專利名稱：具有寬頻率變化范圍的電諧振器裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本文檔涉及具有寬的頻率調(diào)諧范圍或頻率變化范圍的電諧振器裝置，其例如用于 產(chǎn)生頻率和噪聲穩(wěn)定參考源，因此產(chǎn)生壓控振蕩器(VCO)。此VCO可例如用于移動(dòng)通信終端 的 發(fā)射和接收鏈。本文檔還適用于具有寬頻帶的選擇性濾波器的產(chǎn)生，其也應(yīng)用于移動(dòng)通 信系統(tǒng)中。
背景技術(shù)：
一般來(lái)說(shuō)，VCO特征在于四個(gè)參數(shù)-相位噪聲此表征振蕩器的頻譜純度。振蕩器的固有振動(dòng)以頻譜噪聲密度的形 式量化，所述譜噪聲密度在移動(dòng)遠(yuǎn)離其基本頻率時(shí)減小。以dBc/Hz表達(dá)的此譜密度的水平 是在相對(duì)于基本頻率的某一頻率差提供。良好的相位噪聲確保良好的接收靈敏度，以及良 好的調(diào)制質(zhì)量。_頻率變化范圍這是振蕩器調(diào)諧到給定頻帶中的能力。一般來(lái)說(shuō)，振蕩器預(yù)期能 涵蓋對(duì)應(yīng)于已創(chuàng)建系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)的所有頻帶。在頻帶彼此接近的多標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)的情形下，大的 頻率變化范圍是優(yōu)點(diǎn)。-輸出功率額定值這是振蕩器產(chǎn)生的參考信號(hào)的功率電平。其電平越高，其相位 噪聲越有效，且其與系統(tǒng)的其它塊的接合越簡(jiǎn)單。-消耗這是VCO操作所需的持續(xù)功率。其與系統(tǒng)中可用的DC電壓有關(guān)。在技術(shù) 致密化的情況下，電源電壓正在減小，其相當(dāng)大地限制了振蕩器提供功率的能力。這四個(gè)參數(shù)的優(yōu)化大體上是基于若干折衷。因此，VCO的相位噪聲的改善損害頻 率變化范圍和消耗。此外，高輸出功率電平增加VCO的消耗。一般來(lái)說(shuō)，VCO依據(jù)為其設(shè)計(jì) 的發(fā)射/接收系統(tǒng)的特定特征而具有基于這些約束中的一個(gè)或多個(gè)的優(yōu)化性能。為了比較 VCO的性能，存在使各種約束聯(lián)系的數(shù)學(xué)指示符品質(zhì)因數(shù)。品質(zhì)因數(shù)越高，可認(rèn)為VCO越 有效。為制成VC0，使例如通過(guò)串聯(lián)或并聯(lián)連接到負(fù)電阻器的RLC電路(電阻器+電感+ 電容器)而模型化的諧振器關(guān)聯(lián)到額外的復(fù)阻抗元件，其修改VCO的諧振條件以適合于命 令。負(fù)電阻器意味著一電組件，其至少在某一范圍內(nèi)的行為使得在施加到其端子的電壓增 加時(shí)通過(guò)其的電流下降。復(fù)阻抗元件例如為例如用變?nèi)荻O管獲得的可變電容，或可變電 感性元件。如此產(chǎn)生的VCO的相位噪聲首先取決于諧振器和可變復(fù)阻抗元件的質(zhì)量系數(shù)的 關(guān)聯(lián)，其次取決于用以產(chǎn)生諧振器的負(fù)電阻器的晶體管專有的噪聲。為了改善RF系統(tǒng)(尤其為數(shù)字系統(tǒng))中的VCO的振蕩器的穩(wěn)定性，一種技術(shù)是使集成VCO具備例如FBAR類型(薄膜體聲波諧振器)的BAW諧振器(體聲波)，或關(guān)聯(lián)到電 壓可控的可變復(fù)阻抗元件的SAW諧振器(表面聲波)。