一种适用于数控LC振荡器的开关修调结构的制作方法

本实用新型涉及到具有频率调节功能的LC振荡器，较为具体的，涉及到一种适用于数控LC振荡器的开关修调结构。

背景技术：

随着数字信号处理越来越广泛的应用，数字锁相环在现代集成电路设计中也越来越普遍，而数字锁相环设计中最核心的部分是数字振荡器的设计。数字振荡器主要可以分为三种：第一种数字振荡器为模数转换和压控振荡器的组合的数字振荡器，第二种数字振荡器为基于环形振荡器的数字振荡器，第三种数字振荡器是基于电感电容谐振腔振荡器的数字振荡器。针对4～5GHz的应用领域，主要采用基于电感电容谐振腔振荡器的数字振荡器。

如图1所示，为目前的性能较为稳定的基于电感电容谐振腔振荡器的数字振荡器，其包括RC振荡器电路、粗调电路和细调电路，其中，RC振荡器电路包括电源VCC、第一电容C1、第二电容C2、第一电感L1、第二电感L2，电源VCC采用直流电，第一NMOS晶体管M1、第二NMOS晶体管M2，其中第一电感L1和第一电容C1并联，且第一电感L1和第一电容C1的一端与电源VCC相连，另外一端与第二NMOS晶体管M2的栅极G端相连；第二电感L2和第二电容C2并联，且第二电感L2和第二电容C2的一端与电源VCC相连，另外一端与第一NMOS晶体管M1的栅极G端相连，第一NMOS晶体管M1的漏极D端与第一电感L1和第一电容C1的另外一端相连，第一NMOS晶体管M1的源极S端接地；第二NMOS晶体管M2的漏极D端与第二电感L2和第二电容C2的另外一端相连，第二NMOS晶体管M2的源极S端接地。此RC振荡器电路的工作原理为通过第一电感L1和第一电容C1产生高频振荡，同时采用对称的第二电感L2和第二电容C2产生高频振荡，提升RC振荡器电路的稳定性，降低噪声；由于第一电感L1和第二电感L2中存在电阻，所以在每一个振荡周期中，在电容和电感之间互换的一部分能量在电阻中以热的形式损失了，这就直接导致产生的高频振荡的振幅会周期性的衰减，直至最后不再产生振荡，为了解决这个问题，引入第一NMOS晶体管和第二NMOS晶体管，并按照上述连接结构将第一NMOS晶体管和第二NMOS晶体管加入到含有电源VCC、第一电感L1、第一电容C1、第二电感L2、第二电容C2的基础RC振荡器电路中，此时第一NMOS晶体管和第二NMOS晶体管的电路中产生一个负电阻，该负电阻正好与基础RC振荡器电路中存在的电阻抵消，这样就保证了RC振荡器电路的周期性的衰减消失。

