[发明专利]一种高分辨率高线性数控振荡器

说明书

技术领域

本发明属于射频集成电路领域，所涉及数控振荡器是构成全数字集成锁相环的核心模块。本发明基于阶跃电容的压控振荡器线性原理，提出了实现更高频率分辨率的数控振荡器的技术。该技术在相同工艺的条件下，可以将现有的数控振荡器的分辨率的分辨率提高至少两个比特，并且能降低寄生电容对数控振荡器线性度的影响。本发明也可以作为采用Sigma-Delta技术实现具有分数分辨率的数控振荡器核心，并且降低数控振荡器量化噪声。

现有技术背景

全数字锁相环(All Digital Phase Locked Loop)在深亚微米射频集成电路领域正逐渐成为替代模拟集成锁相环的主流技术。数控振荡器英文称通常为Digitally Controlled Oscillator(DCO)，是全数字锁相环核心模块。数控振荡器频率由电感和电容组成的谐振腔谐振频率决定。在数控振荡器中，通常电感是不变的，只有通过改变电容值的大小来改变振荡频率。电容是单位电容单元和开关组成的电容阵列构成，而电容值是通过数字开关选择并联到谐振电路中电容阵列的总电容[1]。数控振荡器频率分辨率(即精度)取决于开关电容阵列中单位电容单元的大小。要实现最高频率分辨率就必须采用工艺所能实现的最小电容单元，但是由于工艺本身的失配和寄生电容存在，采用最小电容单元会使得数控振荡器的线性度下降，反而影响了数控振荡器精度，结果导致数控振荡器精度和线性度受限于工艺的精度和稳定性。在130nm工艺水平下能达到的数控振荡器精度在23kHz左右[1]。

发明的目的

为了突破工艺对数控振荡器精度和线性度，本发明将介绍基于阶跃电容原理的高线性压控可变电容器结构，与开关电容阵列一起组成谐振电容；在保证线性度的情况下，能进一步提高数控振荡器频率分辨率。

发明内容

本发明包括一个具有高度线性压控可变电容器新结构，和采用该类压控变容器的数控振荡器结构。

可变电容器结构是基于采用阶跃电容的压控振荡器调谐曲线的确定方法[2]所作的发明。可变电容器的结构如图1所示，其核心思想是由电容和开关构成，ctrl是电压控制端，a，b是变容器端口；电容是集成电路工艺中MIM电容或者Poly电容，开关是NMOS或者PMOS变容器的结构可以是图1中所示的任一种形式或任何类似由电容和开关组成形式。

图2(1)所示的变容器电压控制端有差分结构，其对应的差分压控变容器一种结构如图2(2)所示，其形式可以是由图1中所示任何一对NMOS和PMOS作为开关的变容器的组合。

数控振荡器由1单端或者差分压控变容器、2负跨导单元、3微调开关电容阵列、4精调开关电容阵列、5粗调开关电容阵列、6电感和7数模转换器组成及8微调控制寄存器组、9精调控制寄存器组及10粗调控制寄存器组，如图3所示。

数控振荡器的控制单元由三组控制寄存器组成：10粗调控制寄存器，9精调控制寄存器，8微调控制寄存器。10粗调控制寄存器通过控制5粗调开关电容阵列来选择振荡器的频率段，最小分辨率通常大于1MHz；9精调控制寄存器6精调开关电容阵列来调整振荡器频率，其最小分辨率通常大于100kHz；8微调控制寄存器组用于控制3微调开关电容阵列和7数模转换器来调整振荡器频率，其最小分辨率是由7数模转换器来控制可变电容器来实现的，通常最小分辨率低于10kHz。