CN102545783A - 一种宽频率调谐范围lc-vco - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于等效谐振电容器的宽频率调谐范围电感-电容压控振荡器LC-VCO，该差分电路结构模块的等效谐振电容器由一个偏置电压由开关控制的累积型可变电容(AMOS)和多个开关控制的固定电容器组成。在高频段，由开关控制的偏置电压使AMOS可变电容工作在电容对电压不敏感区域，AMOS电容等效为固定电容器，减少了偏置电路引入的噪声，并且具有较高的Q值。在低频段，由开关控制的偏置电压使AMOS可变电容工作在可变电容区间，增加可变电容在等效谐振电容器回路中的比重，提高低频段VCO的增益，从而实现低噪、宽频率调谐范围LC-VCO。与已有技术宽带VCO相比，本发明电路模块以适量的开关电容实现宽频率调谐范围，并且具有功耗低与芯片面积小的特点。

Description

一种宽频率调谐范围LC-VCO

技术领域

本发明涉及无线通信电子电路技术领域，涉及电感、电容压控振荡器VCO，尤其涉及宽频率调谐范围LC-VCO的实现方法及其电路模块。 

背景技术

多模式、多频段接收机要求VCO具有很大的频率调谐范围，而片上LC的调谐范围有限，因此，研究宽带VCO技术具有重要的意义。实现宽带VCO最简单的技术就是采用两个或多个VCO集成在同一芯片上，并且这些VCO的输出通过多路开关选择一路输出，因此，任意时刻只有一个VCO在工作状态，该方法可以实现任意范围的频率输出，但是需要采用多个片上电感，因此芯片面积大，在工程上不适合。此外，通过增加VCO的电压增益K_VCO可以在一定程度上实现较宽的带宽，但是该方法有两个问题，首先，以常用电容调谐式VCO而言，电容的可调比值有限，受器件本身特性限制，其次，VCO的K_VCO太大，控制电压上的噪声到频率输出的增益也增加，因此相位噪声会变差。目前，最常用的宽带VCO有两种，一种为电容开关式，另一种为电感开关式。此外还有这同时采用这两种切换方式的宽带VCO。 

电感切换式宽带VCO最大的优点是可以实现很大的频率调谐范围，但是电感开关对电路性能影响较大，因为在低GHz频率范围，电感的Q值远小于电容的Q值，Q值一般在10以下，因此，开关管的导通电阻会进一步降低电感的Q值，一方面会增加电路的功耗，同时相位噪声性能下降。此外，当MOS开关管导通时，电感L2工作在短路状态，因此，电感此时由于互感的作用会产生感应电流，从而进一步增加电路的损耗。当电路工作频率升高时，电感的Q值会随之变大，同时，电容的Q值由于电阻的损耗增加会随频 率升高而减少，当电感的Q值大于电容Q值，MOS开关管的影响可以忽略，因此，电感切换式宽带VCO适用于数十GHz以上工作频率。 

电容开关式宽带VCO可以实现较大范围的频率调谐范围，但是当开关可控电容组较多时，开关可控电容引入的寄生电容会增加而减少频率调谐范围，此外，由于片上电感的Q值随频率会有较大变化，因此，开关可控电容的取值范围受到片上电感的取值限制。电容开关式宽带VCO的缺陷是：(1)频率范围受电感与寄生电容的限制。(2)开关可控电容组较多时，开关的导通电阻会降低开关式电容的等效Q值，从而会降低相位噪声性能。 

已有技术《低相位噪声压控振荡器设计》发表于《半导体技术》2007.11分析了LC压控振荡器(VCO)相位噪声，通过改进电路结构，采用PMOS和NMOS管做负阻管，在尾电流源处加入电感电容滤波，优化电感设计，设计了一种高性能压控振荡器。采用TSMC 0.18μm IP6M CMOS RF工艺，利用Cadence中的Spectre RF工具对电路进行仿真。在电路的偏置电流为6mA、电源电压VDD＝1.8v时，输入控制电压为0.8～1.8v，输出频率变化为1.29～1.51GHz，调谐范围为12.9％，相位噪声为-134.4dBc/Hz1MHz，功耗仅为10.8mW。该电路的主要缺点是频率调谐范围过窄，功耗较大，不能满足低功耗宽频率调谐范围应用场合。 

中科微肖时茂论文《低功耗宽带CMOS LC-VCO设计》基于电容调谐无尾电流源互补-Gm VCO，提出了一种新的宽带VCO功耗优化的方法。通过改变四个累积型可变电容(AMOS)的偏置电压实现对电容调谐曲线补偿，使频率调谐曲线在整个控制电压范围内接近线性化，从而实现宽的频率调谐范围。采用标准0.18/μm IP6M RFCMOS工艺设计了一款3.0～3.6GHz频率范围LC-VCO。测试结果表明，整个VCO包含输出缓冲在内，面积为0.45mm²，工作在1.5V电源下，电流为1.8mA，输出相位噪声在200kHz偏移处为-93dBc/Hz。该电路的主要缺点是VCO的控制增益较大，不利于实现低的相位噪声。 

