一種線性電壓控制晶體振蕩器的製作方法
2023-10-06 09:48:14
專利名稱：一種線性電壓控制晶體振蕩器的製作方法
技術領域：
本發明屬於半導體領域，具體涉及一種線性電壓控制晶體振蕩器。
背景技術：
通信技術在過去的幾年裡得到了極大的發展。越來越被廣泛應用的數字調製技術，例如時分多址(TDMA)和碼分多址(CDMA)等。隨著信息傳輸密度的增加而對降低載波間距和減小調製帶寬提出了更高的要求，因此通信系統中的參考振蕩器的頻率穩定性和精準度就變得越來越重要。壓控晶體振蕩器(VCXO)廣泛應用於現代通信領域中，VQCO的頻率或者相位必須與系統的外部時鐘相匹配。最常見的例子就是數據接收器。數據由發送器的時鐘按一定的比率編碼後通過導線、光纖、或者無線的渠道進行發送，接收器只有在設定與發送器相同的比率與正確的相位後才能正確的解析出數據，否則通信將會中斷。要能夠正確的接收數據，接收器必須調整其時鐘與發送器的時鐘相匹配。接收器會用自己的時鐘與接收到的信號中的嵌入的時鐘相比較，如果有誤差，則進行微調或者「拉」頻率。常用的接收器利用石英晶體來產生自己的時鐘，石英晶體接變容二極體做負載電容，通過施加一個模擬電壓到變容二極體來控制時鐘。改變該模擬電壓就會改變晶體的負載電容，從而對頻率進行微調。晶體振蕩器振蕩在其諧振頻率上，該諧振頻率的值取決於晶體的物理尺寸與切角方向。晶體振蕩器的一個重要性質是它擁有非常高的品質因數Q，這意味著它的振蕩頻率被嚴格控制，可變化範圍很小。壓控晶體振蕩器(VCX0)，顧名思義，即在傳統的晶體振蕩器基礎上增加電壓控制的功能，通過改變外部電壓來改變晶體振蕩器的振蕩頻率。想改變晶體振蕩器的頻率(或「拉」)是非常困難的。事實上，一個壓控晶體振蕩器的頻率最多能被改變幾百PPM。這種狹小的牽引範圍是晶體振蕩器的一個重要優點。例如，在一個振蕩器必須跟隨外部已知頻率的系統中，可以使用具有相同標稱頻率的壓控晶體振蕩器。這兩個頻率的初始誤差很小(由於晶體振蕩器只能改變幾百PPM)，系統也不會鎖定系統外部時鐘的諧波上，因為VCXO的牽引範圍小所以並不能產生這些諧波。另外，VCXO的頻率增益很低(單位輸入電壓變化僅會帶來很小的頻率變化)，這一點對於VCXO應用於大型的反饋迴路控制系統是很有用的。圖1為一個典型的晶體振蕩器電路。反相器作為增益級，提供能量使晶體起振並保持振蕩。電阻Rfb是用作反饋到反相器時使其在增益區偏置。電容Cg 和Cd作為晶體的負載。該電路形成一個諧振振蕩器，振蕩頻率由晶體決定。每顆晶體都會由製造商標明其恰好振蕩在fo的負載電容。當減少負載電容，晶體振蕩頻率會相應變高； 當增加負載電容，晶體振蕩頻率會相應變低。此屬性已被應用於傳統的壓控晶體振蕩電路。 圖2為一個典型的壓控晶體振蕩電路。在圖1中出現的固定負載電容Cg和Cd被可變電容取代，其電容是由輸入電壓，或稱為調諧電壓，VIN控制的。在集成電路的工藝中，可變電容的電容變化是相當非線性的，如圖3所示，是一個典型的變容二極體的電容與外加電壓的變化曲線(C-V曲線)。變容二極體C-V曲線的非線性將導致VCXO的頻率控制曲線也是非線性的，如圖7所示。
發明內容
本發明目的是提供一種能夠明顯改善壓控晶體振蕩器頻率牽引線性度的線性電壓控制晶體振蕩器。本發明的技術方案是一種線性電壓控制晶體振蕩器，包括石英晶體，提供能量使晶體起振並保持振蕩的增益級，反饋到反相器使其在增益區偏置的反饋電阻Rfb，如圖2所示的可變電容Cg和Cd用具有線性變化的變容二極體陣列代替，所述變容二極體陣列包括奇數個串聯有電容和變容二極體的的串聯電路，偏置電壓產生電路產生的偏置電壓通過大電阻加到所述變容二極體的一端，變容二極體另一端與增益級相連。所述大電阻提供交流阻塞，但可以提供直流路徑，不會影響晶體振蕩器的負載電容的Q因子。所述可變電容二極體可以是AMOS變容二極體，突變結二極體，BiCMOS或配置為二極體的NMOS和PMOS器件。進一步的，所述變容二極體陣列中的串聯有電容和變容二極體的串聯電路的個數為3個、5個或7個。進一步的，所述偏置電壓產生電路包括，第一 CMOS管、第二 CMOS管、基準電壓模塊，第一 CMOS管的漏極與輸入電壓Vin以及輸出電壓Vinl相連，第一 CMOS管的柵極與輸入電壓Vin相連，第一 CMOS管的源極與第二 CMOS管的柵極、漏極以及輸出電壓Vin2相連， 第二 CMOS管的源極分別與輸出電壓Vin3以及通過電阻R與基準電壓模塊相連。所述可變電容二極體陣列中的線性部分是不重疊的，但適當的間隔可以延長整體的線性範圍。如圖5 所示的方式產生偏置電壓，變量二極體領域和偏置電壓的比例進行調整，根據不同的IC工藝能夠在整體的可變電容二極體陣列獲得最好的擴展線性範圍。本發明的優點是
