专利名称：采用阶跃电容的压控振荡器调谐曲线的确定方法
技术领域：
本发明属于射频集成电路技术领域，具体涉及一种采用阶跃电容的压控振荡器调谐曲线的确定方法。
背景技术：
随着集成电路技术的持续迅速发展，采用CMOS工艺的射频(RF)集成电路研究得到了广泛关注。同时，无线通信技术的发展也推动了低成本、低功耗的无线收发机的研究。而无线收发模块中的一种重要的单元电路就是压控振荡器(VCO)。随着片上电感和片上可变电容的实现问题的逐渐明朗，近十年中出现了大量关于电感电容压控振荡器设计的技术。
片上可变电容的实现方式主要有三种PN结，反型MOS管电容，累积型MOS管电容。PN结可变电容是反偏结电容在其反偏电压的控制下实现压控电容特性的。而MOS管电容的电容特性却截然不同，呈现出阶跃特性(如图3所示)。MOS管电容根据其压控电压的不同而工作在两个不同的区域反型MOS管电容只工作在反型和耗尽两个区域，而累积型MOS管只工作在累积和耗尽两个区。在反型区或累积区的MOS管电容有最大电容值Cox＝ε/tox；在耗尽区的电容为最小电容值栅氧化电容Cox与耗尽层电容Cd的串联。压控电压在MOS管的阈值电压Vth附近时，电容在最大值与最小值之间过渡。因此与PN结电容不同的是，MOS管的电压—电容(C-V)曲线的压控范围比较小。正因为这种原因，早期出现在压控振荡器中的片上可变电容都采用PN结，随着对MOS管电容的C-V曲线特性的不断认识，知道振荡器的实际等效电容是谐振电压波形对MOS管电容的C-V曲线的一个周期内平均值。因此，阶跃MOS管可变电容也能够实现对振荡器的调谐特性，这样MOS管可变电容慢慢被学术界和工艺界所接受。由于累积型MOS管的C-V曲线比反型MOS管要缓一些，人们就普遍认为缓变的累积型MOS管电容比陡变反型MOS管电容性能更好，能够得到更加线性的频率—电压(F-V)调谐曲线。而事实上，本发明通过对采用阶跃电容的电感电容压控振荡器的调谐特性分析，可以知道陡变反型MOS管电容也能够实现近似线性的调谐特性。
图1为一种采用负阻产生电路结构的电感电容压控振荡器电路，其中负阻产生电路可以是互补交叉耦合差分对，也可以是单NMOS或PMOS交叉耦合差分对。近几年对这种结构的压控振荡器调谐特性问题进行分析的方法主要是通过谐波平衡近似分析的方法，求得基波频率上的等效电容。由于谐波近似方法忽略了高次谐波分量对等效电容的影响，因此在一定程度上会引入精度误差。通过数值计算的方法可以得到频率—电压(F-V)调谐曲线，但是数值计算是一个复杂而且费时的方法。特别是在改变偏置电流的情况下，整个数值计算结果需要重新进行计算。
发明内容
本发明的目的在于提出一种计算时间省、分析精度高的阶跃电容压控振荡器调谐曲线的确定方法。该方法从时间域角度对电感电容谐振电路的谐振周期进行了理论推导，从而得到压控振荡器的频率—电压调谐曲线。
本发明提出的采用阶跃电容的压控振荡器调谐曲线的确定方法，是根据有效控制电压Veff(下面将要提及的公式1)的不同，将振荡器的电压控制过程分为四种情况讨论。在每种情况下，电感电容谐振电路的可变电容值会出现不同的情况，从而使谐振电压波形和谐振频率发生变化。根据实际情况，对于每一种情况下的谐振电压波形分别用片上电感的电流—电压轨迹图表示，并分别建立这四种情况下片上电感的电流—电压轨迹的椭圆方程。求解方程得到相应的谐振频率。为便于建立椭圆方程和求解谐振周期，提出了椭圆相似系数θ的概念。综合四种情况下频率和电压的关系，得到整个控制电压范围内振荡器的振荡频率—电压曲线，即压控振荡器的调谐曲线。
电压控制过程根据有效控制电压Veff的不同分为四种情况，具体如下(1)当Veff≤Vdc-Amin时，也就是说有效控制电压很低，电感电容谐振电路的可变电容始终是最大电容值Cmax，谐振波形是一个最小幅值Amin的正弦波，振荡频率为最小频率ωmin，其中Vdc为差分振荡电压的直流分量；(2)当Veff≥Vdc+Amax时，也就是说有效控制电压很高，电感电容谐振电路的可变电容始终是最小电容值Cmin，谐振波形是一个最大幅值Amax的正弦波，振荡频率为最大频率ωmax；(3)当Vdc-Amin≤Veff≤Vdc时，在电压Veff以上可变电容为最大电容值Cmax，谐振波形是最小幅值Amin的正弦波的一部分，频率为最小频率ωmin；在电压Veff以下可变电容为最小电容值Cmin，振荡波形是幅值为θAmax(θ为椭圆相似系数)的正弦波的一部分，频率为最大频率ωmax；(4)当Vdc≤Veff≤Vdc+Amax时，在电压Veff以上可变电容为最大电容值Cmax，幅值为θAmin(θ为椭圆比例系数)的正弦波形的一部分，频率为最小频率ωmin；在电压Veff以下可变电容为最小电容值Cmin，振荡波形是最大幅值Amax的正弦波形的一部分，频率为最大频率ωmax。