因此可能滿足與當(dāng)前移動(dòng)通信系統(tǒng) 兼容的尤其在高操作頻率下的穩(wěn)定性、相位噪聲和功率消耗的高約束例如BAW或SAW等具有高質(zhì)量系數(shù)的諧振器具有在彼此接近的兩個(gè)頻率下具有突 出值的阻抗串聯(lián)諧振頻率，在所述頻率下諧振器的阻抗最低，以及反諧振頻率，在所述頻 率下諧振器的阻抗最高。具備BAW或SAW諧振器的VCO的可變復(fù)阻抗元件準(zhǔn)許VCO的諧振 或反諧振頻率變化。在移動(dòng)通信系統(tǒng)中，VCO的典型頻率變化范圍達(dá)到約5%。此外，維持良好質(zhì)量系 數(shù)是基本的，因?yàn)槠涫紫壬婕坝诠δ艿南辔辉肼曋小?006年10月的IEEE固態(tài)電路期刊第 41期第10號(hào)K.B. Ostman等人的公開案“使用串聯(lián)IC上方FBAR和并聯(lián)LC諧振的新穎的 VCO架構(gòu)”描述了具備BAW諧振器的VC0。即使此電路具有優(yōu)良的相位噪聲和可接受的頻率 變化范圍，其由于向BAW諧振器添加串聯(lián)元件而引起的串聯(lián)上的電阻性損失的增加而具有 高消耗。而且，此VCO的品質(zhì)因數(shù)受到BAW諧振器的固有性質(zhì)的限制，其相當(dāng)大地限制VCO 的頻率變化范圍。舉例來(lái)說(shuō)，對(duì)于在接收中使用60MHz到2. 14GHZ的頻帶的UMTS標(biāo)準(zhǔn)，與 具有高質(zhì)量系數(shù)的諧振器一起操作的集成VCO均不能滿足針對(duì)使用這些寬頻帶的數(shù)字移 動(dòng)通信系統(tǒng)的頻率變化范圍約束。用于這些應(yīng)用的集成VCO因此當(dāng)前在具有小于10的質(zhì) 量系數(shù)的集成諧振器的輔助下操作。BAff或SAW類型的高質(zhì)量系數(shù)諧振器還用于產(chǎn)生用于移動(dòng)通信裝置的多標(biāo)準(zhǔn)發(fā)射 和/或接收架構(gòu)中的濾波器。這些濾波器例如由一個(gè)或若干耦合的諧振器制成，其中此耦 合可為串聯(lián)和/或并聯(lián)以獲得梯式濾波器或格型濾波器。然而，這些濾波器難以覆蓋所需頻率范圍，尤其對(duì)于移動(dòng)通信系統(tǒng)。

發(fā)明內(nèi)容
因此需要提出一種電諧振器裝置，其不具有現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，即其歸功于高質(zhì)量 系數(shù)諧振器而具有良好質(zhì)量系數(shù)，同時(shí)提供寬頻率變化范圍。為實(shí)現(xiàn)此目的，一個(gè)實(shí)施例提出一種電諧振器裝置，其能夠在可變頻率ω下操作 或在可變頻率ω下操作，所述電諧振器裝置至少包括_聲波諧振器，_第一電路，其并聯(lián)耦合到所述諧振器，且具有正的且可調(diào)節(jié)的電容，-第二電路，其并聯(lián)耦合到所述諧振器和所述第一電路，且具有嚴(yán)格為負(fù)的電容。一個(gè)實(shí)施例還提出一種電諧振器裝置，其能夠在可變頻率ω下操作或在可變頻 率ω下操作，所述電諧振器裝置至少包括_聲波諧振器，-第一電路，其并聯(lián)耦合到所述諧振器，且具有虛部等于;^的可調(diào)節(jié)復(fù)阻抗，其
L1OJ
中 C1 > 0，-第二電路，其并聯(lián)耦合到所述諧振器和所述第一電路，且具有虛部等于3的復(fù)阻抗，其中C2 <0，ω為所述裝置的諧振頻率或操作頻率。ω對(duì)應(yīng)于所述電裝置的操作頻率。舉例來(lái)說(shuō)，當(dāng)電諧振器裝置為壓控振蕩器時(shí)，操 作頻率的值取決于施加到振蕩器的控制電壓的值。因此，歸功于具有嚴(yán)格為負(fù)的電容和電容性行為的第二電路，無(wú)論裝置的操作頻 率如何，裝置的反諧振頻率均移動(dòng)到高于聲波諧振器的自然反諧振頻率的頻率，而不改變 其串聯(lián)諧振頻率。換句話說(shuō)，可能增加聲波諧振器的機(jī)電耦合，且因此增加裝置的頻率變化 范圍。