粗调电路包括数字控制端和一个线路或含有多个并联线路的阵列结构，所述的一个线路或者含有多个并联线路的阵列结构为含有NMOS晶体管和电容的线路结构，图1中画出来含有6个线路的阵列，实际在电路设计的过程中可以根据需求放一个或多个，不一定是6个。此处，为了方便表述，按照含有6个线路的阵列来进行描述电路连接结构和解释电路工作原理。粗调电路中包含数字控制端、第一条线路、第二条线路、第三条线路、第四条线路、第五条线路和第六条线路，第一条线路中包含第三电容C3、第三NMOS晶体管M3，第二条线路中包含第四电容C4、第四NMOS晶体管M4，第三条线路中包含第五电容C5、第五NMOS晶体管M5，第四条线路中包含第六电容C6、第六NMOS晶体管M6，第五条线路中包含第七电容C7、第七NMOS晶体管M7,第六条线路中包含第八电容C8、第八NMOS晶体管M8；其中，第一条线路的连接方式为第三电容C3的一端连接在第一电感L1、第一电容C1与第一NMOS晶体管M1的漏极D端之间，第三电容C3的另外一端与第三NMOS晶体管M3的漏极D端连接，第三NMOS晶体管M3的源极S端接地，第三NMOS晶体管M3的栅极G端连接到数字控制端；第二条线路和第三条线路与第一条线路并列，且连接方式与第一条线路完全相同；第四条线路的连接方式为第六电容C6的一端连接在第二电感L2、第二电容C2和第二NMOS晶体管M2的漏极D端之间，第六电容C6的另外一端与第六NMOS晶体管M6的漏极D端连接，第六NMOS晶体管M6的源极S端接地，第六NMOS晶体管M6的栅极G端连接到数字控制端；第五条线路和第六条线路与第四条线路并列，且连接方式与第四条线路完全相同。粗调电路的工作原理为通过数字控制端调节第一条线路至第六条线路上的第三NMOS晶体管M3～第八NMOS晶体管M8的开启和关断，来增加RC振荡器电路中的电容，从而来减小高频振动频率。较为具体的，举例说明如下，如果数字控制端给出一个高电平给第三NMOS晶体管M3的栅极G端，那么第三NMOS晶体管M3的漏极D端和源极S端之间导通，在直流电的工作环境下，第三电容C3与第一电容C1并联，则对于整个振荡器电路而言，则相当于增加了一个电容C3。而根据振荡频率公式f＝1/(k*√lc)，其中f表示频率，k表示系数，l表示感抗，c表示容抗，可以知道当电容增加时候，频率会按照一定比例减小；而每一条线路均存在两种情况，即数字控制端给出高电平和给出低电平的情况，当给出高电平则相应的线路的NMOS晶体管的漏极D端和源极S端导通，会给整个RC振荡器电路增加一个相应的电容；当给出低电平时，相应的NMOS晶体管的漏极D端和源极S端之间不发生导通，则不会对整个RC振荡器电路产生影响；目前，有六条线路，每条线路上有两种可能性的调节状况产生，所以6条线路上就会有2⁶＝64种电容调节方式，也就是说有64种频率调节情况，这样就将整个振荡频率分为了64个区域。实际在设计电路的过程中，根据实际需求来设定线路的数量和电容的大小。

细调电路包含可变电容VCTR，可变电容VCTR1的一端连接到第一电感L1、第一电容C1和第一NMOS晶体管M1的漏极D端之间，可变电容VCTR的另一端连接到第二电感L2、第二电容C2和第二NMOS晶体管M2的漏极D端之间。细调电路的工作原理为：由于可变电容VCTR的一端分别与第一电容C1、第三电容C3、第四电容C4和第五电容C5之间保持串联，可变电容VCTR的另外一端与第二电容C2、第六电容C6、第七电容C7和第八电容C8之间保持串联，所以可变电容VCTR可以减小整个RC振荡器电路的电容，这样就可以提升整个RC振荡器电路的频率，可以将粗调后的频率再往回调节一部分。同时，由于采用的是可变电容，回调的部分也能够进行调节。

以上，是目前的技术中较为先进的基于电感电容谐振腔振荡器的数字振荡器，其进行频率调节的功能已经非常强大，但是，由于其粗调的过程中采用NMOS晶体管进行调节，而NMOS晶体管由于生产条件的限制，其本身内部含有寄生电容Cd，且NMOS晶体管的尺寸越大，其内部的寄生电容Cd也就越大，由于该寄生电容Cd的限制，就使得原本设计好的基于电感电容谐振腔振荡器的数字振荡器的频率的调节精度准确性下降，肯定会产生偏差，而且该偏差相对较大，后期在实际实用该基于电感电容谐振腔振荡器的数字振荡器的时候，需要根据经验值来进行调节，确定实际的调节精度。并且，本申请的实用新型人认为该基于电感电容谐振腔振荡器的数字振荡器还可以在不增加原来的调节线路的基础上，增加调节的区域数量，也就是增加频率的调节精度。

