專利名稱：一種高分辨率高線性數(shù)控振蕩器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于射頻集成電路領(lǐng)域，所涉及數(shù)控振蕩器是構(gòu)成全數(shù)字集成鎖相環(huán)的核 心模塊。本發(fā)明基于階躍電容的壓控振蕩器線性原理，提出了實(shí)現(xiàn)更高頻率分辨率的數(shù)控 振蕩器的技術(shù)。該技術(shù)在相同工藝的條件下，可以將現(xiàn)有的數(shù)控振蕩器的分辨率的分辨率 提高至少兩個比特，并且能降低寄生電容對數(shù)控振蕩器線性度的影響。本發(fā)明也可以作為 采用Sigma-Delta技術(shù)實(shí)現(xiàn)具有分?jǐn)?shù)分辨率的數(shù)控振蕩器核心，并且降低數(shù)控振蕩器量化 噪聲?，F(xiàn)有
背景技術(shù)：
全數(shù)字鎖相環(huán)(All Digital Phase Locked Loop)在深亞微米射頻集成電路 領(lǐng)域正逐漸成為替代模擬集成鎖相環(huán)的主流技術(shù)。數(shù)控振蕩器英文稱通常為Digitally Controlled Oscillator (DCO)，是全數(shù)字鎖相環(huán)核心模塊。數(shù)控振蕩器頻率由電感和電容 組成的諧振腔諧振頻率決定。在數(shù)控振蕩器中，通常電感是不變的，只有通過改變電容值的 大小來改變振蕩頻率。電容是單位電容單元和開關(guān)組成的電容陣列構(gòu)成，而電容值是通過 數(shù)字開關(guān)選擇并聯(lián)到諧振電路中電容陣列的總電容[1]。數(shù)控振蕩器頻率分辨率(即精度) 取決于開關(guān)電容陣列中單位電容單元的大小。要實(shí)現(xiàn)最高頻率分辨率就必須采用工藝所能 實(shí)現(xiàn)的最小電容單元，但是由于工藝本身的失配和寄生電容存在，采用最小電容單元會使 得數(shù)控振蕩器的線性度下降，反而影響了數(shù)控振蕩器精度，結(jié)果導(dǎo)致數(shù)控振蕩器精度和線 性度受限于工藝的精度和穩(wěn)定性。在130nm工藝水平下能達(dá)到的數(shù)控振蕩器精度在23kHz 左右[1]。發(fā)明的目的為了突破工藝對數(shù)控振蕩器精度和線性度，本發(fā)明將介紹基于階躍電容原理的高 線性壓控可變電容器結(jié)構(gòu)，與開關(guān)電容陣列一起組成諧振電容；在保證線性度的情況下，能 進(jìn)一步提高數(shù)控振蕩器頻率分辨率。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明包括一個具有高度線性壓控可變電容器新結(jié)構(gòu)，和采用該類壓控變?nèi)萜鞯?數(shù)控振蕩器結(jié)構(gòu)?？勺冸娙萜鹘Y(jié)構(gòu)是基于采用階躍電容的壓控振蕩器調(diào)諧曲線的確定方法[2]所 作的發(fā)明?？勺冸娙萜鞯慕Y(jié)構(gòu)如圖1所示，其核心思想是由電容和開關(guān)構(gòu)成，Ctrl是電壓控 制端，a, b是變?nèi)萜鞫丝?；電容是集成電路工藝中MIM電容或者Poly電容，開關(guān)是NMOS或 者PMOS變?nèi)萜鞯慕Y(jié)構(gòu)可以是圖1中所示的任一種形式或任何類似由電容和開關(guān)組成形式。圖2(1)所示的變?nèi)萜麟妷嚎刂贫擞胁罘纸Y(jié)構(gòu)，其對應(yīng)的差分壓控變?nèi)萜饕环N結(jié) 構(gòu)如圖2(2)所示，其形式可以是由圖1中所示任何一對NMOS和PMOS作為開關(guān)的變?nèi)萜鞯?