杭电程知群论文《基于CMOS工艺宽带LC压控振荡器研究》发表在《电子器件》2009.4期，设计了一种应用于无线通信系统的宽带电感电容(LC) 压控振荡器(VCO)，电路采用开关电容阵列获得了宽频率覆盖范围；利用开关可变电容阵列减小了调谐增益变化；并通过采用高品质因数的差分电感和噪声滤波技术获得了低相位噪声。电路设计采用SMIC0.18μmCMOS工艺。仿真结果表明：在工作电压为1.8V时，直流功耗为9mW，压控振荡器的频率范围0.87～1.5GHz(53％)，调谐增益在67MHz/V至72MHz/V之间。相位噪声优于-100dBc/Hz100kHz，该电路的主要缺点是占用芯片面积大。 

发明内容

本发明的目的是克服已有电容开关切换式VCO结构的缺陷，公开一种基于等效谐振电容器的宽频率调谐范围电感-电容压控振荡器LC-VCO。等效谐振电容器E-Varactor由多个开关控制的固定电容器和一个偏置电压由开关控制的累积型电容AMOS组成。 

本发明目的通过以下技术方案来实现。一种宽频率调谐范围LC-VCO，它为基于等效谐振电容器构成的LC-VCO电路模块，包括负阻放大器11，电感器12，可变电容器13，以及等效谐振电容器14；负阻放大器11，电感器12，可变电容器13以及等效谐振电容器14均为并联连接，LC-VCO电路模块输出端为VP和VN；其中 

所述可变电容器13为电容量随控制电压V_ctrl变化的电容C_V；所述等效谐振电容器14为电容量由开关组与偏置电压控制的E-Varactor等效可变电容C_E；可变电容器13与等效谐振电容器14构成总的等效电容C_Z； 

所述开关组包括k1～kn以及ka和kb；所述偏置电压包括两个固定电压VB1、VB2和一个控制电压Vctrl； 

所述电感器12，总的等效电容C_Z和负阻放大器11构成的并联效谐回路，用于决定LC-VCO电路模块的输出频率和品质因数，总的等效电容是通过控制电压、开关与偏置电压改变，用于改变VCO电路的输出频率和实现宽频率调谐。 

所述的宽频率调谐范围LC-VCO，其在于所述等效谐振电容器E-Varactor的组成包括：一个偏置电压由开关控制的AMOS可变电容器对 C_var和一个开关控制的固定电容器组C_G；其中 

所述开关控制的固定电容器组22包括n对固定电容器C₁～Cn和n对控制开关K1～Kn，以及n个外部的控制信号k1～kn；n对控制开关与n个外部的控制信号为一一对应的控制连接，每对固定电容器为串联连接，每对固定电容器的一端通过一个控制开关连接输出端VP，另一端都通过一个控制开关连接输出端VN；通过外部的控制信号控制开关的通或断，控制固定电容器对的接入或断开，用于调整开关控制的固定电容器组C_G的电容量，实现等效谐振电容器电容量的粗调，又能减少引入的寄生电容； 

所述偏置电压由开关控制的AMOS可变电容器对21包括2个AMOS电容器C_var，2个隔直流电容C，3个偏置电阻R以及控制信号Ka和Kb控制的控制开关ka和kb；2个AMOS电容器C_var串联连接，串联接点连接偏置电阻R，偏置电阻R的另一端连接控制开关ka和kb的串联接点，控制开关ka的另一端连接接入外部控制电压V_ctrl的VC端，控制开关kb的另一端连接接入外部的固定偏置电压V_B1的VB1端；二个AMOS电容器的另一端各串联连接一个隔直流电容C，二个串联接点各连接一偏置电阻R，二个偏置电阻的另一端并联连接，并联接点连接接入外部的固定偏置电压V_B2的VB2端；用于AMOS电容的电容量随VC端控制电压V_ctrl变化而改变，实现等效谐振电容器电容量的细调，获得宽的频率调谐范围。 

在谐振高频率段，外部控制信号ka为逻辑电平0控制开关Ka断开，外部控制信号kb为逻辑电平1控制开关Kb导通，外部的固定偏置电压V_B1由VB1端经开关Kb和偏置电阻R接入二个AMOS电容的串联接点，外部的固定偏置电压V_B2接入VB2端，经偏置电阻R接入二个AMOS电容的另一端，等效谐振电容器中AMOS两端的固定偏置电压为V_B1和V_B2，固定偏置电压的大小保证AMOS电容的电容量不随两端电压变化，AMOS电容工作在电容对电压不敏感区域，AMOS电容值等效为一个固定电容值，等效谐振电容器的电容量减小；由偏置电路引入的噪声较小，谐振电路具有较高的Q值； 