能夠明顯改善壓控晶體振蕩器頻率牽引線性度。
下面結合附圖及實施例對本發明作進一步描述 圖1是已有的典型晶體振蕩電路。圖2是已有的典型壓控晶體振蕩電路。圖3是在集成電路工藝中典型變容二極體的電容與電壓的曲線。圖4是應用於本發明的VCXO的變容二極體陣列。圖5是本發明的的電容與電壓的曲線。圖6是生成偏置電壓Vinl，Vin2和Vin3電路的一種實現方式。圖7是已有的壓控晶體振蕩電路頻率與輸入電壓的曲線。圖8是本發明的實測壓控晶體振蕩器的頻率與輸入電壓的曲線。
具體實施例方式實施例本發明的線性電壓控制晶體振蕩器電路，該線性電壓晶體振蕩器除了石英晶體外都可以用集成電路來實現。本發明的壓控晶體振蕩器電路包括一個增益級，一個反饋電阻Rfb和兩個具有線性變化的變容二極體陣列，這兩個變容二極體陣列一個接在增益級的輸入端，一個接在增益級的輸出端。通過控制輸入電壓VIN控制負載電容的變化，從而實現晶體振蕩器的頻率控制。如圖4所示的變容二極體陣列包括多個串聯有電阻和變容二極體的的串聯電路，串聯電路中的變容二極體一端與增益級相連，另一端分別與電容相連，串聯電路中的電阻與偏置電壓產生電路相連。本實施例中的串聯電路為3個，也可以為 5個或者7個等數量。控制變容二極體的的偏置電壓可以有多種產生方式，本實施例中的產生方式如圖6所示，包括，第一 CMOS管、第二 CMOS管、基準電壓模塊，第一 CMOS管的漏極與輸入電壓Vin以及輸出電壓Vinl相連，第一 CMOS管的柵極與輸入電壓Vin相連，第一 CMOS 管的源極與第二 CMOS管的柵極、漏極以及輸出電壓Vin2相連，第二 CMOS管的源極分別與輸出電壓Vin3以及通過電阻R與基準電壓模塊相連。通過圖6所述的電路產生偏置電壓， 控制變容二極體。工作狀態時，只要調節Vin的大小，就可以控制本發明的線性電壓控制晶體振蕩器。工作原理如圖3所示，在現代IC工藝中，變容二極體的C-V曲線的非線性部分通常在低電壓和高電壓部分。中間的C-V曲線有足夠好的線性度，雖然該範圍通常很小。如圖4所示，通過並聯多個變容二極體，可以將C-V曲線的線性部分進行拓展，如圖5所示。為了獲得最佳的線性度，需要根據不同的IC製程對這些變容二極體的比例以及偏置電壓進行調整，當這些提升了線性度的變容二極體加在Cg與Cd上時，VCXO的頻率電壓曲線將得到明顯的提高，如圖8所示。以上實施例僅為本發明其中的一種實施方式，其描述較為具體和詳細，但並不能因此而理解為對本發明專利範圍的限制。應當指出的是，對於本領域的普通技術人員來說， 在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干變形和改進，這些都屬於本發明的保護範圍。因此，本發明專利的保護範圍應以所附權利要求為準。
權利要求
1.一種線性電壓控制晶體振蕩器，包括石英晶體，提供能量使晶體起振並保持振蕩的增益級，反饋到反相器使其在增益區偏置的反饋電阻Rfb，其特徵在於，還包括兩個具有線性變化的變容二極體陣列，所述變容二極體陣列包括奇數個串聯有電容和變容二極體的串聯電路，偏置電壓產生電路產生的偏置電壓通過大電阻加到所述變容二極體的一端，變容二極體另一端與增益級相連。
2.根據權利要求1所述的線性電壓控制晶體振蕩器，其特徵在於，所述變容二極體陣列中的串聯有電容和變容二極體的串聯電路的個數為3個、5個或7個。
3.根據權利要求2所述的線性電壓控制晶體振蕩器，其特徵在於，所述偏置電壓產生電路包括，第一 CMOS管、第二 CMOS管、基準電壓模塊，第一 CMOS管的漏極與輸入電壓Vin以及輸出電壓Vinl相連，第一 CMOS管的柵極與輸入電壓Vin相連，第一 CMOS管的源極與第二 CMOS管的柵極、漏極以及輸出電壓Vin2相連，第二 CMOS管的源極分別與輸出電壓Vin3 以及通過電阻R與基準電壓模塊相連。
全文摘要
本發明公開了一種線性電壓控制晶體振蕩器。線性電壓控制晶體振蕩器包含振蕩器增益電路，變容二極體陣列和偏置電壓發生器。這些變容二極體大小不等，同時具有不同的偏置電壓。偏置電壓發生器則能夠產生分布式的偏置電壓，作用於變容二極體上，使變容二極體陣列能夠工作在不同的偏置電壓上，得到線性度較好的電容-頻率(C-V)曲線，繼而得到線性度較好的壓控晶體振蕩器。
文檔編號H03B5/32GK102420569SQ201110375578
公開日2012年4月18日 申請日期2011年11月23日 優先權日2011年11月23日
發明者劉斌, 朱勝雲, 王樹一 申請人:蘇州麥格芯微電子有限公司