組合。數(shù)控振蕩器由1單端或者差分壓控變?nèi)萜鳌?負(fù)跨導(dǎo)單元、3微調(diào)開關(guān)電容陣列、4 精調(diào)開關(guān)電容陣列、5粗調(diào)開關(guān)電容陣列、6電感和7數(shù)模轉(zhuǎn)換器組成及8微調(diào)控制寄存器組、9精調(diào)控制寄存器組及10粗調(diào)控制寄存器組，如圖3所示。數(shù)控振蕩器的控制單元由三組控制寄存器組成10粗調(diào)控制寄存器，9精調(diào)控制 寄存器，8微調(diào)控制寄存器。10粗調(diào)控制寄存器通過控制5粗調(diào)開關(guān)電容陣列來選擇振蕩 器的頻率段，最小分辨率通常大于IMHz ；9精調(diào)控制寄存器6精調(diào)開關(guān)電容陣列來調(diào)整振蕩 器頻率，其最小分辨率通常大于IOOkHz ；8微調(diào)控制寄存器組用于控制3微調(diào)開關(guān)電容陣列 和7數(shù)模轉(zhuǎn)換器來調(diào)整振蕩器頻率，其最小分辨率是由7數(shù)模轉(zhuǎn)換器來控制可變電容器來 實(shí)現(xiàn)的，通常最小分辨率低于10kHz。除了常規(guī)的數(shù)模轉(zhuǎn)換器的實(shí)現(xiàn)方法外，7數(shù)模轉(zhuǎn)換器的輸出電平值及比特數(shù)可由 控制可變電容器的控制電壓Vctrl電平數(shù)或者VCtrl+/VCtrl-電平對個數(shù)來決定。電平或 電平對的選擇可以參考圖4所示。圖4所示波形為振蕩器信號一個周期，振蕩信號的最高電 平為Vh，最低電平為VI。那么對于采用NMOS作為開關(guān)的可變壓控電容而言，控制電壓的有 效范圍是[Vl-Vthn，Vh-Vthn]，Vthn為匪OS的閾值電壓或者匪OS開關(guān)的開啟電壓；那么對 于采用PMOS作為開關(guān)的可變壓控電容而言，控制電壓的有效范圍是[Vl+Vthp，Vh+Vthp]， Vthp為PMOS的閾值電壓絕對值或者PMOS開關(guān)的開啟電壓絕對值。這樣，對于NMOS可變電 容控制電壓而言，至少存在四個有效離散電平值Vh-Vthn，Vl+Vthp, VI, Vl-Vthn,所對應(yīng)的 7數(shù)模轉(zhuǎn)換器就有2個比特。同樣對于PMOS可變電容控制電壓而言，也至少存在四個有效 離散電平值Vh+Vthp，Vh，Vh-Vthp Vl+Vthn，所對應(yīng)的7數(shù)模轉(zhuǎn)換器就有2個比特。對于差 分可變電容控制電壓而言，有效離散電平值可以由一個NMOS可變電容控制電壓減去一個 PMOS可變電容控制電壓組合而成，這樣就至少存在16種組合；但是考慮到16個組合中存 在相同值，所以實(shí)際電平數(shù)少于16個，所對應(yīng)的7數(shù)模轉(zhuǎn)換器在介于3 4比特之間。如 果要增加數(shù)模轉(zhuǎn)換器比特數(shù)(即提高振蕩器的頻率分辨率)，可以在Vh-Vthn和Vl+Vthp再 多選擇若干個電平，例如選擇一個電平Vh/2+Vl/2，這樣差分可變電容控制電壓就有25種 組合，去除相同項，可以得到16個離散值；由于階躍電容變?nèi)萜鲀?yōu)異的線性度，只要選取的 差分控制電平值之間保證高線性度，則得到的振蕩頻率之間就繼承了高線性度。在工藝允 許的電壓較低的情況下(例如1. 2V)，通常數(shù)模轉(zhuǎn)換器的精度能達(dá)到3比特。如果工藝允許 的電壓較高的情況下(例如1. 