在谐振低频率段，外部控制信号ka为逻辑电平1控制开关Ka导通， 外部控制信号kb为逻辑电平0控制开关Kb断开，外部的控制电压V_ctrl由VC端经控制开关Ka和偏置电阻R接入等效谐振电容器中二个AMOS电容的串联接点，二个AMOS电容另一端分别经偏置电阻R连接加V_B2的VB2端，AMOS电容的串联端加控制电压，一端加固定偏置电压，使AMOS电容工作在可变电容区间，其电容量随控制电压V_ctrl的改变而变化，提高VCO的增益，等效谐振电容器的电容量就变大，从而实现等效谐振电容器电容量的细调，获得宽的频率调谐范围。 

所述的宽频率调谐范围LC-VCO，其在于所述LC-VCO电路模块为差分电路结构，电路模块的两路差分输出端VP和VN是电学上的电感两端或电容两端，两路差分输出端的输出信号幅度相等，相位相反。 

所述的宽频率调谐范围LC-VCO，其在于所述LC-VCO电路模块的负阻放大器-G电路为由交叉耦合的MOS管或BJT管构成的差分负阻放大器，用于控制压控振荡器VCO的输出信号幅度稳定。 

所述的宽频率调谐范围LC-VCO块，其在于所述LC-VCO电路模块包含的电感器为采用高品质因子的片上螺旋电感的固定电感器，其电感量为L。 

所述的宽频率调谐范围LC-VCO，其在于所述VCO电路模块包含的可变电容器13为一对串联连接的基于CMOS工艺的RF可变电容器C_V，二个可变电容器串联连接端连接控制电压V_ctrl，其电容量随控制电压V_ctrl改变而变化，电容量随控制电压的变化呈现单调变化。 

所述的宽频率调谐范围LC-VCO，其在于所述来自外部的控制电压V_ctrl为VCO的频率调谐电压，接入VCO电路模块的VC端，控制电压V_ctrl用来设置VCO的频率，VCO的频率随控制电压变化而连续变化，使VCO工作在所需要的频率点。 

所述的宽频率调谐范围LC-VCO，其在于所述宽频率调谐为差分调谐结构，采用一对AMOS可变电容，通过改变一对AMOS可变电容的偏置电 压，实现基于等效谐振电容器构成的LC-VCO电路模块的调谐曲线，用于减少VCO的调谐增益，实现宽频、低噪和低耗LC-VCO； 

所述AMOS电容为一种累积型的电压控制可变电容，该片上电压控制可变电容是置于N阱中的NMOS管，该AMOS电容的两个端口分别为栅极和衬底。 

所述的宽频率调谐范围LC-VCO，其在于所述n对控制开关K1～Kn的每个控制开关为NMOS管，具有小的导通电阻；控制信号ka与kb对应控制的一对开关管为NMOS管，任意时刻，控制信号ka与kb控制的一对开关管中只有一个开关为导通状态，另一开关为关断状态；所述的控制信号ka与kb或为kab，控制信号kab由反相器形成-kab，控制信号kab和-kab对应控制一对开关管。 

所述的宽频率调谐范围LC-VCO，其在于所述开关控制的固定电容组中的n对固定电容与n对开关采用电学上的串联，n的取值范围为2～5；n优选值取决于频率调谐范围、控制电压的增益、芯片面积、AMOS电容的损耗。n取值偏大，总的等效电容粗调档增多，频率调谐范围会增大，但片上电路复杂一些，开关引入的寄生电容增加，由于开关管引入的损耗，功耗也会加大。如n取值小，对宽频率调谐范围会有影响，若能满足频率调谐范围要求，则电路更简单，引入噪声小，因AMOS电容的损耗，功耗也小。 

本发明容易优选减少电容开关的数量，因此导通电阻损耗小，通过改变二个累积型可变电容AMOS的偏置电压实现对电容调谐曲线补偿，使频率调谐曲线在整个控制电压范围内接近线性，实现宽的频率调谐范围，VCO所需的控制增益较小，有利于实现低的相位噪声，在同样调谐范围时，本发明VCO所需的功耗、相位噪声和芯片面积均较小。本发明LC-VCO采用全CMOS集成，VCO的所有元件可以采用标准CMOS工艺，工艺技术成熟，易于工艺实现。 

本发明的实质性效果： 

(1)VCO工作在高频率频段时，谐振回路总电容值较小，等效谐振电容器中AMOS工作在固定电容区，其等效为固定电容器，AMOS电容在工作区的Q值较大，AMOS与固定电容具有相近的性能，因此，本发明的VCO具有良好的低相位噪声。 

(2)VCO工作在低频率频段时，谐振回路总电容值较大，AMOS电容工作在可变电容区，增加谐振回路可变电容的比值，提高低频段VCO的控制电压增益K_VCO，因此，在同样宽频率调谐范围要求下，本发明VCO可以减少开关控制的固定电容组数，既可减少开关导通电阻的损耗，提高谐振回路的Q值，又可减少开关引入的寄生电容。在同样可变电容的条件下，增大了谐振回路电容变化比，本发明VCO可扩展了谐振回路的频率调谐范围。 