技术实现要素：

有鉴于此，本实用新型提出一种适用于数控LC振荡器的开关修调结构，其包括RC振荡器电路、数字控制端、粗调电容阵列，其中RC振荡器电路包括：电源VCC、第一电容C1、第二电容C2、第一电感L1、第二电感L2，第一NMOS晶体管M1、第二NMOS晶体管M2，电源VCC为直流电，第一电感L1和第一电容C1并联，且第一电感L1和第一电容C1的一端与电源VCC相连，另外一端与第二NMOS晶体管M2的栅极G端相连；第二电感L2和第二电容C2并联，且第二电感L2和第二电容C2的一端与电源VCC相连，另外一端与第一NMOS晶体管M1的栅极G端相连，第一NMOS晶体管M1的漏极D端与第一电感L1和第一电容C1的另外一端相连，第一NMOS晶体管M1的源极S端接地；第二NMOS晶体管M2的漏极D端与第二电感L2和第二电容C2的另外一端相连，第二NMOS晶体管M2的源极S端接地；其特征在于：粗调电容阵列包含第一差分传输线、第二差分传输线、多个数控人工电介质和开关，数控人工电介质为金属条，每根金属条按照等比例要求贴合在差分传输线的下方，且每根金属条的两端均暴露在差分传输线的外部，将第一差分传输线上的金属条与第二差分传输线上的金属条采用开关一一依次连接；第一差分传输线的一端连接在第一电感L1和第一电容C1的另外一端，第一差分传输线的另外一端连接在第一NMOS晶体管M1的漏极D端；第二差分传输线的一端连接在第二电感L2和第二电容C2的另外一端，第二差分传输线的另外一端连接在第二NMOS晶体管M2的漏极D端。

进一步的，第一差分传输线与多个人工电介质连接的结构与第二差分传输线与多个人工电介质连接的结构完全相同。

进一步的，开关的结构由第九NMOS晶体管M9、第十NMOS晶体管M10和第十一NMOS晶体管M11构成，数字控制端连接到第九NMOS晶体管M9的栅极G端、第十NMOS晶体管M10的栅极G端和第十一NMOS晶体管M11栅极G端，第十NMOS晶体管M10的源极S端接地，第十一NMOS晶体管M11源极S端接地，第十NMOS晶体管M10的漏极D端和第九NMOS晶体管M9的源极S端连接到第一差分传输线的其中一根金属条上，第十一NMOS晶体管M11的漏极D端和第九NMOS晶体管M9的漏极D端连接到第二差分传输线的其中一个金属上；依此类推，将第一差分传输线上的金属条通过以上结构依次连接到第二差分传输线上的金属条上。

进一步的，第九NMOS晶体管M9、第十NMOS晶体管M10和第十一NMOS晶体管M11的长度为纳米级的，且长度为7nm-100nm；更进一步优选的，第九NMOS晶体管M9、第十NMOS晶体管M10和第十一NMOS晶体管M11的长度为7nm-10nm。

进一步的，本实用新型的适用于数控LC振荡器的开关修调结构中还包含中调电容阵列。

进一步的，中调电容阵列的结构跟粗调电容阵列的结构相同，唯一的区别点在于中调电容阵列中单位距离的第一差分传输线和第二差分传输线的电容比粗调电容阵列中单位距离的第一差分传输线和第二差分传输线的电容小。这样可以实现对本实用新型的新型开关电容修调数控振荡器的频率的更加精密的精度调节。

采用以上粗调电容阵列，利用第一差分传输线与第二差分传输线上对应的数控人工电介质之间的电容来进行调节。而数控人工电介质的结构更加简单，同时对工艺的敏感性也更低。这种结构可以提供一个线性的离散频率修调范围。

