第5期 袁路等：一种低调谐增益变化的宽带电感电容压控振荡器 1005 L 0000 2( 图3开关电感宽带压控振荡器 Fig.3 Wideband VCO with switched inductor 窄带振荡器，在不增大调谐增益的条件下拓宽了频率范 围. 常见的划分子频带的方式有以下几种：最简单的方 图4二进制权重开关电容阵列压控振荡器 式是将工作在不同频段的几个窄带振荡器连接起来，使 Fig.4 Wideband VCO with a switched capacitor array 其输出到同一个节点.这种电路设计简单，但面积大，功 耗高，相当于几个振荡器的总和，现在已很少采用.第二 种方式是通过数字信号来控制并联谐振电感值[，通过 来减小调谐增益及其变化，调谐电压也采用了差分结 构.整个宽带压控振荡器的电路结构如图5所示. 开关电感来切换不同的子频带（见图3）.但这种方式由 由于MOS管可变电容本身就可以当作开关电容来 于需要多个片上电感，面积较大，而且电感感值不易精 使用，因此开关电容阵列直接采用了反型MOS管可变 准.第三种方式则是采用开关电容阵列，通过数字信号 电容(inversion MOS varactor)加上数字控制信号来实 来控制谐振电容值的变化（见图4）.利用二进制权重的 现，这样避免了开关电容阵列的设计.开关电容阵列利 电容阵列可以保证覆盖所需要的频率，且结构简单，因 用4位数字控制信号将整个频率范围划分成16根子频 此现在被广泛采用2.] 带.为了保证每两根相邻子频带的频率间距相同，开关 还有一种减小调谐增益的方法则是利用差分调谐 电容阵列没有采用二进制权重编码方式，而是设计了 电压[町.不同于单调谐电压的振荡器，差分调谐电压的 振荡器具有两个压控电压输入端，压控电压的范围比单 15个子单元，子单元开关电容的大小比例为a1C。: 控制电压大一倍，调谐增益也减小一半.这种方法要求 a2C.:agC。:…:a1sCa.当振荡器工作在最高频率的 子频带时，所有开关全部打开，随着开关依次闭合，谐振 振荡器内部结构乃至提供控制电压的电荷泵都为差分 电容越来越大，振荡器的工作频率会逐渐降低 结构. 可变电容阵列单元利用数字信号开关将可变电容 上述方法虽然都能够有效减小最大调谐增益，但调 与差分压控电压(Vp,Vun)连接，当开关闭合时，压控 谐增益仍然会随谐振电容改变.为了解决第二个问题， 电压可以控制可变电容，而开关打开时，压控电压被隔 本文设计了一个开关可变电容阵列，让可变电容的大小 断，可变电容固定在最小值.可变电容阵列的编码方式 变为可调.这样(3)式中的B不再为常数值，而是随振 与开关电容阵列相同.假设可变电容子单元的大小比例 荡频率向A相反的方向变化，达到减小调谐增益变化 为BC:B2Cv:C,:…:BCv.则从最高频率开始第 幅度的目的. n(n=1,2,…,16)根子频带的最高振荡频率∫m.max与 4 最低振荡频率∫m,mn可以表示为： 压控振荡器电路结构 f=[4n LCln.min (8) 本设计利用了开关电容阵列和开关可变电容阵列 f=[4LC 其中 Col.m,mia=Cp+(a1+…+am-1)C.+(1+月+…+B5)Cv.mim (9) Col..mx=Cp+(a1+…+an-1)Ca+(1+B+…+Bm-1)Cv.ax+(Bn+…+B5)C,min第５期 袁 路等： 一种低调谐增益变化的宽带电感电容压控振荡器 图３ 开关电感宽带压控振荡器 犉犻犵．