因此裝置在寬頻率范圍上起作用。根據(jù)此實(shí)施例，可能產(chǎn)生具有串聯(lián)諧振頻率和反諧振頻率的振蕩布置，例如壓控 振蕩器或?yàn)V波器，其包括聲波諧振器、具有實(shí)部可為負(fù)且虛部等效于負(fù)電容的復(fù)阻抗的電 子功能、以及正可變電容。此振蕩布置準(zhǔn)許例如產(chǎn)生壓控振蕩器，其相位噪聲主要由聲波諧 振器的高質(zhì)量決定，且其頻率變化范圍顯著高于使用一諧振器例如RLC諧振器獲得的變化 范圍。此振蕩布置還準(zhǔn)許產(chǎn)生濾波器，其過(guò)濾比已知濾波器寬的頻帶，而不會(huì)使濾波器的插 入損失和抑制降級(jí)。耦合到聲波諧振器的虛部等于 (其中C2 < 0)的復(fù)阻抗的存在或?yàn)樨?fù)的電容 K^y 2 ^^
使裝置的頻率變化范圍相對(duì)于已知裝置(例如VC0)增加約4到5倍之間。此外，此實(shí)施例準(zhǔn)許獲得具有低相位噪聲的寬頻率調(diào)諧范圍的VC0，且得益于以并 聯(lián)耦合的聲波諧振器的質(zhì)量系數(shù)增加的可變電容的質(zhì)量系數(shù)，其中調(diào)諧頻率可對(duì)應(yīng)于VCO 的反諧振頻率。最終，通過(guò)在反諧振頻率下操作，如此產(chǎn)生的VCO維持低消耗，同時(shí)維持低相位噪聲。電裝置且尤其是第二電路可以由小尺寸組件制成，因此使得能夠?qū)崿F(xiàn)完全集成的 例如VCO等電裝置，其例如以微電子技術(shù)實(shí)現(xiàn)，即具有微米尺寸。第二電路具有電容性行為，無(wú)論裝置的操作頻率如何。事實(shí)上，與具有正虛部且在 操作頻率增加期間在Smith列線圖上繪制時(shí)根據(jù)順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)的正電感的阻抗相反，負(fù) 電容的阻抗具有正虛部，但在操作頻率增加期間在Smith列線圖上繪制時(shí)根據(jù)逆時(shí)針?lè)较?轉(zhuǎn)動(dòng)。雖然對(duì)于給定操作頻率，正電感值存在，使得阻抗的位置(在Smith列線圖上)對(duì) 應(yīng)于負(fù)電容的阻抗的位置，獲得此電感的限制比獲得對(duì)應(yīng)負(fù)電容重要得多。舉例來(lái)說(shuō)，對(duì)于 例如等于IOOMHz左右的低操作頻率，-IpF的電容具有對(duì)應(yīng)于2. 5μ H的電感的阻抗，其無(wú) 法以集成方式實(shí)現(xiàn)。而且，負(fù)電容的阻抗的衍生物不同于電感的衍生物。與電感相反，具有虛部等于的復(fù)阻抗(其中C2<0)即具有負(fù)電容的第二電路
L 2①
使得能夠-在裝置的低頻率操作期間不使聲波諧振器短路，且因此保持組件性質(zhì)與直流循 環(huán)相反；_呈現(xiàn)良好品質(zhì)因數(shù)。
第二電路可進(jìn)一步具有嚴(yán)格為負(fù)的電阻器。第二電路的復(fù)阻抗可包括值嚴(yán)格為負(fù)的實(shí)部。第二電路可包括耦合到電感性組件的多個(gè)場(chǎng)效應(yīng)晶體管。第一電路可包括變?nèi)荻O管類型的至少一個(gè)二極管或至少一個(gè)開關(guān)電容。所述諧振器可為體聲波或表面聲波類型。所述裝置可進(jìn)一步包括第三電路， 所述第三電路并聯(lián)耦合到所述諧振器、所述第 一和第二電路，且具有負(fù)電阻器或?qū)嵅烤哂袊?yán)格負(fù)值的復(fù)阻抗。所述第三電路可包括由至少兩個(gè)場(chǎng)效應(yīng)晶體管形成的至少一個(gè)差分對(duì)。本文檔還涉及一種包括例如上文所述的至少一個(gè)裝置的壓控振蕩器(VCO)。本文檔還涉及一種具有例如先前所述的至少一個(gè)裝置的電子濾波器。