以上粗调电容阵列的工作原理如下：当数字控制端给出高电平时，第九NMOS晶体管M9的源极S端和漏极D端导通，第十NMOS晶体管M10的源极S端和漏极D端导通，第十一NMOS晶体管M11的源极S端和漏极D端导通，且第九NMOS晶体管M9、第十NMOS晶体管M10和第十一NMOS晶体管M11的尺寸都非常小，故以上NMOS晶体管的寄生电容Cd均可以忽略不计。由于第十NMOS晶体管M10的漏极D端和第九NMOS晶体管M9的源极S端连接到第一差分传输线的其中一根金属条上，第十一NMOS晶体管M11的漏极D端和第九NMOS晶体管M9的漏极D端连接到第二差分传输线的其中一个金属上，这样就使得第一差分传输线上的一根金属条与第二差分传输线上的一根金属条导通，而在以上电路结构中存在单位距离的第一差分传输线和第二差分传输线之间的电容是一定的。这样就可以通过调节多个开关的通断，使得多个单位距离的第一差分传输线和第二差分传输线之间发生导通，产生并联电容，这样就可以进一步调节本实用新型的新型开关电容修调数控振荡器的频率调节的精度。采用与粗调电容阵列并连连接的中调电容阵列，可以使得调节的精度更高。

进一步的，所述的适用于数控LC振荡器的开关修调结构中还包括细调电路，细调电路包含可变电容VCTR，可变电容VCTR的一端连接到第一电感L1、第一电容C1和第一NMOS晶体管M1的漏极D端之间，第二可变电容VCTR的另一端连接到第二电感L2、第二电容C2和第二NMOS晶体管M2的漏极D端之间。细调电路的工作原理为：由于可变电容VCTR分别与第一电容C1、第三电容C3、第四电容C4和第五电容C5之间保持串联，可变电容VCTR与第二电容C2、第六电容C6、第七电容C7和第八电容C8之间保持串联，所以可变电容VCTR可以减小整个RC振荡器电路的电容，这样就可以提升整个RC振荡器电路的频率，可以将粗调和中调后的频率再往回调节一部分。同时，由于采用的是可变电容，回调的部分也能够进行调节。

附图说明

图1为目前的性能较为稳定的基于电感电容谐振腔振荡器的数字振荡器的结构示意图。

图2为本实用新型的适用于数控LC振荡器的开关修调结构。

图3为粗调电容阵列和中调电容阵列的结构示意图。

图4为粗调电容阵列和中调电容阵列的结构示意图。

主要元件符号说明

如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本实用新型。

具体实施方式

具体实施案例1：

如图2所示，为本实用新型的适用于数控LC振荡器的开关修调结构，其包括RC振荡器电路、数字控制端、粗调电容阵列，其中RC振荡器电路包括：电源VCC、第一电容C1、第二电容C2、第一电感L1、第二电感L2，第一NMOS晶体管M1、第二NMOS晶体管M2，电源VCC为直流电，第一电感L1和第一电容C1并联，且第一电感L1和第一电容C1的一端与电源VCC相连，另外一端与第二NMOS晶体管M2的栅极G端相连；第二电感L2和第二电容C2并联，且第二电感L2和第二电容C2的一端与电源VCC相连，另外一端与第一NMOS晶体管M1的栅极G端相连，第一NMOS晶体管M1的漏极D端与第一电感L1和第一电容C1的另外一端相连，第一NMOS晶体管M1的源极S端接地；第二NMOS晶体管M2的漏极D端与第二电感L2和第二电容C2的另外一端相连，第二NMOS晶体管M2的源极S端接地；其特征在于：(粗调电容阵列的结构如图3和图4所示)粗调电容阵列包含第一差分传输线、第二差分传输线、多个数控人工电介质和开关，数控人工电介质为金属条，每根金属条按照等比例要求贴合在差分传输线的下方，且每根金属条的两端均暴露在差分传输线的外部，将第一差分传输线上的金属条与第二差分传输线上的金属条采用开关一一依次连接；第一差分传输线的一端连接在第一电感L1和第一电容C1的另外一端，第一差分传输线的另外一端连接在第一NMOS晶体管M1的漏极D端；第二差分传输线的一端连接在第二电感L2和第二电容C2的另外一端，第二差分传输线的另外一端连接在第二NMOS晶体管M2的漏极D端。

