范围较窄的缺陷，公开了一种基于双偏置变容管的适用于低电压应用宽电压范围调谐增益恒定的LC-VCO结构。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种宽电压范围调谐增益恒定的LC-VCO，它是基于等效谐振电容器构成的LC-VCO电路模块，包括有源负阻电路、电感器、变容管组以及开关电容阵列；有源负阻电路、电感器、变容管组以及开关电容阵列均为并列连接；其中

所述变容管组采用全差分对称结构，其电容量随控制电压VCRL变化的等效电容为Cv；所述开关电容阵列等效电容为Cs；所述可变管组与所述开关电容阵列构成总的等效电容Cz；

所述电感器、所述总的等效电容Cz和所述有源负阻电路构成的并联等效谐振回路，用于决定LC-VCO的输出频率和品质因数Q；总的等效电容Cz通过控制电压VCRL、开关以及偏置电压的改变，用于改变LC-VCO的输出频率，实现频率调谐。

优选的，所述变容管组包括两对偏置在不同偏置点的变容管D1、D2和D3、D4；其中D1、D2变容管的一端接偏置电压VB1，另一端接控制电压VCTL；D3、D4变容管的一端接偏置电压VB2，另一端接控制电压VCRL。

优选的，所述LC-VCO电路模块为差分电路结构，其包括两路差分输出端VN和VP；两路差分输出端的输出信号幅度相等，相位相反。

优选的，所述有源负阻电路为由交叉耦合的MOS管或者BJT管构成的差分有源负阻电路，用于为LC-VCO提供能量维持振荡。

优选的，所述变容管组还包括多个隔离电阻和多个隔离电容，所述变容管D1和D2的一端通过隔离电阻连接到偏置电压VB1上，通过隔离电容连接到VCO是输出端；另一端连接到控制电压VCRL上；所述变容管D3和D4的一端通过隔离电阻连接到偏置电压VB2上，通过隔离电容连接到VCO是输出端；另一端连接到控制电压VCRL上。

优选的，所述开关电容阵列包括n组开关阵列，每一所述开关阵列均包括一对固定电容和一对开关，其中该一对固定电容与一对开关采用电学上的串联方式连接，一对开关设置在一对电容的两侧。

优选的，所述电感器为片上螺旋差分电感。

优选的，所述变容管D1、D2、D3、D4是基于CMOS工艺的变容管。

优选的，n的取值范围是2～6。

优选的，所述隔离电阻和所述隔离电容的数量相一致。

本发明的有益效果：通过选择2组偏置在不同偏置点的变容管来实现宽电压范围内调谐增益恒定的LC-VCO，通过该变变容管的偏置电压，使调谐增益在整个控制电压范围内保持基本恒定，扩展了LC-VCO的调谐带宽。由于调谐增益的恒定，可使锁相环系统的增益、带宽等参考保持稳定，有利于降低系统噪声和提供系统稳定性。本发明LC-VCO所需的功耗、相位噪声和芯片面积均较小，尤其适应于低电源电压设计。本发明LC-VCO采用标准CMOS全集成，所有元件均采用标准CMOS工艺，工艺技术成熟，易于加工实现。

附图说明

为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中：

图1是等效谐振电容器结构的原理图；

图2是本发明所述的宽电压范围调谐增益恒定的LC-VCO的等效变容管组结构；

图3是本发明所述的宽电压范围调谐增益恒定的LC-VCO的构成原理图。

具体实施方式

下面通过本发明的实施例并结合附图对本发明技术方案做详细的说明。

基于等效谐振电容器的适用于低电压应用的宽电压范围内调谐增益恒定的LC-VCO如图1所示，LC-VCO由有源负阻电路101，电感器102，变容管组103以及开关电容阵列104组成。所述变容管组103采用全差分对称结构，其电容量随控制电压VCRL变化的等效电容为Cv；所述开关电容阵列104等效电容为Cs；所述可变管组103与所述开关电容阵列104构成总的等效电容Cz；

所述电感器102、所述总的等效电容Cz和所述有源负阻电路101构成的并联等效谐振回路，用于决定LC-VCO的输出频率和品质因数Q；总的等效电容Cz通过控制电压VCRL、开关以及偏置电压的改变，用于改变LC-VCO的输出频率，实现频率调谐。

图1中-Gm为有源负阻电路101，有源负阻采用交叉耦合的MOS对管组成。有源负阻电路101的作用是对谐振回路的能量损耗补偿，当有源负阻和谐振回路的损耗阻抗相等时，VCO满足起振条件，输出等幅的正弦波信号。片上电感器102的电感值为L，由芯片采用的工艺顶层厚金属组成。变容管组103为VCO的调谐元件，它由电容量随控制电压变化的元件实现，可以是变容二极管或者MOS变容管，当可变电容器的电容量随控制电压变化时，VCO的谐振频率随控制电压变化而改变。

实施例1

本发明VCO的等效谐振变容管组103如图2所示，所述变容管组包括两对偏置在不同偏置点的变容管D1、D2和D3、D4；其中D1、D2变容管的一端接偏置电压VB1，另一端接控制电压VCTL；D3、D4变容管的一端接偏置电压VB2，另一端接控制电压VCRL。偏置电压VB1是GND和VDD/2之间的一个电压值，用于给变容管D1和D2提供直流偏置；偏置电压VB2是VDD/2和VDD之间的一个电压值，用于给变容管D3和D4提供直流偏置。所述控制电压VCRL为VCO的频率调谐电压，接入VCO电路的控制端VC，用于控制VCO的输出频率，VCO的频率随着控制电压变化而连续单调变化。所述VCO的频率输出与变容管组中任何一对变容管的控制电压在一定范围内为线性关系。