8V或以上)，通常數(shù)模轉(zhuǎn)換器的精度能達(dá)到4比特以上。采 用多比特的數(shù)模轉(zhuǎn)換器能夠在3微調(diào)開關(guān)電容陣列中采用較大的最小電容單元，這樣可以 降低工藝偏差和寄生效應(yīng)導(dǎo)致的數(shù)控振蕩頻率非線性；同樣，由于采用了多比特的數(shù)模轉(zhuǎn) 換器，與單比特控制的最小電容單元相比，增加了控制寄存器的位數(shù)，也即提高了數(shù)控振蕩 器的精度(分辨率)。發(fā)明或?qū)嵱眯滦团c現(xiàn)有技術(shù)相比具有的優(yōu)點(diǎn)、特點(diǎn)或積極效果現(xiàn)有數(shù)控振蕩器采用的全數(shù)字開關(guān)電路陣列，其精度和線性度受到工藝的限制。 而本發(fā)明采用數(shù)模轉(zhuǎn)換器來控制階躍電容變?nèi)萜骷夹g(shù)，提高了數(shù)控振蕩器的頻率分辨率， 并且階躍電容變?nèi)萜鲀?yōu)異的線性度保證了數(shù)控振蕩器的線性度。突破了工藝對數(shù)控振蕩器 分辨率和線性度的限制。分辨率的提高將降低數(shù)控振蕩器在輸入控制端的量化噪聲。全數(shù)字鎖相環(huán)采用本發(fā)明所涉及的數(shù)控振蕩器，將具有更低的頻率量化噪聲及輸 出相位噪聲。全數(shù)字鎖相環(huán)應(yīng)用如圖5所示。本發(fā)明也適用于基于Sigma-Delta技術(shù)的分?jǐn)?shù)數(shù)控振蕩器，其應(yīng)用實(shí)例如圖6所示。


單控制端壓控可變電容器的結(jié)構(gòu)如圖1所示，是由電容和開關(guān)構(gòu)成，Ctrl是電壓 控制端，a, b是變?nèi)萜鞫丝?；電容是集成電路工藝中MIM電容或者Poly電容，開關(guān)是NMOS 或者PMOS ；變?nèi)萜鞯慕Y(jié)構(gòu)可以是圖1中所示的(1) (2) (3) (4)任一種形式或任何類似由電 容和開關(guān)組成形式。差分控制端壓控可變電容器的結(jié)構(gòu)如圖2，但不僅限于圖2所示結(jié)構(gòu)，其它形式還 包括其形式可以是由圖1中所示任何一對NMOS和PMOS作為開關(guān)的單端變?nèi)萜鞯慕M合。圖3所示為數(shù)控振蕩器的結(jié)構(gòu)圖，數(shù)控振蕩器由1單端或者差分壓控變?nèi)萜鳌?負(fù) 跨導(dǎo)單元、3微調(diào)開關(guān)電容陣列、4精調(diào)開關(guān)電容陣列、5粗調(diào)開關(guān)電容陣列、6電感和7數(shù)模 轉(zhuǎn)換器及8微調(diào)控制寄存器組、9精調(diào)控制寄存器組及10粗調(diào)控制寄存器組組成。圖4所示波形為振蕩器信號一個周期，振蕩信號的最高電平為Vh，最低電平為 VI。那么對于采用NMOS作為開關(guān)的可變壓控電容而言，控制電壓的有效范圍是[Vl-Vthn， Vh-Vthn]，Vthn為NMOS的閾值電壓或者NMOS開關(guān)的開啟電壓；那么對于采用PMOS作為 開關(guān)的可變壓控電容而言，控制電壓的有效范圍是[Vl+Vthp，Vh+Vthp]，Vthp為PMOS的 閾值電壓絕對值或者PMOS開關(guān)的開啟電壓絕對值。這樣，對于NMOS可變電容控制電壓而 言，至少存在四個有效離散電平值Vh-Vthn，Vl+Vthp，Vl，Vl-Vthn，所對應(yīng)的7數(shù)模轉(zhuǎn)換器 就有2個比特。