專利名稱：一種線性電壓控制晶體振蕩器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于半導(dǎo)體領(lǐng)域，具體涉及一種線性電壓控制晶體振蕩器。
背景技術(shù)：
通信技術(shù)在過去的幾年里得到了極大的發(fā)展。越來越被廣泛應(yīng)用的數(shù)字調(diào)制技術(shù)，例如時(shí)分多址(TDMA)和碼分多址(CDMA)等。隨著信息傳輸密度的增加而對(duì)降低載波間距和減小調(diào)制帶寬提出了更高的要求，因此通信系統(tǒng)中的參考振蕩器的頻率穩(wěn)定性和精準(zhǔn)度就變得越來越重要。壓控晶體振蕩器(VCXO)廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代通信領(lǐng)域中，VQCO的頻率或者相位必須與系統(tǒng)的外部時(shí)鐘相匹配。最常見的例子就是數(shù)據(jù)接收器。數(shù)據(jù)由發(fā)送器的時(shí)鐘按一定的比率編碼后通過導(dǎo)線、光纖、或者無線的渠道進(jìn)行發(fā)送，接收器只有在設(shè)定與發(fā)送器相同的比率與正確的相位后才能正確的解析出數(shù)據(jù)，否則通信將會(huì)中斷。要能夠正確的接收數(shù)據(jù)，接收器必須調(diào)整其時(shí)鐘與發(fā)送器的時(shí)鐘相匹配。接收器會(huì)用自己的時(shí)鐘與接收到的信號(hào)中的嵌入的時(shí)鐘相比較，如果有誤差，則進(jìn)行微調(diào)或者“拉”頻率。常用的接收器利用石英晶體來產(chǎn)生自己的時(shí)鐘，石英晶體接變?nèi)荻O管做負(fù)載電容，通過施加一個(gè)模擬電壓到變?nèi)荻O管來控制時(shí)鐘。改變?cè)撃M電壓就會(huì)改變晶體的負(fù)載電容，從而對(duì)頻率進(jìn)行微調(diào)。晶體振蕩器振蕩在其諧振頻率上，該諧振頻率的值取決于晶體的物理尺寸與切角方向。晶體振蕩器的一個(gè)重要性質(zhì)是它擁有非常高的品質(zhì)因數(shù)Q，這意味著它的振蕩頻率被嚴(yán)格控制，可變化范圍很小。壓控晶體振蕩器(VCX0)，顧名思義，即在傳統(tǒng)的晶體振蕩器基礎(chǔ)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(shí)上，一個(gè)壓控晶體振蕩器的頻率最多能被改變幾百PPM。這種狹小的牽引范圍是晶體振蕩器的一個(gè)重要優(yōu)點(diǎn)。例如，在一個(gè)振蕩器必須跟隨外部已知頻率的系統(tǒng)中，可以使用具有相同標(biāo)稱頻率的壓控晶體振蕩器。這兩個(gè)頻率的初始誤差很小(由于晶體振蕩器只能改變幾百PPM)，系統(tǒng)也不會(huì)鎖定系統(tǒng)外部時(shí)鐘的諧波上，因?yàn)閂CXO的牽引范圍小所以并不能產(chǎn)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(huì)帶來很小的頻率變化)，這一點(diǎn)對(duì)于VCXO應(yīng)用于大型的反饋回路控制系統(tǒng)是很有用的。圖1為一個(gè)典型的晶體振蕩器電路。反相器作為增益級(jí)，提供能量使晶體起振并保持振蕩。電阻Rfb是用作反饋到反相器時(shí)使其在增益區(qū)偏置。電容Cg 和Cd作為晶體的負(fù)載。該電路形成一個(gè)諧振振蕩器，振蕩頻率由晶體決定。每顆晶體都會(huì)由制造商標(biāo)明其恰好振蕩在fo的負(fù)載電容。當(dāng)減少負(fù)載電容，晶體振蕩頻率會(huì)相應(yīng)變高； 當(dāng)增加負(fù)載電容，晶體振蕩頻率會(huì)相應(yīng)變低。此屬性已被應(yīng)用于傳統(tǒng)的壓控晶體振蕩電路。 圖2為一個(gè)典型的壓控晶體振蕩電路。在圖1中出現(xiàn)的固定負(fù)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(diào)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(dāng)非線性的，如圖3所示，是一個(gè)典型的變?nèi)荻O管的電容與外加電壓的變化曲線(C-V曲線)。變?nèi)荻O管C-V曲線的非線性將導(dǎo)致VCXO的頻率控制曲線也是非線性的，如圖7所示。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)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(fā)明的技術(shù)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并保持振蕩的增益級(jí)，反饋到反相器使其在增益區(qū)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?nèi)荻O管陣列代替，所述變?nèi)荻O管陣列包括奇數(shù)個(gè)串聯(lián)有電容和變?nèi)荻O管的的串聯(lián)電路，偏置電壓產(chǎn)生電路產(chǎn)生的偏置電壓通過大電阻加到所述變?nèi)荻O管的一端，變?nèi)荻O管另一端與增益級(jí)相連。所述大電阻提供交流阻塞，但可以提供直流路徑，不會(huì)影響晶體振蕩器的負(fù)載電容的Q因子。所述可變電容二極管可以是AMOS變?nèi)荻O管，突變結(jié)二極管，BiCMOS或配置為二極管的NMOS和PMOS器件。進(jìn)一步的，所述變?nèi)荻O管陣列中的串聯(lián)有電容和變?nèi)荻O管的串聯(lián)電路的個(gè)數(shù)為3個(gè)、5個(gè)或7個(gè)。進(jìn)一步的，所述偏置電壓產(chǎn)生電路包括，第一 CMOS管、第二 CMOS管、基準(zhǔn)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(zhǔn)電壓模塊相連。所述可變電容二極管陣列中的線性部分是不重疊的，但適當(dāng)?shù)拈g隔可以延長整體的線性范圍。如圖5 所示的方式產(chǎn)生偏置電壓，變量二極管領(lǐng)域和偏置電壓的比例進(jìn)行調(diào)整，根據(jù)不同的IC工藝能夠在整體的可變電容二極管陣列獲得最好的擴(kuò)展線性范圍。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是
