可程序化的可调电容器和电压控制型振荡器的制作方法

1.本发明涉及电压控制型振荡器，尤其涉及具有高可程序化增益的电压控制型振荡器。


背景技术：

2.众所周知，电压控制型振荡器(voltage-controlled oscillator，vco)输出振荡信号，且振荡信号的振荡频率由控制电压控制。在本公开中，于后所述的“振荡的频率”及“振荡频率”在vco的相关描述下是相同的且可以互换。在一实施例中，当控制电压较高(较低)时，振荡频率较高(较低)。vco的增益是由振荡频率的增加改变量(incremental change)与控制电压的增加改变量之间的比例来定义。高增益的vco对其控制电压的变化较为灵敏。
3.如图1的示意图所示，常规vco100包含可调谐共振槽(resonant tank)110及再生网络(regenerative network)120。可调谐共振槽110用以根据控制电压vc，决定振荡的频率。再生网络120包含两个n型金属氧化物半导体(n-channel metal oxide semiconductor，nmos)晶体管121、122。两个nmos晶体管121、122以交互耦合结构(cross-coupling topology)配置，从而建立负电阻(negative resistance)，以提供能量来维持振荡。可调谐共振槽110包含电感111、固定电容器112及可调电容器(variable capacitor)。可调电容器包含由控制电压vc控制的两个可变电容器(varactor)113、114。电感111的中心抽头(center-tap)连接被称为“v
sp”的电源节点。vco100在现有技术中是众所周知的，因此于此不再详细描述。
4.可调谐共振槽110的谐振频率f0近似于式1。
[0005][0006]
其中，l为电感111的电感值，c
tot
为由电容器112及两个可变电容器113、114所决定的总电容值。当再生网络120的寄生电容(parasitic capacitance)显著小于c
tot
时，vco100的振荡频率约相等于可调谐共振槽110的谐振频率f0。
[0007]
在本公开中，可变电容器是可调电容器的两端电路元件，其包含以“+”标记的正极端及以
“‑”
标记的负极端。当正极端的电压上升(下降)时，可变电容器的电容值增加(降低)，且当负极端的电压上升(下降)时，可变电容器的电容值降低(增加)。当正极端连接用以控制可调电容器的控制电压时，可变电容器是被称为正向连接的(forward connected)。当负极端连接用以控制可调电容器的控制电压时，可变电容器是被称为反向连接的(backward connected)。也就是说，图1的两个可变电容器113、114显然是反向连接的。因此，当控制电压vc上升(下降)时，可变电容器113、114的电容值降低(增加)及总电容值c
tot
降低(增加)，因而vco100的振荡频率增加(降低)。vco100的增益(其被以k
vco
表示)响应于控制电压vc的增加改变量，而由振荡频率的增加改变量定义，且k
vco
可以由式2表示。
[0008][0009]
在实施中，vco100一般与锁相回路整合，以闭回路方式调整控制电压vc。在此情形下，k
vco
在锁相回路的动态中具有重要作用。在许多情形中，本领域技术人员所期望(desirable)的是vco具有可程序化(programmable)的增益。较大的k
vco
可以使锁相回路较快响应，但会不可避免地使vco100更容易受电路的噪声影响，因在vco增益较高时，电路噪声可能会导致振荡频率中的误差较大。
[0010]
因此，本领域技术人员所期望的是具有可程序化增益的vco，且当vco被程序设计(programmed)为具有高增益时，能降低受电路噪声的影响程度。


技术实现要素：

[0011]