(3)容易优选减少电容开关的数量，因此导通电阻损耗小，通过改变二个累积型可变电容AMOS的偏置电压实现对电容调谐曲线补偿，使频率调谐曲线在整个控制电压范围内接近线性，实现宽的频率调谐范围，VCO所需的控制增益较小，有利于实现低的相位噪声，在同样调谐范围时，本发明VCO所需的功耗、相位噪声和芯片面积均较小。 

(4)该VCO采用全CMOS集成，VCO的所有元件可以采用标准CMOS工艺，工艺技术成熟，易于工艺实现。 

(5)本发明的宽频率调谐范围LC-VCO，可以应用于各种射频宽带高性能接收发射器芯片中。 

附图说明

图1是等效谐振电容器结构原理图。 

图2a是本发明实施例1宽频率调谐范围VCO的等效谐振电容器的模块结构图。 

图2b是图2a本发明实施例1宽频率调谐范围VCO的等效谐振电容器的模块结构原理图。 

图2c是图2b等效谐振电容器的模块结构中AMOS型可变电容的结构 示意图。 

图2d是图2cAMOS型可变电容的元件符号图。 

图3a是本发明实施例2基于等效谐振电容器的宽频率范围VCO具体n＝2的构成原理图。 

图3b是图3a本发明实施例2基于等效谐振电容器的宽频率范围VCO具体n＝2和一对AMOS可变电容的等效谐振电容器的电原理图。 

图4a是本发明实施例3基于等效谐振电容器的宽频率范围VCO具体n＝3的构成原理图。 

图4b是图4a本发明实施例3基于等效谐振电容器的宽频率范围VCO具体n＝3和一对AMOS可变电容的等效谐振电容器的电原理图。 

具体实施方式

下面通过本发明的实施例并结合附图对本发明技术方案作详细的说明。 

基于等效谐振电容器的宽频率调谐范围电感-电容压控振荡器LC-VCO如图1所示，LC-VCO由有源负阻电路11，电感器12，可变电容器(Varactor)13以及等效谐振电容器(E-Varactor)14组成。图1中-Gm为有源负阻电路11，有源负阻采用交叉耦合的MOS管组成。有源负阻实现对谐振回路的电阻损耗补偿，当有源负阻与谐振回路的电阻损耗相等时，VCO满足起振条件，VCO输出等幅的正弦波信号。片上集成螺旋电感器12的电感为L，由芯片中顶层厚金属组成，可以提高电感的Q，减少电阻损耗。Varactor可变电容器13为VCO的主要调谐元件，它由电容量随控制电压变化的元件实现，可以是变容二极管或者是AMOS电容，当可变电容器的电容量随控制电压变化时，VCO的谐振频率随控制电压变化而改变。 

实施例1 

本发明VCO的等效谐振电容器14如图2a所示，图2b为图2a本发明VCO的等效谐振电容器14的电路原理图。该等效谐振电容器电路包括开关式控制可变电容21和开关式控制固定电容22，电路采用差分对称结构，C₁，C₂，...，C_n为固定电容，k1，k2，…，kn为固定电容的控制开关。与传统 开关式电容结构一样，C1-Cn与k1-kn组成开关式控制固定电容。与传统开关式电容所不同的，本发明的开关式可变电容中引入累积型的AMOS可变电容，控制开关ka与kb为逻辑互补MOS开关，当开关ka断开时，开关kb导通，AMOS电容两端的电压为V_B2-V_B1；当开关ka导通，开关kb断开时，AMOS电容两端的电压为V_B2-V_ctrl，因此，通过控制开关ka与kb的导通与断开可以使AMOS电容工作在不同的状态。此外，C为固定电容，与AMOS电容串联，电阻R为偏置电阻，为AMOS电容提供偏置电压。等效谐振电容器的符号如图2a所示，其等效为一个受开关k1，k2，…，kn，ka，kb与控制电压V_ctrl可控的可变电容器E-Varactor，VP与VN为等效可变电容的差分输出端。 

可变电容器的电容变化范围有限，采用开关式可变电容器和开关式固定电容器的组合结构的等效谐振电容器进一步扩大谐振回路电容的变化范围。控制开关k1，k2，...kn与固定电容C1，C2，...，Cn实现对等效谐振电容器电容的粗调，而控制开关ka，kb与偏置电压V_B1，V_B2和控制电压V_ctrl实现对等效谐振电容器电容的细调。等效谐振电容器中AMOS电容器有两种不同的工作模式： 

开关ka与kb控制AMOS电容的工作模式，并且ka与kb的控制信号逻辑互补，即任意时刻，ka与kb有且只有一个开关为导通状态。当开关ka断开，kb导通时，V_B2-V_B1使AMOS电容工作于电容不随电压变化的区间，AMOS电容相当于固定电容器，当C远大于AMOS电容C_var时，E-Varactor的等效电容为： 

$2C_{\mathrm{eq}}=\underset{k=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\left(S_k{C}_k\right)+C_{\mathrm{fix}}---\left(1\right)$

式中S_k为第k个开关的状态，当开关导通时为1，反之为0；C_k为第k个开关所控制的固定电容值，C_fix为最小总等效电容值，为AMOS电容的最小值之和，AMOS电容值C_var为固定数值。此时，由于所有电容都是不随电容两端电压变化的固定值，因此C_eq也为固定电容值。 

