壓控振蕩器、以及使用其的鎖相環電路和無線通信設備的製作方法

2023-12-03 16:27:11 2

專利名稱：壓控振蕩器、以及使用其的鎖相環電路和無線通信設備的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種用於無線通信設備的本振信號(Local oscillator signals)的生成等的壓控振蕩器、以及使用其的鎖相環(以下稱PLL)電路和 無線通信設備。
背景技術：
壓控振蕩器作為一種生成無線通信設備的本振信號的手段，得到了廣 泛的應用。在該壓控振蕩器被製造成高頻IC的場合，為了消除半導體製造 工藝中所產生的構成元件的偏差，需要擴大振蕩頻率的範圍。另外，近年 來為了對應使用不同頻帶的通信系統，需要能夠在較廣的頻率範圍調整壓 控振蕩器的振蕩頻率。
圖13是表示擴大了振蕩頻率的範圍的現有技術(例如，專利文獻l) 的壓控振蕩器ld的結構例的圖。在圖13中，現有技術的壓控振蕩器ld 包括由電感器3構成的電感電路、由可變電容元件4構成的第1可變電 容電路、由可變電容元件5構成的第2可變電容電路、由可變電容元件6 構成的第3可變電容電路、由電晶體9構成的負電阻電路、偏置電路16、 及開關54和55。電感電路、第1 第3可變電容電路及負電阻電路相互並 聯連接而構成振蕩電路。
該現有技術的壓控振蕩器ld，在並聯設置的2個可變電容元件5和6 之中，至少一方的電容值控制端子的連接對象由開關54或55進行切換。 由此，根據切換到的連接對象而覆蓋不同的振蕩頻率範圍，從而得到將頻 率靈敏度抑制得較低的多個種類的振蕩頻率特性，其中，頻率靈敏度表示振 蕩頻率相對於頻率控制電位的變化率。
然而，上迷現有技術的壓控振蕩器ld，為了覆蓋較廣的振蕩頻率範圍 而將開關54及55進行切換來控制的對象全都是可變電容元件5及6。因 此，存在以下問題。第1，在將可變電容元件作為固定電容來使用的情況下，即便是使施加
到可變電容元件5及6的電壓成為OV或Vdd,也會因共振側的振蕩振幅 而使可變電容元件的兩端電位差到達電容產生變化的區域。因此，若電源 電壓、控制電位中加進了噪音，則會出現相位噪音特性惡化這樣的問題。 因而，最好是儘可能地減少作為固定電容來使用的可變電容元件的數目。
第2，如圖14所示那樣，使用了金屬氧化物半導體(以下稱MOS)晶體 管的可變電容元件(圖中的虛線)與電容開關電路(圖中的實線)相比， 電容的變化比較小。因此，全部使用了可變電容元件的壓控振蕩器與包含 有電容開關電路的壓控振蕩器相比，存在頻率可變範圍變窄這樣的問題。 因而，較為理想的是有效地使用電容開關電路。
專利文獻1日本特開2007 — 104152號公報

發明內容
故而，本發明的目的在於，提供一種既能抑制相位噪音特性的惡化， 又能在保持較低的頻率靈敏度的情況下，在較廣的範圍對振蕩頻率進行可 變控制的壓控振蕩器、以及使用了該壓控振蕩器的PLL電路和無線通信設 備。
本發明針對壓控振蕩器、以及使用了該壓控振蕩器的PLL電路和無線 通信設備。為了達到上迷目的，本發明的壓控振蕩器包括具有電感器的 電感電路、分別具有可變電容元件的多個可變電容電路、至少1個電容開 關電路、負電阻電路、以及對多個可變電容電路和至少1個電容開關電路 施加控制電位及控制信號的頻率靈敏度控制單元。該電感電路、多個可變 電容電路、至少1個電容開關電路及負電阻電路並耳關連接。頻率靈敏度控 制單元，將用於對振蕩頻率進行反饋控制的控制電位固定地施加到多個可 變電容電路中的至少1個，並基於對至少1個電容開關電路所施加的至少1 個控制信號，來切換控制電位及控制信號中的任1個，以施加到多個可變 電容電路中的其他的至少l個。
較佳的是，在該結構中，頻率靈敏度控制單元，在至少1個電容開關 電路全都被施加不能使開關接通的低電平的控制信號的情況下，對多個可 變電容電路中的其他的至少1個施加控制信號。另外，較佳的是，頻率靈敏度控制單元，在至少1個電容開關電路全都被施加能使開關接通的高電 平的控制信號的情況下，對所有多個可變電容電路施加控制電位。其中， 對多個可變電容電路中的其他至少1個所施加的控制信號，是低電平和高