在一实施例中，可程序化的可调电容器包含一固定的可变电容器(fixed varactor)及若干个有条件的可变电容器(contingent varactor)。固定的可变电容器由以一第一极性连接的一控制电压控制。若干个有条件的可变电容器分别根据若干个逻辑信号，而由控制电压有条件地控制。每一有条件的可变电容器包含一第一可变电容器、一第二可变电容器、一第一多工器及一第二多工器。第一可变电容器由以第一极性连接的一第一电压控制。第二可变电容器由以一第二极性连接的一第二电压控制。第一多工器用以根据该些逻辑信号中的一对应的逻辑信号，在一第一直流(direct-current，dc)电压与控制电压之间选择，以输出第一电压。第二多工器用以根据对应的逻辑信号，在一第二直流电压与一中间直流电压(medium dc voltage)之间选择，以输出第二电压。
[0012]
在一实施例中，电压控制型振荡器包含一共振槽及一再生网络。共振槽包含一电感、一电容器及一可程序化的可调电容器。电感、电容器及可程序化的可调电容器并联连接，以根据一控制电压及若干个逻辑信号，决定于一共模节点的一振荡信号的一频率。再生网络用以于共模节点提供一负电阻，以维持一振荡。可程序化的可调电容器包含一固定的可变电容器及若干个有条件的可变电容器。固定的可变电容器由以一第一极性连接的控制电压控制。该些有条件的可变电容器分别根据该些逻辑信号，而由控制电压有条件地控制。每一有条件的可变电容器包含一第一可变电容器、一第二可变电容器、一第一多工器及一第二多工器。第一可变电容器由以第一极性连接的一第一电压控制。第二可变电容器由以一第二极性连接的一第二电压控制。第一多工器用以根据该些逻辑信号中的一对应的逻辑信号，在一第一直流电压与控制电压之间选择，以输出第一电压。第二多工器用以根据对应的逻辑信号，在一第二直流电压与一中间直流电压之间选择，以输出第二电压。
附图说明
[0013]
图1为现有技术的电压控制型振荡器的示意图。
[0014]
图2为本公开依据一实施例的电压控制型振荡器的示意图。
[0015]
图3为本公开依据一实施例的可程序化的可调电容器的示意图。
[0016]
符号说明
[0017]
100：电压控制型振荡器(vco)
[0018]
110：可调谐共振槽
[0019]
111：电感
[0020]
112：电容器
[0021]
113：可变电容器
[0022]
114：可变电容器
[0023]
120：再生网络
[0024]
121：nmos晶体管
[0025]
122：nmos晶体管
[0026]
200：电压控制型振荡器(vco)
[0027]
210：共振槽
[0028]
211：电感
[0029]
212：电容器
[0030]
213：可程序化的可调电容器
[0031]
220：再生网络
[0032]
221：nmos晶体管
[0033]
222：nmos晶体管
[0034]
300：可调电容器
[0035]
310：固定的可变电容器
[0036]
311：可变电容器
[0037]
312：可变电容器
[0038]
320：有条件的可变电容器
[0039]
321：可变电容器
[0040]
322：可变电容器
[0041]
323：可变电容器
[0042]
324：可变电容器
[0043]
325：多工器
[0044]
326：多工器
[0045]
330：有条件的可变电容器
[0046]
331：可变电容器
[0047]
332：可变电容器
[0048]
333：可变电容器
[0049]
334：可变电容器
[0050]
335：多工器
[0051]
336：多工器
[0052]
340：有条件的可变电容器
[0053]
341：可变电容器
[0054]
342：可变电容器
[0055]
343：可变电容器
[0056]
344：可变电容器
[0057]
345：多工器
[0058]
346：多工器
[0059]vsp
：电源节点
[0060]vc
：控制电压
[0061]
201：节点
[0062]
202：节点
[0063]v1
：第一电压信号(电压)
[0064]v2
：第二电压信号(电压)
[0065]
a0、a1、a2：逻辑信号
[0066]vb0
、v
b1
、v
b2
：反向电压
[0067]vf0
、v
f1
、v
f2
：正向电压
[0068]vh
：高直流电压
[0069]vl
：低直流电压
[0070]vm
：中间直流电压
具体实施方式
[0071]