同樣對于PMOS可變電容控制電壓而言，也至少存在四個有效離散電平值 Vh+Vthp, Vh, Vh-Vthp Vl+Vthn，所對應(yīng)的7數(shù)模轉(zhuǎn)換器就有2個比特。對于差分可變電容 控制電壓而言，有效離散電平值可以由一個NMOS可變電容控制電壓減去一個PMOS可變電 容控制電壓組合而成，這樣就至少存在16種組合；具體的實(shí)施方式 圖5是本發(fā)明所涉數(shù)控振蕩器在全數(shù)字鎖相環(huán)中的應(yīng)用實(shí)例。11數(shù)控振蕩器即為 本發(fā)明所涉電路。全數(shù)字鎖相環(huán)通常由11數(shù)控振蕩器，12數(shù)字環(huán)路濾波器，13數(shù)字鑒相器 和14分頻器組成。圖6是本發(fā)明所涉數(shù)控振蕩器用于分?jǐn)?shù)數(shù)控振蕩器的應(yīng)用實(shí)例。分?jǐn)?shù)數(shù)控振蕩器 采用15Sigma-Delta調(diào)制器產(chǎn)生控制信號輸入16寄存器組中的8微調(diào)寄存器組或者8微 電寄存器組和9精調(diào)寄存器組。參考文獻(xiàn)[1]中國專利CN1645740，采用階躍電容的壓控振蕩器調(diào)諧曲線的確定方法[2]Robert Bogdan Staszawski，"Digitally Controlled Oscillator Based Architecture for RF Frequency Synthesis ina Deep-Submicrometer CMOS Process，，IEEE Trans. CAS-II, Vol. 50，No. 11,200權(quán)利要求
本發(fā)明包括一個具有高度線性壓控可變電容器新結(jié)構(gòu)，和采用該類壓控變?nèi)萜鞯臄?shù)控 振蕩器結(jié)構(gòu)。
1.權(quán)利1是由電容和金屬氧化物半導(dǎo)體(M0Q開關(guān)串聯(lián)組成的單控制端壓控可變電容 器結(jié)構(gòu)。ctrl是電壓控制端，a，b是變?nèi)萜餍盘柖丝?；電容是集成電路工藝中可以實(shí)現(xiàn)的 電容結(jié)構(gòu)如MIM電容或者Poly電容，開關(guān)是N型金屬氧化物半導(dǎo)體(NMOS)或者P型金屬 氧化物半導(dǎo)體(PM0Q ；變?nèi)萜鞯慕Y(jié)構(gòu)可以是圖1中所示的任一種形式或任何類似由電容和 開關(guān)組成形式。
2.權(quán)利2是由電容和金屬氧化物半導(dǎo)體(M0Q開關(guān)串聯(lián)組成的差分雙控制端壓控可變 電容器結(jié)構(gòu)。差分壓控變?nèi)萜鹘Y(jié)構(gòu)形式可以是由權(quán)利2所涉單控制端可變電容器結(jié)構(gòu)中任 何一對NMOS和PMOS作為開關(guān)的單端變?nèi)萜髦M合。
3.權(quán)利3是由權(quán)利1或者權(quán)利2所涉壓控變?nèi)萜鳂?gòu)成的基于電感電容諧振結(jié)構(gòu)的壓控 振蕩器。
4.權(quán)利4是采用權(quán)利3作為核心的數(shù)控振蕩器。數(shù)控振蕩器由1單端或者差分壓控 變?nèi)萜鳌?負(fù)跨導(dǎo)單元、3微調(diào)開關(guān)電容陣列、4精調(diào)開關(guān)電容陣列、5粗調(diào)開關(guān)電容陣列、6電 感和7數(shù)模轉(zhuǎn)換器組成及8微調(diào)控制寄存器組、9精調(diào)控制寄存器組及10粗調(diào)控制寄存器 組。其中7數(shù)模轉(zhuǎn)換器將數(shù)字控制信號轉(zhuǎn)換為電壓控制信號指控權(quán)利1或2所涉壓控變?nèi)?器，從而改變振蕩器的振蕩頻率。