在參考附圖閱讀了僅以說(shuō)明而非限制的方式提供的實(shí)施例的描述之后將更好地 理解本發(fā)明，其中-圖1表示根據(jù)一個(gè)特定實(shí)施例的壓控振蕩器；-圖2表示壓控振蕩器的第二電路的實(shí)施例；-圖3表示圖2所示的第二電路的等效電路；-圖4表示由壓控振蕩器使用的聲諧振器的首先模型化的等效電路；-圖5表示在與具有虛部等于 的復(fù)阻抗(其中C2< 0)的電路耦合或不耦合 的情況下根據(jù)諧振器的頻率的聲諧振器的阻抗的演進(jìn)的曲線圖。下文描述的不同圖的相同、相似或等效部分帶有相同的數(shù)字參考，以便促進(jìn)從一 個(gè)圖到另一圖的傳遞。圖中所示的不同部分不一定按均一比例繪制，以便使圖更容易閱讀。應(yīng)了解，不同的可能性(變體和實(shí)施例)彼此不排斥且可組合。
具體實(shí)施例方式首先參看圖1，其表示根據(jù)一個(gè)特定實(shí)施例的壓控振蕩器(VCO) 100的一個(gè)實(shí)例。VCO 100具備具有高質(zhì)量系數(shù)(例如在約500與1500之間)的諧振器101。在關(guān) 于圖1描述的實(shí)施例中，諧振器101為體聲波類型(BAW)。VCO 100進(jìn)一步包括第一電路，其具有正可變電容，即具有虛部等于 的可調(diào)節(jié)
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復(fù)阻抗，其中C1彡0且ω為VCO 100的諧振頻率，即，VCO 100的操作頻率。此第一電路在 此處由相對(duì)于彼此串聯(lián)耦合的變抗器或變?nèi)荻O管類型的一對(duì)二極管108、110形成。此第 一電路與諧振器101并聯(lián)耦合。定位于兩個(gè)二極管108、110之間的命令輸入112允許將命 令電壓施加到兩個(gè)二極管108、110，其中電容的值(即，由兩個(gè)二極管108、110呈現(xiàn)的復(fù)阻 抗的虛部的值)是根據(jù)此命令電壓的值界定。VCO 100還包括第二電路114，其具有嚴(yán)格為負(fù)的電容，即具有虛部等于 的復(fù)阻抗，其中C2 < O。此第二電路114還與二極管108、110和諧振器101并聯(lián)耦合。VCOlOO 的電源電壓Vdd進(jìn)一步施加到第二電路114。最終，VCO 100包括并聯(lián)耦合到諧振器101、第一電路108、110以及第二電路114 的第三電路119，其向VCO 100的其它元件呈現(xiàn)負(fù)電阻器，即實(shí)部具有嚴(yán)格負(fù)值的復(fù)阻抗。 在圖1中的實(shí)例中，此第三電路119包括由差分安裝的MOS類型的兩個(gè)場(chǎng)效應(yīng)晶體管102、 104形成的差分對(duì)。第三電路119還包括電容器103，以及兩個(gè)電流極化源105。電容器103 確保差分對(duì)在低頻下具有小于1的增益，因此避免其由于對(duì)其連續(xù)頻率的正反應(yīng)作用而表 現(xiàn)為類似于開關(guān)，且因此避免差分對(duì)阻塞。
圖2中展示第二電路114的一個(gè)實(shí)施例。此第二電路114包括彼此相同的兩個(gè)晶 體管MOS 113a，以及也彼此相同的兩個(gè)其它晶體管MOS 113b。這四個(gè)晶體管由兩個(gè)電流源 115極化。第二電路114進(jìn)一步包括具有值L的電感117。最終，輸入118準(zhǔn)許第二電路 114并聯(lián)耦合到VCO 100的其它元件。圖3中展示第二電路114的等效電路。此等效電路包括第一電阻性元件120，其電 阻器等于晶體管113a的漏極-源極電阻器Rdsl。此第一電阻性元件120并聯(lián)耦合到第一 電容性元件122，其電容等效于晶體管113b的柵極-源極電容Cgs2。第一電容性元件122 并聯(lián)耦合到彼此串聯(lián)耦合的三個(gè)其它元件-第二電阻性元件124具有等于-l/(gm2Rds2)的負(fù)電阻器，其中g(shù)m為晶體管113a 和113b的跨導(dǎo)，且Rds2是晶體管113b的漏極-源極電阻器，-具有等于-Cgsl/gm2的值的電感性元件126，其中Cgsl在此處是晶體管113a的 柵極-源極電容，-具有等于-L.gm2的負(fù)電容的第二電容性元件128。因此可見，第二電路114的復(fù)阻抗尤其由等于-l/(gm2Rds2)的負(fù)實(shí)部和等于