電平這兩種電位。並且，較佳的是，n個可變電容電路的可變電容元件中的 至少1個由反轉型(Inversion)MOS或積累(Accumulation)型MOS構成。 發明效杲根據本發明，既能抑制相位噪音特性的惡^>,又能在4呆持 較低的頻率靈敏度的情況下，在較廣的範圍對振蕩頻率進行可變控制。


圖1是表示本發明的第一實施方式所涉及的壓控振蕩器101的結構例 的圖。
圖2A是說明現有技術的壓控振蕩器的頻率特性的圖。
圖2B是說明現有技術的壓控振蕩器的頻率炅敏度特性的圖。
圖3A是說明第一實施方式的壓控振蕩器101的頻率特性的圖。
圖3B是說明第一實施方式的壓控振蕩器101的頻率炅敏度特性的圖。
圖4是表示第一實施方式中的頻率靈敏度控制單元180的詳細結構的圖。
圖5是表示本發明的第二實施方式所涉及的壓控振蕩器102的結構例 的圖。
圖6A是說明第二實施方式的壓控振蕩器102的頻率特性的圖。
圖6B是說明第二實施方式的壓控振蕩器102的頻率靈敏度特性的圖。
圖7是表示第二實施方式中的頻率靈敏度控制單元180的詳細結構的圖。
圖8A是表示本發明的第三實施方式所涉及的壓控振蕩器103的結構 的圖。
圖8B是表示圖8A的頻率靈敏度控制單元180內部的詳細連接的圖。 圖8C是表示圖8A的頻率靈敏度控制單元180內部的其他詳細連接的圖。
圖9A是說明第三實施方式的壓控振蕩器103的頻率特性的圖。
圖9B是說明第三實施方式的壓控振蕩器103的頻率炅敏度特性的圖。圖10A呆說明能夠用於本發明的壓控振蕩器的其他可變電容電路的圖。
圖10B是說明能夠用於本發明的壓控振蕩器的其他可變電容電路的圖。
圖10C是說明能夠用於本發明的壓控振蕩器的其他可變電容電路的圖。
圖10D是說明能夠用於本發明的壓控振蕩器的其他可變電容電路的圖。
圖10E是說明能夠用於本發明的壓控振蕩器的其他電容開關電路的圖。
圖11是表示使用了本發明的壓控振蕩器的PLL電路300的結構的圖。 圖12是表示使用了圖11的PLL電路的無線通信設備的結構的圖。 圖13是表示現有技術的壓控振蕩器ld的結構的圖。 圖14是用於說明現有技術的壓控振蕩器ld所存在的問題的圖。
附圖標記J兌明
101 103、 303 壓控振蕩器 110 電感電路 111、 112 電感器
120、 130、 135 可變電容電路
121、 122、 131、 132、 136、 137 可變電容元件
140、 150 電容開關電路
141、 142、 151、 152 電容 143、 153、 161、 162 電晶體 160 負電阻電路
170 電流源
180頻率靈敏度控制單元
300 PLL電路
301 相位比較器
302 環路濾波器304分頻器
400無線通信設備
401天線
402功率放大器
403調製器
404開關
4054氐p喿音^:大器
406解調器
具體實施例方式
(第一實施方式)
圖1是表示本發明的第一實施方式所涉及的壓控振蕩器101的結構例的 圖。其中省略了偏置電路(Biasingcircuit)等。在圖1中，第一實施方式的 壓控振蕩器101包括電感電路IIO、第1可變電容電路120、第2可變電容 電路130、第1電容開關電路140、第2電容開關電路150、負電阻電路160 、電流源170、及頻率靈敏度控制單元180。電感電路IIO、第l可變電容電 路120、第2可變電容電路130、第1電容開關電路140、第2電容開關電路150 及負電阻電路160相互並聯連接而構成振蕩電路。
電感電路110由串聯連接著的電感器111和112構成，電源電位Vdd被施 加到電感器111與電感器112之間的連接點。負電阻電路160由2個電晶體 161和162相互交叉耦合(Cross coupling)而構成。MOS電晶體或雙極型晶 體管適合用作該電晶體161和162。