３ 犠犻犱犲犫犪狀犱犞犆犗狑犻狋犺狊狑犻狋犮犺犲犱犻狀犱狌犮狋狅狉 窄带振荡器，在不增大调谐增益的条件下拓宽了频率范 围． 常见的划分子频带的方式有以下几种：最简单的方 式是将工作在不同频段的几个窄带振荡器连接起来，使 其输出到同一个节点．这种电路设计简单，但面积大，功 耗高，相当于几个振荡器的总和，现在已很少采用．第二 种方式是通过数字信号来控制并联谐振电感值［８］，通过 开关电感来切换不同的子频带（见图３）．但这种方式由 于需要多个片上电感，面积较大，而且电感感值不易精 准．第三种方式则是采用开关电容阵列，通过数字信号 来控制谐振电容值的变化（见图４）．利用二进制权重的 电容阵列可以保证覆盖所需要的频率，且结构简单，因 此现在被广泛采用［２，３］ ． 还有一种减小调谐增益的方法则是利用差分调谐 电压［９］ ．不同于单调谐电压的振荡器，差分调谐电压的 振荡器具有两个压控电压输入端，压控电压的范围比单 控制电压大一倍，调谐增益也减小一半．这种方法要求 振荡器内部结构乃至提供控制电压的电荷泵都为差分 结构． 上述方法虽然都能够有效减小最大调谐增益，但调 谐增益仍然会随谐振电容改变．为了解决第二个问题， 本文设计了一个开关可变电容阵列，让可变电容的大小 变为可调．这样（３）式中的 犅 不再为常数值，而是随振 荡频率向 犃 相反的方向变化，达到减小调谐增益变化 幅度的目的． ４ 压控振荡器电路结构 本设计利用了开关电容阵列和开关可变电容阵列 图４ 二进制权重开关电容阵列压控振荡器 犉犻犵．４ 犠犻犱犲犫犪狀犱犞犆犗狑犻狋犺犪狊狑犻狋犮犺犲犱犮犪狆犪犮犻狋狅狉犪狉狉犪狔 来减小调谐增益及其变化，调谐电压也采用了差分结 构．整个宽带压控振荡器的电路结构如图５所示． 由于 犕犗犛管可变电容本身就可以当作开关电容来 使用，因此开关电容阵列直接采用了反型 犕犗犛管可变 电容（犻狀狏犲狉狊犻狅狀犕犗犛狏犪狉犪犮狋狅狉）加上数字控制信号来实 现，这样避免了开关电容阵列的设计．开关电容阵列利 用４位数字控制信号将整个频率范围划分成１６根子频 带．为了保证每两根相邻子频带的频率间距相同，开关 电容阵列没有采用二进制权重编码方式，而是设计了 １５个 子 单 元，子 单 元 开 关 电 容 的 大 小 比 例 为α１犆犪 ∶ α２犆犪∶α３犆犪∶…∶α１５犆犪．当振荡器工作在最高频率的 子频带时，所有开关全部打开，随着开关依次闭合，谐振 电容越来越大，振荡器的工作频率会逐渐降低． 可变电容阵列单元利用数字信号开关将可变电容 与差分压控电压（犞犮狋狉犾狆，犞犮狋狉犾狀）连接，当开关闭合时，压控 电压可以控制可变电容，而开关打开时，压控电压被隔 断，可变电容固定在最小值．可变电容阵列的编码方式 与开关电容阵列相同．假设可变电容子单元的大小比例 为β１犆狏：β２犆狏：β３犆狏∶…∶β１５犆狏．则从最高频率开始第 狀 （狀＝１，２，…，１６）根子频带的最高振荡频率犳狀，犿犪狓与 最低振荡频率犳狀，犿犻狀可以表示为： 犳狀，犿犪狓 ＝ ［４π２ 犔犆狋狅犾，狀，犿犻狀］－１／２ 犳狀，犿犻狀 ＝ ［４π ｛ ２ 犔犆狋狅犾，狀，犿犪狓］－１／２ （８） 其中 犆狋狅犾，狀，犿犻狀＝犆狆＋（α１＋…＋α狀－１）犆犪＋（１＋β１＋…＋β１５）犆狏，犿犻狀 ｛犆狋狅犾，狀，犿犪狓＝犆狆＋（α１＋…＋α狀－１）犆犪＋（１＋β１＋…＋β狀－１）犆狏，犿犪狓＋（β狀 ＋…＋β１５）犆狏，犿犻狀 （９） １００５