[发明专利]一种可提高数控振荡器频率分辨率的变容管

说明书

技术领域

本发明属于集成电路技术领域，具体涉及一种可提高数控振荡器频率分辨率的变容管，可用于全数字锁相环、频率综合器等需要进行精细调谐的数模混合芯片中。

背景技术

随着CMOS工艺进入纳米时代，工艺尺寸的减小和集成度的增加，数模混合集成电路的设计和应用越来越广泛，例如，与小尺寸半导体工艺发展趋势相适应的全数字锁相环替代电荷泵锁相环。数控振荡器是数模混合集成电路中的重要模块之一。但是数控振荡器输出的频点是离散的，所以会引入额外的量化噪声。为了保证该量化噪声不会显著影响系统的性能，数控振荡器需要很精细的频率分辨率。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能实现精细的电容调谐、提高数控振荡器的频率分辨率的变容管，从而降低数控振荡器引入的量化噪声。 

本发明提供的变容管，由单个金属氧化物半导体场效应晶体管构成。所述金属氧化物半导体场效应晶体管可以有两种形式：P型金属氧化物半导体场效应晶体管和N型金属氧化物半导体场效应晶体管；当由单个P型金属氧化物半导体场效应晶体管构成时，该晶体管源端和体端都连接到电源，控制电压连接到漏端，输出电容在栅端得到；当由单个N型金属氧化物半导体场效应晶体管构成时，该晶体管源端和体端都连接到地，控制电压连接到漏端，输出电容在栅端得到。

本发明的变容管，利用了金属氧化物半导体场效应晶体管工作在线性区和饱和区时栅电容的差值，实现精细的电容调谐，提高了数控振荡器的频率分辨率，从而降低数控振荡器引入的量化噪声。 

附图说明

图1由单个P型金属氧化物半导体场效应晶体管构成的变容管。

图2由单个N型金属氧化物半导体场效应晶体管构成的变容管。

图3由单个P型金属氧化物半导体场效应晶体管构成的变容管的电容-电压特性曲线（P型金属氧化物半导体场效应晶体管的尺寸取0.13μm CMOS工艺中的最小尺寸）。

图4由单个N型金属氧化物半导体场效应晶体管构成的变容管的电容-电压特性曲线（N型金属氧化物半导体场效应晶体管取0.13μm工艺中的最小尺寸）。

图5数控振荡器拓扑结构。

图6数字控制粗调谐电容阵列的单元结构。

图7数字控制中等调谐电容阵列的单元结构列。

图8数字控制精细调谐电容阵列的单元结构。

图9精细调谐曲线（3087MHz频点附近）。

图中标号：501为数字控制粗调谐电容阵列；502为数字控制中等调谐电容阵列，503为数字控制精细调谐电容阵列。

具体实施方式

如图1所示，是由单个P型金属氧化物半导体场效应晶体管构成的变容管。其源端和体端都连接到电源，控制电压连接到漏端，输出电容在栅端得到。

如图2所示，是由单个N型金属氧化物半导体场效应晶体管构成的变容管。其源端和体端都连接到地，控制电压连接到漏端，输出电容在栅端得到。

下面说明本发明提供的变容管的工作原理。

如图3所示，是由单个P型金属氧化物半导体场效应晶体管构成的变容管的电容-电压特性曲线（P型金属氧化物半导体场效应晶体管取0.13μm工艺中的最小尺寸）。当控制电压为1.2V、P型变容管处于图3中的区域1时，P型金属氧化物半导体场效应晶体管工作在线性区，其电容可以表示为：

其中，W和L表示金属氧化物半导体场效应晶体管的栅长和宽，C_ox表示单位面积的栅氧化层电容，C_ov表示单位宽度的交叠电容。当控制电压为0V、P型变容管处于图3中的区域1时，P型金属氧化物半导体场效应晶体管工作在饱和区，其电容可以表示为：

当P型变容管处于图3中的区域2时，无论控制电压为1.2V还是0V，P型金属氧化物半导体场效应晶体管都工作处于耗尽模式，其电容值保持在较小值。

由式（1）和（2）可知，当控制电压在高、低电平之间改变时，本发明中P型变容管的电容值台阶约为1/3*(W*L*C_ox)。两种状态的平均电容值变化量同标准变容管和反型变容管相比大大减小，从而可以提高数控振荡器的频率分辨率。