能夠明顯改善壓控晶體振蕩器頻率牽引線性度。


下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)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?nèi)荻O管的電容與電壓的曲線。圖4是應(yīng)用于本發(fā)明的VCXO的變?nèi)荻O管陣列。圖5是本發(fā)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(shí)現(xiàn)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(fā)明的實(shí)測壓控晶體振蕩器的頻率與輸入電壓的曲線。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例本發(fā)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(shí)現(xiàn)。本發(fā)明的壓控晶體振蕩器電路包括一個(gè)增益級(jí)，一個(gè)反饋電阻Rfb和兩個(gè)具有線性變化的變?nèi)荻O管陣列，這兩個(gè)變?nèi)荻O管陣列一個(gè)接在增益級(jí)的輸入端，一個(gè)接在增益級(jí)的輸出端。通過控制輸入電壓VIN控制負(fù)載電容的變化，從而實(shí)現(xiàn)晶體振蕩器的頻率控制。如圖4所示的變?nèi)荻O管陣列包括多個(gè)串聯(lián)有電阻和變?nèi)荻O管的的串聯(lián)電路，串聯(lián)電路中的變?nèi)荻O管一端與增益級(jí)相連，另一端分別與電容相連，串聯(lián)電路中的電阻與偏置電壓產(chǎn)生電路相連。本實(shí)施例中的串聯(lián)電路為3個(gè)，也可以為 5個(gè)或者7個(gè)等數(shù)量?？刂谱?nèi)荻O管的的偏置電壓可以有多種產(chǎn)生方式，本實(shí)施例中的產(chǎn)生方式如圖6所示，包括，第一 CMOS管、第二 CMOS管、基準(zhǔn)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(zhǔn)電壓模塊相連。通過圖6所述的電路產(chǎn)生偏置電壓， 控制變?nèi)荻O管。工作狀態(tài)時(shí)，只要調(diào)節(jié)Vin的大小，就可以控制本發(fā)明的線性電壓控制晶體振蕩器。工作原理如圖3所示，在現(xiàn)代IC工藝中，變?nèi)荻O管的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，雖然該范圍通常很小。如圖4所示，通過并聯(lián)多個(gè)變?nèi)荻O管，可以將C-V曲線的線性部分進(jìn)行拓展，如圖5所示。為了獲得最佳的線性度，需要根據(jù)不同的IC制程對(duì)這些變?nèi)荻O管的比例以及偏置電壓進(jìn)行調(diào)整，當(dāng)這些提升了線性度的變?nèi)荻O管加在Cg與Cd上時(shí)，VCXO的頻率電壓曲線將得到明顯的提高，如圖8所示。以上實(shí)施例僅為本發(fā)明其中的一種實(shí)施方式，其描述較為具體和詳細(xì)，但并不能因此而理解為對(duì)本發(fā)明專利范圍的限制。應(yīng)當(dāng)指出的是，對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說， 在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進(jìn)，這些都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。因此，本發(fā)明專利的保護(hù)范圍應(yīng)以所附權(quán)利要求為準(zhǔn)。
權(quán)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并保持振蕩的增益級(jí)，反饋到反相器使其在增益區(qū)偏置的反饋電阻Rfb，其特征在于，還包括兩個(gè)具有線性變化的變?nèi)荻O管陣列，所述變?nèi)荻O管陣列包括奇數(shù)個(gè)串聯(lián)有電容和變?nèi)荻O管的串聯(lián)電路，偏置電壓產(chǎn)生電路產(chǎn)生的偏置電壓通過大電阻加到所述變?nèi)荻O管的一端，變?nèi)荻O管另一端與增益級(jí)相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的線性電壓控制晶體振蕩器，其特征在于，所述變?nèi)荻O管陣列中的串聯(lián)有電容和變?nèi)荻O管的串聯(lián)電路的個(gè)數(shù)為3個(gè)、5個(gè)或7個(gè)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的線性電壓控制晶體振蕩器，其特征在于，所述偏置電壓產(chǎn)生電路包括，第一 CMOS管、第二 CMOS管、基準(zhǔn)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(zhǔn)電壓模塊相連。
全文摘要
本發(fā)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?nèi)荻O管陣列和偏置電壓發(fā)生器。這些變?nèi)荻O管大小不等，同時(shí)具有不同的偏置電壓。偏置電壓發(fā)生器則能夠產(chǎn)生分布式的偏置電壓，作用于變?nèi)荻O管上，使變?nèi)荻O管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(hào)H03B5/32GK102420569SQ201110375578
公開日2012年4月18日 申請(qǐng)日期2011年11月23日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月23日
發(fā)明者劉斌, 朱勝云, 王樹一 申請(qǐng)人:蘇州麥格芯微電子有限公司