对每种情况可以分别得到电感电容谐振电路的谐振电压波形图(如图4)和谐振电路中电感11的电流—电压轨迹图(如图5)。建立图5所示的I-V轨迹图的椭圆方程，并分别求解出上述四种情况下对应的谐振周期，即可得到压控振荡器的调谐曲线(见图6)。
图1为负阻结构压控振荡器电路图；图2为半电路等效电感电容串联回路；图3为阶跃可变电容的电容—电压(C-V)曲线；图4为谐振电压波形；图5为片上电感的电流—电压(I-V)轨迹图；图6为压控振荡器的频率—电压(F-V)调谐曲线。
图中标号11、13为片上螺旋电感，12、14为阶跃MOS管可变电容。
具体实施例方式
下面结合附图进一步具体描述本发明。
图3的电容—电压曲线为一个阶跃函数Css(V)=CmaxV≥VeffCminV≤Veff---(1)]]>其中Cmax为最大电容值，Cmin为最小电容值。
MOS管可变电容的有效控制电压Veff＝VG-Vctrl-VTH，其中VG、VTH分别为MOS管可变电容12的栅电压和阈值电压，Vctrl为控制电压。
片上电感11的I-V轨迹图见图5。从图上可以看到I-V轨迹是由两个椭圆轨迹拼接而成。随着有效控制电压的变化，两个椭圆分别满足两个不同的椭圆轨迹方程。对不同的Veff情况分别进行讨论(1)当Veff≤Vdc-Amin时，片上电感的I-V轨迹满足椭圆轨迹方程(V-VdcAmin)2+(IωminCmaxAmin)2=1---(2)]]>谐振周期T=Tmax=2πLCmax,]]>其中，L为片上电感的电感值。
(2)当Veff≥Vdc+Amax时，片上电感的I-V轨迹满足椭圆轨迹方程(V-VdcAmax)2+(IωmaxCminAmax)2=1---(3)]]>谐振周期T=Tmin=2πLCmin.]]>(3)当Vdc-Amin≤Veff≤Vdc时，片上电感的I-V轨迹满足两个椭圆轨迹方程
(V-VdcAmin)2+(IωminCmaxAmin)2=1,V≥Veff]]>(V-VdcAmax)2+(IωmaxCminAmax)2=θ2,V<Veff,]]>椭圆相似系数θ满足Amin/Amax≤θ≤1 (4)特别地，当有效控制电压Veff＝Vdc，椭圆相似系数θ＝1时，Imax＝ωminCmaxAmin＝ωmaxCminAmax(5)其中Imax是片上电感11和可变电容12中的最大电流值。
谐振周期为谐振波形在两个椭圆上的时间之和T＝T1+T2。T1为在幅值Amin的椭圆上的时间，T2为在幅值θAmax的椭圆上的时间。如图5所示，在交接点处片上电感11上电压和电流分别是Veff和Ieff，求解式子(4)中的两个方程，可以得到椭圆相似系数θ。
由式子(4)的第一个椭圆方程可以得到Ieff=±ωminCmaxAmin1-(Veff-VdcAmin)2]]>代入第二个椭圆方程得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]]>可以计算出在两个椭圆上的时间分别为T1=π2+arcsin(|Veff-Vdc|Amin)πTmax,T2=π2-arcsin(|Veff-Vdc|θAmax)π=Tmin]]>则谐振周期为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)当Vdc≤Veff≤Vdc+Amax时，片上电感11的I-V轨迹满足两个椭圆轨迹方程(V-VdcAmin)2+(IωminCmaxAmin)2=θ2,V<Veff,]]>椭圆相似系数θ满足1≤θ≤Amax/Amin。