本公开涉及电压控制型振荡器。尽管说明书描述了本公开的若干个实施例，且该些实施例被认为是实现本发明的优选方式。但是应当理解的是，本发明可以以多种方式实现，并不限于以下描述的特定示范例，或是不限于实现这些示范例的任何特征的特定方式。在其他情况下，未示出或描述众所周知的细节，以避免使本公开的各方面不清楚。
[0072]
本领域中技术人员可以理解本文中使用的与微电子技术有关的用语及基础概念，例如“电压”、“直流电压”、“信号”、“并联连接”、“电路节点”、“参考地(ground)”、“电源节点”、“金属氧化物半导体(metal oxide semiconductor，mos)晶体管”、“互补式金属氧化半导体(complementary metal oxide semiconductor，cmos)工艺技术”、“n型金属氧化物半导体(n-channel metal oxide semiconductor，nmos)晶体管”、“p型金属氧化物半导体(p-channel metal oxide semiconductor，pmos)晶体管”、“可变电容器”、“电容器”、“电容值”、及“多工器”。像这样的用语是在微电子学的背景下使用的，相关的概念对于本领域中技术人员来说是显而易见的，因此于此不再做详细解释。
[0073]
无需对如纳亨(nano-henry，nh)、皮法拉(pico-farad，pf)、飞法拉(femto-farad，ff)、纳米(nano-meter，nm)、微米(micrometer，
μm
)等单位用语进行解释，本领域中技术人员即能理解该些单位用语。
[0074]
无需对电路示意图中的一个元件如何与另一个元件连接进行冗赘的描述，本领域中技术人员即可以阅读包含有电容、nmos晶体管、及pmos晶体管等的电路示意图。本领域中技术人员还可以识别参考地符号、电容器符号、电感符号、可变电容器符号、可调电容器符号、及pmos晶体管的符号与nmos晶体管的符号，并且可以识别pmos晶体管的符号与nmos晶体管的符号的“源极端”、“栅极端”及“漏极端”。有关mos晶体管，为了说明书简洁，于后将“源极端”简称为“源极”、将“栅极端”简称为“栅极”、及将“漏极端”简称为“漏极”。
[0075]
电路是由至少一晶体管、至少一电容器、至少一电阻及/或至少一其他电子装置集合成，且它们以某种方式相互连接，以实现特定功能。
[0076]
在本文中，“电路节点”经常在从上下文中即可清楚得知“节点”的涵义为“电路节
点”时，被简称为“节点”。
[0077]
信号是一种可变位准的电压，其携带某种信息，并可以随着时间变化。在某一时点的信号的位准表示信号在该时点的状态。
[0078]
逻辑信号为具有两种状态的电压信号：低状态及高状态。低状态也称为“0”状态。高状态也称为“1”状态。关于逻辑信号q，当描述逻辑信号q为“高”(“高位准”)或“低”(“低位准”)，即意指逻辑信号q为处于高状态；或是逻辑信号q为处于低状态。同样地，当描述逻辑信号q为“1”或“0”时，即意指逻辑信号q为处于“1”状态；或是逻辑信号q为处于“0”状态。
[0079]
如本公开之前所述，可变电容器是可调电容器的两端电路元件，其包含以“+”标记的正极端及以
“‑”
标记的负极端。当正极端的电压上升(下降)时，可变电容器的电容值增加(降低)，且当负极端的电压上升(下降)时，可变电容器的电容值降低(增加)。当正极端连接用以控制可调电容器的控制电压时，可变电容器是被称为正向连接的。当负极端连接用以控制可调电容器的控制电压时，可变电容器是被称为反向连接的。进一步的来说，在本公开中，被施加于正向连接的可变电容器的正极端的控制电压是被称为“正向电压”，且被施加于反向连接的可变电容器的负极端的控制电压是被称为“反向电压”。在电路包含有正向连接的可变电容器及反向连接的可变电容器的情形下，正向连接的可变电容器及反向连接的可变电容器的其中一者被称为连接第一极性，而另一者被称为连接第二极性。
[0080]
直流电压是几近稳定的电压位准。
[0081]