当开关ka导通，kb断开时，AMOS电容工作在变容区，由于此时，AMOS电容的一端与VCO的控制电压V_ctrl端相连，AMOS电容作为谐振回 路中的一个可变电容，当C远大于C_var时，E-Varactor总的等效电容为： 

$2C_{\mathrm{eq}}\left(V_{\mathrm{ctrl}}\right)=\underset{k=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\left(S_k{C}_k\right)+C_{\mathrm{var}}(V_{B1}-V_{\mathrm{ctrl}})---\left(2\right)$

式中C_var(V_B1-V_ctrl)为AMOS电容随控制电压V_ctrl变化的电容值，从上式可以看出，E-Varactor总的等效电容随VCO的控制电压变化而变化。 

AMOS电容工作模式的选择主要由开关k1，k2，...，kn的工作状态决定，当所有开关都导通时，E-Varactor总的等效电容最大，当所有开关都断开时，且不考虑开关的寄生电容时，E-Varactor总的等效电容最小。设m是固定电容的组数，设n为总开关数。当选择n≤m时，AMOS电容工作在固定电容区；当n＞m时，AMOS电容工作在变容区，当隔直流电容C电容值C远大于AMOS电容值Cvar时，E-Varactor总的等效电容表示为下式： 

$\left\{\begin{array}{cc}{C}_{\mathrm{eq}}\left(v\right)=\frac{1}{2}(\underset{k=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}\left(S_k{C}_k\right)+C_{\mathrm{fix}})& k<m\\ C_{\mathrm{eq}}\left(v\right)=\frac{1}{2}[\underset{k=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}\left(S_k{C}_k\right)+C_{\mathrm{var}}(V_{B1}-V_{\mathrm{ctrl}})]& k\&GreaterEqual;m\end{array}\right.---\left(3\right)$

式中：m是≤n。 

图2c是图2b等效谐振电容器的模块结构中AMOS型可变电容的结构示意图。该AMOS型可变电容是置于N阱中的NMOS管，该AMOS电容的两个端口分别为栅极和衬底。N-well为N阱，Bulk为衬底，两个并联的NMOS管N+置于N阱中，Gate为控制端连接栅极。AMOS型可变电容的示意图如图2d所示，Gate为栅极，Bulk为衬底。 

第2实施例 

本发明实施例基于等效谐振电容器的宽频率调谐范围LC-VCO的电原理图，如3a所示。NMOS管308，309与PMOS管303，302交叉耦合产生有源负阻。NMOS管与PMOS管产生的有源负阻分别为-Gmn与-Gmp，有源负阻大于谐振回路的电阻损耗时，VCO满足振荡条件。电路中主要的 可变电容为305和306，两者电容值相同，都为Cv。可变电容的电容随控制电压V_ctrl变化。电感304采用CMOS工艺中顶层金属实现，其结构为螺旋电感，形状为四边形。电路中307为等效谐振电容器，它具有两个固定偏置电压V_B3与V_B4，一个控制电压V_ctrl，这三个电压为等效谐振电容器中AMOS电容提供偏置电压。k1和k2为等效谐振电容器中固定电容的开关控制信号，ka和kb为AMOS电容的工作模块控制信号，通过ka和kb实现AMOS两端偏置不同的电压，从而工作在不同的工作区间。 

