第11期 唐长文等：一种采用开关阶跃电容的压控振荡器（下）：电路设计和实现 2183 X CW) 通过合理选择开关管的W和L尺寸，使得开关电容 品质因数Q。比片上电感品质因素Q大一些，同时 C C C 尽量保证开关管的寄生电容C比较小. C+C 开关阶跃电容的CV特性如图3(b)所示.当电 M. 压差Vx一Vm<V时，开关管未导通，沟道处在耗 OFF 尽区.如图4所示，MIM电容C,与漏极寄生电容 (a) (b) Ca串联，Mw管电容为CMos,ma.当电压差Vx一 图1开关电容(a)开关电容电路：(b)开关电容的CV特 Vci≥Vm时，开关管导通，沟道处在反型区.MIM 性 电容Ca与MOS管沟道电阻Rm串联，Mih管电容 Fig.1 Switched capacitors (a)Switched capacitor topology:(b)GV characteristic 为CMos.mx,这样开关阶跃电容的CV特性满足 CMs.mm十 C.Ca 个反型MOS管可变电容.图2(a)为两个背靠背- C.+Ca MOS可变电容，它的CV特性如图2(b)所示，可以 C(Vx-Vet)= Vx -Vetr <Vihn 近似看作为一个阶跃函数.-MOS可变电容的电容 CMs.mx十C., 可调范围为[CMOs.ma,CMs,mx],电容差为 Vx-Vcml≥Vh ACi-MOS =Ci-MOS.max -CMOS.min (2) (3) 开关阶跃电容的电容差为 CMS(V) C冰83 SCac -Cown-C+C.-CC C.+Ca =△CMs+△CsC (4) CLMS 开关阶跃电容的电容调谐范围是开关电容和 MOS可变电容两者之和.从这一点可以看出，开关 图2-MOS可变电容(a)背靠背-MOS可变电容：(b)I- 阶跃电容比一般的1-MOS可变电容具有更大的电 MOS可变电容的GV特性 容调节范围。 Fig.2 I-MOS varactors (a)Back-to-back I-MOS va- Vx-Vem<Vim Depletion MOS ractors:(b)CV characteristic C,C⊥ 2.2开关阶跃电容 C.C,I 图3(a)是一个开关阶跃电容电路.与开关电容 Vx-Va≥Vu Inversion MOS 不同的是：开关管Mh的栅极受到振荡电压Vx的 C:T 控制；开关管M.的源极不是地，而是压控电压 V.对于射频交流信号而言，压控电压Vm是一个 交流地.开关阶跃电容的优化与开关电容相同，可以 (a) (b) C 图4开关阶跃电容的等效电路(a)开关阶跃电容：(b)等效 CI-MOS+Co 电路 CC Fig.4 Equivalent circuit of a switched step capacitor C C+C (a)Switched step capacitor;(b)Equivalent circuit Vx-Von 将背靠背的两个开关阶跃电容的等效电路进行 (a) (b) 串联，实现图5中的两种差分结构，其中节点X和 图3开关阶跃电容(a)开关阶跃电容电路：(b)开关阶跃 Y分别接到振荡器的差分片上电感的两个节点.图 电容CV特性 5(a)中的开关阶跃电容等效电路称为直接型结构， Fig.3 Switched step capacitors (a)Switched step 振荡电压波形控制同一侧的可变电容的电容值：图 capacitor;(b)GV characteristic 5(b)中的开关阶跃电容等效电路称为交叉型结构，第<<期 唐长文等! 一种采用开关阶跃电容的压控振荡器"下#!电路设计和实现 图< 开关电容 "$#开关电容电路$"2#开关电容的6RS 特 性 S’(d< 68’-,)+H,$7$,’-/.5 "$#68’-,)+H,$7$,’-/. -/7/"/(3$"2#6RS,)$.$,-+.’5-’, 个反型 1X6管可变电容d图I"$#为两个背靠背PQ 1X6可变电容%它的6RS 特性如图I"2#所示%可以 近似看作为一个阶跃函数dPQ1X6可变电容的电容 可调范围为&6PQ1X6%9’0%6PQ1X6%9$:’%电容差为 ,6PQ1X6 X6PQ1X6%9$: Z6QR1X6%9’0 "I# 图I PQ1X6可变电容 "$#背靠背PQ1X6可变电容$"2#PQ 1X6可变电容的6RS 特性 S’(dI PQ1X6M$.$,-/.5 "$#N$,\Q-/Q2$,\PQ1X6M$Q .$,-/.5$"2#6RS,)$.$,-+.’5-’, +d+ 开关阶跃电容 图U"$#是一个开关阶跃电容电路d与开关电容 不同的是!开关管 158’-,)的栅极受到振荡电压S@ 的 控制$开关 管 158’-,)的 源 极 不 是 地%而 是 压 控 电 压 S,-."d对于射频交流信号而言%压控电压S,-."是一个 交流地d开关阶跃电容的优化与开关电容相同%可以 图U 开关阶跃电容 "$#开关阶跃电容电路$"2#开关阶跃 电容6RS 特性 S’(dU 68’-,)+H5-+7,$7$,’-/.5 "$#68’-,)+H5-+7 ,$7$,’-/.$"2#6RS,)$.$,-+.’5-’, 通过合理选择开关管的< 和% 尺寸%使得开关电容 品质因数 ., 比片上电感品质因素 .< 大一些%同时 尽量保证开关管的寄生电容6H 比较小d 开关阶跃电容的6RS 特性如图U"2#所示d当电 压差S@‘S,-."’S-)0时%开关管未导通%沟道处在耗 尽区d如图J所示%1P1 电容 6$ 与漏极寄生电容 6H 串联%158’-,)管电容为 6PQ1X6%9’0d当电压差S@ ‘ S,-."3S-)0时%开关管导通%沟道处在反型区d1P1 电容6$ 与 1X6管沟道电阻G/0串联%158’-,)管电容 为6PQ1X6%9$:d这样开关阶跃电容的6RS 特性满足 6"S@ ZS,-.<#X 6PQ1X6%9’0 Y 6$6H 6$ Y6H % S@ ZS,-.< ’S-)0 6PQ1X6%9$: Y6$% S@ ZS,-.< 3S . / 0 -)0 "U# 开关阶跃电容的电容差为 ,666F X6PQ1X6%9$: Z6PQ1X6%9’0 Y6$ Z 6$6H 6$ Y6H X ,6QR1X6 Y,66F "J# 开关阶跃电容的电容调谐范围是开关电容和PQ 1X6可变电容两者之和d从这一点可以看出%开关 阶跃电容比一般的PQ1X6可变电容具有更大的电 容调节范围d 图J 开关阶跃电容的等效电路 "$#开关阶跃电容$"2#等效 电路 S’(dJ *VD’M$"+0-,’.,D’-/;$58’-,)+H5-+7,$7$,’-/. "$#68’-,)+H5-+7,$7$,’-/.$"2#*VD’M$"+0-,’.,D’- 将背靠背的两个开关阶跃电容的等效电路进行 串联%实现图T中的两种差分结构%其中节点 @ 和 E 分别接到振荡器的差分片上电感的两个节点d图 T"$#中的开关阶跃电容等效电路称为直接型结构% 振荡电压波形控制同一侧的可变电容的电容值$图 T"2#中的开关阶跃电容等效电路称为交叉型结构% I<YU