专利名称：具有宽频率变化范围的电谐振器装置的制作方法
技术领域：
本文档涉及具有宽的频率调谐范围或频率变化范围的电谐振器装置，其例如用于 产生频率和噪声稳定参考源，因此产生压控振荡器(VCO)。此VCO可例如用于移动通信终端 的 发射和接收链。本文档还适用于具有宽频带的选择性滤波器的产生，其也应用于移动通 信系统中。
背景技术：
一般来说，VCO特征在于四个参数-相位噪声此表征振荡器的频谱纯度。振荡器的固有振动以频谱噪声密度的形 式量化，所述谱噪声密度在移动远离其基本频率时减小。以dBc/Hz表达的此谱密度的水平 是在相对于基本频率的某一频率差提供。良好的相位噪声确保良好的接收灵敏度，以及良 好的调制质量。_频率变化范围这是振荡器调谐到给定频带中的能力。一般来说，振荡器预期能 涵盖对应于已创建系统的标准的所有频带。在频带彼此接近的多标准系统的情形下，大的 频率变化范围是优点。-输出功率额定值这是振荡器产生的参考信号的功率电平。其电平越高，其相位 噪声越有效，且其与系统的其它块的接合越简单。-消耗这是VCO操作所需的持续功率。其与系统中可用的DC电压有关。在技术 致密化的情况下，电源电压正在减小，其相当大地限制了振荡器提供功率的能力。这四个参数的优化大体上是基于若干折衷。因此，VCO的相位噪声的改善损害频 率变化范围和消耗。此外，高输出功率电平增加VCO的消耗。一般来说，VCO依据为其设计 的发射/接收系统的特定特征而具有基于这些约束中的一个或多个的优化性能。为了比较 VCO的性能，存在使各种约束联系的数学指示符品质因数。品质因数越高，可认为VCO越 有效。为制成VC0，使例如通过串联或并联连接到负电阻器的RLC电路(电阻器+电感+ 电容器)而模型化的谐振器关联到额外的复阻抗元件，其修改VCO的谐振条件以适合于命 令。负电阻器意味着一电组件，其至少在某一范围内的行为使得在施加到其端子的电压增 加时通过其的电流下降。复阻抗元件例如为例如用变容二极管获得的可变电容，或可变电 感性元件。如此产生的VCO的相位噪声首先取决于谐振器和可变复阻抗元件的质量系数的 关联，其次取决于用以产生谐振器的负电阻器的晶体管专有的噪声。为了改善RF系统(尤其为数字系统)中的VCO的振荡器的稳定性，一种技术是使集成VCO具备例如FBAR类型(薄膜体声波谐振器)的BAW谐振器(体声波)，或关联到电 压可控的可变复阻抗元件的SAW谐振器(表面声波)。因此可能满足与当前移动通信系统 兼容的尤其在高操作频率下的稳定性、相位噪声和功率消耗的高约束例如BAW或SAW等具有高质量系数的谐振器具有在彼此接近的两个频率下具有突 出值的阻抗串联谐振频率，在所述频率下谐振器的阻抗最低，以及反谐振频率，在所述频 率下谐振器的阻抗最高。具备BAW或SAW谐振器的VCO的可变复阻抗元件准许VCO的谐振 或反谐振频率变化。在移动通信系统中，VCO的典型频率变化范围达到约5%。此外，维持良好质量系 数是基本的，因为其首先涉及于功能的相位噪声中。2006年10月的IEEE固态电路期刊第 41期第10号K.B. Ostman等人的公开案“使用串联IC上方FBAR和并联LC谐振的新颖的 VCO架构”描述了具备BAW谐振器的VC0。即使此电路具有优良的相位噪声和可接受的频率 变化范围，其由于向BAW谐振器添加串联元件而引起的串联上的电阻性损失的增加而具有 高消耗。而且，此VCO的品质因数受到BAW谐振器的固有性质的限制，其相当大地限制VCO 的频率变化范围。举例来说，对于在接收中使用60MHz到2. 14GHZ的频带的UMTS标准，与 具有高质量系数的谐振器一起操作的集成VCO均不能满足针对使用这些宽频带的数字移 动通信系统的频率变化范围约束。用于这些应用的集成VCO因此当前在具有小于10的质 量系数的集成谐振器的辅助下操作。BAff或SAW类型的高质量系数谐振器还用于产生用于移动通信装置的多标准发射 和/或接收架构中的滤波器。这些滤波器例如由一个或若干耦合的谐振器制成，其中此耦 合可为串联和/或并联以获得梯式滤波器或格型滤波器。然而，这些滤波器难以覆盖所需频率范围，尤其对于移动通信系统。
发明内容
因此需要提出一种电谐振器装置，其不具有现有技术的缺点，即其归功于高质量 系数谐振器而具有良好质量系数，同时提供宽频率变化范围。为实现此目的，一个实施例提出一种电谐振器装置，其能够在可变频率ω下操作 或在可变频率ω下操作，所述电谐振器装置至少包括_声波谐振器，_第一电路，其并联耦合到所述谐振器，且具有正的且可调节的电容，-第二电路，其并联耦合到所述谐振器和所述第一电路，且具有严格为负的电容。一个实施例还提出一种电谐振器装置，其能够在可变频率ω下操作或在可变频 率ω下操作，所述电谐振器装置至少包括_声波谐振器，-第一电路，其并联耦合到所述谐振器，且具有虚部等于;^的可调节复阻抗，其