第一差分传输线与多个人工电介质连接的结构与第二差分传输线与多个人工电介质连接的结构完全相同。开关的结构由第九NMOS晶体管M9、第十NMOS晶体管M10和第十一NMOS晶体管M11构成，数字控制端连接到第九NMOS晶体管M9的栅极G端、第十NMOS晶体管M10的栅极G端和第十一NMOS晶体管M11栅极G端，第十NMOS晶体管M10的源极S端接地，第十一NMOS晶体管M11源极S端接地，第十NMOS晶体管M10的漏极D端和第九NMOS晶体管M9的源极S端连接到第一差分传输线的其中一根金属条上，第十一NMOS晶体管M11的漏极D端和第九NMOS晶体管M9的漏极D端连接到第二差分传输线的其中一个金属上；依此类推，将第一差分传输线上的金属条通过以上结构依次连接到第二差分传输线上的金属条上。

第九NMOS晶体管M9、第十NMOS晶体管M10和第十一NMOS晶体管M11的长度为纳米级的，且长度为7nm-100nm；更进一步优选的，第九NMOS晶体管M9、第十NMOS晶体管M10和第十一NMOS晶体管M11的长度为7nm-10nm。

采用以上粗调电容阵列，利用第一差分传输线与第二差分传输线上对应的数控人工电介质之间的电容来进行调节。而数控人工电介质的结构更加简单，同时对工艺的敏感性也更低。这种结构可以提供一个线性的离散频率修调范围。

以上粗调电容阵列的工作原理如下：当数字控制端给出高电平时，第九NMOS晶体管M9的源极S端和漏极D端导通，第十NMOS晶体管M10的源极S端和漏极D端导通，第十一NMOS晶体管M11的源极S端和漏极D端导通，且第九NMOS晶体管M9、第十NMOS晶体管M10和第十一NMOS晶体管M11的尺寸都非常小，故以上NMOS晶体管的寄生电容Cd均可以忽略不计。由于第十NMOS晶体管M10的漏极D端和第九NMOS晶体管M9的源极S端连接到第一差分传输线的其中一根金属条上，第十一NMOS晶体管M11的漏极D端和第九NMOS晶体管M9的漏极D端连接到第二差分传输线的其中一个金属上，这样就使得第一差分传输线上的一根金属条与第二差分传输线上的一根金属条导通，而在以上电路结构中存在单位距离的第一差分传输线和第二差分传输线之间的电容是一定的。这样就可以通过调节多个开关的通断，使得多个单位距离的第一差分传输线和第二差分传输线之间发生导通，产生并联电容，这样就可以进一步调节本实用新型的新型开关电容修调数控振荡器的频率调节的精度。

所述的适用于数控LC振荡器的开关修调结构中还包括细调电路，细调电路包含可变电容VCTR，可变电容VCTR的一端连接到第一电感L1、第一电容C1和第一NMOS晶体管M1的漏极D端之间，可变电容VCTR的另一端连接到第二电感L2、第二电容C2和第二NMOS晶体管M2的漏极D端之间。细调电路的工作原理为：由于可变电容VCTR的一端分别与第一电容C1、第三电容C3、第四电容C4和第五电容C5之间保持串联，可变电容VCTR的另一端与第二电容C2、第六电容C6、第七电容C7和第八电容C8之间保持串联，所以可变电容可以减小整个RC振荡器电路的电容，这样就可以提升整个RC振荡器电路的频率，可以将粗调和中调后的频率再往回调节一部分。同时，由于采用的是可变电容，回调的部分也能够进行调节。

以上所述实施例仅表达了本实用新型的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。