(V-VdcAmax)2+(IωmaxCminAmax)2=1,V≥Veff---(6)]]>与第3种情况相同的方法，求解式子(6)的两个方程可以得到椭圆相似系数θ和谐振周期θ=1-(Veff-VdcAmax)2+(Veff-VdcAmin)2]]>T=12(Tmax+Tmin)+1π(-arcsin(|Veff-Vdc|θAmin)Tmax+arcsin(|Veff-Vdc|Amax)Tmin)]]>为了验证上述周期计算方法的正确性，我们在HSPICE软件下仿真了图3的电感电容串联谐振电路。电路参数分别是L＝10nH，Cmax＝4pF，Cmin＝1pF，Amin＝0.5V。频率—电压(F-V)调谐曲线的计算结果(实线)与SPICE仿真的结果(十字交叉)如图6所示当压控振荡器的振幅很大，接近电源电压时，振荡器的周期是最大周期Tmax和最小周期Tmin的插值。压控振荡器的频率—电压(F-V)调谐曲线在振荡器幅值范围之内与有效控制电压Veff近似成线性关系。即使MOS管可变电容的电容—电压(C-V)曲线是阶跃的，压控振荡器的频率—电压(F-V)压控曲线仍然是线性的。这一点与通常人们所认为的缓变C-V曲线会导致缓变F-V调谐曲线是相反的，因此MOS管C-V曲线并没有必要具有线性特性。
最后应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
权利要求
1.一种采用阶跃电容的压控振荡器谐振周期的确定方法，其特征在于根据有效控制电压Veff的不同，将振荡器的电压控制过程分为下述4种情况。对于每一种情况下的谐振电压波形分别用片上电感的电流-电压轨迹图来表示，并建立相应的椭圆轨迹方程；求解方程，得到相应的谐振频率和谐振周期，最终得到整个控制电压范围内的振荡器振荡频率-电压曲线；压控过程的4种情况如下(1)Veff≤Vdc-Amin；(2)Veff≥Vdc+Amax；(3)Vdc-Amin≤Veff≤Vdc；(4)Vdc≤Veff≤Vdc+Amax；其中，Vdc为直流工作电压，Amin为谐振波形的最小幅值，Amax为谐振波形的最大幅值。
2.根据权利要求1所述的确定方法，其特征在于(1)当Veff≤Vdc-Amin时，片上电感的I-V轨迹满足椭圆轨迹方程(V-VdcAmin)2(IωminCmaxAmin)2=1]]>谐振周期T=Tmax=2πLCmax,]]>其中，L为片上电感的电感值；(2)当Veff≥Vdc+Amax时，片上电感的I-V轨迹满足椭圆轨迹方程(V-VdcAmax)2(IωmaxCminAmax)2=1]]>谐振周期T=Tmin=2πLCmin]]>(3)当Vdc-Amin≤Veff≤Vdc时，片上电感的I-V轨迹满足两个椭圆轨迹方程(V-VdcAmin)2(IωminCmaxAmin)2=1,V≥Veff]]>(V-VdcAmax)2(IωmaxCminAmax)2=θ2,V<Veff,]]>θ满足Amin/Amax≤θ≤1谐振周期为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)当Vdc≤Veff≤Vdc+Amax时，片上电感的I-V轨迹满足两个椭圆轨迹方程(V-VdcAmin)2(IωminCmaxAmin)2=θ2,V≥Veff,]]>θ满足1≤θ≤Amax/.Amin。(V-VdcAmax)2(IωmaxCminAmax)2=1,V<Veff]]>谐振周期为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，参数Tmax、Tmin分别为谐振波形的最大、最小周期；Cmax、Cmin分别为阶跃电容的最大、最小电容值；ωmax、ωmin分别为谐振波形的最大和最小频率。
全文摘要
本发明属于射频集成电路技术领域，具体为一种电感电容压控振荡器的调谐曲线的确定方法。该方法涉及的电路是采用阶跃电容实现近似线性调谐的压控振荡器。根据有效控制电压的大小可以将压控过程划分为四种不同情况，在每种情况下压控振荡器的谐振电压波形是由两个大小不同的椭圆轨迹相拼接构成，对片上电感的电流－电压轨迹建立椭圆轨迹方程。通过求解在每种情况下的两个相交椭圆轨迹方程，可以计算出谐振电路的谐振周期，从而得到振荡器频率－电压调谐曲线。在谐振幅值范围之内，该方法计算的调谐曲线的谐振频率与有效控制电压近似成线性关系。
文档编号H03B7/02GK1645740SQ20051002330
公开日2005年7月27日 申请日期2005年1月13日 优先权日2005年1月13日
发明者唐长文, 何捷, 廖友春, 闵昊 申请人:复旦大学