第1可變電容電路120由串聯連接著的可變電容元件121和122構成，用 於對振蕩頻率進行反饋控制的控制電位Vt被施加到可變電容元件121與可 變電容元件122之間的連接點A。第2可變電容電路130由串聯連接著的可變 電容元件131和132構成，控制電位Vt或控制信號Fsell經由頻率炅敏度控 制單元180被施加到可變電容元件131與可變電容元件132之間的連接點B。 可變電容元件121、 122、 131及132是利用了CMOS (互補金屬氧化物半導 體)工藝中所使用的柵電容的可變電容元件。
第1電容開關電路140由MOS電晶體143、 MOS電晶體143的漏極及源極上分別連接的電容141及142構成，MOS電晶體143的柵極上被施加了控 制信號Fsel2。第2電容開關電路150由MOS電晶體153、 MOS電晶體153 的漏極及源極上分別連接的電容151及152構成，MOS電晶體153的柵極上 被施加了控制信號Fse13。第1及第2電容開關電路140及150構成頻帶切換 電路。
下面，進一步用圖2A 圖9B來說明如上所迷那樣構成的第一實施方式 所涉及的壓控振蕩器101的具體動作的一例。
首先，考慮對第1可變電容電路120的連接點A和第2可變電容電路130 的連接點B的兩方都固定地施加控制電位Vt的情況。此時，壓控振蕩器101 的頻率可變範圍，根據將施加到第l電容開關電路140的控制信號Fsel2的高 電平(邏輯值l) *低電平(邏輯值O)與施加到第2電容開關電路150的控制 信號Fsel3的高電平(邏輯值l) *低電平(邏輯值0)進行組合而得到的4個 頻率範圍a (邏輯值OO)、 b (邏輯值Ol)、 c (邏輯值IO)及d (邏輯值ll) 來決定(圖2A)。適合用電源電壓(=Vdd)和接地電壓(=0V)來作為 該高電平和4氐電平。
然而，在此情況下，會出現壓控振蕩器101的頻率靈敏度在低頻範圍靈 敏度變低，而在高頻範圍炅敏度變高這樣的技術問題(圖2B)。也就是說， 壓控振蕩器101的振蕩頻率(f)，可用電感電路110的電感值L、可變電容電 路120及130的可變電容值Cv、電容開關電路140及150的電容、負電阻電 路160等所產生的寄生電容(Parmsiticcapacity)的固定電容值Cc，由下 式來表示。
formula see original document page 9
在此，電感值L為一定值。此外，固定電容值Cc在4個頻率範圍a d中各自不同，在振蕩頻率最高的頻率範圍a為最小，在振蕩頻率最低的 頻率範圍d為最大。另外，若控制電位Vt為一定，則即使頻率範圍a d發生 變化，可變電容值Cv也全都為相同的值。因此，上式中，在振蕩頻率(f)最 低的頻率範圍d，可變電容值Cv與總電容值(Cc + Cv)之間的電容值比率Cv / (Cc + Cv)成為最小，而使頻率靈敏度降低。另一方面，在振蕩頻率(f) 最高的頻率範圍a,電容值比率Cv/ (Cc + Cv)成為最大，而使頻率靈敏度升高。
於是，本發明通過頻率炅敏度控制單元180，在第1及第2電容開關電路 140及150所選擇的頻率範圍較高時，將施加到第2可變電容電路130的連接 點B的控制電位Vt切換為控制信號Fsell，即，使第2可變電容電路130作為 固定電容電路來發揮作用，從而將第2可變電容電路130作為頻帶切換電路 來使用。
在控制信號Fsel2及Fsel3都成為低電平的高頻範圍a的情況下，頻率靈 敏度控制單元180將控制信號Fsell施加到第2可變電容電路130的連接點B ，以進行高電平與低電平的切換。通過該控制，高頻的可變範圍a被分離為 以上方頻率為基準的可變範圍ah (邏輯值OOO)和以下方頻率為基準的可變 範圍al (邏輯值OOl)的兩個部分(圖3A)。由此，能夠不使高頻的可變範 圍a變窄而抑制頻率靈敏度(圖3B)。用於實現該實施例的頻率靈敏度控制 單元180的具體電路例如圖4所示。其中，圖3A及圖4中標記的"*"表示 邏輯值可為1或0中任一。
(第二實施方式)