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中 C1 > 0，-第二电路，其并联耦合到所述谐振器和所述第一电路，且具有虚部等于3的复阻抗，其中C2 <0，ω为所述装置的谐振频率或操作频率。ω对应于所述电装置的操作频率。举例来说，当电谐振器装置为压控振荡器时，操 作频率的值取决于施加到振荡器的控制电压的值。因此，归功于具有严格为负的电容和电容性行为的第二电路，无论装置的操作频 率如何，装置的反谐振频率均移动到高于声波谐振器的自然反谐振频率的频率，而不改变 其串联谐振频率。换句话说，可能增加声波谐振器的机电耦合，且因此增加装置的频率变化 范围。因此装置在宽频率范围上起作用。根据此实施例，可能产生具有串联谐振频率和反谐振频率的振荡布置，例如压控 振荡器或滤波器，其包括声波谐振器、具有实部可为负且虚部等效于负电容的复阻抗的电 子功能、以及正可变电容。此振荡布置准许例如产生压控振荡器，其相位噪声主要由声波谐 振器的高质量决定，且其频率变化范围显著高于使用一谐振器例如RLC谐振器获得的变化 范围。此振荡布置还准许产生滤波器，其过滤比已知滤波器宽的频带，而不会使滤波器的插 入损失和抑制降级。耦合到声波谐振器的虚部等于 (其中C2 < 0)的复阻抗的存在或为负的电容 K^y 2 ^^
使装置的频率变化范围相对于已知装置(例如VC0)增加约4到5倍之间。此外，此实施例准许获得具有低相位噪声的宽频率调谐范围的VC0，且得益于以并 联耦合的声波谐振器的质量系数增加的可变电容的质量系数，其中调谐频率可对应于VCO 的反谐振频率。最终，通过在反谐振频率下操作，如此产生的VCO维持低消耗，同时维持低相位噪声。电装置且尤其是第二电路可以由小尺寸组件制成，因此使得能够实现完全集成的 例如VCO等电装置，其例如以微电子技术实现，即具有微米尺寸。第二电路具有电容性行为，无论装置的操作频率如何。事实上，与具有正虚部且在 操作频率增加期间在Smith列线图上绘制时根据顺时针方向转动的正电感的阻抗相反，负 电容的阻抗具有正虚部，但在操作频率增加期间在Smith列线图上绘制时根据逆时针方向 转动。虽然对于给定操作频率，正电感值存在，使得阻抗的位置(在Smith列线图上)对 应于负电容的阻抗的位置，获得此电感的限制比获得对应负电容重要得多。举例来说，对于 例如等于IOOMHz左右的低操作频率，-IpF的电容具有对应于2. 5μ H的电感的阻抗，其无 法以集成方式实现。而且，负电容的阻抗的衍生物不同于电感的衍生物。与电感相反，具有虚部等于的复阻抗(其中C2<0)即具有负电容的第二电路
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使得能够-在装置的低频率操作期间不使声波谐振器短路，且因此保持组件性质与直流循 环相反；_呈现良好品质因数。
第二电路可进一步具有严格为负的电阻器。第二电路的复阻抗可包括值严格为负的实部。第二电路可包括耦合到电感性组件的多个场效应晶体管。第一电路可包括变容二极管类型的至少一个二极管或至少一个开关电容。所述谐振器可为体声波或表面声波类型。所述装置可进一步包括第三电路， 所述第三电路并联耦合到所述谐振器、所述第 一和第二电路，且具有负电阻器或实部具有严格负值的复阻抗。所述第三电路可包括由至少两个场效应晶体管形成的至少一个差分对。本文档还涉及一种包括例如上文所述的至少一个装置的压控振荡器(VCO)。本文档还涉及一种具有例如先前所述的至少一个装置的电子滤波器。
在参考附图阅读了仅以说明而非限制的方式提供的实施例的描述之后将更好地 理解本发明，其中-图1表示根据一个特定实施例的压控振荡器；-图2表示压控振荡器的第二电路的实施例；-图3表示图2所示的第二电路的等效电路；-图4表示由压控振荡器使用的声谐振器的首先模型化的等效电路；-图5表示在与具有虚部等于 的复阻抗(其中C2< 0)的电路耦合或不耦合 的情况下根据谐振器的频率的声谐振器的阻抗的演进的曲线图。下文描述的不同图的相同、相似或等效部分带有相同的数字参考，以便促进从一 个图到另一图的传递。图中所示的不同部分不一定按均一比例绘制，以便使图更容易阅读。应了解，不同的可能性(变体和实施例)彼此不排斥且可组合。
具体实施例方式首先参看图1，其表示根据一个特定实施例的压控振荡器(VCO) 100的一个实例。VCO 100具备具有高质量系数(例如在约500与1500之间)的谐振器101。在关 于图1描述的实施例中，谐振器101为体声波类型(BAW)。VCO 100进一步包括第一电路，其具有正可变电容，即具有虚部等于 的可调节
