具有基于mems技术的变抗器的锁相回路的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种具有基于MEMS技术的变抗器的锁相回路。
【背景技术】
[000引锁相回路（phase-lockedloop,缩写为化L)是一种电路布置，该锁相回路借助闭 合控制回路W该样的方式来影响可控振荡器的相位和频率，即，使得该锁相回路的输入信 号和在振荡器输出处所获取（pickup)的输出信号之间的相位偏差在很大程度上是恒定 的。从而通过锁相回路产生稳定的频率和相位的信号。
[0003] 锁相回路例如用在通信技术、控制技术和测量技术中W在数字通信系统中实现用 于时钟恢复和用于同步的频率合成器。
[0004] 锁相回路的最简单的形式包括相位检测器和控制振荡器，该相位检测器和该控制 振荡器组合在控制回路中且W该方式彼此互相影响。
[0005] 从而在锁相回路的稳定状况下，获得了振荡器频率和相位相对于输入信号Sigh的追踪。在该输入信号Sigh变化或由控制振荡器的调节引起的Sigwt的变化的情况下，根 据相位检测器处的负反馈，锁相回路尽力将误差信号保持得尽可能小且接近于数值零。
[0006] 用于锁相回路的控制振荡器通常构造有可调谐电容器。在高频技术中，变抗器被 用作可调谐电容器W便改变控制振荡器的频率。为此，可变直流电压应用至该变抗器，其中 该变抗器的工作类似于电容取决于直流电压的电容器。
[0007] 在用于单片集成控制振荡器的半导体工艺中，高质量的变抗器通常难W获得。针 对该电路，尤其是晶体管的PN结或场效应晶体管的沟道电容被用作调谐元件。该些单片集 成的半导体变抗器具有一系列缺点。
[000引首先，该些单片集成的半导体变抗器特别地W完全非线性的方式工作，因此，在调 谐范围上的变抗器的较宽的模拟调谐是不可行的。而且，特别地，根据场效应晶体管实现的 半导体变抗器提供了相对较高的1/f噪声，从而该些单片集成的半导体变抗器将明显的噪 声分量加入到VCO(voltage-controlledoscillator,压控振荡器）输出信号，且该输出信 号的质量可能明显地受损。
[0009] 而且，该些单片集成的半导体变抗器通常仅提供较小的调谐范围，从而使得由直 流电压变化引起的电容变化对于给定应用来说太小。因此，具有单片集成的半导体变抗器 的控制振荡器通常提供非常窄的带宽，从而使得控制振荡器的调谐范围达到振荡频率的仅 百分之几。如测量技术所需要的，具有非常好的相位噪声的宽带振荡器不能通过该些单片 集成的半导体变抗器实现。
[0010] 而且，已知具有离散结构的变抗器，即被称作分立元件。为此，基于娃、神化嫁、或 磯化铜的半导体二极管迄今为止已经被使用。该变抗器也分别被称作变容二极管或电容二 极管。考虑到它们的尺寸和它们增加的制造成本，该些变抗器不适于在越来越小型化的环 境中应用。而且，具有该样的风险，分立变抗器可能被制造者取出，该导致对电路的重新设 计。因此，通过分立的变抗器不可能实现电路的成本令人满意的和恒定的制造过程。
[0011] 而且，使用微系统的变抗器（Micro-Electro-Mechanical-Systems，微机电系统， 缩写为MEMS变抗器）是已知的。特别地，该些MEMS变抗器提供零1处噪声。因为它们的 较低的电阻损失，例如，由于在半导体变抗器的情况下没有体电阻存在，因此，MEMS变抗器 实现了非常良好的质量。MEMS变抗器的缺点是它们对空气传输的大气分子的振动和布朗噪 声炬rowniannoise)有较高灵敏性，因此，特别地，该MEMS变抗器的颤噪效应特性反对将 其用作可控振荡器。
[001引从W0 2011/097093A2中获知基于MEMS技术的高精度的变抗器。该MEMS变抗器 特别地可W用在压控振荡器中。因此，该些压控振荡器还可W用在锁相回路中。
[0013] 为了获得高精度的MEMS变抗器，在W0 2011/097093A2中包含了一种具有梳状结 构的变抗器，该变抗器借助多个直流电压而不同地偏压W便产生相应精度的电容。该种变 抗器的制造成本非常高，且该变抗器仅在非常窄频带应用中可W实现。
【发明内容】
[0014] 本发明的一个目的是提供一种克服【背景技术】中所述缺点的锁相回路。特别地，基 于MEMS变抗器的锁相回路的噪声行为和颤噪效应行为应当提高，使得它们W高精度操作， 特别是用在高频测量技术中。而且，锁相回路必须能够在非常宽的带宽上调谐且应当能够 完全集成。
[0015] 该目的是通过根据权利要求1的锁相回路实现的。在从属于权利要求1的各项权 利要求中描述所述锁相回路的有利的实施方式。