圖5是表示本發明的第二實施方式所涉及的壓控振蕩器102的結構例的 圖。其中省略了偏置電路等。在圖5中，第二實施方式的壓控振蕩器102， 是在上迷第一實施方式的壓控振蕩器101中增加了第3可變電容電路135而
構成的o
第3可變電容電路135由串聯連接著的可變電容元件136及137構成，控 制電位Vt或控制信號Fsell經由頻率靈敏度控制單元180被施加到可變電容 元件136與可變電容元件137之間的連接點C。該第二實施方式通過頻率炅 敏度控制單元180，將控制電位Vt或控制信號Fsell施加到第3可變電容電路 135的連接點C,從而使第3可變電容電路135不僅作為可變電容電路，而且 還可以作為頻帶切換電路來使用。
在控制信號Fsel2及Fsel3都成為低電平的高頻範圍a的情況下，頻率靈 敏度控制單元180將控制信號Fsell施加到第2可變電容電路130的連接點B ，以進行高電平與低電平的切換。此時，第3可變電容電路135的連接點C 被施加控制信號Fsell。另外，在控制信號Fsel2成為高電平且Fsel3成為低
10電平的高頻範圍b的情況下，頻率靈敏度控制單元180將控制信號Fsell施加 到第3可變電容電路135的連接點C，以進行高電平與低電平的切換。此時 ，第2可變電容電路130的連接點B被施加控制電位Vt。通過該控制，頻率 可變範圍a被分離為以上方頻率為基準的可變範圍ah (邏輯值OOO)和以下 方頻率為基準的可變範圍al (邏輯值OOl)的兩個部分，並且頻率可變範圍 b被分離為以上方頻率為基準的可變範圍bh (邏輯值OIO)和以下方頻率為 基準的可變範圍bl (邏輯值Oll)的兩個部分(圖6A)。由此，能夠不使高 頻的可變範圍a及b變窄而抑制頻率靈敏度(圖6B)。用於實現該實施例的頻 率靈敏度控制單元180的具體電路例如圖7所示。其中，圖6A及圖7中標記 的"*"表示邏輯值可為1或0中任一。
(第三實施方式)
在此，圖1和圖5所示的壓控振蕩器101和102的結構只不過是一個例子 而已。本發明的壓控振蕩器只要是包括兩個以上的可變電容電路和至少l個 電容開關電路的結構即可，例如，若採用圖8A 圖8C所示的結構，則還能 實現以下控制。
在使用l個壓控振蕩器來輸出不同頻率(高頻帶、低頻帶)的信號的場 合，通常是將從壓控振蕩器輸出的高頻帶信號經由l / n分頻器而變換成4氐 頻帶信號。此時，較佳的是使從l/n分頻器輸出的低頻帶信號的頻率靈敏 度與從壓控振蕩器輸出的高頻帶信號的頻率靈敏度相一致。為此，對於低 頻帶信號，有必要在其從壓控振蕩器輸出的時刻，便使頻率炅敏度成為高 頻帶信號的n倍。
n^2時的具體的壓控振蕩器103的結構例如圖8A所示，頻率靈敏度控 制單元180內部的具體連接如圖8B及圖8C所示。如這些圖所示那樣，將7 個可變電容電路mosv0 mosv6與l個電容開關電路sw組合，便可將高頻帶 分為6個頻率範圍，將低頻帶分為3個頻率範圍，並使高頻帶的頻率靈敏度 成為低頻帶的約1/2 (圖9A及圖9B)。
另外，本發明的壓控振蕩器的可變電容電路除了圖l等所示的結構之外 ,還可以採用使用了反轉(Inversion)型、積累(Accuumulation)型的MOS 電晶體、C耦合的結構(圖10A 圖10D)。此外，本發明的壓控振蕩器的電容開關電路也是除了圖l等所示的結構之外，還可以採用圖10E所示的結 構。
(使用了壓控振蕩器的結構例)
圖ll是表示使用了本發明的第一 第三實施方式所涉及的壓控振蕩器 101 103的PLL電路300的結構例的圖。在圖11中，PLL電路300包括相位 比較器301、環路濾波器302、本發明的壓控振蕩器303、及分頻器304。
相位比較器301，將所輸入的參考信號與用分頻器304將壓控振蕩器 303的輸出信號分頻後的信號進行比較。從相位比較器301輸出的信號，經 由環路濾波器302，作為控制電位Vt輸入到壓控振蕩器303。壓控振蕩器303 基於控制電位Vt來輸出所期頻率的信號。通過該結構，PLL電路300將所期 的頻率固定(鎖定)。其中，可用混頻器來代替分頻器304，也可以將分頻 器304與混頻器並用。