图3a所示VCO低功耗实现宽频率范围调谐的关键部件为等效谐振电容器307，其具体原理图3b所示。等效谐振电容器中采用两组开关控制的固定电容310，311和314，315，其对应的开关为开关管312，313与316，317，开关管312和313的栅极连接控制电压K1，开关管316和317的栅极连接控制电压K2。固定电容采用CMOS工艺中MIM型电容或MOM型电容，这些电容具有高品质因子，电容不随两端的电压变化而变化。开关采用CMOS工艺中NMOS管实现，NMOS管具有小的导通电阻，对固定电容的品质因子影响较小。调整开关312，313与316，317，可以实现等效谐振电容器的电容量粗调。等效调谐电容器中AMOS可变电容Cvar为319与320。AMOS可变电容319，320分别与固定电容318，321串联，固定电容318和321的电容量为C，是隔直流电容，因此C的取值远大于AMOS电容Cvar。开关信号ka、kb控制AMOS电容的工作区间，当开关信号ka逻辑电平为0时，MOS开关325截止，kb逻辑电平为1，接到MOS开关管NM32的栅极，MOS开关管328导通，偏置电压V_B4经偏置电阻327和322，在AMOS电容319和320的连接点产生固定偏置电压，AMOS电容319和320的另一端分别经偏置电阻322和324，与偏置电压V_B3相连，此时，AMOS电容工作于固定电容区间，AMOS电容相当于固定电容。当ka为逻辑电平1时，MOS开关管325NM31导通，kb逻辑电平为0，开关管328NM32关断，VCO控制电压V_ctrl经导通开关管325的源极和漏极以及偏置电阻326和322，与AMOS电容319和320的连接点相连，产生固定偏置电压。偏置电压V_B3满足|V_B3-V_ctrl|值较小，AMOS电容工作在可变电容 区，此时，AMOS受VCO控制电压调谐。AMOS电容相当于谐振电路的变容元件，其作用与304，305一样。AMOS电容319和320与固定电容310，311，314，315的取值满足条件：Cvar＜C1＜C2。因此当k1与k2都同时为高电平时，两对固定电容都接入谐振回路，谐振回路等效电容具有最大电容值，此时VCO控制电压增益K_VCO具有最小值，VCO的工作频率最低。当k1与k2都为低电频时，两对固定电容310和311，314和315都被关断，谐振回路等效电容具有最小电容值，此时VCO控制电压增益具有最大值，VCO工作在最低频率。VCO工作在高频率时，谐振回路固定固定电容值小，因此在一定控制电压范围内，VCO频率变化范围大，而当VCO工作在低频率时，谐振回路固定电容值大，可变电容占用比重小，在同样控制电压变化范围内，VCO频率调谐范围小，实现由于开关的寄生电容，VCO的频率调谐范围更窄，因此只有增加固定电容组数，同样增加寄生电容和导通电阻，增加了VCO的功耗与面积。本设计中，在VCO的低频率时，通过等效谐振电容器中AMOS电容工作在可变电容区，提高了低频率时的VCO控制电压增加，频率范围可以和高频率时相近。因此可以采用少数的开关控制的固定电容实现很宽的频率范围，也就是说，在同样频率调谐范围时，VCO的功耗与面积小于传统VCO电路。 

当外部控制信号K₁、k₂、k_a和k_b为0，开关K1、k2、ka和kb都断开时，等效谐振电容器电容为最小值，相应的VCO工作在最高频率波段，当不考虑谐振回路的寄生电容时，其对应的频率范围如下式： 

$f_{\min }\left(v\right)=\frac{\sqrt{2}}{2\mathrm{\&pi;}\sqrt{L(C_{\mathrm{evar}}\left(v\right)+C_{\min })}}---\left(4\right)$

式中：C_evar(v)为可变电容器305与306的电容值，C_min为等效谐振电容器中AMOS电容的电容量，为固定值。v为VCO控制电压。 

当外部控制信号K₁、k₂、k_a和k_b为1，开关K1、k2、ka和kb都导通时，等效谐振电容器的等效电容为最小值，相应的VCO工作在最低频率波段，当不考虑谐振回路的寄生电容时，其对应的频率范围为： 

$f_{\max }\left(v\right)=\frac{\sqrt{2}}{2\mathrm{\&pi;}\sqrt{L(C_{\mathrm{evar}}\left(v\right)+C_{\mathrm{var}}\left(v\right)+C_1+C_2)}}---\left(5\right)$

上式中C_var(v)为等效谐振电容器中AMOS电容值，随控制电压变化，C₁为310，311的电容值，C₂为314，315电容值。 

图2d是图2c AMOS型可变电容的元件符号图。 

第3实施例 

图4a本发明实施例基于等效谐振电容器的宽频率调谐范围LC-VCO的电原理图，如图4a所示。如图4a的结构与图3a基本相同，区别在于等效谐振电容器407电路中，固定电容的开关控制信号为三对：k₁、k₂、k₃；电路407中采用kab为AMOS电容的工作模块控制信号，通过kab实现AMOS两端偏置不同的电压，从而工作在不同的工作区间。所示与NMOS管408，409与PMOS管403，402交叉耦合产生有源负阻。NMOS管与PMOS管产生的有源负阻分别为-Gmn与-Gmp，有源负阻大于谐振回路的电阻损耗时，VCO满足振荡条件。电路中主要的可变电容为405和406，两者电容值相同，都为Cv。可变电容的电容随控制电压V_ctrl变化。电感404采用CMOS工艺，其结构为螺旋电感，形状为八边形。等效谐振电容器407，它具有两个固定偏置电压V_B3与V_B4，一个控制电压V_ctrl，这三个电压为等效谐振电容器中AMOS电容提供偏置电压k₁、k₂、k₃和工作模块控制信号k_ab。 