[0016] 根据本发明的一个方面的所述锁相回路包括相位检测器和控制振荡器，其中，所 述控制振荡器设置有变抗器，所述变抗器利用MEMS技术来实现。所述锁相回路的控制带宽 大于变抗器的机械共振频率。
[0017] 所述控制带宽还被指定为所述锁相回路的调制范围，且为该样的带宽，其中所述 锁相回路仍然可W控制输入信号的频率与所需的载波频率的偏差。换句话说，所述控制带 宽是该样的带宽，在该带宽中，所述锁相回路提供控制行为，其中所述控制振荡器的续流操 作存在于所述控制带宽的外侧，其中对化L(地ase-lockedloop,锁相回路）的输入频率的 设定和对化L的W前实现的、设定好的输入频率的调制都是不可能的。
[001引所述变抗器利用MEMS技术实现为微机械元件。基于微系统技术而构造的变抗器 (在英文中也被称作微机电系统，缩写为MEM巧为小型化的机电系统，其中它们的部件具有 微米范围的尺寸，且各个部件作为一个系统操作。通过利用MEMS变抗器，可W获得单片集 成的控制振荡器，所述单片集成的控制振荡器提供良好的噪声特性且利用了完全集成的优 点。弓I入到具有与MEMS变抗器匹配的控制带宽的锁相回路中，可W获得高精度的信号源， 该信号源对颤噪效应和布朗噪声是灵敏的，也就是说，其提供了良好的颤噪效应特性。
[0019] 而且，相较于半导体变抗器，基于MEMS变抗器提供了零1处噪声且实现了高质量， 从而获得了非常好的信号特性。MEMS变抗器能够单片集成，因此允许较低的制造成本。
[0020] 在下文中，基于微系统技术的变抗器被定名为MEMS变抗器。所述MEMS变抗器优 选地设置有金属膜，所述金属膜W可移动的方式安装在致动器面之上。如果直流电压应用 在所述致动器面和所述金属膜之间，则所述致动器的静电力引起所述金属膜的移位。
[0021] 在改变直流电压的电势的情况下，所述致动器面和所述金属膜之间的距离改变。 所述致动器面和所述金属膜表示板电容器，其中可w获取电容值。由于所述膜和致动器电 极之间的可变距离，因此，所述电容值是可改变的。
[0022] 由于利用MEMS技术的变抗器的实施方式，因此获得了机械振荡系统，所述机械振 荡系统表示二阶系统且提供有机械共振频率，该一方面由于所述膜的弹性系数，另一方面 由于作用在所述膜上的加速力和阻巧力。
[0023] 如果所述MEMS变抗器在振荡器中作为可调谐元件操作，那么振荡器操作类似机 械共振器。由于产生的共振器的机械低通特征，从而在低于所述机械共振频率时，在VCO中 的所述MEMS变抗器对续流振荡器的相位噪声的影响W20分贝/十倍频下降。在高于所述 MEMS变抗器的机械共振频率时，所述相位噪声至少W20分贝/十倍频下降，优选地W60分 贝/十倍频下降。
[0024] 现在，如果基于所述MEMS变抗器的VCO在所述锁相回路中操作，那么产生的相位 噪声的特征由于所述MEMS变抗器对总噪声行为的影响而改变。由于所述控制带宽大于所 述MEMS变抗器的机械共振频率的实施方式，因为所述锁相回路具有通过所述锁相回路的 放大的控制特性，在所述锁相回路的VCO中的所述MEMS变抗器的相位噪声的影响推到低于 所述机械共振频率的范围，从而在所述控制带宽内实现了非常低的噪声输出，所述噪声输 出设置成显著低于续流振荡器的噪声输出。高于所述机械共振频率，产生的相位噪声由于 所述MEMS变抗器的影响而W20分贝/十倍频（优选地为60分贝/十倍频）下降，从而所 述MEMS变抗器的噪声行为W越来越不灵敏的方式进入到总噪声行为中。通过将所述控制 带宽与所述MEMS变抗器的机械共振频率匹配，所述负影响被抑制低于所述机械共振。高于 所述共振频率时，该些负影响不再可见。对于振动，所述MEMS变抗器的工作类似于具有机 械滤波器带宽的机械滤波器。所述锁相回路的带宽和该机械滤波器带宽必须彼此互相匹 配。因此，消除了所述MEMS变抗器的缺点，特别是来自分子运动的噪声（也被称作布朗噪 声）的影响和振动的影响，且实现了所述锁相回路的良好的噪声行为。
[00巧]所述MEMS变抗器优选地通过模拟直流电压控制。
[0026] 在优选的实施方式中，变抗器集成在集成控制的振荡器巧的金属层中。关于该点， 完全集成的可能性为宽带的可调谐的控制振荡器提供了成本令人满意的制造变型。
[0027] 所述锁相回路优选地在反馈回路中设置有频率分离器。W该方式，所述锁相回路 的输出频率可被改变。因此，通过所述锁相回路产生了稳定的和可调节的频率。
[002引所述锁相回路优选地在相位检测器和所述控制振荡器之间的信号路径中设置积 分器（也被定名为回路滤波器）。所述回路滤波器用于将控制电压（其设置在所述控制带 宽中）提供给控制振荡器。恒定振荡器的输入电压在