具体地，如图2所示，包括开关控制电容阵列201和可变电容器组202。电路采用全差分对称结构，C1，C2，…，Cn为固定电容，K1，K2，…，Kn为固定电容的控制开关。开关电容阵列可以与传统结构相同。而可变电容组202由2路可变电容对电路组成，每组电容对也是采用全差分对称结构，第一组电容对由完全一样的可变电容器D1和D2组成调谐元件，调谐元件的一端通过隔离电阻连接到偏置电压VB1上，通过隔离电容连接到VCO是输出端；另一端连接到控制电压VCRL上。第二组电容对由完全一样的可变电容器D3和D4组成调谐元件，调谐元件的一端通过隔离电阻连接到偏置电压VB2上，通过隔离电容连接到VCO是输出端；另一端连接到控制电压VCRL上。

可变电容器的电压调谐范围有限，为了保证输出频率与控制电压的线性，电路中只使用频率与控制电压的线性段，也就是调谐增益基本恒定的一段，这更减小了电压调谐范围。为了扩展调谐增益恒定的范围，我们将两对变容器分别偏置在不同的偏置电压上。一个偏置点在控制电压的上半段的中间位置，另一个偏置点在控制电压的下半段的中间位置，由于变容器控制电压在变容器偏置点附近与输出频率为线性关系，所以通过本发明的设计方法可以大大扩展VCO控制电压与输出频率的线性范围，扩展调谐增益范围，增加VCO的调谐范围。

实施例2

进一步地，本发明实施例提供一种适用于低电压应用的宽电压范围调谐增益恒定的LC-VCO的电路原理图，如图3所示。该LC-VCO电路模块为差分电路结构，其包括两路差分输出端VN和VP；两路差分输出端的输出信号幅度相等，相位相反。

所述有源负阻电路由交叉耦合的MOS管或者BJT管构成的差分有源负阻电路，用于为LC-VCO提供能量维持振荡。本实施例优选为PMOS管302和303交叉耦合产生有源负阻-Gm。当有源负阻大于谐振活路损耗阻抗时，VCO满足谐振条件。电感317采用CMOS工艺中顶层金属实现的电感，其结构为螺旋差分对称电感，形状为四边形。电路中的可变电容器组由305～316组成，其中变容管为309、310、311、312，其中309与301电容值相同为Cv1，311与312电容值相同为Cv2。可变电容的电容值随着控制电压VCRL与偏置电压之差变化。305、306、315、316为隔离电阻，固定偏置电压通过隔离电阻与变容管连接。307、308、313、314为隔离电容，变容管通过该固定隔离电容与输出端VN、VP相连。

电路中304为固定电容开关阵列，本实施例优选所述开关电容阵列包括n组开关阵列，每一所述开关阵列均包括一对固定电容和一对开关，其中该一对固定电容与一对开关采用电学上的串联方式连接，一对开关设置在一对电容的两侧。n的值取决于VCO频率输出范围，VCO的调谐增益以及芯片面积，本实施例优选n的取值范围是2～6。

固定电容采用CMOS工艺中MIM电容，该电容具有高的品质因数，电容值也不随两端的电压变化而变化。开关采用CMOS工艺中NMOS管实现，具有较小的导通电阻，且对固定电容的品质因数影响较小。

图3所示LC-VCO实现宽电压调谐增益恒定的关键是变容管组，传统结构中，变容器管偏置在同一固定偏置上，通常为VDD/2。本发明中电容器组的第一对变容管偏置在VDD/4上，而第二对变容管偏置在3VDD/4上。同样采用1.8V电源电压情况，对于传统的结构而言控制电压与输出频率的线性范围为0.4V～1.2V；而本发明的电路结构控制电压与输出频率的线性范围可达0.15V～1.65V，扩展了VCO的调谐增益恒定范围，增加了VCO的调谐范围。在同样频率调谐范围时，该发明的VCO单条曲线的可用控制电压范围更宽，更适用于低电压应用，可以采用更少的固定开关电容，VCO的功耗和面积小于传统VCO电路。

本实施例经仿真、流片验证测试表明，在采用0.18um CMOS工艺条件下，整个LC-VCO芯片的面积仅为0.4mm2，功耗仅为7mW，单根调谐曲线调谐电压范围为0.15V～1.65V，总体调谐范围为300MHz-600MHz。

本发明通过选择2组偏置在不同偏置点的变容管来实现宽电压范围内调谐增益恒定的LC-VCO，通过该变变容管的偏置电压，使调谐增益在整个控制电压范围内保持基本恒定，扩展了LC-VCO的调谐带宽。由于调谐增益的恒定，可使锁相环系统的增益、带宽等参考保持稳定，有利于降低系统噪声和提供系统稳定性。本发明LC-VCO所需的功耗、相位噪声和芯片面积均较小，尤其适应于低电源电压设计。本发明LC-VCO采用标准CMOS全集成，所有元件均采用标准CMOS工艺，工艺技术成熟，易于加工实现。

上述具体实施方式只是对本发明的技术方案进行详细解释，本发明并不只仅仅局限于上述实施例，本领域技术人员应该明白，凡是依据上述原理及精神在本发明基础上的改进、替代，都应在本发明的保护范围之内。