参照图2，图2为本公开依据一实施例的vco200的示意图。vco200包含共振槽(resonant tank或是tunable tank)210及再生网络220。共振槽210包含电感211、电容器212及可程序化的可调电容器213。电感211、电容器212及可程序化的可调电容器213以并联连接结构配置，并跨接于第一节点201及第二节点202之间，以根据控制电压vc及若干个逻辑信号a0、a1、a2
……
的控制来决定谐振频率。再生网络220包含两个nmos晶体管221、222。两个nmos晶体管221、222以交互耦合结构配置，以在第一节点201及第二节点202之间提供负电阻，从而维持于节点201的第一电压信号v1及于节点202的第二电压信号v2的振荡。电感211的中心抽头连接电源节点v
sp
。由于nmos晶体管221的漏极连接nmos晶体管222的栅极，且nmos晶体管222的漏极连接nmos晶体管221的栅极，因而nmos晶体管221及nmos晶体管222为交互耦合。以交互耦合结构配置的这两个mos晶体管可以提供负电阻，以维持振荡，是对于本领域中技术人员来说是清楚明了的，因此于此不再做详细解释。vco200与图1的vco100的差异在于，vco100的两个可变电容器113、114是被vco200的可程序化的可调电容器213替代。除了前述差异之外，vco200相同于图1的vco100。式1可以被使用以计算共振槽210的谐振频率，其中式1的l为电感211的电感值，且式1的c
tot
为电容器212及可程序化的可调电容器213所决定的总电容值。在一实施例中，再生网络220的寄生电容显着的小于c
tot
，因此式1可以被使用于计算vco200的振荡频率。
[0082]
参照图3，图3为本公开依据一实施例的可程序化的可调电容器300的示意图。可调电容器300可以被用于实现vco200的可程序化的可调电容器213。可程序化的可调电容器300用以根据该些逻辑信号a0、a1、a2
……
、控制电压vc、及三个直流电压，在两个节点201、202之间提供可调电容值。三个直流电压包含低直流电压v
l
、高直流电压vh、及中间直流电压vm。其中，高直流电压vh大于低直流电压v
l
，中间直流电压vm是在高直流电压vh与低直流电压v
l
之间。可程序化的可调电容器300包含固定的可变电容器310及若干个有条件的可变电容
器320、330、340
……
。固定的可变电容器310及有条件的可变电容器320、330、340
……
并联连接。有条件的可变电容器320、330、340
……
的条件性分别由该些逻辑信号a0、a1、a2
……
决定。固定的可变电容器310包含两个反向连接的可变电容器311、312。两个反向连接的可变电容器311、312的电容值由控制电压vc控制。每一有条件的可变电容器包含两个反向连接的可变电容器、两个正向连接的可变电容器、及两个多工器。有条件的可变电容器的两个反向连接的可变电容器由反向电压控制，两个正向连接的可变电容器由正向电压控制。两个多工器包含第一多工器及第二多工器。第一多工器用以根据该些逻辑信号a0、a1、a2
……
中的一对应的逻辑信号，在高直流电压vh与控制电压vc之间选择，以输出反向电压。第二多工器用以根据该对应的逻辑信号，在低直流电压v
l
与中间直流电压vm之间选择，以输出正向电压。更具体地来说，有条件的可变电容器320(330、340)包含：两个反向连接的可变电容器321(331、341)、322(332、342)，其由反向电压v
b0
(v
b1
、v
b2
)控制；两个正向连接的可变电容器323(333、343)、324(334、344)，其由正向电压v
f0
(v
f1
、v
f2
)控制；及两个多工器，其包含第一多工器325(335、345)及第二多工器326(336、346)。第一多工器325(335、345)用以根据逻辑信号a0(a1、a2)，在高直流电压vh与控制电压vc之间选择，以输出反向电压v
b0
(v
b1
、v
b2
)。第二多工器326(336、346)用以根据逻辑信号a0(a1、a2)，在低直流电压v
l
与中间直流电压vm之间选择，以输出正向电压v
f0
(v
f1
、v
f2
)。
[0083]
有条件的可变电容器320、330、340