權(quán)利要求
一種電諧振器裝置，其能夠在可變頻率ω下操作，其特征在于，所述電諧振器裝置至少包括聲波諧振器，第一電路，其并聯(lián)耦合到所述諧振器，且具有虛部等于 的可調(diào)節(jié)復(fù)阻抗，其中C1≥0，第二電路，其并聯(lián)耦合到所述諧振器和所述第一電路，且具有虛部等于 的復(fù)阻抗，其中C2＜0，ω為所述裝置的操作頻率。dest_path_FSB00000282413900011.tif,dest_path_FSB00000282413900012.tif
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述第二電路的所述復(fù)阻抗包括值嚴(yán)格 為負(fù)的實(shí)部。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述第二電路包括耦合到電感性組件的 多個(gè)場(chǎng)效應(yīng)晶體管。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述第一電路包括變?nèi)荻O管類型的至少一個(gè)二極管。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述第一電路包括至少一個(gè)開關(guān)電容。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述諧振器為體聲波或表面聲波類型。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，其進(jìn)一步包括第三電路，所述第三電路并 聯(lián)耦合到所述諧振器、所述第一和所述第二電路，且具有實(shí)部具有嚴(yán)格負(fù)值的復(fù)阻抗。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的裝置，其特征在于，所述第三電路包括由至少兩個(gè)場(chǎng)效應(yīng)晶 體管形成的至少一個(gè)差分對(duì)。
9.一種至少包括根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置的壓控振蕩器。
10.一種至少包括根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置的電子濾波器。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種電諧振器裝置，其能夠在可變頻率ω下操作，所述電諧振器裝置至少包括聲波諧振器；第一電路，其并聯(lián)耦合到所述諧振器，且具有虛部等于的可調(diào)節(jié)復(fù)阻抗，其中C1≤0；第二電路，其并聯(lián)耦合到所述諧振器和所述第一電路，且具有虛部等于的復(fù)阻抗，其中C2＜0，ω為所述裝置的操作頻率。
文檔編號(hào)H03H9/64GK101971484SQ200980102347
公開日2011年2月9日 申請(qǐng)日期2009年1月16日 優(yōu)先權(quán)日2008年1月18日
發(fā)明者皮埃爾·文森特, 讓-巴普蒂斯特·大衛(wèi) 申請(qǐng)人:法國(guó)原子能和替代能源委員會(huì)