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复阻抗，其中C1彡0且ω为VCO 100的谐振频率，即，VCO 100的操作频率。此第一电路在 此处由相对于彼此串联耦合的变抗器或变容二极管类型的一对二极管108、110形成。此第 一电路与谐振器101并联耦合。定位于两个二极管108、110之间的命令输入112允许将命 令电压施加到两个二极管108、110，其中电容的值(即，由两个二极管108、110呈现的复阻 抗的虚部的值)是根据此命令电压的值界定。VCO 100还包括第二电路114，其具有严格为负的电容，即具有虚部等于 的复阻抗，其中C2 < O。此第二电路114还与二极管108、110和谐振器101并联耦合。VCOlOO 的电源电压Vdd进一步施加到第二电路114。最终，VCO 100包括并联耦合到谐振器101、第一电路108、110以及第二电路114 的第三电路119，其向VCO 100的其它元件呈现负电阻器，即实部具有严格负值的复阻抗。 在图1中的实例中，此第三电路119包括由差分安装的MOS类型的两个场效应晶体管102、 104形成的差分对。第三电路119还包括电容器103，以及两个电流极化源105。电容器103 确保差分对在低频下具有小于1的增益，因此避免其由于对其连续频率的正反应作用而表 现为类似于开关，且因此避免差分对阻塞。
图2中展示第二电路114的一个实施例。此第二电路114包括彼此相同的两个晶 体管MOS 113a，以及也彼此相同的两个其它晶体管MOS 113b。这四个晶体管由两个电流源 115极化。第二电路114进一步包括具有值L的电感117。最终，输入118准许第二电路 114并联耦合到VCO 100的其它元件。图3中展示第二电路114的等效电路。此等效电路包括第一电阻性元件120，其电 阻器等于晶体管113a的漏极-源极电阻器Rdsl。此第一电阻性元件120并联耦合到第一 电容性元件122，其电容等效于晶体管113b的栅极-源极电容Cgs2。第一电容性元件122 并联耦合到彼此串联耦合的三个其它元件-第二电阻性元件124具有等于-l/(gm2Rds2)的负电阻器，其中gm为晶体管113a 和113b的跨导，且Rds2是晶体管113b的漏极-源极电阻器，-具有等于-Cgsl/gm2的值的电感性元件126，其中Cgsl在此处是晶体管113a的 栅极-源极电容，-具有等于-L.gm2的负电容的第二电容性元件128。因此可见，第二电路114的复阻抗尤其由等于-l/(gm2Rds2)的负实部和等于
权利要求
一种电谐振器装置，其能够在可变频率ω下操作，其特征在于，所述电谐振器装置至少包括声波谐振器，第一电路，其并联耦合到所述谐振器，且具有虚部等于 的可调节复阻抗，其中C1≥0，第二电路，其并联耦合到所述谐振器和所述第一电路，且具有虚部等于 的复阻抗，其中C2＜0，ω为所述装置的操作频率。dest_path_FSB00000282413900011.tif,dest_path_FSB00000282413900012.tif
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第二电路的所述复阻抗包括值严格 为负的实部。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第二电路包括耦合到电感性组件的 多个场效应晶体管。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一电路包括变容二极管类型的至少一个二极管。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一电路包括至少一个开关电容。
6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述谐振器为体声波或表面声波类型。
7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，其进一步包括第三电路，所述第三电路并 联耦合到所述谐振器、所述第一和所述第二电路，且具有实部具有严格负值的复阻抗。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述第三电路包括由至少两个场效应晶 体管形成的至少一个差分对。
9.一种至少包括根据权利要求1所述的装置的压控振荡器。
10.一种至少包括根据权利要求1所述的装置的电子滤波器。
全文摘要
本发明公开了一种电谐振器装置，其能够在可变频率ω下操作，所述电谐振器装置至少包括声波谐振器；第一电路，其并联耦合到所述谐振器，且具有虚部等于的可调节复阻抗，其中C1≤0；第二电路，其并联耦合到所述谐振器和所述第一电路，且具有虚部等于的复阻抗，其中C2＜0，ω为所述装置的操作频率。
文档编号H03H9/64GK101971484SQ200980102347
公开日2011年2月9日 申请日期2009年1月16日 优先权日2008年1月18日
发明者皮埃尔·文森特, 让-巴普蒂斯特·大卫 申请人:法国原子能和替代能源委员会