此外，圖12是表示使用了上述PLL電路300的無線通信設備400的結構 例的圖。在圖12中，無線通信設備400包括天線401、功率放大器402、調 制器403、開關404、低噪音放大器405、解調器406及PLL電路300。
在發送無線信號時，調製器403將從PLL電路300輸出的所期的高頻信 號用基帶調製信號進行調製後輸出。從調製器403輸出的高頻調製信號，由 功率放大器402放大，並經由開關404而從天線401發射出去。在接收無線 信號時，從天線401接收到的高頻調製信號經由開關404被輸入到低噪音放 大器405，經放大後被輸入到解調器406。解調器406通過從PLL電路300 輸出的高頻信號，將所輸入的高頻調製信號解調為基帶調製信號。另外， 也可以在發送側及接收側分別使用PLL電路300。此外，PLL電路300也可 以兼具調製器的功能。
如上所述，根據本發明的壓控振蕩器、以及使用了該壓控振蕩器的PLL 電路和無線通信設備，既能抑制相位噪音特性的惡化，又能在保持較低的 頻率靈敏度的情況下，在較廣的範圍對振蕩頻率進行可變控制。
工業實用性
本發明的壓拉振蕩器，能夠應用於無線通信設備的本振信號的生成等，特別是有效於既要抑制相位噪音特性的惡化，又要在 保持較低的頻率靈敏度的情況下，在較廣的範圍對振蕩頻率進行 可變控制的場合等。
權利要求
1.一種壓控振蕩器，其特徵在於，包括電感電路，具有電感器；多個可變電容電路，分別具有可變電容元件；至少1個電容開關電路；負電阻電路；以及頻率靈敏度控制單元，對所述多個可變電容電路及所述至少1個電容開關電路施加控制電位及控制信號，所述電感電路、所述多個可變電容電路、所述至少1個電容開關電路及所述負電阻電路並聯連接，所述頻率靈敏度控制單元，將用於對振蕩頻率進行反饋控制的控制電位固定地施加到所述多個可變電容電路中的至少1個；並基於對所述至少1個電容開關電路所施加的至少1個控制信號，來切換所述控制電位及控制信號中的任1個，以施加到所述多個可變電容電路中的其他的至少1個。
2. 如權利要求1所述的壓控振蕩器，其特徵在於，所述頻率靈敏度 控制單元，在所述至少1個電容開關電路全都被施加不能使開關接通的低 電平的控制信號的情況下，對所迷多個可變電容電路中的其他的至少l個 施加所述控制信號。
3. 如權利要求1所述的壓控振蕩器，其特徵在於，所述頻率靈敏度 控制單元，在所述至少l個電容開關電路全都被施加能使開關接通的高電 平的控制信號的情況下，對所有所述多個可變電容電路施加所述控制電 位。
4. 如權利要求2所述的壓控振蕩器，其特徵在於，對所述多個可變 電容電路中的其他的至少l個施加的所述控制信號，是低電平和高電平這 兩種電4立。
5. 如權利要求1所述的壓控振蕩器，其特徵在於，所述多個可變電 容電路的可變電容元件中的至少l個由反轉型金屬氧化物半導體或積累型 金屬氧化物半導體構成。
6. —種具備權利要求1所述的壓控振蕩器的鎖相環電路。
7. —種具備權利要求1所述的壓控振蕩器的無線通信設備。
全文摘要
包括第1可變電容電路120和第2可變電容電路130、以及第1電容開關電路140和第2電容開關電路150；第1可變電容電路120被固定地施加控制電位Vt，第1電容開關電路140被固定地施加控制信號Fsel2，第2電容開關電路150被固定地施加控制信號Fsel3；第2可變電容電路130，在控制信號Fsel2及Fsel3都為低電平的情況下被施加控制信號Fsel1，在此外的情況下被施加控制電位Vt；通過該控制，高頻的可變範圍被分離為以上方頻率為基準的可變範圍和以下方頻率為基準的可變範圍這兩個部分，從而能夠不使高頻的可變範圍變窄而抑制頻率靈敏度。
文檔編號H03B5/12GK101682293SQ200980000389
公開日2010年3月24日 申請日期2009年3月17日 優先權日2008年3月28日
發明者築澤貴行 申請人:松下電器產業株式會社