图4a所示VCO低功耗实现宽频率范围调谐的关键部件为等效谐振电容器407，其具体原理图如4b所示。等效谐振电容器中采用两组开关控制的固定电容410和411，414和415与418和419，其对应的开关为开关管412和413，416和417与420和421，开关管412和413的栅极连接控制电压K1，开关管416和417的栅极连接控制电压K2。固定电容采用CMOS工艺中MIM型电容或MOM型电容，这些电容具有高品质因子，电容不随两端的电压变化而变化。开关采用CMOS工艺中NMOS管实现，NMOS管具有小的导通电阻，对固定电容的品质因子影响较小。调整开关412和413，416和417与420和421，可以实现等效谐振电容器的电容量粗调。等效调谐电容器中AMOS可变电容Cvar为423与424。AMOS可变电容 423与424，分别与固定电容422，425串联，固定电容422和425的电容量为C，是隔直流电容，因此C的取值远大于AMOS电容Cvar。开关信号kab控制AMOS电容的工作区间，当开关信号kab逻辑电平为0时，MOS开关管429截止，kab经反相器433反相后输出逻辑电平为1，接到MOS开关管NM42的栅极，MOS开关管432导通，偏置电压V_B4经偏置电阻431和427，在AMOS电容423和424的连接点产生固定偏置电压，AMOS电容423和424的另一端分别经偏置电阻426和428，与偏置电压V_B3相连，此时，AMOS电容工作于固定电容区间，AMOS电容相当于固定电容。当kab为逻辑电平1时，MOS开关管429导通，kab经反相器433反相后输出逻辑电平为0，开关管432关断，VCO控制电压V_ctrl经导通开关管429的源极和漏极以及偏置电阻430和427，与AMOS电容423和424的连接点相连，产生固定偏置电压。偏置电压V_B3满足|V_B3-V_ctrl|值较小，AMOS电容工作在可变电容区，此时，AMOS受VCO控制电压调谐。AMOS电容相当于谐振电路的变容元件，其作用与405和406一样。AMOS电容423和424与固定电容410和411，414和415以及418和419的取值满足条件：Cvar＜C1＜C2＜C3。因此当k1，k2与k3都同时为高电平时，三对固定电容410和411，414和415以及418和419都接入谐振回路，谐振回路等效电容具有最大电容值，此时VCO控制电压增益K_VCO具有最小值，VCO的工作频率最低。当k1、k2、k3与kab都为低电频时，三对固定电容410和411，414和415以及418和419都被关断，谐振回路等效电容具有最小电容值，此时VCO控制电压增益具有最大值，VCO工作在最低频率。VCO工作在高频率时，谐振回路固定固定电容值小，因此在一定控制电压范围内，VCO频率变化范围大，而当VCO工作在低频率时，谐振回路固定电容值大，可变电容占用比重小，在同样控制电压变化范围内，VCO频率调谐范围小，实现由于开关的寄生电容，VCO的频率调谐范围更窄，因此只有增加固定电容组数，同样增加寄生电容和导通电阻，增加了VCO的功耗与面积。本设计中，在VCO的低频率时，通过等效谐振电容器中AMOS电容工作在可变电容区，提高了低频率时的VCO控制电压增加，频率范围可以和高频 率时相近。因此可以采用少数的开关控制的固定电容实现很宽的频率范围，也就是说，在同样频率调谐范围时，VCO的功耗与面积小于传统VCO电路。当外部控制信号k₁、k₂、k₃和k_ab为0，开关K1、k2、k3和kab都断开时，等效谐振电容器电容为最小值，相应的VCO工作在最高频率波段，当不考虑谐振回路的寄生电容时，其对应的频率范围如公式(4)。 

当外部控制信号K₁、k₂、k₃和k_ab为1，开关K1、k2、k3和kab都导通时，等效谐振电容器的等效电容为最小值，相应的VCO工作在最低频率波段，当不考虑谐振回路的寄生电容时，其对应的频率范围为公式(6)： 

$f_{\max }\left(v\right)=\frac{\sqrt{2}}{2\mathrm{\&pi;}\sqrt{L(C_{\mathrm{evar}}\left(v\right)+C_{\mathrm{var}}\left(v\right)+C_1+C_2+C_3)}}---\left(6\right)$

上式中C_var(v)为等效谐振电容器中AMOS电容值，随控制电压变化，C₁为410和411的电容值，C₂为414和415电容值，C₃为418和419电容值。 

本发明的实施例经仿真、芯片流片测试表明，在采用0.18um CMOS工艺条件下，整个LC-VCO的芯片面积仅为0.36mm²，功耗仅为7.2mW，频率调谐范围为2.13GHz～3.32GHz。以上指标都优于已有的背景技术。 

以上所述，仅为本发明说明书描述之实现本发明具体实施例的详细说明与图式，用于例证而非限制，但本发明的特征并不局限于此，本领域技术人员显然理解，本发明的所有范围应以其权利要求的保护范围为准，在不背离所附权利要求书所界定的发明精神和发明范围的前提下，凡根据本发明的精神与其类似变化而实施的其它实施例，皆应包含在本发明的保护范畴之中。 

Claims (10)

1.一种宽频率调谐范围LC-VCO，其特征在于，它为基于等效谐振电容器构成的LC-VCO电路模块，包括负阻放大器(11)，电感器(12)，可变电容器(13)，以及等效谐振电容器(14)；负阻放大器(11)，电感器(12)，可变电容器(13)以及等效谐振电容器(14)均为并联连接，LC-VCO电路模块输出端为VP和VN；其中

所述可变电容器(13)为电容量随控制电压V_ctrl变化的电容C_V；所述等效谐振电容器(14)为电容量由开关组与偏置电压控制的E-Varactor等效可变电容C_E；可变电容器(13)与等效谐振电容器(14)构成总的等效电容C_Z；