……
根据同一原理，而具有相同的功能及工作。为了说明书简洁，仅以有条件的可变电容器320进行详细说明。适用于有条件的可变电容器320的任何描述也适用于有条件的可变电容器330、340，但是逻辑信号a0分别被逻辑信号a1、a2替代，反向电压v
b0
分别被反向电压v
b1
、v
b2
替代，正向电压v
f0
分别被正向电压v
f1
、v
f2
替代，多工器325分别被第一多工器335、345替代，多工器326分别被第二多工器336、346替代。
[0084]
当逻辑信号a0为“0”时，多工器325选择高直流电压vh作为反向电压v
b0
，且多工器326选择低直流电压v
l
作为正向电压v
f0
。在此情形下，两个反向连接的可变电容器321、322具有由高直流电压vh决定的固定电容值，两个正向连接的可变电容器323、324具有由低直流电压v
l
决定的固定电容值，以及有条件的可变电容器320的总电容值为固定的。当逻辑信号a0为“1”时，多工器325选择控制电压vc作为反向电压v
b0
，且多工器326选择中间直流电压vm作为正向电压v
f0
。在此情形下，两个反向连接的可变电容器321、322具有由控制电压vc控制的可调电容值，两个正向连接的可变电容器323、324具有由中间直流电压vm决定的固定电容值，以及有条件的可变电容器320的总电容值是可调的且根据控制电压vc变化。借此有条件的可变电容器320的总电容值可以被程序设计为固定的或是可调的。因而，有条件的可变电容器320的总电容值是可调的且根据控制电压vc变化，且总电容值的增加改变量(其响应于控制电压vc的增加改变量)是取决于逻辑信号a0、a1、a2
……
的状态。
[0085]
在一实施例中，所有的有条件的可变电容器320、330、340皆是相同的。在本实施例中，当越多(越少)的逻辑信号a0、a1、a2
……
为“1”时，则总电容值的增加改变量(其响应于控制电压vc的增加改变量)变大(小)，因而vco200的振荡频率的增加改变量变大(小)，亦即，vco200具有较高(低)的增益。因此，vco200的增益是可调的，且其可以通过设定逻辑信号a0、a1、a2
……
的状态来被程序设计。
[0086]
在一实施例中，两个反向连接的可变电容器321、322及两个正向连接的可变电容器323、324皆为相同的；高直流电压vh约相等于第一电压信号v1及第二电压信号v2的上限；
低直流电压v
l
约相等于第一电压信号v1及第二电压信号v2的下限；中间直流电压vm约相等于第一电压信号v1及第二电压信号v2的平均值；及控制电压vc的标称值(nominal value)约相等于第一电压信号v1及第二电压信号v2的平均值，即控制电压vc围绕变化于第一电压信号v1及第二电压信号v2的平均值。在一般的振荡的例子中，第一电压信号v1及第二电压信号v2具有约电源节点v
sp
的电源电压的两倍的一上限、约0伏特(v)的一下限、及电源节点v
sp
的电源电压的平均值。借此当逻辑信号a0为“1”时，在标称情形下，反向电压v
b0
约相等于正向电压v
f0
，且两个反向连接的可变电容器321、322及两个正向连接的可变电容器323、324皆为稳定的。因而，当于节点201的第一电压信号v1的平均电压或是于节点202的第二电压信号v2的平均电压因噪声而增加时，两个反向连接的可变电容器321、322的电容值的对应的增加量可以被两个正向连接的可变电容器323、324的电容值的对应的降低量来补偿。当逻辑信号a0为“0”时，两个反向连接的可变电容器321、322及两个正向连接的可变电容器323、324具有大约相同的电容值。因而，当于节点201的第一电压信号v1的平均电压或是于节点202的第二电压信号v2的平均电压因噪声而增加时，两个反向连接的可变电容器321、322的电容值的对应的增加量可以被两个正向连接的可变电容器323、324的电容值的对应的降低量来补偿。因此，无论逻辑信号a0的状态为何，有条件的可变电容器320都可以是高度稳定的且不受噪声的影响。也就是说，无论逻辑信号a0、a1、a2
……
的状态为何，可程序化的可调电容器213都可以是高度稳定的且不受噪声的影响。