5.權(quán)利4所涉數(shù)控振蕩器的控制單元由三組控制寄存器組成10粗調(diào)控制寄存器，9 精調(diào)控制寄存器，8微調(diào)控制寄存器。10粗調(diào)控制寄存器通過控制5粗調(diào)開關(guān)電容陣列來 選擇振蕩器的頻率段，最小分辨率通常大于IMHz ；9精調(diào)控制寄存器6精調(diào)開關(guān)電容陣列來 調(diào)整振蕩器頻率，其最小分辨率通常大于IOOkHz ；8微調(diào)控制寄存器組用于控制3微調(diào)開關(guān) 電容陣列和7數(shù)模轉(zhuǎn)換器來調(diào)整振蕩器頻率，其最小分辨率是由7數(shù)模轉(zhuǎn)換器來控制可變 電容器來實(shí)現(xiàn)的，通常最小分辨率低于10kHz。
6.權(quán)利6是權(quán)利5所涉多比特7數(shù)模轉(zhuǎn)換器的一種簡單實(shí)現(xiàn)方案。數(shù)模轉(zhuǎn)換器的輸出 電平值及比特數(shù)由控制可變電容器的控制電壓Vctrl電平數(shù)或者VCtrl+/VCtrl-電平對個 數(shù)來決定。采用多比特的數(shù)模轉(zhuǎn)換器能夠在3微調(diào)開關(guān)電容陣列中采用較大的最小電容單 元，這樣可以降低工藝偏差和寄生效應(yīng)導(dǎo)致的數(shù)控振蕩頻率非線性；同樣，由于采用了多比 特的數(shù)模轉(zhuǎn)換器，與單比特控制的最小電容單元相比，增加了控制寄存器的位數(shù)，也即提高 了數(shù)控振蕩器的精度(分辨率)。
7.權(quán)利7全數(shù)字鎖相環(huán)采用權(quán)利5所涉及的數(shù)控振蕩器，將具有更低的頻率量化噪聲 及輸出相位噪聲。全數(shù)字鎖相環(huán)通常由11數(shù)控振蕩器，12數(shù)字環(huán)路濾波器，13數(shù)字鑒相器 和14分頻器組成。
8.權(quán)利8是采用權(quán)利5所涉數(shù)控振蕩器核心和Sigma-Delta技術(shù)的高分辨率分?jǐn)?shù)數(shù)控 振蕩器。分?jǐn)?shù)數(shù)控振蕩器采用15Sigma-Delta調(diào)制器產(chǎn)生控制信號輸入16寄存器組中的 8微調(diào)寄存器組或者8微電寄存器組和9精調(diào)寄存器組。
全文摘要
本發(fā)明屬于集成電路領(lǐng)域，所涉及數(shù)控振蕩器是構(gòu)成全數(shù)字集成鎖相環(huán)的核心模塊。本發(fā)明基于階躍電容的壓控振蕩器線性原理，提出了實(shí)現(xiàn)更高頻率分辨率的數(shù)控振蕩器的技術(shù)和電路結(jié)構(gòu)。在相同工藝的條件下，可以將現(xiàn)有的數(shù)控振蕩器的分辨率的分辨率提高至少兩個比特，并且降低了寄生電容對數(shù)控振蕩器線性度的影響。本發(fā)明也可以作為采用Sigma-Delta技術(shù)實(shí)現(xiàn)具有分?jǐn)?shù)分辨率的數(shù)控振蕩器核心，降低數(shù)控振蕩器量化噪聲。
文檔編號H03L7/099GK102111151SQ200910200798
公開日2011年6月29日 申請日期2009年12月25日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月25日
發(fā)明者何捷 申請人:何捷