所述开关组包括k1～kn以及ka和kb；所述偏置电压包括两个固定电压VB1、VB2和一个控制电压Vctrl；

所述电感器L(12)，总的等效电容C_Z和负阻放大器-G(11)构成的并联效谐回路，用于决定LC-VCO电路模块的输出频率和品质因数，总的等效电容是通过控制电压、开关与偏置电压改变，用于改变VCO电路的输出频率和实现宽频率调谐。

2.根据权利1所述的宽频率调谐范围LC-VCO，其特征在于，所述等效谐振电容器E-Varactor的组成包括：一个偏置电压由开关控制的AMOS可变电容器对C_var(21)和一个开关控制的固定电容器组(22)C_G；其中

所述开关控制的固定电容器组(22)包括n对固定电容器C1～Cn和n对控制开关K1～Kn，以及n个外部的控制信号k1～kn；n对控制开关与n个外部的控制信号为一一对应的控制连接，每对固定电容器为串联连接，每对固定电容器的一端通过一个控制开关连接输出端VP，另一端都通过一个控制开关连接输出端VN；通过外部的控制信号控制开关的通或断，控制固定电容器对的接入或断开，用于调整开关控制的固定电容器组C_G的电容量，实现等效谐振电容器电容量的粗调，又能减少引入的寄生电容；

所述偏置电压由开关控制的AMOS可变电容器对(21)包括2个AMOS电容器C_var，2个隔直流电容C，3个偏置电阻R以及控制信号Ka和Kb控制的控制开关ka和kb；2个AMOS电容器C_var串联连接，串联接点连接偏置电阻R，偏置电阻R的另一端连接控制开关ka和kb的串联接点，控制开关ka的另一端连接接入外部控制电压V_ctrl的VC端，控制开关kb的另一端连接接入外部的固定偏置电压V_B1的VB1端；二个AMOS电容器的另一端各串联连接一个隔直流电容C，二个串联接点各连接一偏置电阻R，二个偏置电阻的另一端并联连接，并联接点连接接入外部的固定偏置电压V_B2的VB2端；用于AMOS电容的电容量随VC端控制电压V_ctrl变化而改变，实现等效谐振电容器电容量的细调，获得宽的频率调谐范围。

3.根据权利2所述的宽频率调谐范围LC-VCO，其特征在于，所述LC-VCO电路模块为差分电路结构，电路模块的两路差分输出端VP和VN是电学上的电感两端或电容两端，两路差分输出端的输出信号幅度相等，相位相反。

4.根据权利1所述的宽频率调谐范围LC-VCO，其特征在于，所述LC-VCO电路模块的负阻放大器-G电路为由交叉耦合的MOS管或BJT管构成的差分负阻放大器，用于控制压控振荡器VCO的输出信号幅度稳定。

5.根据权利2所述的宽频率调谐范围LC-VCO块，其特征在于，所述LC-VCO电路模块包含的电感器为采用高品质因子的片上螺旋电感的固定电感器，其电感量为L。

6.根据权利2所述的宽频率调谐范围LC-VCO，其特征在于，所述VCO电路模块包含的可变电容器(13)为一对串联连接的基于CMOS工艺的RF可变电容器C_V，二个可变电容器串联连接端连接控制电压V_ctrl，其电容量随控制电压V_ctrl改变而变化，电容量随控制电压的变化呈现单调变化。

7.根据权利6所述的宽频率调谐范围LC-VCO，其特征在于，所述来自外部的控制电压V_ctrl为VCO的频率调谐电压，接入VCO电路模块的VC端，控制电压V_ctrl用来设置VCO的频率，VCO的频率随控制电压变化而连续变化，使VCO工作在所需要的频率点。

8.根据权利4所述的宽频率调谐范围LC-VCO，其特征在于，所述宽频率调谐为差分调谐结构，采用一对AMOS可变电容，通过改变一对AMOS可变电容的偏置电压，实现基于等效谐振电容器构成的LC-VCO电路模块的调谐曲线，用于减少VCO的调谐增益，实现宽频、低噪和低耗LC-VCO；

所述AMOS电容为一种累积型的电压控制可变电容，该片上电压控制可变电容是置于N阱中的NMOS管，该AMOS电容的两个端口分别为栅极和衬底。

9.根据权利1-8所述的宽频率调谐范围LC-VCO，其特征在于，所述n对控制开关K1～Kn的每个控制开关为NMOS管，具有小的导通电阻；控制信号ka与kb对应控制的一对开关管为NMOS管，任意时刻，控制信号ka与kb控制的一对开关管中只有一个开关为导通状态，另一开关为关断状态；所述的控制信号ka与kb或为kab，控制信号kab由反相器形成-kab，控制信号kab和-kab对应控制一对开关管。

10.根据权利1-9所述的宽频率调谐范围LC-VCO，其特征在于，所述开关控制的固定电容组中的n对固定电容与n对开关采用电学上的串联，n的取值范围为2～5；n优选值取决于频率调谐范围、控制电压的增益、芯片面积、AMOS电容的损耗。

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