[0087]
多工器对于本领域中技术人员来说是众所周知的，因此于此不再做详细解释。多工器325、326、335、336、345、346
……
可以根据电路设计者的需求，而从现有技术中已知的任何多工器电路来实现。
[0088]
举例来说，但不限于此：vco200是使用55nm cmos工艺技术而被制造于硅基板上；电源节点v
sp
的电压为700毫伏特(mv)；电感211为250皮亨(ph)；电容器212为1.45pf；nmos晶体管221、222为相同的，且其每一者具有30μm/60nm的“w/l”(其表示宽/长)；两个反向连接的可变电容器311、312为相同的，其每一者具有24μm/200nm的“w/l”，且在其每一者的“+”端及
“‑”
端之间的电压差为1.2v、0v及-1.2v时，其每一者的电容值分别为77.8ff、63.4ff、及36.2ff；四个有条件的可变电容器为相同的，且该四个有条件的可变电容器中的所有可变电容器为相同的，其每一者具有6μm/200nm的“w/l”，且在其每一者的“+”端及
“‑”
端之间的电压差为1.2v、0v及-1.2v时，其每一者的电容值分别为19.4ff、15.8ff、及9.1ff；及vco200具有约为8吉赫兹(ghz)的标称振荡频率，且当所有的逻辑信号a0、a1、a2
……
皆为“1”时，则vco200具有约为60百万赫兹/伏特(mhz/v)的增益，当所有的逻辑信号a0、a1、a2
……
皆为“0”时，则vco200具有约为30百万赫兹/伏特(mhz/v)的增益。
[0089]
可程序化可调电容器300是旨在让vco200具有正增益的实施例。其中，控制电压vc的增加导致可程序化的可调电容器300的总电容值降低，从而使振荡频率变高。若欲寻求负增益，则可以执行以下操作：将全部的反向连接的可变电容器以正向连接的可变电容器替代，同时，将全部的正向连接的可变电容器以反向连接的可变电容器替代；以及将高直流电压vh以低直流电压v
l
替代，同时，将低直流电压v
l
以高直流电压vh替代。由于本公开可以应用于正增益或是负增益的vco，而“反向连接的”及“正向连接的”可能被互换，因此于权利要求中，使用“以第一极性连接的”及“以第二极性连接的”的用语。其中，在正增益的情形下，“以第一极性连接的”及“以第二极性连接的”分别是指“反向连接的”及“正向连接的”，而在
负增益的情形下，“以第一极性连接的”及“以第二极性连接的”分别是指“正向连接的”及“反向连接的”。同样地，“第一直流电压”及“第二直流电压”被使用，其中，在正增益的情形下，“第一直流电压”及“第二直流电压”分别是指“高直流电压”及“低直流电压”，而在负增益的情形下，“第一直流电压”及“第二直流电压”分别是指“低直流电压”及“高直流电压”。相似地，“第一界限(bounds)”及“第二界限”被使用，其中，在正增益的情形下，“第一界限”及“第二界限”分别是指“上限”及“下限”，而在负增益的情形下，“第一界限”及“第二界限”分别是指“下限”及“上限”。
[0090]
本公开可以应用于其他结构的vco，例如：使用pmos晶体管来实现负电阻，或是使用nmos晶体管及pmos晶体管来实现负电阻。因此，于权利要求中，使用“mos晶体管”的用语。
[0091]
vco200是差分电路结构，其中振荡信号是差分信号。差分信号包含两个电压v1及v2，两个电压v1及v2为几近稳定的且互补，即电压v1的变化量总是伴随着电压v2的相反变化的大致相同量值。此仅为一个示例，但并不限于此。本公开也适于单端电路结构的vco，例如考毕兹振荡器(colpitts oscillator)，其包含用以调谐振荡频率的电容器。本公开可以通过将该电容器以可程序化的可调电容器300的一半的电路来替代，从而应用于考毕兹振荡器。其中，一半的电路可如将可程序化的可调电容器300的一半的可变电容器移除(例如移除可变电容器312、322、324、332、334、342、344等)。
[0092]
本领域的技术人员将很容易观察到，在保留本公开的启示的同时，可以对装置和方法进行许多修改及变化。因此，上述内容不应被解释为仅由所附权利要求的界限来界定。