[發明專利]一種開關電容單元

無效

• 申請號: 201110409088.9
• 申請日: 2011-12-09
• 公開（公告）號: CN103166633A
• 公開（公告）日: 2013-06-19
• 發明（設計）人: 許建超
• 申請（專利權）人: 國民技術股份有限公司
• 主分類號: H03L7/099
• 分類號: H03L7/099;H03L7/08
• 代理公司: 深圳鼎合誠知識產權代理有限公司 44281
• 代理人: 薛祥輝

技術領域

本發明涉及振蕩器領域，尤其涉及一種開關電容單元。

背景技術

以電感電容型壓控振蕩器(LC-VCO：inductor?and?capacitor?based?voltage-controlled?oscillator)為例，是射頻收發機芯片的核心模塊之一，為了降低頻率調諧增益Kvco，目前的LC-VCO都是采用基于數字控制的開關電容陣列(DCCA：digitally?controlled?capacitor?array)的設計方法，先采用DCCA實現頻率粗調，而后采用模擬變容管實現頻率細調，這種設計方法在不影響頻率調諧范圍的前提下，大大降低了Kvco。

通常LC-VCO為左右完全對稱的差分電路，因此其開關電容單元通常也設計成左右結構對稱的差分形式，典型的開關電容單元結構如圖1所示，電容C1和C2完全相同，MOS管Mn2和Mn4也完全相同，MOS管Mn2和Mn4的源極接地電平，柵極接控制信號為SN(取值為邏輯0或者邏輯1，邏輯0等于地電平，邏輯1等于電源電壓)，Mn2漏極接電容C1的一端，電容C1的另一端則接LC諧振腔的一端，Mn4漏極接電容C2的一端，電容C2的另一端則接LC諧振腔的另一端，其中MOS管Mn2、Mn4用作開關，開關導通時(SN為邏輯1)，電容C1、C2通過開關連接到諧振腔的兩端，此時諧振腔的總電容增大，因此振蕩頻率降低；開關斷開時(SN為邏輯0)，電容C1、C2與諧振腔斷開，此時諧振腔的總電容減小，因此振蕩頻率升高，這種開關的“通”與“開”，就實現了對振蕩頻率數字化調諧。當SN為邏輯1時，開關導通，開關等效為一個很小的電阻(稱為內阻)，此時圖1的開關電容單元可等效為圖2a所示，當SN為邏輯0，開關斷開，阻抗無窮大，但是由于開關是用MOS管制作，其漏極對地有寄生電容(記為Cd)，因此，此時圖1的開關電容單元可等效為圖2b所示，電容Cd主要是MOS管漏極的pn結電容與柵漏之間的交疊電容，因此是非線性電容，受MOS管漏極電壓(即X點電壓和Y點電壓)的影響，在開關導通態，開關電容單元的等效電容近似為C1/2；在開關斷開狀態，開關電容單元的等效電容為C1·Cd/(C1+Cd)/2。可見，開關斷開狀態時開關電容單元的等效電容也是非線性，受MOS管漏極電壓(即X點電壓和Y點電壓)的影響，如果節點X和Y的電壓變化，則開關電容單元的等效電容也跟著變化。

圖1所示的結構并不能直接使用在LC-VCO中，原因是在開關斷開時，節點X與Y處于浮空狀態，電平飄忽不定。雖然節點X與Y存儲的電荷，受到MOS開關漏電的影響，最終還是可能被釋放掉，但這個過程往往長達幾個毫秒，在低溫下這個現象尤為明顯。在節點X與Y的電荷緩慢泄漏過程中，節點X與Y的電壓也隨之緩慢的漂移，從而導致開關電容單元的等效電容緩慢的變化，LC-VCO的振蕩頻率也跟著緩慢的漂移，由于漂移時間過長(毫秒級別)，將明顯影響PLL的正常工作(PLL的鎖定時間通常是100us級別)，惡化PLL的相位噪聲和雜散(spur)性能，如果LC-VCO用作發射機中的開環頻率調制器，振蕩頻率的漂移將直接導致發射載波的漂移，從而導致接收機的接收成功率下降。

為了防止節點X與Y的浮空，有人提出了如圖3所示的開關電容單元，即采用大電阻偏置的方法消除浮空節點，圖3中，節點X與Y通過大電阻R1和R2連接到A點，A點是反相器INV1的輸出(為邏輯0或者邏輯1，即地電平或者電源電壓)，是低阻抗節點，當SN為邏輯1的時候，A為邏輯0(即地電平)，B為邏輯1，因此MOS開關Mn2、Mn4導通，節點X與Y通過MOS開關下拉到地電平，因此不存在浮空；當SN為邏輯0的時候，A為邏輯1(即電源電壓)，B為邏輯0，因此MOS開關Mn2、Mn4斷開，而節點X與Y通過大電阻R1、R2拉到A點電壓，即電源電壓，因此也不存在浮空。這種技術消除了浮空問題，但該技術存在許多缺點：其一，電阻R1和R2的阻值會影響到開關電容單元的關斷特性；其二，電阻R1和R2的阻值必須足夠大，才能使得開關電容單元被良好關斷。與圖1所示結構進行對比可見，圖1所示結構在開關斷開的時候，開關電容單元的等效電容為C1·Cd/(C1+Cd)/2，是純粹電容特性，無阻性成分，因此無損耗；而且該等效電容與頻率無關，不依賴于LC-VCO的振蕩頻率，因此頻率線性度好，稱為關斷理想狀態，而圖3所示的結構在開關斷開的時候，等效電路可以簡化為圖4所示，可以很容易推導出此時開關電容單元的導納為：